CS266184B1

CS266184B1 - Wiring for pulse power of the betatron solenoid

Info

Publication number: CS266184B1
Application number: CS882444A
Authority: CS
Inventors: Lubomir Ing Pikulik
Original assignee: Pikulik Lubomir
Priority date: 1988-04-09
Filing date: 1988-04-09
Publication date: 1989-12-13
Also published as: CS244488A1

Abstract

Výhody tohoto řešení spočívají především v tom, že umožňuje zvýšit střední hodnotu zářivého výkonu urychlovače a snížit tepelné ztráty v elektromagnetu betatronu. Proud elektromagnetu lze dobře stabilizovat a lze jednoduše řídit jeho velikost. Mezi proudovými pulsy elektromagnetu lze vytvářet časové prodlevy pro potlačení parazitních kmitu narušujících funkci urychlovače, při čemž funkce urychlovače je nezávislá na frekvenci napájecí sítě. Kondenzátor se dobíjí ze zdroje nízkého napětí. Zapojení je tvořeno kondenzátorem zapojeným na vstupu dvojcestného řízeného usměrňovače a na vý stup je zapojen elektromagnet. Dvojcestný řízený usměrňovač sestává z druhého a třetího spínacího prvku s vypínacím obvodem a ze čtvrtého a pátého spínacího prvku. Paralelně ke čtvrtému a/nebo pátému spínacímu prvku je připojen přes první spínací prvek s vypínacím obvodem stejnosměrný napetový zdroj.The advantages of this solution lie primarily in the fact that it allows to increase the average value of the radiant power of the accelerator and to reduce the heat losses in the betatron electromagnet. The electromagnet current can be well stabilized and its size can be easily controlled. Time delays can be created between the electromagnet current pulses to suppress parasitic oscillations that disrupt the function of the accelerator, while the function of the accelerator is independent of the frequency of the power supply network. The capacitor is charged from a low voltage source. The circuit consists of a capacitor connected to the input of a two-way controlled rectifier and an electromagnet is connected to the output. The two-way controlled rectifier consists of the second and third switching elements with a switching circuit and of the fourth and fifth switching elements. A direct current voltage source is connected in parallel to the fourth and/or fifth switching elements via the first switching element with a switching circuit.

Description

Vynález se týká zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu využívaného pro lékařské a průmyslové účely.The invention relates to a circuit for the pulse supply of a betatron electromagnet used for medical and industrial purposes.

U stávajících botatronů bývá elektromagnet napájen ze sítě přes zvyšovací transformátor, přičemž jalová induktivní složka proudu je kompenzována kondenzátorem, se kterým elektrovytváří । ·;» > π I ·· I η í i ί'ΖηηππΓ'η í obvod na frnkvonri napájecí nílě.In existing botatrons, the electromagnet is supplied from the mains via a step-up transformer, while the reactive inductive component of the current is compensated by a capacitor, with which it electrically generates। ·; » > π I ·· I η í i ί'ΖηηππΓ'η í circuit on the power supply circuit.

Protože funkce betatronu vyžaduje jen jednu polaritu proudu, je při přímém napájení ze sítě funkční jen jedna půlperíoda. Druhá je nevyužita a způsobuje jen ohřev elektromagnetu. Jedinou výhodou tohoto napájení je jeho značná jednoduchost, kterou však převáží takové nedostatky jako jsou zbytečně veliké tepelné ztráty a malý zářivý výkon urychlovače.Because the function of the betatron requires only one polarity of current, only one half-period is functional when supplied directly from the mains. The second is unused and only causes the electromagnet to heat up. The only advantage of this power supply is its considerable simplicity, which, however, is outweighed by such shortcomings as unnecessarily large heat losses and low radiant power of the accelerator.

