Высоковольтный преобразователь напряжения разряд 1. Высоковольтный преобразователь напряжения: схема и принцип работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает высоковольтный преобразователь напряжения. Какие компоненты входят в его состав. Для чего используются высоковольтные преобразователи в технике и электронике. Какие меры безопасности нужно соблюдать при работе с высоким напряжением.

Содержание

Принцип работы высоковольтного преобразователя напряжения

Высоковольтный преобразователь напряжения — это устройство, которое преобразует низковольтное напряжение (обычно 12-24В) в высокое напряжение (от нескольких киловольт до сотен киловольт). Принцип его работы основан на быстром переключении тока в первичной обмотке трансформатора, что индуцирует высокое напряжение во вторичной обмотке.

Основные компоненты высоковольтного преобразователя:

Генератор импульсов (обычно на микросхеме NE555 или подобной)
Силовой ключ (MOSFET-транзистор)
Высоковольтный трансформатор
Выпрямитель и фильтр высокого напряжения

Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 15-50 кГц, которые управляют силовым ключом. Ключ коммутирует ток в первичной обмотке трансформатора. За счет большого коэффициента трансформации во вторичной обмотке индуцируется высокое напряжение, которое затем выпрямляется и сглаживается.

Схема высоковольтного преобразователя на микросхеме NE555

Рассмотрим типовую схему высоковольтного преобразователя напряжения на основе микросхемы NE555:

«`text [Схема высоковольтного преобразователя] +12V —-+——+ | | R1 | | | +—-+—+ | | 8 7| | |NE555 | | C1-|2 6 |—+—+ | | 4 | | GND-|1 3 5 | | +——-+ | | | GND +|G | MOSFET S| IRF540 | GND | L1 ======O====== | | HV выход «`

Микросхема NE555 работает в режиме автогенератора, вырабатывая прямоугольные импульсы. Эти импульсы управляют MOSFET-транзистором, который коммутирует ток через первичную обмотку высоковольтного трансформатора L1. Во вторичной обмотке L1 индуцируется высокое напряжение.

Применение высоковольтных преобразователей

Высоковольтные преобразователи напряжения находят широкое применение в различных областях техники и электроники:

Электронно-лучевые трубки (кинескопы, осциллографы)
Рентгеновские аппараты
Ионизаторы воздуха
Электростатические фильтры
Газоразрядные лампы
Электрошокеры
Высоковольтные источники питания для научных экспериментов

Меры безопасности при работе с высоким напряжением

Работа с высоковольтными устройствами требует строгого соблюдения правил техники безопасности:

Никогда не прикасайтесь к высоковольтным цепям при включенном питании

Всегда разряжайте высоковольтные конденсаторы после выключения устройства
Используйте изолирующие материалы и инструменты
Не работайте в одиночку
Имейте под рукой средства оказания первой помощи

Помните, что даже небольшой разряд высокого напряжения может быть смертельно опасен!

Расчет параметров высоковольтного преобразователя

При проектировании высоковольтного преобразователя необходимо правильно рассчитать его основные параметры:

Частоту работы генератора
Коэффициент трансформации
Сечение магнитопровода трансформатора
Число витков обмоток
Параметры выпрямителя и фильтра

Для расчета можно воспользоваться следующими формулами:

«`text 1. Частота генератора: f = 1 / (0.7 * (R1 + 2R2) * C) 2. Коэффициент трансформации: n = N2 / N1 = U2 / U1 3. Сечение магнитопровода: S = sqrt(P / (k * f * B * j)) где: P — мощность k — коэффициент заполнения B — индукция j — плотность тока 4. Число витков первичной обмотки: N1 = (U1 * 10^4) / (4 * f * B * S) 5. Число витков вторичной обмотки: N2 = N1 * n 6. Емкость фильтра: C = I / (2 * π * f * U * k) где: I — ток нагрузки U — напряжение пульсаций k — коэффициент пульсаций «`

Эти формулы позволяют приблизительно рассчитать параметры преобразователя. Для точного расчета рекомендуется использовать специализированное программное обеспечение.

Особенности конструкции высоковольтных преобразователей

При разработке и изготовлении высоковольтных преобразователей необходимо учитывать ряд важных особенностей:

Использование специальных высоковольтных компонентов (диоды, конденсаторы)
Тщательная изоляция высоковольтных цепей
Экранирование для снижения электромагнитных помех
Применение теплоотводов для силовых элементов
Защита от перегрузки и короткого замыкания

Особое внимание следует уделить конструкции высоковольтного трансформатора. Он должен иметь качественную межслоевую изоляцию и выводы, рассчитанные на высокое напряжение.

Проблемы при работе высоковольтных преобразователей

При эксплуатации высоковольтных преобразователей могут возникать следующие проблемы:

Пробой изоляции из-за недостаточной электрической прочности
Перегрев компонентов при большой мощности
Возникновение коронного разряда на острых кромках
Электромагнитные помехи, создаваемые преобразователем
Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки

Для решения этих проблем применяются различные методы:

Использование более качественных изоляционных материалов
Улучшение системы охлаждения
Сглаживание острых кромок и применение антикоронных экранов
Тщательное экранирование и фильтрация
Применение схем стабилизации напряжения

Перспективы развития высоковольтных преобразователей

Технологии высоковольтных преобразователей продолжают развиваться. Основные направления развития:

Повышение КПД преобразования
Уменьшение габаритов и веса
Увеличение удельной мощности
Улучшение стабильности выходных параметров
Снижение уровня электромагнитных помех

Перспективными являются разработки в области твердотельных трансформаторов на основе пьезоэлектрических материалов, а также применение новых магнитных материалов с улучшенными характеристиками.

Преобразователь высоковольтный школьный разряд 1 схема

Искать в успешных завершенных Продать! Сейчас на сайте! Все отлично! С помощью данной формы Вы можете задавать вопросы продавцу о состоянии товара, условиях оплаты, доставки и т. Запрещается передавать контактную информацию через эту форму. Такие сообщения будут удалены администрацией аукциона.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Высоковольтный (5 КВ, 25 КВ из 12 В) преобразователь «Разряд-1»

Разряд-1 интереснейший школьный прибор высоковольтный преобразователь

материально-техническая база кабинета физики и ОБЖ

Преобразователь высоковольтный школьный Разряд-1 1983 г.

ТРАНСФОРМАТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Вольтодобавочное зарядно-разрядное устройство аккумуляторной батареи

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Высоковольтный генератор на 90 киловольт.

Высоковольтный (5 КВ, 25 КВ из 12 В) преобразователь «Разряд-1»

Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Опасное развлечение: простой для повторения генератор высокого напряжения DIY или Сделай сам Из песочницы Tutorial Добрый день, уважаемые хабровчане. Этот пост будет немного необычным. В нём я расскажу, как сделать простой и достаточно мощный генератор высокого напряжения вольт. За основу я взял схему Генератора Маркса. Особенность моей схемы в том, что я пересчитал её под доступные и недорогие детали.

К тому же сама схема проста для повторения у меня на её сборку ушло 15 минут , не требует настройки и запускается с первого раза.

На мой взгляд намного проще чем трансформатор Теслы или умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона. Принцип работы Сразу после включения начинают заряжаться конденсаторы.

В моём случае до 35 киловольт. Как только напряжение достигнет порога пробоя одного из разрядников, конденсаторы через разрядник соединятся последовательно, что приведёт к удвоению напряжения на конденсаторах, подсоединённых к этому разряднику. Из-за этого практически мгновенно срабатывают остальные разрядники, и напряжение на конденсаторах складывается.

Но на практике, с учетом всех потерь, получились разряды длиной 28 см. Потери были вследствие коронных разрядов. О деталях: Сама схема простая, состоит из конденсаторов, резисторов и разрядников. Ещё потребуется источник питания.

Так как все детали высоковольтные, возникает вопрос, где же их достать? Теперь обо всём по порядку: 1 — резисторы Нужны резисторы на кОм, 5 ватт, 50 вольт.

