Високоволтов високочестотен електронен трансформатор Даниел Георгиев, Крум Бешински



Дата12.03.2017
Размер96.14 Kb.

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – ВАРНА, 2008 г.


Високоволтов високочестотен електронен

трансформатор
Даниел Георгиев, Крум Бешински
Резюме: Много процеси в промишлеността изискват високи мощности за захранване на процесите комбинирани с големи напрежения. Типичен пример са електростатичните филтри, който са намерили приложение в промишлеността за пречистването на въздуха от твърди частици в атмосферата. Нова тенденция в тази област е замяната на 50Hz силов трансформатор с високоволтов високочестотен трансформатор.

Ключови думи: високоволтов, високочестотен, трансформатор

І. ВЪВЕДЕНИЕ

Високоволтовите (с напрежение над 10 kV) и големи мощности (над 10 kVA) токозахранващи устройства намират широко приложение в промишлеността, което включва използването им в апаратури за медицинска диагностика, в самолетната индустрия и също така в системите за пречистване на въздуха от вредни емисии в промишлени предприятия и електрически централи. Конвенционалните високоволтови токозахранващи устройства се изграждани на базата на нискочестотно управление и нискочестотни трансформатори, което довежда до големи размери и тегло на захранващите устройства. Последните нововъведения и открития в областта на силовата електроника позволява да се създадат нови преобразувателни токозахранващи устройства които използват високи работни честоти и високочестотни трансформатори. Това от своя страна допринася до намаляването на размера и общото тегло на устройствата. Това предимство намира широко приложение особено в устройства където размера и теглото са от първостепенно значение.


Блоковата схема на токозахранващ източник с високочестотен трансформатор е показана на фиг. 1.

Подаденото входно захранващо напрежение от електрическата мрежа се подава към преобразувател от променливо към постоянно напрежение (AC-DC преобразувател), след това отново постоянното напрежение се преобразува в променливо (DC-AC преобразувател) и се подава на високочестотния високоволтово трансформатор от изхода на който се получава изходното захранващо напрежение за електростатичния филтър.

В представения проект за високочестотен високоволтов захранващ източник, изходното напрежение Uизх=100kV може да се постигне по два основни метода:

- чрез използването на трансформатор при който по-ниското изходно напрежение се изправя и умножава от умножител на напрежение.

- чрез трансформатор и изправител на променливо напрежение на изхода на който се получава директно Uout=100 kV.


Представения доклад има за цел сравнение на проектирания високоволтов високочестотен трансформатор в два варианта със следните електрически параметри:

  • Uin = 500 V, Uout1 = 30 kV, Iout1 = 1 A, Pout1=30 kVA, f =20 kHz (работна честота);

  • Uin = 500 V, Uout2 = 100 kV, Iout2 = 0.3 A, Pout2=100 kVA, f =20 kHz (работна честота);

Също така е представена модел и симулация на работата на проектирания трансформатор при така зададените му параметри на работа със специализирания софтуер за симулация на електронни схеми Pspice.


ІІ. описание на проектирания трансформатоР

При проектирането на високоволтовия трансформатор са взети под внимание следните особености:



  • изисквания към високоволтова изолация,

  • избор на материал, форма, и място за разположение на намотките в сърцевината,

  • паразитни капацитети и индуктивност,

  • ефект „корона”,

  • охлаждане на трансформатора.

  1. Изисквания към високоволтовата изолация.

За постигането на оптимална изолация е необходимо изолационния материал да притежава достатъчна диелектрична якост за предотвратяване на пробив между първичните и вторичните намотки на трансформатора поради малкото разстояние между тях, но има недостатъка че довежда до увеличаване на паразитните индуктивности между намотките.

Обикновените изолационни материали имат диелектрична якост от порядъка на единици kV/mm. Някои специални изолационни материали имат много добри изолационни качества и имат диелектрична якост от порядъка на 10-40 kV/mm. Такъв тип е изолационния материал Nomex® Type 410 който представлява изолационна хартия, която осигурява диелектрична якост до 32 kV/mm. Този материал е избран в описания трансформатор за изолация между слоевете на трансформатора с дебелина от 0,25mm. За по добра изолация от околната среда и за да се предотврати ефекта „корона” е възможно поместването на трансформатора в трансформаторно масло което има по-голяма диелектрична якост от въздуха и освен това спомага за охлаждането му.



  1. Избор на материал и сърцевина за трансформатора.