V současné době, kdy se požaduje vyšší zářivý výkon a spolehlivá funkce betatronu při dlouhodobém provozu je výhodnější pulsní napájení elektromagnetu, při kterém protékají elektromagnetem jen půlperiody proudu jedné polarity. Tím se sníží tepelné ztráty v elektromagnetu a současně lze zvýšit opakovači frekvenci funkčního cyklu betatronu, což vede ke zvýšení střední hodnoty zářivého výkonu urychlovače. Dvoucestným usměrněním lze využít i druhou půlperiodu napájecího proudu a zdvojnásobit tak počet funkčních cyklů urychlovače, což se projeví dvojnásobným zvýšením zářivého výkonu urychlovače. U těchto zapojení lze však sladit požadavky na správnou funkci urychlovače s podmínkami napájení obvodu elektromagnetu. Aby se nemohly negativně uplatnit parazitní kmity obvodu nebo změny frekvence napájecí sítě, je žádoucí vytvořit mezi proudovými pulsy elektromagnetu časovou prodlevu. To však vede k neúnosnému přetěžování napájecích obvodů, které ještě umocňuje· vysoká citlivost resonančního obvodu na změny frekvence napájecí sítě.At present, when higher radiant power and reliable function of the betatron are required in long-term operation, it is more advantageous to pulse the solenoid, in which only half-periods of a current of one polarity flow through the solenoid. This reduces the heat loss in the electromagnet and at the same time increases the repetition frequency of the betatron's operating cycle, which leads to an increase in the mean value of the accelerator's radiant power. Two-way rectification can also be used to use the second half-period of the supply current, thus doubling the number of functional cycles of the accelerator, which results in a twofold increase in the radiant power of the accelerator. However, with these connections, the requirements for the correct function of the accelerator can be matched to the supply conditions of the solenoid circuit. In order not to negatively apply parasitic oscillations of the circuit or changes in the frequency of the supply network, it is desirable to create a time delay between the current pulses of the solenoid. However, this leads to unbearable overloading of the supply circuits, which is exacerbated by the high sensitivity of the resonant circuit to changes in the frequency of the supply network.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu podle vynálezu. Sestává z dvojcestného řízeného usměrňovače, který je tvořen druhým a třetím spínacím prvkem s vypínacím obvodem a čtvrtým a pátým spínacím prvkem. Na vstup usměrňovače je zapojen kondenzátor, na výstup elektromagnet betatronu. Podstatu vynálezu tvoří sériové zapojení stejnosměrného napěťového zdroje a pulsního spínacího prvku s vypínacím obvodem paralelně zapojené ke čtvrtému a/nebo pátému spínacímu prvku.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the connection for the pulse supply of the betatron electromagnet according to the invention. It consists of a two-way controlled rectifier, which consists of a second and a third switching element with a trip circuit and a fourth and a fifth switching element. A capacitor is connected to the rectifier input, and a betatron electromagnet to the output. The invention relates to a series connection of a DC voltage source and a pulse switching element with a trip circuit connected in parallel to the fourth and / or fifth switching element.

Výhody napájení podle vynálezu jsou dány tím, že funkce urychlovače není závislá na frekvenci sítě, mezi proudovými pulsy lze vytvářet časovou prodlevu potřebnou pro útlum parazitních kmitů v obvodu. Lze snížit efektivní hodnotu proudu v elektromagnetu při prakticky nezměněných parametrech urychlovače a lze řídit velikost vybuzení elektromagnetu. Snížení efektivní hodnoty proudu a vytvoření časových prodlev mezi proudovými pulsy vede k výraznému snížení tepelných ztrát v elektromagnetu, což příznivě ovlivňuje životnost a poruchovost betatronu, stejně jako náklady na chladicí systém. Umožňuje to i případné další zvýšení střední hodnoty zářivého výkonu cestou zvýšení opakovači frekvence funkčního cyklu urychlovače. Jinou výraznou výhodou je možnost aplikace napájení betatronu podle vynálezu na stávajících zařízeních.The advantages of the power supply according to the invention are given by the fact that the function of the accelerator does not depend on the mains frequency; It is possible to reduce the effective value of the current in the electromagnet with practically unchanged parameters of the accelerator and it is possible to control the magnitude of the excitation of the electromagnet. Reducing the effective value of the current and creating time delays between current pulses leads to a significant reduction in heat loss in the electromagnet, which favorably affects the life and failure of the betatron, as well as the cost of the cooling system. This also allows for a possible further increase in the mean value of the radiant power by increasing the repetition frequency of the accelerator's operating cycle. Another significant advantage is the possibility of applying the betatron power supply according to the invention to existing devices.