Я пробовал много заводских резисторов, но ни один не выдерживал такого напряжения — дуга пробивала поверх корпуса и ничего не работало. Тщательное загугливание дало неожиданный ответ: мастера, которые собирали генератор Маркса на напряжение более вольт, использовали сложные жидкостные резисторы генератор Маркса на жидкостных резисторах, или же использовали очень много ступеней.

Я захотел чего-то проще и сделал резисторы из дерева. Отломал на улице две ровных веточки сырого древа сухое ток не проводит и включил первую ветку вместо группы резисторов справа от конденсаторов, вторую ветку вместо группы резисторов слева от конденсаторов.

Получилось две веточки с множеством выводов через равные расстояния. Выводы я делал путём наматывания оголённого провода поверх веток. Как показывает опыт, такие резисторы выдерживают напряжение в десятки мегавольт 10 вольт 2 — конденсаторы Тут всё проще.

Я взял конденсаторы, которые были самыми дешевыми на радио рынке — К, пкф, 30 кВ, они же гриншиты.

Их использовали в ламповых телевизорах, поэтому сейчас их можно купить на разборке или попросить бесплатно. Напряжение в 35 киловольт они выдерживают хорошо, ни один не пробило. На аноде кинескопа в цветных телевизорах используется постоянное напряжение около 27 вольт.

Я отсоединил высоковольтный провод присоску с анода кинескопа и решил проверить, какая дуга получится от этого напряжения. Вдоволь наигравшись с дугой, пришел к выводу, что схема в телевизоре достаточно стабильная, легко выдерживает перегрузки и в случае короткого замыкания срабатывает защита и ничего не сгорает. Схема в телевизоре имеет запас по мощности и мне удалось разогнать её с 27 до 35 киловольт.

Для этого я покрутил подстроичник R2 в модуле питания телевизора так, что питание в строчной развертке поднялось с до вольт, что в свою очередь привело к повышению анодного напряжения до 35 киловольт.

При попытке ещё больше увеличить напряжение, пробивает транзистор КТА в строчной развёртке телевизора, поэтому нужно не переборщить. Процесс сборки С помощью медной проволоки я прикрутил конденсаторы к веткам дерева. Между конденсаторами должно быть расстояние 37 мм, иначе может произойти нежелательный пробой. Свободные концы проволоки я загнул так, чтобы между ними получилось 30 мм — это будут разрядники. Лучше один раз увидеть, чем раз услышать.

Смотрите видео, где я подробно показал процесс сборки и работу генератора: Техника безопасности Нужно соблюдать особую осторожность, так как схема работает на постоянном напряжении и разряд даже от одного конденсатора будет скорее всего смертельным. При включении схемы нужно находиться на достаточном удалении потому, что электричество пробивает через воздух 20 см и даже более. После каждого выключения нужно обязательно разряжать все конденсаторы даже те, что стоят в телевизоре хорошо заземлённым проводом.

Лучше из комнаты, где будут проводиться опыты, убрать всю электронику. Разряды создают мощные электромагнитные импульсы. Телефон, клавиатура и монитор, которые показаны у меня в видео, вышли из строя и ремонту больше не подлежат! Даже в соседней комнате у меня выключился газовый котёл.

Нужно беречь слух. Шум от разрядов похож на выстрелы, потом от него звенит в ушах. Интересные наблюдения Первое, что ощущаешь при включении — то, как электризуется воздух в комнате. Напряженность электрического поля настолько высока, что чувствуется каждым волоском тела. Хорошо заметен коронный разряд. Красивое голубоватое свечение вокруг деталей и проводов. Постоянно слегка бьет током, иногда даже не поймёшь от чего: прикоснулся к двери — проскочила искра, захотел взять ножницы — стрельнуло от ножниц.

В темноте заметил, что искры проскакивают между разными металлическими предметами, не связанными с генератором: в дипломате с инструментом проскакивали искорки между отвёртками, плоскогубцами, паяльником.

Лампочки загораются сами по себе, без проводов. Озоном пахнет по всему дому, как после грозы. Сейчас я разрабатываю принципиально новую схему, с целью без особых затрат получать метровые разряды. Вы спросите: какое применение данной схемы? Отвечу, что применения есть, но обсуждать их нужно уже в другой теме. На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением. Источник бесперебойного питания на источнике бесперебойной подачи информации Читайте на Хабре.

Читают сейчас. Мой опыт работы в Фирме 1С 18,1k Поделиться публикацией. Похожие публикации. Java backend разработчик удаленно или в офисе. Frontend developer React. React Native Developer. SoftMediaLab Екатеринбург Можно удаленно. Все вакансии. Да, да, я именно про эту рубрику, забыл название почему-то. НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь.

Надо рассказать ребятам что такое техника безопасности. Дымящиеся дрова в квартире это сильно. Интересно, если бы они загорелись, вы бы их водой тушили? Про электрическую часть я вообще молчу. Да не парьтесь. Проводочек с 35 киловольтами в руках держать… это наверно только от незнания электричества. Так же с ушами выдает это незнание в измерении мощности в вольтах…. С тех пор любительством в этой сфере не балуюсь.

Vokabre 21 февраля в 0. Только сейчас подумал. А ведь чуваки это почти ж русскоязычные Photonicinduction. Только масштаб поменьше и градус безумиия повыше.

Посмотрели бы вы другие видео автора на канале ютуба, там вобще жесть, особенно как он петарду с бензином дома взрывает. А Mithgol уже видел? Сразу вернулся мыслями на 10 лет назад. Что-то в видео я не заметил особой осторожности. Как в анекдоте про пьянство на физфаке. Один из преподавателей показывал студентам, электромагнитные волны… часть студентов говорит, что они были хорошо видны. Как вы думаете, которая часть студентов права? Те, кто видели ЭМ-волны или те, что нет? Я видел электромагнитные волны в диапазоне нм.

Да и кто их не видел? Это вы вряд ли. Меня от дуги отделяли заземлённые провода, просто в кадре этого не видно. Дисклеймер с кадрами, где видно — был бы полезен в статье. Да и не все видео смотрят, и текст можно глазами пробежать, а картинку сложнее пропустить:. А дымовуха — это уже 7 лет.

Разряд-1 интереснейший школьный прибор высоковольтный преобразователь

Приборы и техника эксперимента. Ленина, 2а E-mail: Remnev hvd. Ленина, 2а E-mail: Kanaev npi. В генераторе используется разряд емкостного накопителя через тороидальный импульсный трансформатор на разрядный промежуток. Электроразрядное разрушение непроводящих материалов [1], основанное на генерировании импульсных полей механических напряжений расширяющимся плазменным каналом, является эффективным способом их обработки. Формирование разрядов осуществляется с помощью высоковольтных импульсных генераторов, чаще всего на основе разряда емкостных накопителей по схемам умножения напряжения Аркадьева—Маркса или Фитча [2, 3], магнитоимпульсных генераторов [4] и генераторов с импульсными трансформаторами [5]. Особенности электроразрядных технологий, где в качестве инструмента используется искровой разряд в жидкости или твердых телах, предъявляют достаточно жестокие требования к параметрам импульсных генераторов.

Соберите схему по рисунку 1, где P — демонстрационный школьный . Оборудование: Высоковольтный преобразователь «Разряд — 1», ВУП – 2, ВС .

материально-техническая база кабинета физики и ОБЖ

Новый клиент? Начинать здесь. Особенность: Высоковольтный модуль использует принцип катушки Tesla, изготовленный из высоковольтного импульсного выходного напряжения тока, малого размера, высокой эффективности, простой внешней цепи просто подключите выключатель, аккумулятор может быть интенсивность разряда. Заметка: Избегайте использования электрическим напряжением высоковольтного модуля высокого давления. Необходимо отрегулировать подходящее расстояние на стороне высокого напряжения до того, как электричество, напряжение и емкость батареи будут пропорциональны расстоянию от высоковольтного дуги, используемого при проверке расстояния дуги от короткого до длительного эксперимента, запрещено за пределами дуги при включении, энергия может не выпускаться из-за высокого давления, легко повредить модуль Из-за мощности внутреннее тепло не просто, каждое время включения питания должно контролироваться в течение минуты. Определите, может ли подзарядка аккумулятора использоваться при приближении — максимальная выходная мощность батареи при измерении напряжения. Если это так, вы можете получить максимальную выходную мощность 6 В. Две секции литиевой серии малой мощности с напряжением 7,2 В, измеренное напряжение дуги снизилось до примерно 4 В, емкость меньшего напряжения была снижена.

