Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Лабораторная установка испытаний электрической прочности воздуха

Работа №116939

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

электротехника

Объем работы71
Год сдачи2018
Стоимость4870 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
28
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение 4
1. Теоретические аспекты испытаний электрической прочности воздуха 8
1.1. Электрическая прочность материала 8
1.2. Электрическое поле 9
2. Анализ топологии обратноходового преобразователя 10
2.1. Топология обратноходового преобразователя с активным
демпфированием 10
2.2. Сравнение пассивного обратного хода и активного демпфирования 15
2.3. Рекомендации по управлению ZVS для QL и QH 17
2.4. Влияние Coss и рекомендации по достижению ZVS на QL 18
2.6. Влияние Coss и рекомендации по достижению ZVS на QH 21
2.7. Преимущества адаптивного управления ZVS 21
3. Структура и модель лабораторной установки 24
3.1. Требования к проектированию лабораторной установки 24
3.2. Описание структурной схемы установки 25
3.3. Моделирование топологии 26
4. Опытно-экспериментальное исследование 33
4.1. Макетирование источника 33
4.2. Проектирование разрядника 35
4.4. Разработка программного обеспечения для системы управления 39
4.5. Изменение кода алгоритма 41
4.6. Изготовление макета высоковольтной схемы питания и системы
управления 44
4.7. Структура проведения экспериментов 51
4.8. Эксперимент 1. Проверка формирования импульсов управления 52
4.9. Эксперимент 2. Исследование работы алгоритма управления 56
4.10. Эксперимент 3. Исследование импульса разряда 62
4.11. Доработка в макете лабораторной установки 64
Заключение 66
Список используемой литературы 67

