Vermogenselektronica event 2014
Voedingssysteem voor hybride magneet van 45 T L. van Lieshout Imtech Power Conversion
Imtech Power Conversion
1
Onderwerpen - 45 T hybride magneet voedingssysteem Radboud Universiteit - Bestaande voeding opgeboord naar 22 MW voor 38 T magneet - Hybride magneet en magnetische koppeling / gevolgen daarvan - Overzichtstekening stroombron 20 kA en eigenschappen - Middelpuntsschakeling voor 10 kA en lay-out 12-puls converter - DC circuit vanaf condensatorbank en energie dump circuits - Harde, vertraagde harde en zachte stop 22 MW voeding; gevolgen - Foto’s diverse aanzichten van 20 kA stroombron
Imtech Power Conversion
2
HFML Experiment bij 45 T met hybride magneet Fundamenteel onderzoek naar materie in hoge magneetvelden. Koeling magneetsysteem met water en vloeibaar Helium (cryostaat) Experiment: materie wordt in een hoog magneetveld (45 T) nader onderzocht naar zwakke magnetische eigenschappen 22 MW thyristor converter van 40 kA bij 550 V voor resistieve magneet. Plus 20 kA stroombron bij slechts10 Vdc voor supergeleidende magneet.
Imtech Power Conversion
3
Originele 20 MW voeding opgeboord naar 22 MW
§ Spanningsreserve ±10% in gelijkrichtertransformatoren uitgenut § 50 kV/10 kV voedende trafo regelt belaste netspanning bij.
Imtech Power Conversion
4
Watergekoelde Resistieve Magneet 38 T
Wereldrecordhouder magnetisch veld resistieve magneet is Radboud Universiteit Nijmegen HFML met 38 T
Imtech Power Conversion
5
Hybride magneet en magnetische koppeling
Voedingssysteem voor hybride magneet 45 T: magnetische koppeling tussen binnen- en buitenmagneet heeft invloed op dynamisch gedrag stroom in vooral de SG Magneet
Imtech Power Conversion
6
Eigenschappen/gevolgen magnetische koppeling - Koppelfactor tussen magneten is 0,31, relatief zwak, maar toch - Overzetverhouding spanning binnen- : buitenmagneet is 7,3x - Voeding met de laagste spanning ziet hoogste spanningsinvloed - Een spanningsverandering van 550 V voeding komt hard door - Oppassen met stroomverandering in SuperGeleidende Magneet - SGM kan lokaal resistief worden en oververhit raken (quench) - Zorgvuldig afschakelen van 22 MW voeding bij foutcondities - Stroom SGM mag niet stijgen Imtech Power Conversion
7
In te bouwen resistieve binnenmagneet (HZB)
Er omheen te plaatsen buitenmagneet in cryostaat met He koeling in geslagen supergeleidende kabel
Binnenmagneet 2,45 mH voorbeeld HZB Berlijn. Imtech Power Conversion
8
Overzichtstekening 20 kA stroombron
=A1
=CONV
CONVERTER SYSTEM 6 PULSE UNIT 1
+1
CONVERTER TRANSFORMER
-Q1
3 3
-1T1
-1B1
-T1
-B1
VD
-1Q1
-R1
-B2
3L+
-Rd
3
3
3
-2B1 3 3
3 AC 400 V 50 Hz
PASSIVE FILTER
+
-2T1
-B3
-2Q1
-Cm -Cd
VD
+
-B2 3
VD
3
OUTPUT VOLTAGE 20 V ≅ 10 V
6 PULSE UNIT 2 +2
CONVERTER TRANSFORMER
-Q1
-B1 3
3 3
-1T1
-1B1
-T1
PASSIVE FILTER
+
VD
-1Q1
-R1
-B2
-Rd
3
3
-2B1 3 3
-2T1
-2Q1 VD
-B3
-Cm -Cd
+
3L-
-B1
DCCT 20 kA ≅ 10 V
- Hoge precisie stroomregeling voor een Super Geleidende Magneet - Gevoed vanuit het 400 V net Imtech Power Conversion
9
OUTPUT CURRENT
Eigenschappen DC stroombron 20 kA - Uitgang 20 kA bij slechts 10 V i.v.m. langzame stroomstijging - Hoge precisie en stabiliteit, lage stroomrimpel (50 ppm = 1 A) - Geregeld stroombereik vanaf 1 kA - 12-pulsige rimpelfactor voor het voedende 400 V net - Slechts verliezen dekken in voeding + DC railsysteem
Imtech Power Conversion
10
Eigenschappen middelpuntsschakeling voor 10 kA - Gelijkrichtertrafo standaard primaire - Dubbele secundaire wikkeling met elk een thyristor per fase - DC deelstromen optellen via koppeltrafo - Per trafobeen toch wisselstroom door compensatie van DC deelstromen - Relatief lage verliezen door slechts een halfgeleider in serie met belasting - 5-benige trafokern integreert koppelspoel
Imtech Power Conversion
11
Lay-out 12-puls converter
DC Railsysteem DC scheiders DCCT meetkop Thyristorframes met transformatoren, spoelen en condensatorbanken
Imtech Power Conversion
12
DC circuit vanaf condensatorbank met energiedump
Hybride magneet met Lo het supergeleidende deel
Slow dump circuit met 2 st. DCCB’s Q4, static switch Q3, en dump weerst. Rd2
Fast dump circuit met 6 st. DCCB’s Q1 en Q2, en dump weerst. Rd1
Imtech Power Conversion
13
Harde stop 22 MW voeding en fast dump
Blauwe curve: DC stroom Res Magneet afnemend naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, sprong naar nul Groen: SGM stroom naar nul Rood: Overstroom in SGM 100 A/div; 20 kA = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2
Voorbeeld harde stop van 22 MW voeding met overstroom in SGM. Imtech Power Conversion
14
Vertraagde harde stop 22 MW voeding en fast dump
Blauw spoor: DC stroom Res Magneet afnemend naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, sprong naar nul Groen: SGM stroom naar nul Rood: Geen overstroom SGM 100 A/div; 20 kA = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2
Voorbeeld harde stop met fast dump weerstand 125 mohm in serie Imtech Power Conversion
15
Vertraagde zachte stop 22 MW voeding en soft dump
Blauw spoor: DC stroom Res Magneet geregeld naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, afnemend naar nul Groen: SGM stroom afnemend Rood: Stroom in SGM dalend 100 A/div; 20 kA = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2
Voorbeeld zachte stop met soft dump weerstand 10 mohm in serie Imtech Power Conversion
16
Transformator aanzicht en thyristorbrug
Trafo met opgebouwde 3-puls thyristorbrug met vrijloopthyristor Gelijkrichtertrafo met 5- benige kern Imtech Power Conversion
17
Vervolg converter en DC railsysteem
DC smoorspoel per 6-puls onderdeel van passief filter
Imtech Power Conversion
18
Stroom meetkop van DCCT 20 kA – 25 ppm
DC schakelaars fast dump, 3 parallel voor 20 kA
Halve deel DC schakelaars; onderdeel van fast dump circuit Imtech Power Conversion
19
