Pulzný vysoko napäťový zdroj pre generovanie ultra vysoko tlakových impulzov

Autormi článku sú: Sitár, J, Kerpner, A., Šmihál, M., Poliačik, M., Kučera, M., Ecoland s.r.o., Piešťanská 3, 917 01 Trnava

Abstrakt:
Článok sa zaoberá základným popisom, návrhom a analýzou pulzného zdroja a systémov pre generovanie pulzov s vysokým výkonom. Popis jednotlivých častí navrhovaného riešenia je uvedený v závislosti na koncepcii, ktorá pozostáva z popisu riešeného problému, návrhu výkonovej časti, návrhu riadenia a následnej realizácii navrhnutej koncepcie pulzného zdroja pre vytváranie vysoko tlakových impulzov. V závere článku sú uvedené výsledky z merania priebehov napätia a prúdu na výstupe navrhnutého pulzného zdroja spoločne s pôsobením na vzorku horniny.

Kľúčové slová:

Pulzný zdroj, vysoké napätie, prechodové stavy, kondenzátor, ultra vysoko tlakové impulzy.

Úvod:

Stabilná akumulácia energie nasledovaná jej rýchlym uvoľnením ma za následok prenesenie veľkého množstva okamžitej energie za krátky časový okamih. Celková prenesená energia na výstupe je rovnaká ako nahromadená energia na vstupe zariadenia – pulzného zdroja. Energia je typicky uložená za pomoci elektrostatického poľa v podobe kondenzátorov, magnetického poľa v podobe cievok, ako mechanická energia za pomoci veľkých zotrvačníkov pripojených k špeciálne upraveným vysoko prúdovým alternátorom alebo ako chemická energia uložená vo vysoko prúdových kyselinových batériách alebo trhavinách.

Pomocou uvoľnenia uloženej energie za veľmi krátky časový interval (uvedený proces je nazývaný aj kompresia energie) je možné preniesť na záťaž veľmi veľké množstvo špičkovej energie. Pre porovnanie, ak je v kondenzátore uložený jeden Joule, ktorý sa následne uvoľní do záťaže za jednu sekundu, bude dosahovať špičková hodnota prenesenej energie len jeden watt. Avšak, ak uloženú energiu v kondenzátore uvoľníme v priebehu jednej mikrosekundy, môže dosiahnuť špičková hodnota uvoľnenej energie až jeden megawatt, čo predstavuje hodnotu milión krát väčšiu ako v predchádzajúcom prípade. Pulzné výkonové zdroje sa v prevažnej miere používajú pre napájanie elektromagnetických pulzov, veľmi silných magnetických polí, radarov, urýchľovačov častíc či vysoko výkonových pulzných laserov. V našom prípade sa použitie pulzného zdroja vzťahuje na generovanie ultra vysokotlakových impulzov vo vodnom prostredí.

Návrh pulzného zdroja:

Možnosť rapídneho zvýšenia objemu, prúdovej hustoty a energie elektrického oblúka v krátkom čase možno vytvoriť v nestlačiteľnom (kvapalnom) okolitom prostredí intenzívne rázové (tlakové) vlny, ktoré sa šíria smerom od oblúkového kanála. Tento jav sa označuje ako elektro-hydraulický. Ako okolité kvapalné médium slúži voda, resp. jav vzniká vo vodnom prostredí. Vysoko-energetické tlakové vlny šíriace sa v tomto prostredí pri dopade na prekážku sa v nej absorbujú a tým spôsobujú deštrukciu jej štruktúry. Tento proces je možné využiť napríklad na rozrušovanie tuhých častíc. Aplikácia by mohla byť v budúcnosti využitá aj v prípade rozrušovania horniny na jej efektívnu dezintegráciu na drobné frakcie. Ďalšou oblasťou použitia je vytváranie vysokého tlaku pre vodné rezacie hlavy. Bloková schéma zdroja pre vytváranie ultra vyskokotlakých impulzov je uvedená na obrázku č. 1.

