ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОДЖИГА - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОДЖИГА

Артамонов В.С. 1
1Томский политехнический университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Источник поджига выполняет две функции: подачей высоковольтного (до 12 кВ) короткого по времени (10 мкс) импульса поджига и осуществляет предварительный пробой разрядного промежутка. После инициирования искрового разряда, происходит сброс энергии дополнительной конденсаторной батареи через тиристор. В результате происходит зажигание так называемого катодного пятна на металлической поверхности катода. Зажигается электрическая дуга, питаемая после окончания импульса поджига каналом питания разряда.

Источник поджига имеет 2 силовых блока. Первый блок – повышающий, преобразующий напряжение «300 В» в «12 кВ», коэффициент трансформации составляет ≈ 40. Поскольку трансформатор повышающий, то выходной ток в 40 раз ниже, чем в первичной обмотке. Ток искрового разряда недостаточен для инициирования катодного пятна. Поэтому используется второй силовой блок. Протекание тока конденсаторной батареи второго силового блока необходимо, чтобы после пробоя обеспечить гарантированное зажигание катодного пятна.

Оба канала имеют гальваническую развязку между сетью «230 В» и выходной цепью источника питания поджига.

Таким образом, происходит разделение каналов по их конкретным назначениям: первый канал создаёт искру, чтобы инициировать катодное пятно. Посредством запуска тиристора, за счёт подачи высоковольтного импульса и возникновения высокого (400 В/с) значения dU/dt, в разрядном промежутке протекает ток, обеспечиваемый вторым каналом – относительно низковольтной конденсаторной батареей.

Требования к блоку питания поджига

Основные требования (далее – ТЗ) к блоку питания поджига (далее – поджиг) представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Требования к блоку питания поджига

Режим работы источника

Непрерывный

Входное напряжение питания

Однофазное (230 В ± 10%), (50 ± 0,5%) Гц, с глухозаземленной нейтралью

Выходное напряжение

12 кВ ± 10%

Максимальный выходной ток

40 А

Длительность импульса

10 мкс

Частота следования импульсов

1 Гц

Гальваническая развязка

Требуется

Выходная импульсная мощность

240 кВт

Выходная средняя мощность

2,4 Вт

Характер нагрузки

Активная

Из предъявленных требований видно, что необходимо однофазное переменное входное напряжение преобразовать в импульсное, повысив амплитудное значение примерно в 40 раз. Частота следования импульсов выходного напряжения должна составлять 1 Гц при длительности импульса 10 мкс. Согласно техническому заданию, требуется обеспечить гальваническую развязку, т.е обязательное условие – использование в схеме трансформатора. Целесообразно использовать его для повышения выходного напряжения.

Выбор и обоснование структурной схемы блока питания поджига

Проведём рассмотрение вариантов структурных схем и оценим возможность их использования для решения поставленной задачи, а также их достоинства и недостатки.

Схему условно можно разделить на две части: низковольтную и высоковольтную. Основная функция низковольтной части – это обеспечение соответствующим напряжением питания для высоковольтного генератора. Задача высоковольтной части – формирование и подача в нагрузку импульсов с требуемыми параметрами. Гальваническая развязка между частями схемы осуществляется посредством трансформатора.

Первый вариант структурной схемы представлен на рис. 1.

Рисунок 1 – Первый вариант структурной схемы поджига: В1, В2 – выпрямители, И – инвертор, СУ1, СУ2 – системы управления, ВИП1, ВИП2 – вспомогательный источник питания, Тр – траснформатор, ВВГ – высоковольтный генератор, ОП – оптоприёмник, Н – нагрузка

Принцип действия схемы заключается в следующем: входное напряжение от сети «230 В» выпрямляется через выпрямитель – В1 и прикладывается к инвертору – И, и к системе управления инвертором – СУ1. СУ1 предварительно формирует управляющие импульсы на инверторе. По причине которых инвертор выделяет разнополярные импульсы напряжения для трансформатора – Тр. Трансформатор обеспечивает напряжением вспомогательные источники питания – ВИП1, ВИП2. ВИП1, в свою очередь, поддерживают стабильное напряжение на системах управлениях – СУ1, СУ2. Ещё одна задача трансформатора – это передать напряжение в высоковольтную часть схемы, которое затем выпрямляется выпрямителем – В2 и прикладывается к высоковольтному генератору – ВВГ, который формирует импульсный дуговой разряд. ВИП2 поддерживает стабильно напряжение на оптоприёмнике – ОП, которое, получая управляющие импульсы по оптоволокну от микроконтроллера, передаёт их на СУ2, которая, в свою очередь управляет ВВГ.