Преобразователь высоковольтный школьный Разряд-1 1983 г.

Ноутбук 1 Проектор 1 Экран 1 Прибор для демонстрации свойств. Вольтметры 26 Амперметры 27 Зажимы для проводов. Соединительные провода. Груз наборный на 1 кг 1 Набор из пяти шаров маятников 2 Набор из 3 х шариков 1 Набор тел для калориметрических работ нет ни одного тела из латуни 6 Набор брусков. Конкурсы и олимпиады.

Регистрация Вход. Ответы Mail.

ТРАНСФОРМАТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение. Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими. Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.

Вольтодобавочное зарядно-разрядное устройство аккумуляторной батареи

Входное напряжение этого высоковольтного генератора: DC V — 6V. Полярное расстояние разряда: 1,5 см или около того (за пределами легко.

Добавлено Территория распространения: Российская Федерация, зарубежные страны. Учредитель: Никитенко Евгений Игоревич. Ответственность за разрешение любых спорных вопросов, касающихся опубликованных материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте.

Альтернативных источников энергии на планете Земля огромное количество. Просто человечество еще не научилось эту энергию получать дешевыми способами. Некоторые источники альтернативной возобновляемой энергии достаточно хорошо освоены человечеством. Человек научился использовать энергию солнца, ветра, движения воды, приливов. Другие источники альтернативной энергетики в теории разработаны, и получены в лабораторных условиях.

Вопрос-Ответ Обратная связь Карта сайта. Давиденко А.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании и создании энергопреобразующей аппаратуры для систем электропитания от аккумуляторной батареи, в том числе систем электропитания космических аппаратов. Техническим результатом изобретения является уменьшение статических потерь в транзисторах и мощности реактивных элементов преобразователя. Согласно изобретению вольтодобавочное зарядно-разрядное устройство аккумуляторной батареи содержит аккумуляторную батарею, устройство контроля степени заряженности аккумуляторной батареи, датчик тока аккумуляторной батареи и датчик тока нагрузки, инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме с входным С-фильтром, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, систему управления, дополнительный транзистор, дополнительный диод, активный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, выходной Г-образный LC-фильтр и нагрузку. Изобретение относится к области электротехники, электроники и преобразовательной техники и может быть использовано при проектировании и создании энергопреобразующей аппаратуры для систем электропитания с аккумуляторной батареи, в том числе для систем электропитания космических аппаратов. Перспективным направлением разработки и проектирования энергопреобразующей аппаратуры для систем электропитания СЭП с аккумуляторной батареей АБ , в частности, СЭП автоматических космических аппаратов КА , является их реализация на основе инверторно-трансформаторных преобразователей энергии, что связано с улучшенной удельной мощностью таких устройств и систем по сравнению с СЭП на основе непосредственных преобразователей энергии, а так же с возможностью реализации единого зарядно-разрядного устройства АБ, обеспечивающего, как режим разряда АБ, так и режим заряда АБ за счет рекуперации энергии. Примеры реализации таких устройств и систем описаны в []. Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является схема последовательного зарядно-разрядного резонансного преобразователя энергии, описанная в [5] фиг.

Местоположение: Ижевск. Весьма редкий и нтересный школьный прибор Разряд-1 для проведения опытов с высоковольтным напряжением, изготовлен судя по датировке на делалях в году. Сделан серьезно и основательно см.

Высоковольтный преобразователь напряжения на NE555 (20…50 кВ)

Как получить от 20 до 50 киловольт от низковольтного источника питания?

В предыдущей статье мы при помощи умножителя напряжения раскачали входное 8-киловольтное переменное напряжение до целых аж 200 кВ на выходе. А откуда взялись эти 8 киловольт переменки?
А взялись эти 8 кВ с выхода драйвера, предстающего собой преобразователь низкого постоянного напряжения источника питания в высокое переменное напряжение с уровнем, необходимым нам для какого-либо конкретного случая.
С одним из вариантов такого драйвера познакомил нас всё тот же словацкий инженер Йозеф Богин на станице своего сайта http://boginjr.

com. Вот что он пишет:

Квазирезонансный обратноходовой преобразователь на NE555

Это устройство высоковольтного преобразователя было создано с целью достижения более высоких выходных напряжений и КПД. В качестве трансформатора использовался телевизионный строчный трансформатор для электронно-лучевой трубки со встроенной схемой умножителя напряжения. Поскольку эти изделия обычно герметизированы эпоксидной смолой и могут выдерживать выходное напряжение 50…75 киловольт, то почему бы не использовать их в драйверах, подобных этому… Более того, эта простая схема также обладает возможностью звуковой модуляции дуги. Итак, приступим!

Квазирезонансный обратноходовой преобразователь

Выходное напряжение зависит от частоты генератора (15-30 кГц), количества витков первичной обмотки и резонансной ёмкости (0,1 — 1 МкФ). Чтобы получить наилучший результат, подберите эти параметры.
Не забудьте включить схему защиты (диод + резистор) на затворе полевого МОП-транзистора, но если резонансный режим не используется, её можно исключить.
Используйте пятый контакт для ШИМ-модуляции звука. Для достижения наилучших результатов вам понадобится усилитель мощностью 0,5-1,5 Вт. Если же вы не собираетесь его использовать, то заземлите вывод 100n.

Чтобы обеспечить более высокое входное напряжение и большую выходную мощность, используйте отдельный источник постоянного тока 12–16 В (на несколько ватт) для генератора NE555. Если вы не хотите поджарить микросхему 555 чрезмерными скачками напряжения, то я не советую использовать стабилизаторы, такие как 7812, LM3xx, так как они чувствительны к сильным электромагнитным помехам, которые генерирует этот преобразователь.
Также вы можете заменить транзистор IRF5x0 на более мощные с Uds не менее 200 В и низким сопротивлением открытого канала, например IRFP250, IRFP460 или аналогичным. При необходимости увеличьте радиатор.
Резонансный конденсатор, как правило, подбирается в пределах 330n-680n 250V. Первичную обмотку строчного трансформатора следует подключать к источнику постоянного тока напряжением не менее 20 вольт.

Я дал этому драйверу прозвище «Монстр», потому что, когда вы его включаете, начинается ад. Раздаётся пронзительный вой, сильное шипение и выделяется огромное количество озона. Высоковольтные провода движутся сами по себе, на всех проводящих поверхностях накапливаются опасные статические заряды, сильный ионный ветер и коронный разряд ощущаются даже на расстоянии 0,5 м от высоковольтного провода. Некоторые серьезные электромагнитные помехи возвращаются в сеть: громкоговорители громко гудят и шипят, маршрутизатор ADSL время от времени теряет соединение … Это всего лишь несколько признаков того, что преобразователь жив и работает.

При правильной настройке эта схема потребляет от 3 до 8 ампер на нагрузке в диапазоне напряжения питания 18…20 вольт. По сути, управление обратным ходом преобразователя производится с помощью прямоугольного импульса частотой от 15 до 30 кГц и длительностью от 35% (для малой мощности) до 60% (более высокая мощность). Не следует эту длительность делать слишком высокой, это может перенасытить ферритовый сердечник и вывести трансформатор из строя.

Более 50 киловольт при напряжении питания 20 вольт

Преобразователь, работа которого изображена на рисунке, выполнен на транзисторе IRFP250N, а частоту генератора можно перестраивать в диапазоне 16-30 кГц, что даёт выходное напряжение от 20 до 55 киловольт постоянного тока без нагрузки. Расстояние зажигания дуги составляло 7,5 см, что эквивалентно примерно 50 кВ на выходе.