Za podmínky, že pracovní cyklus betatronu je obsaženo v půl periodě sítové frekvence, bude zářivý výkon dvojnásobný a tepelné ztráty v budicích cívkách elektromagnetu se sníží až o 30 % oproti stavu, kdy je betatron napájen přímo ze střídavé sítě.Provided that the betatron's duty cycle is included in half the mains frequency period, the radiant power will be doubled and the heat loss in the solenoid excitation coils will be reduced by up to 30% compared to when the betatron is powered directly from the AC mains.

oproti jiným známým zapojením je napájení podle vynálezu výhodné také tím, že zdroj, kterým se do obvodu dodává energie ke krytí ztrát je konstruován na napětí, které je více než o řád nižší nežli maximální napětí na kodnezátoru. To má význam z hlediska konstrukce, technologie a provozní spolehlivosti napájecího obvodu betatronu. Proud elektromagnetu ’ lze velmi dobře a jednoduše stabilizovat a řídit jeho velikost.compared to other known connections, the power supply according to the invention is also advantageous in that the source by which the power supply to the circuit is supplied to cover losses is designed for a voltage which is more than an order of magnitude lower than the maximum voltage on the encoder. This is important in terms of design, technology and operational reliability of the betatron power supply circuit. The current of the electromagnet can be very well and easily stabilized and its size controlled.

Na přiloženém výkresu je na obraze 1 znázorněno zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu podle vynálezu a na obraze 2 jsou nakresleny průběhy proudu a napětí v obvodu.In the accompanying drawing, Figure 1 shows a circuit for pulse supply to a betatron electromagnet according to the invention, and Figure 2 shows current and voltage waveforms in a circuit.

CS 266 184 BlCS 266 184 Bl

Na vstupní svorky dvojcestného řízeného usměrňovače tvořeného druhým a třetím spínacím prvkem 2, 3 s vypínacím obvodem a čtvrtým a pátým spínacím prvkem 2» 1 je připojen kondenzátor 7 a k němu paralelně obvod 9 pro stabilizaci napětí. Na výstupu usměrňovače je zapojen elektromagnet 6 betatronu. Paralelně k pátému spínacímu prvku 5 je připojena sériová kombinace stejnosměrného napěťového zdroje 8 a prvního spínacího prvku 2 s vypínacím obvodem. Průběhy proudu í elektromagnetem 6 a napětí u, na kondenzátoru 7 jsou znázorněny ve vyznačeném časoν/’ΐπ I ni «·ι vn 1 li I a?. { , . o iA capacitor 7 and a parallel voltage stabilization circuit 9 are connected to the input terminals of a two-way controlled rectifier formed by a second and a third switching element 2, 3 with a trip circuit and a fourth and a fifth switching element 2 1. A betatron solenoid 6 is connected to the rectifier output. A series combination of a DC voltage source 8 and a first switching element 2 with a trip circuit is connected in parallel to the fifth switching element 5. The waveforms of current i by the electromagnet 6 and voltage u, on the capacitor 7 are shown at the indicated time / ’ΐπ I ni« · ι vn 1 li I a ?. {,. or i

První, druhý a třetí spínací prvek 1, 2, 3., s vypínacím obvodem představuje tyristor s vypínacím obvodem a čtvrtý a pátý spínací prvek J5 představuje polovodičovou diodu nebo tyristor.The first, second and third switching elements 1, 2, 3, with a trip circuit represent a thyristor with a trip circuit, and the fourth and fifth switching elements J5 represent a semiconductor diode or a thyristor.

