08. Выходцев П. В., Ростов В. В., Степченко А. С. Моделирование разряда суперконденсаторного накопителя при стабилизации тока в обмотках многосекционной магнитной системы

Печать

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202404.648-667

УДК 537.3:537.5

Моделирование разряда суперконденсаторного накопителя при стабилизации тока в обмотках многосекционной магнитной системы

Выходцев Павел Васильевич
научный сотрудник отдела физической электроники Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (634055, Российская Федерация, г. Томск, пр. Академический, д. 2/3), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2569-7919, Researcher ID: AAE-2858-2022, SPIN-код: 9283-0909, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ростов Владислав Владимирович
доктор физико-математических наук, заведующий отделом физической электроники Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (634055, Российская Федерация, г. Томск, пр. Академический, д. 2/3), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1718-0111, Researcher ID: A-2031-2012, SPIN-код: 1021-4897, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Степченко Алексей Станиславович
научный сотрудник отдела физической электроники Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (634055, Российская Федерация, г. Томск, пр. Академический, д. 2/3), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7481-358X, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Питание магнитных систем мощных микроволновых генераторов, таких как релятивистские лампы обратной волны и клистроны, постоянным током до 1 000 А в течение нескольких секунд осуществляется от суперконденсаторных накопителей. При проектировании источников питания для таких магнитных систем всегда возникает необходимость в определении энергетических характеристик накопителя. Аналитический расчет этих характеристик затруднен по причине динамического изменения некоторых параметров магнитной системы и накопителя во время протекания тока.
Цель исследования. Создание и экспериментальная проверка математической модели, описывающей процесс питания многосекционной магнитной системы постоянным током от суперконденсаторного накопителя.
Материалы и методы При составлении модели учитывается динамическое изменение параметров магнитной системы при протекании тока, а суперконденсаторный накопитель представляется в виде простой RC-цепи, параметрами которой являются паспортные значения его емкости и внутреннего сопротивления. Процесс разряда накопителя описывается на основании энергетического баланса. Модель реализована в программном пакете National Instruments LabView 2012 и имеет удобный графический интерфейс. Результаты моделирования были проверены на оборудовании, состоящем из источника питания на основе суперконденсаторного накопителя и двухсекционной магнитной системы.
Результаты исследования. В процессе моделирования были выявлены сходства с экспериментальными данными. По результатам эксперимента форма тока и напряжения накопителя, а также максимальная продолжительность стабилизации тока оказались близкими к результатам моделирования. При этом паспортные значения емкости и внутреннего сопротивления накопителя качественно отражают его реальные характеристики с учетом особенностей работы совместно с регулятором тока и импульсным характером потребления энергии.
Обсуждение и заключение. Небольшое отличие в результатах объясняется отклонением реальных параметров накопителя от паспортных значений, а также различием температуры обмоток в эксперименте и моделировании. Использование энергетического баланса для расчета выходного напряжения накопителя позволяет масштабировать нагрузку путем добавления любого количества потребителей энергии с независимой стабилизацией тока в каждом.

Ключевые слова: магнитная система, накопитель энергии, суперконденсатор, энергетические характеристики, стабилизация тока, моделирование, энергетический баланс

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Выходцев П. В., Ростов В. В., Степченко А. С. Моделирование разряда суперконденсаторного накопителя при стабилизации тока в обмотках многосекционной магнитной системы // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 4. С. 648–667. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202404.648-667

Заявленный вклад авторов:
П. В. Выходцев – постановка задачи, анализ литературных источников, разработка математической модели и ее реализация в программном пакете National Instruments LabView 2012, обработка и анализ результатов, подготовка текста статьи.
В. В. Ростов – постановка задачи, консультирование по теоретической части, планирование и организация экспериментов.
А. С. Степченко – консультирование по теоретической части, подготовка экспериментального оборудования и программного обеспечения, проведение исследований, обработка результатов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 12.08.2024;
поступила после рецензирования 26.08.2024;
принята к публикации 02.09.2024

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коровин С. Д., Ростов В. В., Сморгонский А. В. Импульсно-периодический релятивистский карсинотрон // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1986. Т. 29, № 10. С. 1278–1280. URL: https://radiophysics.unn.ru/issues/1986/10/1278 (дата обращения: 17.05.2024).