Обратите внимание на правильную фазировку катушек трансформатора! Вам необходимо подключить первичную катушку с соблюдением полярности, чтобы внутренние диоды умножителя работали правильно. В противном случае вы через какое-то время повредите диоды, что вероятно приведет к одновременному выходу из строя трансформатора и транзистора. Чтобы обнаружить это, попробуйте подключить первичную катушку в обеих полярностях, а затем использовать киловольтметр или просто понаблюдайте за расстоянием зажигания дуги. Правильная фазировка даст большее напряжение в киловольтах и, соответственно, большее расстояние зажигания дуги.

Защита от электростатического разряда (важно): если у вас используется большой строчник (например, от проекционного ЭЛТ), который может обеспечить более 50 киловольт с данной схемой, и ваш драйвер находится близко к высоковольтному выходу, так что он накапливает статическое электричество, вы можете столкнуться с тем, что микросхема и транзистор случайным образом разрушаются. Чтобы этого избежать, защитите драйвер должным образом, поместите его подальше от высокого напряжения и обязательно используйте, стабилитроны 16…18 вольт между затвором полевого МОП-транзистора и землёй, а также между контактами 8 и землёй драйвера NE555!

Заземление сердечника трансформатора подключается к металлическому зажиму, который стягивает его половины. Этим вы предотвратите перегорание драйвера, если между анодом и сердечником возникнет дуга (а при напряжениях более 55-60 кВ, это обязательно произойдёт).

Jozef Bogin, 16.03.2012

ВНИМАНИЕ!!! Работа с высоким напряжением крайне опасна для жизни и здоровья организма.
Поэтому Vpayaem.ru настоятельно не рекомендует практиковаться в этой области при отсутствии специальных знаний и соответствующего опыта. Вся информация, размещённая на этой странице, предназначена исключительно для ознакомительных целей – помните об этом, уважаемые господа и барышни, и не говорите, что вас не предупреждали!

Генерация отрицательного выходного напряжения из положительного входного напряжения с помощью ИС повышающего преобразователя MAX17291 с функцией активного разряда

Abstract

В этих указаниях по применению объясняется, как генерировать отрицательное напряжение из положительного входного напряжения с помощью MAX17291 для таких приложений, как ЖК-дисплеи, драйверы затворов и т. д. Здесь также содержится информация о реализации функции активного разряда.

Введение

Для многих приложений требуется, чтобы источник питания обеспечивал отрицательное напряжение, например ЖК-дисплеи, драйверы затворов, встроенные приложения, схемы операционных усилителей и т. д. В этом примечании по применению объясняется, как генерировать отрицательное выходное напряжение из положительного входного напряжения с помощью MAX1729.1 микросхема повышающего преобразователя.

MAX17291 — повышающий (повышающий) DC-DC преобразователь с малым током потребления, ограничением пикового тока дросселя 1 А и True Shutdown ^™. True Shutdown отключает выход от входа без прямого или обратного тока. Выходное напряжение задается внешним резистором-делителем. Микросхема MAX17291 может работать от входного напряжения от 1,8 до 5,5 В и может выдавать до 20 В.

Особенности

Ток покоя 28 мкА от входа
Выход защиты от короткого замыкания
Защита от перегрева
Постоянная частота в CCM
Истинный режим отключения
Пиковая эффективность 91 %
Диапазон входного напряжения от 1,8 до 5,5 В
Диапазон выходного напряжения от 5,5 В до 20 В
Ограничение пикового тока катушки индуктивности 1 А
Несколько вариантов упаковки
1,27 мм x 0,87 мм, 6 выступов (3 x 2), шаг 0,4 мм WLP
2 мм x 2 мм, 8-контактный TDFN
Диапазон рабочих температур от -40°C до +125°C

Производительность

Рис. 1. Эффективность MAX17291 в зависимости от тока нагрузки (V _OUT = 12 В).

Прикладная схема

Работа микросхемы повышающего преобразователя MAX17291

Схема повышающего преобразователя для входного напряжения 1,8 В в 5,5 В и выходного напряжения 12 В с использованием микросхемы MAX17291 показана на рис. 2 . Повышающий преобразователь MAX17291 имеет два режима работы: эффективность при малой нагрузке и широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В режиме легкой нагрузки он работает с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) для повышения эффективности при малых нагрузках. В этом режиме время включения определяется пределом пикового тока дросселя 500 мА. Как только ток катушки индуктивности достигает своего предела, время включения прекращается, и силовой диод смещается в прямом направлении. В режиме ШИМ преобразователь использует квазипостоянную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с частотой переключения 1,0 МГц при уровнях тока нагрузки в режиме непрерывной проводимости (CCM). На основе отношения входного напряжения к выходному напряжение схема прогнозирует требуемое время отключения. В режиме CCM режим работы повышающего преобразователя определяется следующим уравнением.

Отрицательное напряжение с использованием универсального повышающего преобразователя

Схема для создания отрицательного напряжения с использованием универсального повышающего преобразователя показана на рис. 3 . Как показано на рисунке, схема подкачки заряда используется от коммутационного узла повышающего преобразователя для создания необходимого отрицательного напряжения.

Рис. 3. Схема отрицательного напряжения с использованием повышающего преобразователя.

Работа цепи отрицательного напряжения

Для приведенной выше схемы обратная связь берется с выхода повышающего преобразователя для поддержания постоянного отрицательного выходного напряжения. В установившемся режиме, когда переключатель Q1 находится в положении OFF, напряжение дросселя меняется на противоположное, а напряжение на полевом транзисторе Q1 равно входному напряжению и напряжению дросселя. Напряжение на переключателе Q1 определяется следующим уравнением.

V _Q1 = V _IN + V _L = V _OUT + V _D1

Ток начинает течь от дросселя к COUT1 через диод D1 и от дросселя к C-CHG через R-CHG и диод D2. Конденсаторы COUT1 и C_CHG заряжаются в это время. Напряжение на C-CHG определяется следующим уравнением.

V _OUT + V _D1 = V _R-CHG + V _C-CHG
V _C-CHG = V _OUT + В _Д1 — В _РЧГ — В _Д2

Текущий поток в состоянии Q1 OFF показан на рис. 4 .

Рис. 4. Протекание тока во время выключения Q1.

В конце времени выключения Q1, когда Q1 становится включенным, клемма стока Q1 притягивается почти к земле. Диод D2 смещается в обратном направлении, а диод D3 смещается в прямом направлении. Как только диод D3 смещается в прямом направлении, ток начинает течь от конденсатора COUT2 через R-CHG и диод D3. По-видимому, это приводит к отрицательному напряжению на конденсаторе COUT2 по отношению к земле.

Напряжение на COUT2 определяется следующим уравнением.

-V _CCHG + V _RCHG = V _COUT2 — V _D3
V _COUT2 = -V _CCHG + V _RCHG + V _D3

Течение тока во включенном состоянии Q1 показано на рис. 5 .

Рис. 5. Протекание тока во время включения Q1.

Резистор R-CHG подключен для ограничения пикового тока через полевой МОП-транзистор Q1 и диоды D2 и D3. Выбрать между 1? до 2,2? для значения сопротивления R-CHG. Если значение резистора R-CHG слишком велико, напряжение на R-CHG увеличивается при более высоких нагрузках, что снижает напряжение на C-CHG и COUT2. Если значение резистора R-CHG слишком низкое, то отрицательное напряжение увеличивается при более низких условиях нагрузки, так как нет контроля отрицательного напряжения.

Генерация отрицательного напряжения с помощью ИС повышающего преобразователя MAX17291

Спецификация проекта

Вход: от 2,5 В до 5,5 В
Выходное напряжение: -11В

Преимущества использования микросхемы MAX17291

Меньший размер решения с внутренним усилителем MOSFET и диодом (корпус WLP 1,27 мм x 0,87 мм)
Достижим широкий диапазон отрицательного выходного напряжения
Может работать от более низкого входного напряжения 1,8 В

Микросхема повышающего преобразователя MAX17291 имеет внутренний повышающий МОП-транзистор, диод и схему управления. Цепь подкачки заряда подключена к коммутационному узлу LX MAX1729.1 IC для создания отрицательного напряжения. Схема отрицательного напряжения с использованием микросхемы MAX17291 показана на рис. 6 .

