CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia10 novembre 20061 Électronique.

Présentation au sujet: "CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia10 novembre 20061 Électronique."— Transcription de la présentation:

1 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia10 novembre 20061 Électronique de protection des aimants supraconducteurs - Magnet Safety System (MSS) Jean-Paul CHARRIER Dapnia – SIS

2 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia210 novembre 2006 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective

3 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia310 novembre 2006 MSS :Aimants en physique Déviation des particules chargées Confinement des plasmas Médecine, Recherche et Imagerie Accélérateurs Détecteurs Fusion Résonance Magnétique Nucléaire

4 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia410 novembre 2006 MSS :Bobine aimant S N Alimentation = Générateur de courant BobineAimant i

5 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia510 novembre 2006 MSS :Évolution des besoins Champ magnétique plus élevé Courant i plus élevé Échauffement du conducteur Taille des bobines Aimants supraconducteurs qq Tesla qq kA + dépense d’énergie Incompatible avec la taille des expériences Champ proportionnel au courant Effet Joule Évacuation de la chaleur R = 0  pas d’échauffement du conducteur … … si tout va bien T = 1,8 à 4 K (sauf jonctions : qq n  ) + coût

6 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia610 novembre 2006 MSS :État supraconducteur : conditions H < H c Champ magnétique critique T < T c Température critique i < i c Courant critique État supraconducteur NbTi Nb 3 Sn R = 0

7 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia710 novembre 2006 MSS :Transition d’un supraconducteur Transition de l’état supraconducteur vers l’état résistif (ou normal) ou quench Échauffement par effet Joule, local, puis global (si propagation) Destruction du conducteur et de l’aimant Expérience inutilisable Réparation parfois impossible Résistance non nulle

8 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia810 novembre 2006 MSS :Exemple r = 50 µΩ P = v.i = 20 000 W Détecter la transition et Déclencher la mise en sécurité de l’installation au lieu de 0  v = r.i = 1Vsemble faible i ~ 20 000 AHypothèse :ex : ATLAS et CMS énorme Rôle du MSS : (Puissance avant que i diminue)localisé dans r si alors mais

9 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia910 novembre 2006 i 300 K1,8 à 4 K MSS :Exemple de circuit électrique Alimentation Aimant Amenée de courant Éléments à protéger : Ligne supraconductrice Contacteur Résistance de décharge Cryostat ex : 5V / 20 000A (continu) ex : 50 mΩ (ou bus bar)

10 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1010 novembre 2006 i alim = 0 L r i v Rd Rd i MSS :Décharge de l’énergie d’une bobine dans une résistance Début de décharge : Exemple : Aimant 8 T (aimant de tests pour Neurospin) i = 885 A Rd = 2,6 Ωv Rd ~ -2300 VTensions subies élevéesIsolement L = 44 HE ~ 17,2 MJ(CMS : E ~ 2600 MJ)

11 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1110 novembre 2006 r i MSS :Détection de transition d’une ligne supraconductrice MSS Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur seuil 20 mV Ligne supraconductrice : tension = 0 V Seuil = 20 mV + 20 mV et -20 mV si le courant peut passer dans les 2 sens v = r.i Exemple :

12 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1210 novembre 2006 r i MSS :Détection de transition d’une amenée de courant MSS Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur seuil 100 mV Amenée de courant résistive : tension ~ 80 mV max Seuil = 100 mV + 100 mV et -100 mV si le courant peut passer dans les 2 sens V = r.i Exemple :

13 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1310 novembre 2006 i r i MSS :Détection de transition d’un aimant MSS Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur seuil 20 mV pas aussi simple ! NON

14 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1410 novembre 2006 L r ii alim v alim MSS :Charge d’une bobine v Supraconducteur : r = 0 ~ v alim - chutes v ~ qq VoltsDépasse le seuil Fausses détections lors des variations de courant

15 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1510 novembre 2006 L1 r1 L2 r2 i MSS :Compensation v1 v2 = 0 si supraconducteur = 0 si les tensions se compensent Ne gêne pas la détection

16 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1610 novembre 2006 L1 r1 L2 r2 i MSS :Tension compensée v1 v2 Hypothèse : i > 0 v > 0Transition du côté de L1 Transition du côté de L2 v < 0 seuil > 0 seuil < 0 2 seuils de signes opposés

17 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1710 novembre 2006 L1 r1 L2 r2 i MSS :Détection de transition d’un aimant MSS Arrêt de l’alimentation Ouverture du contacteur seuil +100 mV v1 v2 v1 – v2 seuil -100 mV Exemple : Bobine supraconductrice : v1 - v2 = 0 V Seuil1 = + 100 mV Seuil2 = - 100 mV