2. Pulsed Power-Driven High-Power Microwave Sources / S. D. Korovin [et al.] // Proceeding of the IEEE. 2004. Vol. 92, Issue 7. P. 1082–1095. https://doi.org/0.1109/JPROC.2004.829020

3. Gold S. H., Nusinovich G. S. Review of High-Power Microwave Source Research // Review of Scientific Instruments. 1997. Vol. 68, Issue 11. P. 3945–3974. https://doi.org/10.1063/1.1148382

4. Korovin S. D., Rostov V. V. High-Current Nanosecond Pulse-Periodic Electron Accelerators Utilized a Testa Transformer // Russian Physics Journal. 1996. Vol. 39, No. 12. P. 1177–1185. https://doi.org/10.1007/BF02436160

5. Repetitively Pulsed High-Current Accelerators with Transformer Charging of Forming Lines / G. A. Mesyats [et al.] // Laser and Particle Beams. 2003. Vol. 21, Issue 2. P. 197–209. https://doi.org/10.1017/S0263034603212076

6. Вольфкович Ю. М. Электрохимические суперконденсаторы (обзор) // Электрохимия. 2021. Т. 57, № 4. С. 197–238. EDN: AWUGYP

7. Sahin M. E., Blaabjerg F., Sangwongwanich A. A Comprehensive Review on Supercapacitor Applications and Development s // Energies. 2022. Vol. 15, Issue 3. Article no. 674. https://doi.org/10.3390/en15030674

8. Вольфкович Ю. М. Суперконденсаторы, выпускаемые промышленными компаниями // Электрохимическая энергетика. 2024. Т. 24, № 1. С. 3–27. EDN: POMDSM

9. Regulated DC Sources for Powering Magnetic Systems of Microwave Generators Based on Supercapacitor Storages / P. V. Vykhodstev [et al.] // Instruments and Experimental Techniques. 2024. Vol. 67, No. 3. P. 471–483. https://doi.org/10.1134/S0020441224700684

10. A Power Supply for One-Second Source of Highly-Stable Magnetic Field / D. M. Grishin [et al.] // PPPS-2001 Pulsed Power Plasma Science 2001, 28th. IEEE International Conference on Plasma Science and 13th. IEEE International Pulsed Power Conference (17 – 22 June 2001, Las Vegas, USA). Las Vegas, 2001. P. 1638–1641. https://doi.org/10.1109/PPPS.2001.1001880

11. 4.8 MJ Magnetic Field Excitation Source Using Pulse Width Modulation Technique / J. June [et al.] // High Power Laser and Particle Beams. 2010. Vol. 22, No. 6. P. 1323–1326. https://doi.org/10.3788/HPLPB20102206.1323

12. Design of a 2 T Magnetic System Based on Storage Supercapacitor / X. Yang [et al.] // IEEE Transactions on Magnetics. 2020. Vol. 56, No. 9. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9144600 (дата обращения: 17.05.2024).

13. Zubieta L., Bonert R. Characterization of Double-Layer Capacitors for Power Electronics Applications. // IEEE Transfctions on Industry Applications. 2000. Vol. 36, Issue 1. Р. 199–205. https://doi.org/10.1109/28.821816

14. Sahin M. E., Blaabjerg F., Sangwongwanich A. Modelling of Supercapacitors Based on Simplified Equivalent Circuit // CPSS Transactions on Power Applications. 2021. Vol. 6, No. 1. P. 31–39. https://doi.org/10.24295/CPSSTREA.2021.00003

15. Supercapacitor Management System: A Comprehensive Review of Modeling, Estimation, Balancing, and Protection Techniques / F. Naseri [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 155. Article no. 111913. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111913

16. Yang H. A Comparative Study of Supercapacitor Capacitance Characterization Methods // Journal of Energy Storage. 2020. Vol. 29. Article no. 101316. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101316

17. Zhao J., Burke A. F. Review on Supercapacitors: Technologies and Performance Evaluation // Journal of Energy Chemistry. 2021. Vol. 59. P. 276–291. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.11.013

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.