Достоинство данной схемы заключается в том, что она позволяет совершить пробой электрического промежутка.

Недостатки схемы, следующие: во-первых, ВВГ не может обеспечить высокое напряжение и высокое значение отдаваемой энергии одновременно. Это приведёт к усложнению конструкции трансформатора. Во-вторых, в процессе работы дугового разряда на поверхности катода образуется загрязнение, в результате электрический промежуток приобретает небольшое сопротивление, что приводит к уменьшению пробойного напряжения.

Поэтому разработан второй вариант реализации структурной схемы поджига, который представлен на рис. 2.

Рисунок 2 – Второй вариант структурной схемы поджига:В1, В2, В3 – выпрямители, И – инвертор, СУ1, СУ2 – системы управления, ВИП1, ВИП2 – вспомогательный источник питания, Тр – траснформатор, ВВГ – высоковольтный генератор, ЁН – ёмкостный накопитель, Н – нагрузка

Во втором варианте реализации структурной схемы поджига, низковольтная часть остаётся неизменной. От этого физика происходящих внутри камеры процессов не зависит. Изменения имеются в силовой части: после формирования высоковольтного напряжения ВВГ, оно выпрямляется через выпрямитель – В3 и создаёт условие для высвобождения энергии в нагрузку – Н, запасённой на ёмкостном накопителе – ЁН.

Достоинство схемы заключается в следующем: появляется возможность не только пробить электрический промежуток, но и зажечь катодное пятно, что приведёт к образованию дугового разряда.

Недостаток схемы заключается в следующем: не решается проблема, которая создаётся загрязнением поверхности катода в процессе эксплуатации. В электрическом промежутке возникнет низкоомное сопротивление, которое не позволит ЁН запастить энергией до следующего разряда, тем самым образуется слаботочный канал.

В результате подробного рассмотрения нескольких вариантов реализации блока поджига, на рис. 3 представлен третий вариант структурной схемы поджига, совмещающий в себе достоинства предыдущих двух схем. Избегаются общие для схем недостатки.

Рисунок 3 – Структурная схема источника питания поджига: В1, В2, В – выпрямители, И – инвертор, СУ1, СУ2 – системы управления, Тр – траснформатор, ВВГ – высоковольтный генератор, ЁН – ёмкостный накопитель, К – ключ, Н – нагрузка

В схеме предусмотрено два канала: один для пробивания электрического промежутка, а второй – обеспечивает дополнительную энергию в разрядном промежутке, инициированном искрой. Благодаря такому элементу в схеме как ключ – К, после засорения катода, энергия в ЁН уменьшится, ключ закроется и ЁН сможет заново запастись энергией.

Выбор и обоснование принципиальной схемы блока питания поджига

На основе разработанной структурной схемы блока питания поджига, проведем анализ существующих в виде принципиальных схем решений.

Выбор схемы входного выпрямителя

Согласно техническому заданию, входным напряжением проектируемого источника является однофазная сеть 220 В, частотой 50 Гц. Этот факт определяет необходимость выбора в качестве выпрямительной схемы одну из схем однофазных выпрямителей.

Базовые схемы однофазных выпрямителей разделяются на [1]: однополупериодные и двухполупериодные.

Однополупериодные выпрямители характеризуются наличием всего одного вентиля, который работает только в тот момент времени, когда к диоду приложено прямое напряжение. Такое схемотехническое решение упрощает схему, но приводит к увеличению коэффициента пульсации, что ухудшает качество выпрямленного напряжения, и к несимметричному потреблению электроэнергии из сети. Поэтому в данном случае мы их рассматривать не будем.

Базовые схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей:

Мостовая схема;

Схема со средней точкой трансформатора.

Сравнивая схемы можно сказать, что в мостовой схеме в каждый момент времени ток протекает через два диода, а в схеме со средней точкой трансформатора через один. Вследствие этого, потери на диодах будут несколько выше (при одинаковых вентилях в два раза), чем в схеме со средней точкой трансформатора. Однако достигается это за счет того, что к вентилям прикладывается обратное напряжение равное двойному амплитудному напряжению питания (пересчитанному во вторичную обмотку).

Кроме того, для создания схемы со средней точкой необходимо использование трансформатора, расчётная мощность которого больше эквивалентного по мощности трансформатора с мостовой схемы [1]. Также масса-габаритные параметры увеличиваются (за счёт работы электромагнитного элемента на относительно низкой сетевой частоте – 50 Гц) и появляется необходимость рассчитывать трансформатор, что усложняет проектирование схемы. Поэтому предпочтение было отдано мостовому выпрямителю. Как самому эффективному, простому и надежному решению.