Изображение с высоким разрешением ›
Рис. 6. Генерация отрицательного напряжения с помощью микросхемы MAX17291.

Требуемое отрицательное выходное напряжение достигается за счет настройки цепи обратной связи на выходное напряжение бустера. Таким образом, характеристики регулирования нагрузки на схеме, показанной на рис. 6, по сравнению с нормальным положительным напряжением несколько хуже из-за зарядовой связи через конденсатор C-CHG. Коммутационная операция MAX17291 основан на входном напряжении и выходном напряжении повышающего преобразователя. Постоянное выходное напряжение должно поддерживаться на протяжении всей операции. Это делается с помощью фиктивного резистора между выводом OUT микросхемы и землей. Это будет действовать как фиктивная нагрузка для поддержания постоянного положительного выходного напряжения, что может в некоторой степени усилить регулирование отрицательного напряжения.

Регулирование нагрузки и КПД схемы показаны на графиках ниже.

Рис. 7. Регулировка нагрузки в зависимости от выходного тока.

Рис. 8. КПД в зависимости от выходного тока.

Характеристики переходных процессов при нагрузке при 2,5 В на входе и -11 В на выходе Условия

Рис. 9. Характеристики переходных процессов при нагрузке без операционного усилителя.

Условие: V _IN = 2,5 В, V _OUT = -11 В, I _OUT = от 5 мА до 30 мА

Из-за переходных процессов нагрузки изменение напряжения составляет приблизительно ~392 мВ (3,56%). Выходное напряжение смещено на -10 В в осциллограмме.

Форма сигнала: желтый = V _В, Синий = В _ВНЕ, Розовый = В , Зеленый = I _ВЫХОД

Рис. 10. Переходные характеристики нагрузки без операционного усилителя.

Условие: V _IN = 2,5 В, V _OUT = -11 В, I _OUT = от 30 мА до 5 мА

Из-за переходных процессов нагрузки изменение напряжения составляет приблизительно ~370 мВ (3,36%). Выходное напряжение смещено на -10 В в осциллограмме.

Форма сигнала: желтый = V _IN, синий = V _OUT, розовый = V _EN, зеленый = I _ВЫХОД

Улучшение регулирования нагрузки и переходных характеристик цепи с отрицательным напряжением

Регулирование нагрузки с отрицательным напряжением и переходные характеристики можно улучшить по сравнению с предыдущей схемой путем непосредственного измерения отрицательного выходного напряжения. Затем обратная связь отправляется на микросхему с помощью операционного усилителя Maxim MAX44244AUK+ для измерения отрицательного напряжения. Выход операционного усилителя используется для управления выводом FB, который регулирует отрицательное выходное напряжение в зависимости от нагрузки и переходных процессов в сети. Ниже приведена схема отрицательной обратной связи по напряжению с использованием операционного усилителя.

Изображение с высоким разрешением ›
Рис. 11. Отрицательная обратная связь по напряжению на микросхеме MAX17291 с операционным усилителем.

Ниже приведены изображения регулирования нагрузки и переходных характеристик отрицательного напряжения с использованием схемы на операционном усилителе.

Рис. 12. Регулировка нагрузки в зависимости от выходного тока с использованием схемы на операционном усилителе.

Рис. 13. Зависимость КПД от выходного тока при использовании схемы на операционном усилителе.

Рис. 14. Переходные характеристики нагрузки с использованием схемы на операционном усилителе.

Условие: V _IN = 2,5 В, V _OUT = -11 В, I _OUT = от 5 мА до 30 мА

Изменение напряжения из-за переходного процесса нагрузки составляет около ~62 мВ (0,56%). Выходное напряжение смещено на -10 В в осциллограмме.

Форма сигнала: желтый = V _IN, синий = V _OUT, розовый = V _EN, зеленый = I _OUT

Рис. 15. Переходные характеристики нагрузки с использованием схемы на операционном усилителе.

Состояние: В _В = 2,5 В, В _ВЫХ = -11 В, I _ВЫХ = от 30 мА до 5 мА

Изменение напряжения из-за переходного процесса нагрузки составляет около ~72 мВ (0,65%). Выходное напряжение смещено на -10 В в осциллограмме.

Форма сигнала: желтый = V _IN, синий = VOUT, розовый = V _EN, зеленый = I _OUT

Как показано на рисунках 7–15, цепь отрицательного напряжения с операционным усилителем имеет очень жесткую регулировку и хорошие переходные характеристики по сравнению со схемой без операционного усилителя.

Сравнение производительности

Основываясь на приведенных выше результатах, решение с отрицательным напряжением с операционным усилителем имеет хорошее регулирование нагрузки и эффективность.

Рис. 16. Сравнение характеристик регулирования нагрузки.

Рис. 17. Сравнение показателей эффективности.

Реализация функции активного разряда

В рис. 11 цепь активного разряда состоит из резисторов R13–R16, конденсатора C11 и P-MOS Q1. Когда микросхема отключена с помощью вывода EN (EN = 0 В), резисторы R15 и R16 становятся параллельными, а напряжение Vgs Q1 превышает пороговое напряжение. Следовательно, MOSFET Q1 включается. Функция активного разряда вытягивает весь заряд, накопленный конденсатором COUT2, и сбрасывает его на резистор R13. Отрицательное напряжение немедленно уменьшается до меньшего значения. Когда микросхема включена, напряжение на затворе и истоке меньше порогового значения, и полевой МОП-транзистор Q1 выключается. Значение разрядного резистора можно выбрать исходя из требуемого времени разряда конденсатора COUT2.

Работа активного разряда показана в виде следующей формы волны.

Рис. 18. Функция активного разряда.

Заключение

Отрицательное выходное напряжение формируется из положительного входного напряжения с помощью микросхемы MAX17291. Пользователи могут улучшить регулирование нагрузки и переходные характеристики отрицательного выходного напряжения, добавив схему операционного усилителя и внедрив функцию активного разряда в цепь отрицательного выходного напряжения.

Высоковольтный преобразователь для тягового применения

Представлен высоковольтный преобразователь с переключателями IGCT ( V) для тягового применения. Такой силовой тяговый привод работает при нестабильном входном напряжении более В постоянного тока и с выходной мощностью до 1200 кВт. Демонстрируется оригинальная силовая схема высоковольтного преобразователя. Предложено развитие привлекательного подхода к проектированию снабберных цепей с малыми потерями высокочастотных IGCT-ключей. Это установлено на комплексном многоуровневом анализе переходных явлений и потерь мощности. Обсуждаются основные характеристики критических параметров в переходных режимах и связь между параметрами снабберной цепи и потерями. Экспериментальные результаты для прототипа демонстрируют свойства новой силовой схемы. Результаты испытаний подтверждают работоспособность предлагаемого высоковольтного преобразователя, а также подтверждают пригодность концепции для его использования в энергосистеме пригородных поездов России и других высоковольтных приложениях.

1. Введение

В настоящее время большинство пригородных поездов в России имеют 2 головных вагона, 5 или 6 моторных вагонов и 3 или 4 вспомогательных вагона [1]. Таким образом пригородный поезд состоит из 10 или 12 вагонов. Тяговый машинист монтируется на каждом втором вагоне поезда. Имеет номинальную выходную мощность 1200 кВт при нестабильном напряжении питания ( V DC) в контактной сети. Каждый тяговый привод питает 4 щеточных электродвигателя постоянного тока, соединенных последовательно. Используемые двигатели постоянного тока имеют номинальное напряжение 750 В постоянного тока и номинальную мощность 250 кВт.

Каждый тяговый привод содержит контакторную аппаратуру и 18-позиционные силовые выключатели и силовые пусковые резисторы, осуществляющие пуск и регулирование скорости поезда. Многочисленные попытки использовать полупроводниковый силовой тяговый привод вместо морально устаревших и непригодных к эксплуатации 18-позиционных силовых выключателей с силовыми пусковыми резисторами не увенчались успехом.