При работа на силовите устройства при високи честоти се използват магнитномеки феритни материали като типично използваните геометрични форми на сърцевината са EE, U, C - образни сърцевини, които са предпочитани поради това че те осигуряват по-голяма площ за поместване на намотките в сърцевината. Използваните сърцевини могат да се подреждат паралелно или последователно в случаите в които се изискват по-големи мощности и изисквания за по добро охлаждане на трансформатора. Именно този подход е използван при проектирането на представения трансформатор, който използва магнитна сърцевина тип U 141/78/30 изработена от магнитен материал N87 на фирмата Epcos. Напречно сечение на конструкцията на трансформатора и геометричните размери на използваната магнитна сърцевина са показни на фиг. 2.




Фиг. 2. Напречен разрез и геометрични размери на феритната сърцевина


  1. Паразитни капацитети и индуктивности.

При високоволтовите трансформатори освен повишените паразитни индуктивности поради наличието на високоволтова изолация , също така се наблюдава и повишаване на паразитните капацитети поради изискването за изолация с по-голяма диелектрична якост.

  1. Намотки и загуби в сърцевината.

Загубите във феритната сърцевина могат да бъдат намалени чрез намаляване на индукцията на насищане и подбор на подходящ размер на феритната сърцевина. Загубите във ферита имат тенденцията да се увеличават в порядъка 2.3 ÷ 3 пъти с енергията на пиковата индукция. Затова намаляването на нивото на пиковата стойност на индукцията на феритния материал довежда до редуциране на загубите във ферита. На практика това означава при проектирането на трансформатора да се използва по-голяма сърцевина и по-голям брой на намотките.

Основните технически характеристики на проектирания трансформатор във двата му варианта с работно изходно напрежение Uout1 = 30 kV и Uout2 = 100 kV, които са получени на базата на описната методика за изчисление на импулсни трансформатори [2], са показани в Таблица 1.


Таблица. 1. Технически параметри на проектирания трансформатор.

Трансформатор
Параметри

Uout1 = 30 kV

Iout1 = 1

Pout1=30 kVA


Uout2 = 100 kV

Iout2 = 0.3 A

Pout1=30 kVA


Брой навивки на първичната намотка N1

10

10

Брой навивки на вторичната намотка N2

600

2000

Дебелина на изолацията между първичната и вторичната намотка

0.25 mm

0.8 mm

Допустима мощност на разсейване

111 W

111 W

Загуби в медните проводници

57.1 W

26.4 W

Загуби във от вихрови токове (загуби във ферита)

32.8 W

44.5 W

Тегло на проводника в първичната намотка

0.14 kg

0.14 kg

Тегло на проводника във вторичната намотка

0.18 kg

0.64 kg

Общо тегло

5.32 kg

5.74 kg


III. Компютърно моделиране на проектирания трансформатор на Pspice.
1. Описание на параметрите на сърцевината

Основното в модела на трансформатор за PSpice е моделирането на сърцевината на трансформатора. Нейният модел се задава с чрез свързващия елемент K_break за нелинейни електромагнитни системи. В използвания модел, K_break свързва две индуктивности, L1 и L2, като по този начин формира модела на трансформатора. L1 и L2 представляват съответно първичната и вторичната намотка на трансформатора, със съответния брой навивки.


Таблица. 2 Параметри на моделираната сърцевина

Име

Значение

Единици

Стойности по подразбиране

Избрани стойности

AREA

Сечение на магнитопровода

mm2

10

2700

PATH

Средна дължина на магнитните линии

mm

10

754

GAP

Въздушна междина

mm

0

0.1

MS

Индукция

Gauss

1000000

1900

A

Параметър на формата




1000

45

C

Параметрична константа в PSpice




0.2

0.2

K

Параметрична константа в PSpice




500

155

Параметрите А, С и К са параметри на PSpice и тяхното получаване е труден и дълъг процес, тъй като се определят опитно. Те определят хистерезисната крива на трансформатора. Параметърът А определя наклонът на В-Н кривата, параметърът С определя началната магнитна проницаемост, а параметърът К определя колко разтворена е хистерезисната крива. Техният подбор се осъществява опитно, до постигане на желаната форма и размах на В-Н кривата.


Направени са симулации на трансформатор с мощност 30 kVA и напрежение на вторичната намотка 30kV и на трансформатор с мощност 30kVA и напрежение на вторичната намотка 100kV.

Симулираната хистеризната крива на трансформатора съпоставена с кривата от справочните данни на сърцевината са показани съответно на фиг. 3





Фиг. 3 Хистерезисна крива на трансформатора.