Рисунок 3 – Схема входного мостового выпрямителя

Инвертор напряжения

В системах малой и средней мощности используются, как правило, транзисторные инверторы напряжения. Так как с целью повышения КПД силовые транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, естественной формой выходного напряжения является прямоугольная форма [2].

Базовые схемы инверторов:

 мостовая схема;

 схема со средней точкой трансформатора;

 полумостовая схема;

Проанализируем каждый из вариантов на предмет достоинств и недостатков с целью выбора наиболее оптимального.

Схема инвертора со средней точкой трансформатора предполагает использование достаточно мощного трансформатора.

Мостовая схема инвертора предполагает наличие четырёх ключевых элементов, что негативно отразиться на суммарных потерях.

Полумостовую схему инвертора отличает наличие всего двух ключевых элементов. Этот факт положительно сказывается на суммарных потерях в схеме, так как статические и динамические потери будут определяться сравнительно небольшим числом ключевых элементов. Из недостатков можно отметить относительно низкий КПД.

В результате, качестве схемы инвертора примем полумостовую схему с емкостным делителем напряжения. Её характерными особенностями являются напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания; к первичной обмотке силового трансформатора прикладывается половинное напряжение источника питания; токи транзисторов будут в два раза больше.

Рассмотрим требования предъявляемых к данному силовому модулю.

Первое требование – к модулю управления. Оно заключается в том, что работа ключей должна быть согласованной, т.е. они должны открываться/закрываться попеременно и никогда не должны быть полностью открыты одновременно. Это необходимо для устранения так называемых «сквозных токов», текущих через оба открытых ключа, минуя нагрузку. Обычно это приводит к разрушению ключей. Кроме этого, поскольку реальные ключи имеют конечное (ненулевое) время открытия/закрытия, то открывающие сигналы модуля управления должны подаваться с некоторой задержкой после сигнала закрытия другого ключа. Эти задержки называются «мертвым временем» (dead-time) и должны быть предусмотрены в любом варианте модуля управления.

Другая проблема связана с тем, что нагрузка у нас индуктивная. Поэтому при закрытии ключей возникают «выбросы» напряжения. Для решения этой проблемы обычно используют так называемые «возвратные диоды», включенные параллельно ключам.

Рисунок 4 – Схема полумостового инвертора напряжения

Система управления инвертором напряжения

Для управления транзисторными стойками моста в полумостовой схеме инвертора напряжения, лучше всего использовать специализированный полумостовой драйвер, например, микросхему IR2153. Данная микросхема имеет только один управляющий вход, а также схему формирования «мертвого» времени в верхнем и нижнем каналах драйвера длительностью 1,2 мкс. Для управления верхним транзистором используется высоковольтный «плавающий» источник диод – конденсатор. Имеется также защита от пониженного напряжения питания драйвера и высоковольтного «плавающего» источника.

В табл. 2 представлено краткое описание драйвера.

Таблица 2 – Краткое описание характеристик драйвера IR2153.

Параметры

Значения

VOFFSET

600V max.

Duty Cycle

50%

Tr/Tp

80/40ns

Vclamp

15.6V

Deadtime (typ.)

1.2 µs

Согласно табл. 2 напряжение питания драйвера не должно превышать 600 В, также он может поддерживать стабильную скважность импульса порядка 50%. Время нарастания и время спада импульсов равны 80 и 40 нс, соответственно. Внутренний стабилитрон удерживает напряжение науровне 15 В. «Мертвое» время между каналами формирующие управляющие импульсы составляет порядка 1,2 мкс.

На рис. 5 представлена диаграммы формирующихся импульсов на выходе драйвера.

Рисунок 5 – Диаграмма формирующихся импульсов на выходе драйвера на выходе драйвера

На рис. 6 представлена схема подключение драйвера IR2153.

Распишем работу схемы.

Затворные резисторы R3, R4 предусмотрены для регулирования скорости переключения силового ключа транзистора. Конденсатор С1 необходим для подавления высокочастотных помех по цепи питания драйвера. Резистор R1 предназначен для предварительного запуска генератора, когда на выводе VCC напряжение достигнет уровня примерно равному 15 В, драйвер начнёт формировать управляющие импульсы на инверторе. Получение «15 В» будет описано в следующем разделе.

Рисунок 6 – Схема подключение драйвера

RC – цепь состоящая из резистора R2 и конденсатора С2, задают для драйвера частоту работы см. рис. 7

Рисунок 7 – Временная диаграмма вода/вывода

Как было раньше упомянуто в схеме подключения драйвера установлена цепь VD1 – C3, т.н. высоковольтный «плавающий» источник, который позволяет управлять верхним ключом сойки моста. Работает он следующим образом: когда нижний транзистор VT2 проводит ток, то исток верхнего транзистора VT1 подключается к общему проводу питания, диод VD1 открывается и конденсатор С1 заряжается до напряжения UC3 = UПИТ – UVD1 – UR1. Наоборот, когда нижний транзистор переходит в закрытое состояние и начинает открываться верхний транзистор VT1, диод VD1 оказывается подпертым обратным напряжением силового источника питания. В результате этого выходной каскад драйвера начинает питаться исключительно разрядным током конденсатора С3. Таким образом, конденсатор С3 постоянно «гуляет» между общим проводом схемы и проводом силового источника питания.

Вспомогательный источник питания для системы управления инвертором напряжения

Из предыдущего раздела известно, что для питания драйвера IR2153 необходимо порядка 15 В. Получать данное напряжение планируется через дополнительную вторичную обмотку трансформатора. Переменное напряжение необходимо будет выпрямить и отфильтровать. После краткого рассуждения на рис. 6 представлено схемотехническое решение.

Рисунок 8 – Схема ВИП СУ инвертором напряжения

Из рис. 8 видно, что в схеме предусмотрен мостовой однофазный выпрямитель (VD1VD4), система конденсаторных фильтров (С1С4) состоящая из попарно параллельных электролитических и керамических, которые фильтруют высокочастотные и низкочастотные помехи, соответственно. Диод VD5 необходим для предотвращения прохождения тока от сети «220В» к мостовому выпрямителю.

Трансформатор

Трансформатор, как видно из структурной схемы, имеет несколько выходящих линий и одну входящую. Это означает, что он будет иметь одну первичную обмотку и три вторичных. Первая, основная обмотка, связывает высоковольтную часть схемы с низковольтной. Вторая и третья, т.н. дополнительные, формируют питающие напряжения для вспомогательных источников питания. На рис. 9 представлена схема планируемого трансформатора.

Рисунок 9 – Многообмоточный трансформатор

Выходной выпрямитель

Выходной выпрямитель предназначен для выпрямления переменного однофазного напряжения с основной обмотки трансформатора, связывающей две части схемы, и формирования постоянного напряжения на ёмкостном накопителе.

Однофазные выпрямители уже были разобраны в прошлом разделе, когда мы касались входного выпрямителя. Повторяться необходимости нет, поэтому выберем уже знакомый нам мостовой выпрямитель.

На рис. 10 представлена принципиальная схема выходного выпрямителя.

Рисунок 10 – Выходной выпрямитель

На рис. 10 размещена после выпрямителя RC-цепь. Она необходима для ограничения зарядного тока для ёмкостного накопителя, а также для формирования требуемого тока удержания для ключевого элемента. Забегая вперёд, уточним, в качестве ключа будет использоваться тиристор. Более подробное описание будет представлено в соответствующем разделе.

Ёмкостной накопитель

Ёмкостной накопитель необходим непосредственно для накопления электрической энергии. Чтобы схема была работоспособна, требуется соединить конденсаторы в батарею, параллельно-последовательным способом. Таким образом, мы сможем достичь максимальное необходимое напряжения. Также следует предусмотреть равномерный заряд конденсаторов, для этой цели параллельно им поставим резисторы. Диод нужен будет чтобы контролировать наличие напряжение на конденсаторах.

На рис. 11 представлена конструкция ёмкостного накопителя.

Рисунок 11 – Ёмкостной накопитель

Ключевой элемент

Как уже раньше упоминалось, в качестве ключевого элемента используется тиристор. Тиристор, как и любой полупроводниковый прибор, обладает паразитной ёмкостью. В результате в момент появления фронта импульса напряжения (резкого изменения напряжения), формируется большой по амплитуде, но очень короткой по времени паразитный ёмкостной ток, который протекая по всей структуре тиристора, в том числе и по управляющей, позволяет его открыть. При этом тиристор закроется, когда ток станет меньше тока удержания. Поскольку управлением тиристором осуществляется без управляющего сигнала, то управляющий электрод попросту говоря будет «висеть в воздухе», оставаясь ни к чему не подключенным.

Транзистор не используется поскольку он не может пропускать токи большой амплитуды при тех же габаритах, что у тиристора.

На рис. 12 представлена схема подключение тиристора.

Рисунок 12 – Принципиальная схема подключения тиристора

Оптоприёмника

Необходимость применения оптоволокна обусловлена тем, что блок поджига будет располагаться отдаленно, на расстоянии до 10 метров от блока управления, при этом сам блок поджига находится под потенциалом (-)30 кВ относительно нейтрали сети «230 В».