Трудности создания полупроводникового силового высоковольтного преобразователя для пригородных поездов в России заключаются в следующем: (i)Широкий диапазон входных напряжений (от 2000 В до 4000 В постоянного тока) с возможными короткими одиночными импульсами до 5000 В постоянного тока и длительностью до 10 мс. (ii) Широкий диапазон температур окружающей среды (от минус 50°С до плюс 45°С) и наличие повышенной влажности, мороза и инея. (iii) Отсутствие высокочастотных высоковольтные силовые полупроводниковые приборы и конденсаторы и другие элементы, необходимые для решения этих задач. Известно, что использование высокочастотного принципа преобразования электрической энергии является эффективным и привлекательным средством для силовых преобразователей. Преимущество заключается в снижении их веса, размеров и стоимости. Однако использование высокой рабочей частоты для силовых преобразователей приводит к ряду одновременных проблем. Важная проблема связана с защитными цепями силовых ключей, где потери мощности увеличиваются по мере увеличения частоты.

Следует отметить, что суммарные потери в цепях защиты преобразователей пригородных поездов России значительно выше из-за высокого напряжения питания V DC [2–4]. Благодаря такому высоковольтному уровню потери мощности увеличиваются в разы по сравнению с напряжением питания 750 В В постоянного тока или 1500 В В постоянного тока.

Таким образом, разработка цепей защиты в таких преобразователях имеет первостепенное значение. Для этого в процессе проектирования схем защиты необходимо решить две противоречивые задачи. Первая заключается в обеспечении нормальной работы полупроводниковых приборов и может быть решена за счет увеличения количества элементов снабберной цепи. Вторая проблема заключается в минимизации потерь в цепи защиты и должна решаться за счет уменьшения значений параметров снабберной цепи. Авторы предлагают компромиссное решение этих проблем.

Таким образом, описанные трудности проектирования силового тягового привода требуют нестандартных подходов и решений при проектировании высоковольтного преобразователя как системы, а также при выборе силовых и снабберных схем, систем управления и т.д. В статье предлагается новый силовой высоковольтный высокочастотный преобразователь для тягового привода с использованием IGCT-ключей ( V).

2. Силовая схема предлагаемого высоковольтного преобразователя

Как уже отмечалось, требуемая выходная мощность высоковольтного преобразователя составляет 1200 кВт. Однако максимальная мощность тягового привода, равная произведению пикового тока после входного сглаживающего фильтра на максимальное входное напряжение, должна быть не менее 1700 кВт из-за широкого диапазона напряжений в контактной сети (от 2000 В до 4000 В постоянного тока). Очевидно, что проектирование высоконадежного и относительно дешевого тягового привода такой мощности и высокого напряжения может быть осуществлено только на базе высокочастотных силовых IGCT-ключей.

Для получения высокого уровня ответственности тягового привода необходимо предъявлять очень жесткие требования к надежности работы силового преобразователя. Поэтому представляется целесообразным выбрать такой принцип работы силовой цепи, который мог бы обеспечить следующее: (i) силовые полупроводниковые приборы будут иметь наилучшие условия работы, особенно при переходных процессах; (ii) управление силовой высоковольтный преобразователь по жесткому алгоритму (независимому от уровня входного напряжения, величины нагрузки и т.п.) должен иметь гораздо большую долю, чем управление по гибкому алгоритму. Был выбран высоковольтный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [2, 4–8]. Открытый вход преобразователя делает выходную характеристику жесткой и, соответственно, упрощает управление. Технология ШИМ для силового высоковольтного преобразователя, работающего на постоянной частоте, улучшает работу на холостом ходу.

Первая заключается в обеспечении нормальной работы полупроводниковых приборов и может быть решена путем увеличения количества элементов цепей защиты. Вторая проблема заключается в минимизации потерь в цепи защиты и должна решаться за счет уменьшения значений параметров цепей защиты. Параметры цепей защиты зависят от выбора силовых самокоммутируемых устройств. Поэтому учитываются конкретные технические требования и свойства силовых полупроводниковых приборов [2, 6, 9].–13]. Вот некоторые из них: (i) Высокий ток (среднеквадратичное, среднее, пиковое и импульсное) и напряжение (повторяющееся пиковое, импульсное и постоянное). (ii) Низкие потери (проводимость и переключение). (iii) Высокая надежность (низкий уровень случайных отказов, высокая цикличность мощности и температуры, а также высокая устойчивость к блокировке). Важным качеством является повышенная надежность и низкое время автономной работы устройства.

По выходному току (=400 А) и напряжению питания (=2000 В) параметры свойств силовых высоковольтных полупроводниковых приборов типа GTO (Gate Turn-off Tyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Tiristor), ETO (Emitter тиристор выключения) и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) проанализированы для применения в российских пригородных поездах и сведены в таблицу 1, где и – потери энергии при включении и выключении за один период; – напряжение насыщения полупроводникового ключа; – потребляемая мощность системы управления. Наилучшие параметры рассмотренных силовых полупроводниковых приборов выделены жирным шрифтом. В соответствии с вышеизложенными требованиями для тяговых высоковольтных преобразователей пригородных поездов выбирают устройства IGCT.

В результате выполненных расчетно-конструкторских работ создана оригинальная принципиальная силовая схема тягового машиниста пригородного поезда России. Только последние усовершенствования современной полупроводниковой техники дали возможность разработать и создать эту схему в реальных условиях. Эта схема может реализовать как режим движения, так и режим динамического торможения поезда.

На рисунке 1 показана исходная базовая силовая схема для режима движения, которая дает тренировку сил для движения. Дадим краткое описание функциональных блоков этой схемы: : быстродействующий выключатель, осуществляющий защиту всех блоков от перегрузки по току. : входной фильтр, уменьшающий влияние предлагаемого силового тягового привода на электропитание сети. и : силовые модули, включающие два IGCT ( и ) в качестве полупроводниковых переключателей. : блок тормозных резисторов. : блок переключателей, осуществляющий коммутацию основной силовой цепи для разных режимов. : вспомогательное питание обмоток возбуждения. : контактор, реализующий режим торможения при малой скорости движения поезда. и : дроссели, уменьшающие пульсации тока двигателя. : щеточные электродвигатели постоянного тока на 750 В постоянного тока каждый. : обмотки возбуждения тяговых щеточных электродвигателей постоянного тока. В драйверном режиме система управления высоковольтным преобразователем коммутирует силовые полупроводниковые ключи модулей и с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Когда силовые полупроводниковые переключатели модулей и включены (так называемый импульс), то силовой ток протекает, как описано ниже: положительный потенциал источника высокого напряжения ( V DC), быстродействующий выключатель, входной фильтр , полупроводниковый переключатель модуля , дроссель , тяговые двигатели и , переключатель блока , обмотки возбуждения а , переключатель блока и блока , обмотки возбуждения а , переключатель блока , тяговые двигатели а , дроссель , полупроводниковый переключатель модуля и заземление источника высокого напряжения.

Когда силовые полупроводниковые переключатели модулей и выключены (так называемая пауза), то дроссели и обмотки возбуждения становятся источниками напряжения и силовой ток течет двумя путями.

Первый способ: ЭДС положительного потенциала обмотки возбуждения, выключателя блока, диода модуля, дросселя, тяговых двигателей и, выключателя блока, и ЭДС отрицательного потенциала обмотки возбуждения.

Второй способ: ЭДС положительного потенциала обмотки возбуждения, выключателя блока, тяговых электродвигателей и, дросселя, диода модуля, выключателя блока, и ЭДС отрицательного потенциала обмотки возбуждения.

Для увеличения или уменьшения частоты вращения тяговых щеточных электродвигателей постоянного тока система управления высоковольтным преобразователем должна увеличивать или уменьшать ширину импульсов полупроводниковых ключей модулей и . Таким образом пригородный поезд регулирует скорость.