  1. Симулационни резултати илюстриращи работата на трансформатора.

На фигура 4, са показани симулационните резултати за трансформатора с изходно напрежение 30 kV.






Фиг. 4. Ефективна стойност на мощността върху товарното съпротивление.



б)

На фигурa 5 са показани симулационните резултати за трансформатора с изходно напрежение 100 kV.



Фиг. 5. Ефективна стойност на мощността върху товарното съпротивление.


Загубите при симулации са по-големи от изчислените, тъй като в модела не могат да се отразят направените оптимизации на трансформатора.
IV. Заключение

Представения доклад показва едно от основните преимущества на токозахранващите устройства работещи при високи честоти, а именно постигането на малки геометрични размери и маса на основния силов трансформатор в сравнение с конвенционално изпълнение.

От резултатите при симулации, може да се обобщи, че общите загуби при модела на високочестотен трансформатор на 30кV и 100кV са приблизително еднакви. Недостатък при високо напрежение (100кV) е, че се появяват сериозни проблеми при високоволтова изолация. Това налага да се предпочете варианта при по-ниско напрежение ( 30кV ) на високочестотен трансформатор.

литература:

[1]. John C. Fothergill, Philip W. Devine, and Paul W. Lefley “A Novel Prototype Design for a Transformer for High Voltage, High Frequency, High Power Use” Ieee Transactions on Power Delivery,vol.16 No1, Jan. (2001)

[2]. Van den Bossche A., Valchev V.C. “Transformers and Inductors for Power Electronics”, CRC Press, Boca Ration, FL, USA (2005)

[3]. T.Filchev, D.Cook, P. Wheeler, A. Van den Bosche, V. Valchev “High Power, High Volatge, High Frequency Transformer / Rectifier for HV Industrial Aplications” EPE 2008 Poznan, Poland


За контакти

Даниел Георгиев, студент спец. „Електроника” при ФЕ на ТУ-Варна , ул. „Студентска” № 1, e-mail: danielvarna@mail.bg

Крум Бешински, студент спец. „Електроника” при ЕФ на ТУ-Варна, ул. „Студентска” № 1, e-mail: k_beshinski@mail.ru



Научен ръководител: ст. ас. д-р. Тодор Филчев, кат ЕТМ , ЕФ на ТУ-Варна, ул. „Студентска” № 1, e-mail: todor.filchev@gmail.com

Приложение
Модел на високоволтов високочестотен трансформатор за PSpice.

За трансформатор с напрежение на вторичната намотка 30kV и 100кV (стойността в скоби).


VS 1 0 sin (0 705 20k)

R1 1 2 0.3

L1 2 0 10

L2 4 0 634 (2050)

K12 L1 L2 0.9999 CMOD

.MODEL CMOD CORE (AREA=2700 PATH=754 GAP=0.1 MS=1.9E+3 A=45 C=0.2 K=155)

R2 4 6 22

C1 4 6 10u

RL 6 0 30k

.TRAN 1US 1msS

.PRINT TRAN V(4) I(RL)

.PROBE


.END





Каталог: tu-varnascience -> images -> stories -> st sesiq 2008
st sesiq 2008 -> Identification of intramedullary nail holes using cone beam reconstruction and simulation techniques
st sesiq 2008 -> Проучване и анализ на методи за повърхностни и дълбочинни корекции на кожни увреждания research and analysis of methods for surface and skin-deep correction of skin harms
st sesiq 2008 -> Methodology and research of surface hardened layers of steel H12Mf (D2 aisi) Иван Христов Иванов, Стелиан Желев Георгиев
st sesiq 2008 -> Influence of the propeller blades number and the propeller area ratio onto the optimal propellers characteristics
st sesiq 2008 -> Тори каньон – последствия и поуки torrey canyon – outcome and lessons руслан Филипов Резюме
st sesiq 2008 -> Екологичната санитария като подход за превръщане на отпадните материали от водите в ресурси
st sesiq 2008 -> Method of cold burning of fluorescent lamps with low and middle power
st sesiq 2008 -> Aнализ и оценка на микрообкръжавашата среда на функциониране на „манаус комерс” оод analysis and valuation of the micro-ambient surroundings of functioning of “Manaus Komers” Ltd
st sesiq 2008 -> Добромира Николова Хаджиева Резюме: Конволюционното кодиране намира широко приложение в съвременната комуникационна техника. Настоящият доклад


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница