Charrier_Protection_Aimants_Supra_061110 (10.8 Mo)
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Électronique de protection des aimants supraconducteurs Magnet Safety System (MSS) Jean-Paul CHARRIER Dapnia – SIS 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 1 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 2 MSS : Aimants en physique Déviation des particules chargées Accélérateurs Détecteurs Confinement des plasmas Fusion Médecine, Recherche et Imagerie Résonance Magnétique Nucléaire 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 3 MSS : Bobine aimant i N S Alimentation Bobine Aimant = Générateur de courant 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 4 MSS : Évolution des besoins Champ magnétique plus élevé qq Tesla Champ proportionnel au courant Courant i plus élevé qq kA Effet Joule Échauffement du conducteur + dépense d’énergie Évacuation de la chaleur + coût Taille des bobines Incompatible avec la taille des expériences Aimants supraconducteurs T = 1,8 à 4 K R = 0 pas d’échauffement du conducteur … … si tout va bien (sauf jonctions : qq n) 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 5 MSS : État supraconducteur : conditions Courant critique Température critique T < Tc NbTi Nb3Sn Champ magnétique critique i < ic H < Hc État supraconducteur R=0 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 6 MSS : Transition d’un supraconducteur Transition de l’état supraconducteur vers l’état résistif (ou normal) ou quench Résistance non nulle Échauffement par effet Joule, local, puis global (si propagation) Destruction du conducteur et de l’aimant Expérience inutilisable Réparation parfois impossible 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 7 MSS : Exemple Hypothèse : i ~ 20 000 A ex : ATLAS et CMS si r = 50 µΩ au lieu de 0 alors v = r.i = 1V semble faible mais P = v.i = 20 000 W énorme (Puissance avant que i diminue) Rôle du MSS : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS localisé dans r Détecter la transition et Déclencher la mise en sécurité de l’installation - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 8 MSS : Exemple de circuit électrique Résistance de décharge ex : 50 mΩ Contacteur i 300 K Cryostat 1,8 à 4 K Alimentation ex : 5V / 20 000A (continu) Éléments à protéger : Amenée de courant Aimant Ligne supraconductrice (ou bus bar) 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 9 Décharge de l’énergie d’une bobine dans une résistance MSS : ialim = 0 i i r L Rd vRd Début de décharge : E ~ 17,2 MJ Rd = 2,6 Ω vRd ~ -2300 V 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS 1 L . i2 2 v Rd Rd . i Exemple : Aimant 8 T (aimant de tests pour Neurospin) L = 44 H E i = 885 A (CMS : E ~ 2600 MJ) Tensions subies élevées - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia Isolement 10 MSS : Détection de transition d’une ligne supraconductrice v = r.i seuil 20 mV i r MSS seuil 20 mV Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur Ligne supraconductrice : tension = 0 V Exemple : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS Seuil = 20 mV - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs + 20 mV et -20 mV si le courant peut passer dans les 2 sens Journées "Électronique" du Dapnia 11 MSS : Détection de transition d’une amenée de courant V = r.i seuil 100 mV i r MSS seuil 100 mV Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur Amenée de courant résistive : tension ~ 80 mV max Exemple : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS Seuil = 100 mV - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs + 100 mV et -100 mV si le courant peut passer dans les 2 sens Journées "Électronique" du Dapnia 12 MSS : Détection de transition d’un aimant i i r seuil 20 mV MSS Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur NON pas aussi simple ! 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 13 Charge d’une bobine MSS : ialim i r L valim v v r.i L. Supraconducteur : r = 0 v ~ qq Volts 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS v L. di dt Dépasse le seuil - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs di dt ~ valim - chutes Fausses détections lors des variations de courant Journées "Électronique" du Dapnia 14 MSS : Compensation i v1 r1.i L1. v 2 r 2.i L2. di dt r1 L1 v1 r2 L2 v2 v1 v 2 r1 r 2 . i L1 L2 . di dt = 0 si supraconducteur di dt = 0 si les tensions se compensent Ne gêne pas la détection 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 15 MSS : Tension compensée i r1 L1 v1 r2 L2 v2 di v v1 v 2 r1 r 2 . i L1 L2 . dt v r1 r 2 . i Hypothèse : i > 0 Transition du côté de L1 v>0 seuil > 0 Transition du côté de L2 v<0 seuil < 0 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs 2 seuils de signes opposés Journées "Électronique" du Dapnia 16 MSS : Détection de transition d’un aimant MSS i r1 L1 v1 r2 L2 v2 v1 – v2 seuil +100 mV seuil -100 mV Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur Bobine supraconductrice : v1 - v2 = 0 V Exemple : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS Seuil1 = + 100 mV Seuil2 = - 100 mV - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 17 Seuil de niveau – Seuil de durée MSS : Niveau (tension) T1 < seuil de durée T2 > seuil de durée seuil de niveau temps seuil de durée seuil de durée Détection non oui temps 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 18 MSS : Actions de sécurité Cas général : Faire diminuer le courant Ouvrir le contacteur Arrêter l’alimentation Si nécessaire : Activer des chaufferettes Pour répartir la chaleur dans l’aimant Accélérateur ou détecteur : Arrêter le faisceau 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Avant qu’il endommage le tube faisceau et le reste Journées "Électronique" du Dapnia 19 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 20 MSS : Synoptique du MSS INSTALLATION Aimants, alimentations de puissance, chaufferettes, faisceau, cryogénie Entrées analogiques Entrées analogiques Entrées logiques Isolement 2500 V max. MESURE et DETECTION Signaux analogiques Sorties logiques Isolement fonctionnel 250 V Signaux logiques LOGIQUE de SECURITE ACQUISITION Baies Réseau PC d’acquisition PC 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs MSS Journées "Électronique" du Dapnia 21 MSS : Mesure et Détection Solution du commerce Voltmètre à seuil 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS Solutions SIS Carte MD100 - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Carte MD200 Journées "Électronique" du Dapnia 22 MSS : Mesure et Détection Isolement Fonctions de base : Mesure (sortie analogique) Détection Seuil de niveau Seuil de durée Voltmètre à seuil Carte MD100 Carte MD200 500 V max. 2500 V max. 2500 V max. x x x x x x x x x x x Fonctions avancées : Supervision Réglage Contrôle Exemples d’utilisation : x x x CLAS / DVCS Station W7X Bobine B0 (prototype pour ATLAS) Station SCHEMa Station SEHT R3B T2K COMPASS 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 23 MSS : Logique de sécurité Traitement logique et mémorisation Carte DX96 Carte EO48 Carte EO48 Entrées logiques (Optocoupleurs) Sorties logiques Carte LS96 (Optocoupleurs) Traitement logique spécifique 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 24 MSS : Redondance Mesure et Détection Logique de Sécurité 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 25 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 26 MSS : PC de gestion INSTALLATION Aimants, alimentations de puissance, chaufferettes, faisceau, cryogénie Entrées analogiques Entrées analogiques Entrées logiques Isolement 2500 V max. MESURE et DETECTION Signaux analogiques Sorties logiques Isolement fonctionnel 250 V Signaux logiques LOGIQUE de SECURITE ACQUISITION Baies Réseau MSS PC d’acquisition Bus de terrain FIP PC de Supervision Réglage Contrôle PC 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs PC Journées "Électronique" du Dapnia 27 MSS : Communication : FIP et SPI Entrées analogiques Entrées logiques MESURE et DETECTION Sorties logiques LOGIQUE de SECURITE Signaux logiques Bus SPI = Bus SPI Défauts détectés Carte SFIP Carte SFIP Bus de terrain FIP PC de Supervision Réglage Contrôle 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 28 MSS : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS IHM (LabView) - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 29 MSS : Supervision Analogique Tensions d’entrée Tension compensée Températures + Tensions des alimentations (+ 5 V, +/-15 V, etc…) 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Logique Journées "Électronique" du Dapnia 30 MSS : 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS Réglage - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 31 MSS : Contrôle Simulation de défaut Vérification du fonctionnement des cartes Seuils Actions Sans déconnecter le MSS de l’installation Possible sans déclencher réellement les actions de sécurité 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 32 MSS : Sûreté de fonctionnement et fonctions avancées Composants programmables Logiciels Réglage à distance Contrôle 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS CPLD Pour la communication Pas pour les fonctions de sécurité Pas pour les fonctions de sécurité Mémorisé dans le composant Logiciel inutile après réglage initial, même en cas de coupure d’alimentation Vérification du fonctionnement - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 33 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 34 MSS : Isolement > 10 000 V Signal : Energie : Amplificateur d’isolement Convertisseur DC-DC Modulation Fibre optique Démodulation Transformateur Alimentation à découpage Objectif ~ 40 000 V 10 cm 10 novembre 2006 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia 35