Если пригородный поезд должен двигаться задним ходом, то система управления высоковольтным преобразователем должна размыкать выключатели , , , и и замыкать выключатели , , , и блоков и . В этом случае при включении силовых полупроводниковых ключей модулей и включении силовой ток протекает следующим образом: положительный потенциал источника высокого напряжения ( V DC), быстродействующий выключатель, входной фильтр, полупроводниковый ключ модуль , дроссель , тяговые двигатели и , переключатель блока , обмотки возбуждения и , выключатели и блоков и , обмотки возбуждения и , переключатель блока , тяговые двигатели и , дроссель , силовой полупроводник модуля , и заземление источник питания высокого напряжения.

Когда силовые полупроводниковые ключи модулей и выключены, то дроссели и обмотки возбуждения становятся источниками напряжения и силовой ток течет двумя путями.

Первый способ: ЭДС положительного потенциала обмотки возбуждения, выключателя блока, диода модуля, дросселя, тяговых электродвигателей и, выключателя блока, и ЭДС отрицательного потенциала обмотки возбуждения.

Второй способ: ЭДС положительного потенциала обмотки возбуждения, выключателя блока, тяговых электродвигателей и, дросселя, диода модуля, выключателя блока и отрицательного потенциала ЭДС обмотки возбуждения.

На рисунке 2 показана принципиальная силовая схема для режима торможения, позволяющая останавливать поезд за счет энергии вращения тягового щеточного электродвигателя постоянного тока без использования тормозных колодок.

Если пригородный поезд должен остановиться, то система управления высоковольтным преобразователем должна замкнуть выключатели блоков и разомкнуть выключатели блоков.

Понятно, что смена переключателей блоков и это одна проблема. Протекающий силовой ток оценивается в A, что чревато опасными последствиями. По этой причине коммутация выключателей блоков и должна выполняться при нулевом токе. В этом случае ЭДС силовых двигателей равна нулю и тормозные силы поезда также равны нулю. Для устранения системы управления приходится включать вспомогательное питание обмоток возбуждения, дающих начальный ток для торможения поезда.

В этой ситуации тяговые двигатели становятся высоковольтным источником ЭДС.

В режиме торможения система управления высоковольтным преобразователем коммутирует силовые полупроводниковые ключи модулей и с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Когда силовые полупроводниковые переключатели модулей и включены, силовой ток протекает двумя следующими путями.

Первый способ: ЭДС положительного потенциала тягового двигателя, дросселя, полупроводникового переключателя модуля, переключателей и блока и ЭДС отрицательного потенциала тягового двигателя.

Второй способ: ЭДС положительного потенциала тягового двигателя, выключателей и блока, полупроводникового переключателя модуля, дросселя и ЭДС отрицательного потенциала тягового двигателя.

При выключении силовых полупроводниковых выключателей модулей и силовой ток протекает по схеме: положительного потенциала ЭДС тягового двигателя, дросселя, диода модуля, входного фильтра, быстродействующего выключателя, положительного потенциала источника высокого напряжения ( V DC), заземления источника высокого напряжения, диода модуля, дросселя, тяговых двигателей и , переключателей , , и блока , и тягового двигателя .

За счет снижения скорости поезда система управления высоковольтным преобразователем увеличивает длительность импульсов полупроводниковых переключателей модулей и . При малой скорости поезда система управления высоковольтным преобразователем замыкает контактор. Когда силовые полупроводниковые переключатели модулей и включены, силовой ток протекает двумя следующими путями.

При выключении силовых полупроводниковых выключателей модулей и силовой ток протекает по следующему пути: положительная потенциальная ЭДС тягового двигателя, дроссель, диод модуля, контактор, блок тормозных резисторов, диод модуля, дроссель , тяговых двигателей и , переключателей , , и блока , и тягового двигателя .

Таким образом, поезд останавливается без использования тормозных колодок.

Важным преимуществом предложенной силовой схемы высоковольтного преобразователя является то, что силовые полупроводниковые ключи можно использовать при максимальном напряжении питания (4000 В постоянного тока).

3. Моделирование и проектирование энергоэффективных снабберных цепей

В результате анализа и процедур проектирования выбрана базовая силовая схема модулей и представлена на рисунке 3.

Содержит два силовых полупроводниковых ключа ( и ), два силовых диода ( и ), ограничительная катушка индуктивности с диодом и сопротивлением, снабберные конденсаторы ( и ) с зарядными диодами ( и ) и разряжающие сопротивления ( и ). Электрические компоненты , , и образуют снабберные цепи полупроводниковых переключателей и .

В качестве силовых полупроводниковых ключей и силовых диодов выбраны и применены в качестве и и и соответственно были выбраны приборы 5ШИ35Л4505 и 5СДФ10х5502.

Зажимной индуктор ограничивает значение мгновенного импульсного тока () и скорость нарастания импульсного тока в открытом состоянии () силовых полупроводниковых ключей в аварийных режимах. Сопротивление ограничивает обратное напряжение ограничивающей катушки индуктивности, рассеивая при этом энергию фиксации. Встречно-параллельный диод обеспечивает мгновенную фиксацию благодаря своей быстрой характеристике.

Снабберные конденсаторы аккумулируют энергию переключения и, соответственно, ограничивают скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии на силовом полупроводниковом ключе для режима привода. Зарядный диод включен последовательно с шунтирующим резистором разрядки снабберного конденсатора в прямом направлении. Разрядный резистор ограничивает разрядный ток полупроводникового ключа при включении.

Снабберные конденсаторы аккумулируют энергию переключения и, соответственно, ограничивают скорость нарастания напряжения в выключенном состоянии на силовом полупроводниковом ключе для режима подтяжки. Зарядный диод включен последовательно с шунтирующим резистором разрядки снабберного конденсатора в прямом направлении. Разрядный резистор ограничивает разрядный ток полупроводникового ключа при включении.

Точность результатов моделирования достигается за счет тщательного изучения реальных переходных процессов в силовых полупроводниковых приборах и (5ШИ35Л4505) и и (5СДФ10х5502) для следующих условий: В; 3000 В и 4000 В постоянного тока; = 200 А; 350 А и 400 А. Для моделирования используется программное обеспечение CASPOC.

Комплексный анализ переходных процессов выполняется для широкого диапазона различных значений напряжения питания, нагрузки, ограничительной катушки индуктивности, ограничительного сопротивления, демпферных конденсаторов ( и ) и разрядных сопротивлений ( и ). Это позволяет разработать упрощенный однооперационный инженерный алгоритм оценки и выбора необходимых параметров схемы защиты с начальными ограничениями и меньшими потерями мощности.

3.1. Конструкция ограничительного индуктора

В качестве исходных данных используются максимальные значения импульсного тока , скорость нарастания импульсного тока во включенном состоянии и повторяющееся пиковое напряжение в выключенном состоянии силового полупроводникового ключа. Эти значения определяются в соответствии с требуемой надежностью высоковольтного преобразователя.

Анализ переходного процесса показывает, что при увеличении напряжения питания и тока нагрузки практически все параметры переходного процесса имеют тенденцию изменять условия силового полупроводникового ключа в худшую сторону. Также анализ показывает, что максимальные значения импульсного тока (рис. 4), скорость нарастания импульсного тока во включенном состоянии, максимальное неповторяющееся пиковое напряжение и скорость нарастания напряжения в выключенном состоянии на силовом полупроводниковом ключе в аварийные режимы снижаются при увеличении значений индуктора. Максимальное напряжение () на силовом полупроводниковом переключателе в выключенном состоянии и максимальное пиковое напряжение () на силовом полупроводниковом переключателе в выключенном состоянии при нормальной работе немного снижаются.

В свою очередь, потери энергии в прижимном сопротивлении за один период увеличиваются при увеличении номиналов индуктора. Соответственно, это предельные значения прижимной катушки индуктивности.