Funkce zapojení je následující: Kondenzátor 7 je nutno nabít z neznázorněného zdroje na plné pracovní napětí zvolené polarity. V čase přichází řídicí impuls na druhý a třetí spínací prvek 2_, _3 s vypínacím obvodem a tyto spínají. Kondenzátor se začne vybíjet přes budicí cívky elektromagnetu 6 betatronu proudem i_. V čase t, kdy proud i_ dosáhne — —Jj —1 —Jj určené hodnoty přicházejí řídicí impulsy na vypínací obvody druhého a třetího spínacího prvku 2, 3 a tyto spínací prvky se uzavírají. Vybíjení kondenzátoru 2 je ukončeno. Proud i elektromagnetu 2 ^se přenese na čtvrtý a pátý spínací prvek 4, 2· Tyto prvky jsou ovládané řídicím impulsem pokud je použit tyristor a/nebo napětím jedná-li se o diodu. Energie elektromagnetu 6 se vrací zpět do kondenzátoru 2 ve stejné polaritě napětí. V čase t2, který následuje bezprostředně po t^ , nebo je s ním totožný, přichází řídicí impuls na první spínací prvek 1 s vypínacím obvodem a tento spínací prvek se otevírá. V sérii s ním zapojeny stejnosměrný napěťový zdroj J8 svou polaritou uzavírá pátý spínací prvek 5 a proud 2L prochází prvním spínacím prvkem 2 ^s vypínacím obvodem a stejnosměrným napěťovým zdrojem který má stejnou polaritu jako svorkové napětí elektromagnetu 6. Kondenzátor 2 ^se P^a^ vedle energie vrácené z elektromagnetu 6 dobíjí také ze stejnosměrného zdroje 2· Ten musí dodat do obvodu energii potřebnou ke krytí ztrát, které vznikají v elektromagnetu 2 ^a kondenzátoru 7 při jejich vzájemné výměně energie. V čase t3, to jest v okamžiku kdy napětí na kondenzátoru dosáhne hodnoty potřebné k tomu, aby v čase byl kondenzátor 2 nabit na napětí stejné jako v čase t_Q, přichází z obvodu 9 pro stabilizaci napětí řídicí impuls na vypínací obvod prvního spínacího prvku 2 ^a ten se uzavírá. Proud pak protéká větví pátého spínacího prvku 5, který je opět otevřen. V čase t^ klesá proud elektromagnetu Z ^na nulovou hodnotu. Čtvrtý a pátý spínací prvek ^se uzavírá a kondenzátor 2 3^e nabit na stejné napětí jaké měl na počátku fuknčního cyklu v čase t_Q. V čase t₅ se výše popsaný cyklus opakuje.The connection function is as follows: Capacitor 7 must be charged from a source (not shown) to the full operating voltage of the selected polarity. In time, the control pulse arrives at the second and third switching elements 2, 3 with a trip circuit and switches them. The capacitor begins to discharge through the excitation coils of the betatron solenoid 6 with a current i_. At time t, when the current i_ reaches the specified value, the control pulses arrive at the switching circuits of the second and third switching elements 2, 3 and these switching elements are closed. The discharge of capacitor 2 is completed. The current of the solenoid 2 ^is transmitted to the fourth and fifth switching elements 4, 2 · These elements are controlled by a control pulse if a thyristor is used and / or by a voltage if it is a diode. The energy of the electromagnet 6 is returned to the capacitor 2 in the same polarity of voltage. At time t2, which immediately follows t1 or is identical to it, the control pulse arrives at the first switching element 1 with the trip circuit and this switching element opens. In series therewith connected DC voltage source J8 its polarity closes the fifth switching element 5 and the current 2L passes through a first switching element 2 ^{to the} tripping circuit and a DC voltage source having the same polarity as the terminal voltage of the electromagnet sixth capacitor ² ^and P ^ besides energy returned it is also charged from the electromagnet 6 from the direct current source 2 · It must supply the circuit with the energy needed to cover the losses which occur in the electromagnet 2 ^{and the} capacitor 7 during their mutual exchange of energy. At time t3, i.e. at the moment when the voltage on the capacitor reaches the value needed for the capacitor 2 to be charged to the same voltage at time t _Q , a control pulse arrives from the voltage stabilization circuit 9 to the trip circuit of the first switching element 2. ^and it closes. The current then flows through the branch of the fifth switching element 5, which is open again. At time t 1, the current of the electromagnet Z decreases ^to zero. The fourth and the fifth switching element ^is closed and the capacitor 2 ³ and charged to the same voltage as was initially fuknčního cycle at time t _Q. At time t ₅ , the cycle described above is repeated.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

1. A circuit for pulse supply of a betatron solenoid with a capacitor at the input and an electromagnet connected at the output of a two-way controlled rectifier, comprising second and third switching elements with a trip circuit and fourth and fifth switching elements, characterized in that parallel to the fourth and / or fifth switching element (4, 5) a DC voltage source (8) is connected via a switching element (1) with a switching circuit.

2. A connection for the pulse supply of the betatron solenoid according to item 1, characterized in that a voltage stabilization circuit (9) is connected in parallel to the capacitor (7).