18 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1810 novembre 2006 MSS :Seuil de niveau – Seuil de durée temps Niveau (tension) seuil de durée T1 < seuil de durée seuil de durée T2 > seuil de durée seuil de niveau temps Détection nonoui

19 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia1910 novembre 2006 MSS :Actions de sécurité Faire diminuer le courant Ouvrir le contacteur Arrêter l’alimentation Cas général : Arrêter le faisceau Avant qu’il endommage le tube faisceau et le reste Accélérateur ou détecteur : Activer des chaufferettes Pour répartir la chaleur dans l’aimant Si nécessaire :

20 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2010 novembre 2006 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective

21 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2110 novembre 2006 MSS :Synoptique du MSS Signaux analogiques Signaux logiques MESURE et DETECTIONLOGIQUE de SECURITE ACQUISITION Sorties logiques Entrées logiques Entrées analogiques INSTALLATION Aimants, alimentations de puissance, chaufferettes, faisceau, cryogénie PC d’acquisition Réseau MSS Baies PC Isolement 2500 V max. Entrées analogiques Isolement fonctionnel 250 V

22 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2210 novembre 2006 MSS :Mesure et Détection Solution du commerceSolutions SIS Carte MD100Carte MD200Voltmètre à seuil

23 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2310 novembre 2006 MSS :Mesure et Détection Carte MD100Carte MD200Voltmètre à seuil 2500 V max. Isolement 500 V max.2500 V max. Fonctions de base : x Mesure (sortie analogique) xx x Détection xx x Seuil de niveau xx x Seuil de durée x Fonctions avancées : x Supervision x Réglage x Contrôle Station SCHEMa Exemples d’utilisation : CLAS / DVCSStation W7X Station SEHTBobine B0 R3B (prototype pour ATLAS) T2K COMPASS

24 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2410 novembre 2006 MSS :Logique de sécurité Carte EO48 Entrées logiques Carte EO48 Sorties logiques Carte DX96 Traitement logique et mémorisation Carte LS96 Traitement logique spécifique (Optocoupleurs)

25 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2510 novembre 2006 MSS :Redondance Mesure et Détection Logique de Sécurité

26 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2610 novembre 2006 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective

27 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2710 novembre 2006 MSS :PC de gestion Signaux analogiques Signaux logiques MESURE et DETECTIONLOGIQUE de SECURITE ACQUISITION Sorties logiques Entrées logiques Entrées analogiques INSTALLATION Aimants, alimentations de puissance, chaufferettes, faisceau, cryogénie PC d’acquisition Réseau MSS Baies PC Isolement 2500 V max. Entrées analogiques Isolement fonctionnel 250 V Bus de terrain FIP Réglage Contrôle PC de Supervision PC

28 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2810 novembre 2006 Réglage Contrôle PC de Supervision MSS :Communication : FIP et SPI Signaux logiques MESURE et DETECTION Sorties logiques Entrées logiques Entrées analogiques Bus de terrain FIP Bus SPI Défauts détectés = LOGIQUE de SECURITE Carte SFIP Bus SPI Carte SFIP

29 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia2910 novembre 2006 MSS :IHM (LabView)

30 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3010 novembre 2006 MSS :Supervision Analogique Logique Tensions d’entrée Tension compensée Températures + Tensions des alimentations (+ 5 V, +/-15 V, etc…)

31 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3110 novembre 2006 MSS :Réglage

32 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3210 novembre 2006 MSS :Contrôle Simulation de défaut Possible sans déclencher réellement les actions de sécurité Seuils Actions Sans déconnecter le MSS de l’installation Vérification du fonctionnement des cartes

33 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3310 novembre 2006 MSS :Sûreté de fonctionnement et fonctions avancées ContrôleVérification du fonctionnement Composants programmables CPLD Pour la communication Pas pour les fonctions de sécurité LogicielsPas pour les fonctions de sécurité Réglage à distance Mémorisé dans le composant Logiciel inutile après réglage initial, même en cas de coupure d’alimentation

34 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3410 novembre 2006 MSS : 1. Objectifs, Principe, Contraintes 2. Réalisations 3. Supervision, Réglage, Contrôle 4. Prospective

35 CEA DSM Dapnia SIS - Jean-Paul Charrier - Électronique de protection des aimants supracconducteurs Journées "Électronique" du Dapnia3510 novembre 2006 MSS :Isolement > 10 000 V Signal :Energie : Modulation Fibre optique Démodulation Transformateur Alimentation à découpage Amplificateur d’isolementConvertisseur DC-DC Objectif ~ 40 000 V 10 cm