Obrázok č. 1: Bloková schéma pulzného generátora s mutimodálnym režimom činnosti pre vytváranie ultra vysokotlakých impulzov

Generátor vysoko-energetických elektrických impulzov je zariadenie, ktoré akumuluje energiu z trvalého zdroja energie a počas veľmi krátkeho okamihu naakumulovanú energiu uvoľní. Tento proces sa cyklicky opakuje. Dochádza tak k výkonovej časovej komprimácii energie.

Popis jednotlivých častí pulzného zdroja:

Generátor vysokonapäťových impulzov pozostáva z dvoch hlavných častí. Z bloku pomocného zdroja a z impulzného generátora, ktorý je schopný generovať výboje do vygenerovaného a dlhodobo udržiavaného elektrického oblúka. Pomocný zdroj zabezpečuje bezkontaktný zápal elektrického oblúka a následné udržiavanie vytvoreného ionizovaného kanála. Časť impulzného generátora zostaveného z topológie impulzných generátorov s kapacitnou bankou (obrázok č. 1) zabezpečuje vygenerovanie vysoko-energetického impulzu do udržiavaného elektrického oblúka.

Obrázok č. 2: Schéma zapojenia vstupného bloku generátora impulzov.

Vstupný blok impulzného generátora pozostáva z rozvodov elektrickej energie keďže sa uvažuje s pripojením na rozvodnú sústavu 3+PE+N, 50Hz, 400Vac/TN-S. V obvode sa nachádza hlavné istenie, hlavný vypínač, obvod mäkkého nábehu (soft štart), vybíjací obvod, napájanie pomocných obvodov a hlavný transformátor. Vstupný blok zabezpečuje bezpečný štart, chod a vypnutie zariadenia. Zároveň zabezpečuje galvanické oddelenie výkonových častí od rozvodnej sústavy. Schéma zapojenia vstupného bloku impulzného generátora je uvedená na obrázku č. 2. Súčasný inštalovaný výkon vstupného modulu je 10kW, pričom túto hodnotu možno jednoduchým spôsobom modifikovať.

Obrázok č. 3: Schéma zapojenia impulzného bloku

Neoddeliteľnou súčasťou impulzného generátora je samotný pulzný blok zabezpečujúci akumuláciu energie a jej uvoľňovanie do záťaže. Pozostáva z troch častí. Prvou časťou je trojfázový neriadený usmerňovač a nabíjač. V tejto časti sa trojfázové striedané napätie z oddeľovacieho transformátora usmerňuje na jednosmerné napätie. Obvod nabíjača pozostáva z riadeného MOSFET spínača. Do tejto časti možno ešte zaradiť aj odpor Rn, ktorý obmedzuje špičkovú hodnotu nabíjacieho prúdu. Druhá časť pulzného bloku pozostáva z kondenzátora a výkonového spínača. Kondenzátor zabezpečuje uloženie naakumulovanej energie. Pozostáva z dvoch paralelne radených kondenzátorov s kapacitou 33mF. Výkonový spínač je tvorený riadeným výkonovým tyristorom. Tretia časť impulzného bloku je tvorená reverznou diódou, ktorá bráni spätnému toku prúdu do zdroja. Blok impulzného generátora môže pracovať v single/multi pulznom režime, tým je schopný vygenerovať buď jeden impulz, alebo sériu impulzov s periodickým opakovaním. Riadením tranzistora v nabíjači možno presne určiť hodnotu napätia, na ktorú sa má kondenzátor nabíjať a určiť tak hodnotu energie, ktorá v ňom bude uskladnená. Taktiež je možnosť odmeriavania napätia a prúdu v impulze. Schéma zapojenia impulzného bloku sa nachádza na obrázku č. 3. Po realizácii navrhnutého pulzného zdroja bolo realizované jeho meranie, ktoré je uvedené na obrázku č. 4.