В качестве приёмника оптического сигнала выберем HFBR-2522Z разработанный американской компанией Broadcom Inc.

На рис. 13 представлен внешний вид приёмника.

Рисунок 13 – Внешний вид приёмника HFBR-2522Z

На рис. 14 представлена функциональная схема приёмника HFBR-2522Z с расположением выводов и их обозначением.

Рисунок 14 – Функциональная схема приёмника HFBR-2522Z

В табл. 3 представлены технические параметры приёмника HFBR-2522Z.

Таблица 3 – Технические параметры приёмника HFBR-2522Z

Параметры

Значения

Напряжение питания, В

-0,5 – 7

Выходное напряжение, В

-0,5 – 18

Выходной коллекторный ток, мА

25

На рис. 15 представлена принципиальная схема подключения приёмника HFBR-2522Z.

Рисунок 15 – Принципиальная схема подключения приёмника HFBR-2522Z

Из рис. 15 следует отметить важную особенность приёмника – инверсия сигнала. Когда на светодиод попадает свет, а это произойдёт тогда, когда будет высокий уровень напряжения на выводе МК, на входе ОУ образуется логическая единица, а на его выходе появляется напряжение, соответствующее напряжению питания, тогда откроется транзистор, и потенциал земли сравняется с потенциалом коллектора, следовательно, на выходе приёмника (V0) будет низкий уровень напряжения. Если на светодиод не попадает свет, на выводе МК логический ноль, на входе ОУ тоже ноль, значит на его выходе будет ноль, транзистор окажется в закрытом состоянии, на выводе V0 появиться высокий уровень напряжения.

Что касается схемотехники, то к приёмнику подключим однонаправленный стабилитрон, который будет служить стабилизатором напряжение питания в границах 5 В. Также подключим керамический конденсатор, который будет пропускать через себя высокочастотные гармоники, тем самым убирая переменную составляющую в постоянном напряжении.

В качестве оптического кабеля используется AFBR-HUD500Z.

Вспомогательный источник питания для оптоприёмника

Вспомогательный источник питания необходим для питания оптоприёмника. Из предыдущего раздела известно, что в качестве приёмника оптического сигнала выбран модуль HFBR-2522Z, питаемый постоянным напряжением до 7 В.

Данное напряжение формируется одной из дополнительных вторичных обмоток многообмоточного трансформатора. Полученное переменное напряжение предстоит выпрямить и стабилизировать линейным стабилизатором. В качестве стабилизатора выберем предлагаемой на рынке, европейской компанией STMicroelectronics (STM), популярную серию L78 – L7805. Данный стабилизатор напряжения может выдавать до 1,5 А при фиксированном выходном напряжении 5 В. Регулятор напряжения обеспечивает защиту безопасной зоны с добавлением внутреннего теплового отключения и ограничения тока.

На рис 16 представлена схема подключения микросхемы L7805 из технической документации.

Рисунок 16 – Схема подключения микросхемы L7805

На рис. 16 представлена подробная техническая информация линейного стабилизатора L7805.

Рисунок 16 – Электрические характеристики линейного стабилизатора L7805

На рис. 17 представлена принципиальная схема вспомогательного источника питания для оптоприёмника.

Рисунок 17 – Схема вспомогательного источника питания для оптоприёмника

Система управления высоковольтным генератором

Для платы поджига, управляющие сигналы будут поступать на микросхему TLP250, внешний вид которой представлен на рис. 18.

Данная ИМС предназначена для управления затвором MOSFET транзисторов. Тем самым упрощает проектирование системы управления мощными МОП-транзисторами, а также повышают надежность системы.

Рисунок 18 – Внешний вил корпуса микросхемы TLP250

На рис. 19 представлена таблица истинности ИМС TLP250

Рисунок 19 – Таблица истинности ИМС TLP250

Функциональная схема ИМС TLP250 и описание выводов представлено на рис. 20.

Рисунок 21 – Функциональная схема ИМС TLP250 с описанием выводов

Как можно заметить, исходя из рис. 21, микросхема работает следующим образом: когда через светодиод, установленный внутри корпуса, пойдет ток, на выходе TLP250 установиться напряжение высокого уровня (см. рис. 20), если же на через светодиод, не будет течь ток, тогда на выходе TLP250 образуется напряжение низкого уровня.

В табл. 4 представлены технические параметры ИМС TLP250.