Для правильного синтеза энергоэффективных демпфирующих цепей желательно выбрать минимально возможные значения индуктивности, и рекомендуется следующая стратегия проектирования. (1) Рассчитывается вспомогательная переменная: где значение минимального времени спада. (2) Выбирается максимальное значение и с дальнейшим его приравниванием к. (3) Рассчитывается номинал дросселя: где — минимальное значение полного сопротивления цепи в аварийных режимах.

Полученные значения прижимной индуктивности позволяют поддерживать минимальные потери за один период в прижимном сопротивлении в соответствии с требуемой величиной и параметрами задания и силового полупроводникового ключа.

3.2. Расчет прижимного сопротивления

Полученное значение прижимной индуктивности и максимальные значения повторяющегося пикового напряжения на силовом полупроводниковом ключе в выключенном состоянии используются в качестве исходных данных.

Анализ переходного процесса показывает, что максимальное пиковое напряжение на полупроводниковом переключателе в выключенном состоянии уменьшается при уменьшении значений ограничительного резистора (рис. 5). В свою очередь скорость нарастания тока полупроводникового ключа и средний ток диода увеличиваются при уменьшении номиналов ограничительного резистора.

Для выбора оптимального ограничительного резистора используется следующая процедура проектирования. (1)Рассчитываются вспомогательные переменные: где – постоянная времени задачи ограничительной цепи; и – значения сопротивлений диода и ограничительного дросселя .(2) Выбирается минимальное значение , , и с последующим его приравниванием к ограничительному резистору.

3.3. Проектирование снабберных цепей

Параметры и используются в качестве исходных данных для моделирования и дальнейшего выбора снабберного конденсатора и разрядного резистора. Дополнительно в качестве исходных данных используются максимальные значения и и длительности () и амплитуды () разрядного тока.

Анализ переходного процесса показывает, что увеличение номиналов демпфирующих конденсаторов приводит к росту потерь мощности в разрядных резисторах за один период. Поэтому режимы с малыми потерями энергии в снабберных цепях реализуются при наименьших номиналах снабберных конденсаторов. В свою очередь, увеличение емкости снаббер-конденсатора приводит к увеличению длительности переходного процесса. Также анализ показывает, что амплитуда разрядного тока увеличивается, а длительность уменьшается при уменьшении номиналов резистора.

Для выбора минимально возможных значений конденсаторов рекомендуется следующая стратегия проектирования. выбирается оптимум и с дальнейшим его приравниванием к.(4)Моделируются зависимости максимальных значений мгновенных импульсных токов и скорости нарастания импульсных токов в открытом состоянии выключателя в аварийных режимах. Величина прижимной индуктивности определяется в соответствии с требованиями и результатами моделирования CASPOC. (5) Моделируются зависимости максимальных значений мгновенного повторяющегося пикового напряжения на силовом полупроводниковом ключе в выключенном состоянии. Номиналы ограничительного резистора, снаббер-конденсатора и снаббер-резистора определяются в соответствии с требованиями и результатами моделирования CASPOC. Аналогично определяются номиналы снаббер-конденсатора и снаббер-резистора силового полупроводникового ключа с учетом индуктивности. дроссели и .

Полученные значения цепей защиты позволяют поддерживать минимальные потери за один период в резисторе и демпфирующих резисторах и в соответствии с требованием параметров задачи , , , и .

4. Компьютерное моделирование

Переходные, квазистационарные и аварийные режимы работы пройдены с помощью программы CASPOC. Проведен комплексный анализ переходного процесса для широкого диапазона изменения напряжения питания и параметров нагрузки, прижимной катушки индуктивности, прижимного сопротивления, снабберных конденсаторов и разрядных сопротивлений. В результате компьютерного моделирования получены и проанализированы кривые тока и напряжения предлагаемого высоковольтного преобразователя. Например, результаты моделирования осциллограммы тока () силового полупроводникового переключателя показаны на рисунке 6 для начала движения поезда при напряжении питания 3000 В и предельном токе 400 А.

В результате моделирования зависимость скорости пригородного поезда (, км/ч) от пути (, м) представлена на рис. 7. преобразователя в систему аварийной сигнализации центральной железной дороги и проводную связь. Компьютерное моделирование электромагнитных процессов показывает, что максимальные амплитуды гармонических составляющих входного тока возникают при максимально допустимых нагрузках (400 А) и входном напряжении (4000 В). Максимальные значения амплитуд гармонических составляющих (равные 77 мА, 2790 Гц) не превышают допустимых значений.

В результате комплексного анализа оптимальные параметры элементов снабберных цепей полупроводниковых выключателей и приведены в таблице 2.

5. Описание образца

Разработан опытный образец силового модуля для пригородных поездов России. В конструктивном образце было решено применить силовые быстродействующие IGCT-устройства 5ШИ35Л4505 (в качестве полупроводниковых ключей и ) и силовые быстродействующие диоды 5СДФ10х5502 (в качестве диодов и ) для увеличения рабочей частоты предлагаемого высоковольтного преобразователя и, соответственно, снижения общий вес и размеры силового модуля. Выбранная мощность IGCT имеет время отключения не более 2 мкс с с повторяющимся пиковым напряжением в выключенном состоянии 4500 В, критической скоростью нарастания напряжения в выключенном состоянии 1000 В/ мкс с и критической скоростью нарастания тока во включенном состоянии 500 А/ мкс с. Выбранные силовые диоды с повторяющимся импульсным обратным напряжением 4500 В и прямым током 2000 А (среднеквадратичное значение) имеют время обратного восстановления не более 1 мкс с.

Зажимные индукторы силового модуля выбраны с воздушным сердечником. Это позволило обеспечить их нормальное функционирование при аварийных режимах рассматриваемого высоковольтного преобразователя, когда кратковременный ударный ток превышает 2 ÷ 3 кА. Это значение значительно превышает номинальный ток и делает неэффективным применение дросселя с железным сердечником. Внешний диаметр прижимной катушки индуктивности силового модуля 70 мм, внутренний диаметр 50 мм, высота 50 мм.

Конструкция силового модуля предлагаемого преобразователя показана на рисунке 8. Он имеет принудительное масляное охлаждение. Его размеры составляют 570 мм, 730 мм и 550 мм, а вес не превышает 90 кг.

Проведены комплексные испытания силового модуля в высоковольтной экспериментальной лаборатории для проверки точности математической модели. В качестве примера на рис. 9 представлены результаты испытаний осциллограмм напряжения силовых ключей (кривая 1) и (кривая 2) при напряжении питания 4000 В и предельном токе 200 А.

Также измеряется температура поверхности электрических компонентов силового модуля. Максимальное превышение температуры поверхности над температурой окружающей среды фиксируется для прижимного индуктора. Она равна 77,5°С. Силовые полупроводниковые переключатели имеют максимальное превышение температуры 71°C.

6. Заключение

В результате проведенных расчетно-конструкторских работ предложен оригинальный высоковольтный преобразователь тягового машиниста пригородного поезда России. Авторами разработан подробный алгоритм расчета и подбора элементов демпфирующих цепей с малыми потерями для рассматриваемого преобразователя. Этот алгоритм используется на этапе предварительного проектирования тяговых преобразователей номинальной выходной мощностью 1200 кВт (максимальная мощность 2100 кВт) при нестабильном входном напряжении В постоянного тока. Это позволило снизить потери мощности в снабберных цепях на 23%. По этой причине тяговый привод должен включать в себя функции хорошо спроектированных демпфирующих цепей, чтобы обеспечить защиту преобразователя мощности независимо от широкого диапазона условий питания или нагрузки.

Обширные испытания разработанного преобразователя, проведенные в высоковольтной лаборатории, показали высокую точность используемого программного обеспечения и правильность выбора основных силовых элементов. Комплексные испытания показали, что рассматриваемый высоковольтный преобразователь устойчиво работает в установившемся режиме во всем диапазоне входных напряжений и допустимых нагрузок (включая их дискретные изменения), а также в пусковом режиме и выключении нагрузок.

Представленные результаты представляют большой интерес для разработчиков силовых высоковольтных преобразователей и тягового привода.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов в отношении публикации данной статьи.

Copyright © 2016 Сергей Вольский и др. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.