Meranie výstupných charakteristík:

Na obrázku č. 4 sa nachádza záznam z priebehu napätia, prúdu a impedancie elektrického výboja vytvoreného naprieč testovacou vzorkou z tvrdej horniny s hrúbkou 10mm. Napätie v špičke dosahuje hodnotu maximálne 240V pričom po prieraze vzorky elektrickým oblúkom nasleduje nárast pretekajúceho prúdu na špičkovú hodnotou 55kA. Vysoko energetický impulz pôsobí na horninu deštruktívne, čo je prejavom vznikajúcich tlakových pulzov.

Obrázok č. 4: Priebeh napätia, prúdu a impedancie výboja naprieč vzorkou horniny s hrúbkou 10mm

Záver:

Článok sa zoberá návrhom, popisom a realizáciou pulzného zdroja vhodného na generovanie vysoko tlakových impulzov vhodných na vytváranie tlakových vĺn v pevných látkach a v kvapalinách (vodné prostredie). Návrh a realizácia uvedeného pulzného zdroja je popísaná v úvode, pričom sú postupne uvedené základné schémy zapojenia jednotlivých častí (obrázok č. 1, 2 a 3) spoločne s popisom ich funkcie. Na záver sú uvedené výsledky merania pre impulz o veľkosti 240V a šírkou pulzu 4ms, za ktorým nasleduje prúdová špička o veľkosti 55kA s šírkou 0,5ms. Výstupný prúd osciluje okolo nuly po dobu 1ms. Výsledkom bolo vytvorenie tlakovej vlny, ktorá spôsobila zničenie meranej vzorky. Tým sme potvrdili vznik elektro-hydraulického javu, ktorý je možné využiť v širokej oblasti aplikácií.

 

Poďakovanie:

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre projekt „Aplikovaný výskum a vývoj inovatívnych zdrojov energie pre ultra vysoko tlakové impulzy,“ kód ITMS 26220220088, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

 

Literatúra:

  1. Chernets, I., Nirenberg, G., Fridman, A., Rabinovich, A.: Development of high-power plasma reformer and power supply for large scale applications, The 20th International Symposium on Plasma Chemistry, Philadelphia, USA, July 24 - 29, 2011. ISPC20.

  2. Sousa, J., Correia de Barros, M., T., Covas, M., Simões, A.: Harmonics and Flicker Analysis in Arc Furnace Power Systems, ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa ADESPA.

  3. Brendan, F., Damian, F., Leslie, B., Jenkins, N., Milborrow, D., O’Malley, M., Watson, R., Anaya-Lara, O.: Wind Power Integration, Connection and System Operational Aspects, Institution of Engeneering and Technology, London, 2007

  4. Erickson, R., W., Maksimovic, D.:Fundamentals of Power Electronics – Second Edition, Colorado, University of Colorado Boulder, 2001

  5. Glover, J., Sarma, M., Overbye, T.: Power System Analysis and Design - Fourth Edition, Thomson, 2008

  6. In-Dong, K., Eui-Cheol, N., Bimal, K., B.: A new snubber circuit for Multilevel inverter and converter, IEEE, 1998

  7. Rashid, M., H.: Power electronics handbook: devices, circuits and applications – Second Edition, Elsevier, London, 2007

  8. Rasmussen, T., W., Hansen, A., Havemann, H., Pedersen, J., K.: High Power Electronics, DTU: Department of Electrical Engeneering, 2010

  9. Severns, R.: Design of Snubbers for Power Circuits, Cornell Dubilier Electronics, 2005

  10. Yang Chen, Smedley, K., M.: A Cost-Effective Single Stage Inverter With Maximum Power Point Tracking, IEEE transaction of Power Electronics, Vol. 19, NO.5., 2004

  11. Perreault, D.: Power Electronics Notes, Massachusetts Institute of Technology, MIT open-course ware, 2007

  12. A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi: “A New Neutral-point Clamped PWM Inverter“, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-17, pp. 518-523, Sept./Oct. 1981,

  13. L. M. Tolbert, F. Z. Peng, and T. Habetler: “Multilevel Converters for Large Electric drives”, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol.35, pp. 36-44, Jan./Feb. 1999,