Таблица 4 – Технические параметры ИМС TLP250

Параметры

Значения

Напряжение питания, В

10 – 35

Максимальное выходное напряжение, В

35

Напряжение изоляции, кВ

2,5

Прямое входное напряжение, В

1,6 – 1,8

Входной пороговый ток, мА

1,2 – 5

Максимальный прямой ток, мА

20

На рис. 22 представлена принципиальная схема подключения приёмника HFBR-1522Z.

Рисунок 22 – Принципиальная схема подключения приёмника HFBR-1522Z

Из рис. 22 видно, что ИМС TLP250 подключается последовательно к питанию и выводу OUT. В результате, когда свет попадает на фотодиод приёмника HFBR-2522Z, открывается внутренний транзистор, потенциал на выводе OUT сравнивается с потенциалом земли и через диод ИМС TLP250 потечёт ток и на выходе TLP250 появиться напряжение высокого уровня. Если на фотодиод не падает свет, то внутренний транзистор будет закрыт, и соответственно ток равен нулю.

Таблица истинности для схемы, представленной на рис. 22, будет иметь будет иметь вид, как в табл. 5.

В табл. 5 представлена таблица истинности для рис. 22.

Таблица 5 – Таблица истинности для рис. 22

Вариант

IN

OUT

ANODE

1

1

0

1

2

0

1

0

Из табл. 5 видно, что сигнал, который передаётся от передатчика HFBR-1522Z синфазен сигналу, который поступает на микросхему TLP250.

Высоковольтный генератор

ВВГ предназначен для создания кратковременного высоковольтного напряжения для пробивания электрического промежутка.

Для импульсного дугового разряда необходимо обеспечить точное совпадение по времени между временем прихода синхроимпульса и моментом загорания разряда. Поскольку параметры синхроимпульса требуется периодически изменять, то целесообразно управлять высоковольтным генератором ВВГ посредством микроконтроллера.

На рис. 23 представлена принципиальная схема высоковольтного генератора. Управляющий импульс, генерируемый микроконтроллером, по оптоволокну приходит на оптоприёмник, с оптоприёмника попадает на драйвер TLP250. Драйвер усиливает сигнал до необходимого значения напряжения, чтобы управлять выводом затвора транзистора IGBT относительно эмиттера.

Рисунок 23 – Схема принципиальная высоковольтного генератора

Моделирование в программе Multisim силовой части схемы источника питания поджига

Прежде чем приступить к расчётам источника питания поджига, проведем моделирование основных силовых узлов. С целью проверки в корректности работы схемы.

Моделирование работы диодного столба.

Диодный столб подключается параллельно к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора. Задача диодной сборки – в обход вторичной обмотки трансформатора, мгновенно передать энергию по искровому промежутку от емкостного накопителя.

Предполагается, что на вторичной обмотке трансформатора сформируется напряжение порядка 12 кВ.

В результате предъявляются следующие требования к диодам:

они должны обладать минимальной длительностью переключения.

быть достаточно высоковольтными.

Из вышеописанных соображений были подобраны диоды, выпускаемые компанией STMicroelectronicsSTTH108 [6].

Диоды данной серии обладают низким прямым падением напряжения (от 1,25 В), способны пропускать ток высокой величины (до 50 А), а также ультрабыстрые (время переключения от 75 – 200 нс).

В таб. 6 представлены основные характеристики диода STTH108.

Таблица 6 – Основные технические характеристики диодов серии STTH108

Наименование

Значение

Средний прямой ток, А

1

Максимальное обратное напряжение, В

800

Прямое падение напряжения

1,25

Маскимальная рабочая температура, С

175

Время обратного восстановления, нс

75

Время прямого восстановления, нс

200

Таким образом, чтобы держать 12 кВ, необходимо подключить порядка 20-и диодов STTH108 к вторичной высоковольтной обмотке трансформатора.

На рис. 24 представлена эквивалентная схема силовой части источника питания поджига диодного столба, собранная в программе Multisim.

Рисунок 24 – Эквивалентная схема диодного столба

Из рис. 24 видно следующее: постоянный источник питания – V1 с напряжением 500 В. Символизирующий выпрямленное напряжение, полученное с многообмоточного трансформатора. Резистор R2 равный 100 кОм, служит для того, чтобы дать конденсатору возможность сразу разрядиться после замыкания ключа – S2. Сам ключ символизирует работу тиристора. Конденсатор С1 емкостью 22 мкФ, представляет емкостной накопитель, изначально имеет напряжение 490 В, чтобы не ждать момента накопления необходимой энергии. Источник постоянного напряжения – V2 равный 34 В, является аналогом прямого падения напряжения на 19 последовательно соединенных диодов серии MUR180EG. Данный тип диодов был выбран в качестве альтернативы STTH108, поскольку необходимого нам в библиотеке программы Multisim не обнаружено. Резистор R1, как статическое сопротивление, равный 6,8 Ом, был рассчитан с учётом выбора рабочей точки на ВАХ диода серии MUR180EG, при прямом токе 5 А и соответствующем прямом падении напряжения 1,7 В. Индуктивность L2 равная 15 мкГн обозначает индуктивность проводов, а резистор R2 равный 10 мОм обозначает сопротивление проводов. В качестве нагрузки примем стабилитрон – D1, напряжением 100 В. Данный прибор с достаточной точностью может символизировать поведение искрового разряда.

На рис. 25 представлены диаграммы работы схемы диодного столба.

Рисунок 25 – Диаграммы работы диодного столба

Из рис. 25 видно, что в момент замыкания ключа S2, конденсатор С1 начинает разряжаться, что приводит к протеканию тока. Длительность протекания тока составляет порядка 734 мкс.

Моделирование работы высоковольтной части схемы, без подключения диодного столба к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора.

Посмотрим работу силовой части схемы источника питания поджига без обратно включенного диодного столба.

На рис. 26 представлена эквивалентная схема силовой части без диодного столба, собранная в программе Multisim.

Рисунок 26 – Эквивалентная схема силовой части без диодного столба.

Из рис. 26 видно следующее: катушка индуктивности – L1 представлена как вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, с индуктивностью обмотки порядка 0,4 Гн. К ней параллельно подключен резистор R3 равный 30 кОм, который служит как сопротивление потерь.

На рис. 27 представлена диаграмма работы схемы силовой части без диодного столба.

Рисунок 27 – Диаграмма работы схемы силовой части поджига без диодного столба

Из рис. 27 видно, что в момент замыкания ключа S2, соответствующий времени 8,289 мс, происходит разряд конденсатора, что приводит к мгновенному появлению напряжения на катушке L1 и начинается процесс нарастания тока. В этот же момент появляется напряжение на нагрузке. Когда ток достигает максимального значения порядка 3 А, напряжение на катушке спадает до нуля. В момент, когда напряжение на катушке приобретает максимальное значение, ток нагрузки спадает до нуля. Происходит колебательный процесс, который приводит к тому, что на нагрузке появляется стабильное напряжение порядка 100 В, а на катушке напряжение равняется нулю. Стоит заметить, что формат тока имеет колоколообразную форму и её длительность составляет порядка 10 мс. Данное значение нам пригодиться, когда мы будем рассматривать работу силовой части схемы с диодным столбом. Кроме этого, если бы в схеме стоял тиристор за место ключа S2, на диаграммах не было бы колебательного характера. Поскольку тиристор бы не давал возможности для протекания тока в обратную сторону.

Моделирование работы силовой части схемы, с подключением диодного столба к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора.

На рис. 28 собрана схема с подключением параллельно катушке индуктивности диодного столба.

Рисунок 28 – Эквивалентная схема параллельного включения диодного столба к катушке индуктивности

На рис. 29 представлена работа схемы с параллельным включением катушки индуктивности и диодного столба.

Рисунок 29 – Диаграмма работы схемы с параллельным включением диодного столба к катушке индуктивности

Из рис. 29 видно, что в момент коммутации ключа S2, конденсатор начинает разряжаться, что приводит к появление тока, который имеет достаточно большую амплитуду порядка 48 А и при этом короткую длительность 729 мкс. Данный результат хорошо показывает, что ток потечёт по цепи диодного столба.

Моделирование работы тиристора в силовой части схемы.

При проектировании схемы в программе Multisim, было определено, что в работу тиристора не заложена одна из его возможности: открытие по фронту напряжения (dU/dt). Данный факт несколько снижает точность моделирования, но позволяет, примерно, представить поведение схемы в необходимых нам условиях. Для этого отпирание тиристора будем производить стандартным способом: прикладывание импульса напряжения на управляющий электрод.

Нар рис. 30 представлена схема включения тиристора.

Рисунок 30 – Схема включения тиристора

На рис. 31 представлены диаграммы работы схемы.

Рисунок 31 – Диаграммы работы схемы включения тиристора

Из рис. 31 видно, что по приходу импульса напряжения на управляющий электрод, тиристор переходит в открытое состояние, в результате в цепи начинает течь ток, приводящий к появлению напряжения на нагрузке.

Моделирование работы силовой части схемы, с подключением тиристора к емкостному накопителю.

На рис. 32 представлена схема силовой части с подключенным тиристором к емкостному накопителю.

Рисунок 32 – Схема силовой части с подключенным тиристором к емкостному накопителю

Как уже раньше упоминалось, тиристоры из библиотеки программного пакета Multisim, не позволяют проверить их работу в качестве динистора. Поэтому было принято решение: открывать тиристор по импульсу напряжения на управляющем электроде. Кроме этого, в нагрузке представлен источник постоянного напряжения V6, равный 100 В, который поставлен вместо стабилитрона. Что позволило упростить процесс расчёта в самой программе, но не привело к искажению сути. Также в нагрузку последовательно включен ключ S2, который управляется напряжением от генератора импульсов V2. Ключ имитирует бесконечно большое сопротивление, которое на практике является промежутком между поджигающим электродом и катодом. Ключ S2 не даёт возможно для протекания тока, хоть и маленького, через паразитные емкостные параметры, учтённые в модели тиристора BTW30-800R. В результате, такого схемотехнического решения, генератор одновременно откроет два ключа: S2 и S3. Что будет подразумевать, во-первых, создания искрового разряда, пробивающего промежуток за счёт 12 кВ, которые формируются на вторичной обмотке трансформатора, в нашем случае катушка индуктивности L1. Во-вторых, открытие тиристора в результате резкого скачка напряжения за малый промежуток времени (порядка 400 В/с).

На рис. 33 представлены диаграммы работы схемы.

Рисунок 33 – Диаграммы работы схемы с подключенным тиристором к емкостному накопителю

Из рис. 33 видно, что к нагрузке прикладывается всё напряжение конденсатора, поскольку она обладает самым большим сопротивлением. Процесс переключения тиристора происходит так быстро, что на него не успевает упасть напряжение и он сразу переходит в открытое состояние, поскольку индуктивность катушки индуктивности огромна, порядка 0,4 Гн, то ток мгновенно протёк по диодному столбу, за время 175 мкс, с амплитудой порядка 120 А. Таких параметров тока достаточно, чтобы на катоде образовалось катодное пятно.

Заключение

В работе представлены и обоснованы три варианта реализации структурной схемы. На основании которых была выбрана та, которая позволит одновременно сформировать высоковольтный и высокоэнергичный разряд.

Затем, на основании структурной схемы, производился выбор и обоснование принципиальной. При разработке, которой, учитывались самые эффективные и проверенные решения, накопленные специалистами.

На заключительном этапе, предстояло провести моделирование силовой части схемы источника питания поджига, в программном пакете Multisim, чтобы убедиться в правильности выбранного схемотехнического решения.

В результате удалось проверить поведение тока при резком возникновении разряда. Подтвердив предположения о том, что ток обойдя высоко-индуктивную обмотку, потечёт по диодному столбу, при этом со скоростью порядка 6 А/мкс и фронтом напряжения 1,3 В/пс. Согласно выходным значениям тока и напряжения, можно с уверенностью утверждать о возможности создания катодного пятна.

Список использованных источников

Буркин, Евгений Юрьевич. Основы преобразовательной техники: электронный курс [Электронный ресурс] / Е. Ю. Буркин, Ю. В. Шульгина; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра промышленной и медицинской электроники (ПМЭ). – Электрон. дан. – Томск: TPU Moodle, 2016.

Буркин, Евгений Юрьевич. Лабораторный практикум по силовой электронике: учебное пособие [Электронный ресурс] / Е. Ю. Буркин; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра промышленной и медицинской электроники (ПМЭ).

Буркин, Евгений Юрьевич. Основы преобразовательной техники: учебное пособие / Е. Ю. Буркин; Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 88 с.: ил. – Учебники Томского политехнического университета. – Библиогр.: с. 87.

Буркин, Евгений Юрьевич. Энергетическая электроника: практикум / Е. Ю. Буркин; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 44 с.: ил. – Учебники Томского политехнического университета. – Библиогр.: с. 42.

Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005 - 416 с.: ил.

Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 325 с.

Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Техника получения высокоэнергетичных электронных пучков с большим поперечным сечением // Приборы и техн. эксперим. – 1980. – №1. – С. 7-24.

Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. – М.: Энергоиздат, 1984.

Формирование сильноточных электронных пучков большой апертуры. / Абдуллин Э.Н., Коновалов И.Н., Лосев В.Ф. и др. // Журн. техн. физ. – 1982. – Т.52, в.5, – С. 923 – 926.

Глотов А.Ф. Методы анализа и расчёта электронных схем: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 120 с.

Попов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов спец. "Радиотехника". - М.: Высш. шк., 1985. - 496 с.

Пустынников С.В., Сипайлов А.Г., Шандарова Е.Б. / Теоретические основы электротехники часть 1: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2014. - 92 с.

Просмотров работы: 28