Высоковольтные источники питания, как правило, не являются массовым товаром потребления. Их применение более специализировано под конкретные задачи. А также присутствует сложность изготовления компонентов на высокое напряжение, следовательно, рост цены на данные изделия. В частности, узким местом являются такие компоненты, как: высоковольтные конденсаторы, трансформаторы, выпрямительные диоды. В разрабатываемой установке применены наиболее распространенные компоненты, которые упрощают и удешевляют изготовление и ремонт данной установки. Основная идея преобразователя построена на высоковольтном трансформаторе с уже встроенным выпрямителем (трансформатор диодно-каскадный, далее - ТДКС), что исключает необходимость отдельных высоковольтных диодов, требуемых для построения обратноходового преобразователя. Данные виды трансформаторов применяются в ЭЛТ телевизорах для генерирования развертки изображения.
В качестве топологии генератора высоковольтного напряжения применен обратноходовой преобразователь с активным демпфированием. Основная область применения топологии обратноходового преобразователя приходится на источники питания, понижающие напряжение. Введение в схему цепи активного демпфирования улучшает характеристики при высокочастотном регулировании, включая такие моменты, как увеличение КПД за счет уменьшения потерь нагрева пассивной цепи демпфирования, потерь в трансформаторе, а также потерь при переключениях. Однако, применение данной топологии, как правило, становится не выгодным при требуемых больших мощностях. С другой стороны, добавление ключа активного демпфирования усложняет понимание принципа работы топологии и требует полного анализа всех переходных процессов, происходящих в схеме. Помимо понимания происходящих процессов, следует обратить особое внимание на подбор и расчет элементов схемы, так как в данной топологии параметры элементов схемы могут быть взаимосвязаны неочевидным образом.
Преимущества данной топологии в качестве источника высокого напряжения заключается в гибком регулировании, ограниченном количестве энергии за цикл работы и в дополнительной защите за счет режима прерывистых токов. Используя данные особенности топологии, можно получить точную настройку выходного напряжения, соответствующую заданному параметру, а также обеспечить защиту элементов от перенапряжения при переключениях.
Объектом исследования является разрабатываемая установка испытаний электрической прочности воздуха на топологии обратноходового преобразователя с активным демпфированием и алгоритм управления данной топологии.
Целью исследования является создание опытного образца лабораторной установки испытаний электрической прочности воздуха на основе схемы обратноходового преобразователя с активным демпфированием, который позволит одновременно изучать как воздушный пробой, так и принцип работы топологии обратноходового преобразователя с активным демпфированием для генерирования высокого напряжения.
Задачи работы
1. Изучить и проанализировать литературу;
2. Промоделировать работу обратноходового преобразователя с активным демпфированием;
3. Разработать структуру установки;
4. Выбрать основные элементы;
5. Разработать печатную плату преобразователя;
6. Разработать алгоритм формирования управления, алгоритм управления расстоянием и интерфейс взаимодействия с пользователем;
7. Разработать и собрать макет разрядника;
8. Изготовить макет лабораторной установки
9. Провести экспериментальные исследования
Научная новизна
1. Разработана математическая модель повышающего
обратноходового преобразователя с активным демпфированием и подобраны параметры элементов для правильной работы топологии.
2. Разработаны алгоритм формирования импульсов управления обратноходовым преобразователем с активным демпфированием, алгоритм управления межэлектродным расстоянием разрядника и алгоритм взаимодействия с пользователем посредством кнопок и ЖК-экрана.
3. Описаны основные моменты кода алгоритма микроконтроллера для дальнейших улучшений характеристик управления.
Практическая ценность
1. Проанализированы топологии обратноходового преобразователя с активным и пассивным демпфированием. Описаны рекомендации по уменьшению потерь в топологии с активным демпфированием.
2. Разработана печатная плата преобразователя с учетом повышения помехоустойчивости и надёжности при длительной работе.
3. Изготовлен макет разрядника установки с автоматическим изменением межэлектродного расстояния.
4. Изготовлен опытный образец лабораторной установки испытаний электрической прочности воздуха.
Положения, выносимые на защиту
1. Рекомендации по управлению топологией обратноходового преобразователя с активным демпфированием.
2. Разработанная математическая модель повышающего
обратноходового преобразователя с активным демпфированием.
3. Разработанная и изготовленная печатная плата преобразователя, основные рекомендации по проектированию.
4. Разработанная лабораторная установка испытаний электрической прочности воздуха.
Апробация результатов
Результаты выполненных исследований докладывались на научно-практической конференции «Студенческие дни науки ТГУ», г. Тольятти, 2017 года. Результаты работы в среде моделирования и применение модели для разработки алгоритмов управления опубликовано в электронном научном журнале «Студенческий» №10(30), г. Новосибирск, 2018 год.
Структура и объем работы
Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Диссертация содержит 72 страницы, 49 рисунков, 12 таблиц, 36 литературных источников.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

1. Описаны принцип работы топологии обратноходового преобразователя с активным демпфированием и его сравнение с топологией без демпфирования. Учтены аспекты при работе в повышающем режиме.
2. Разработана модель топологии обратноходового преобразователя с
активным демпфированием в среде Matlab Simulink. Модель позволила подобрать оптимальные параметры элементов и управления в режиме повышения напряжения.
3. Разработан и проверен алгоритм формирования импульсов управления преобразователем при различных заданных параметрах.
4. Разработан разрядник с системой изменения расстояния между электродами. Написан алгоритм для управления расстоянием.
5. С целью дальнейшего изучения и улучшения характеристик управления повышающего преобразователя описаны основные моменты алгоритма управления. Приведены примеры описания собственных страниц и параметров в интерфейсе взаимодействия с пользователем. Описан алгоритм формирования импульсов на основе прерываний с добавленной функцией «накачки».
6. Разработана лабораторная установка испытаний электрической прочности воздуха. Проведены эксперименты работы установки в комплексе.



1 Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991. 224 с.
2 Райзер Ю. П., Физика газового разряда: Учеб. Руководство: Для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М. Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992 - 536с. - ISBN 5-02-014615-3
3 Шваб А. Измерения на высоком напряжении. (Измерительные приборы и способы измерения). Шваб А. Пер. с нем. М., «Энергия», 1973
4 Castro I. Analytical Switching Loss Model for Superjunction MOSFET With Capacitive Nonlinearities and Displacement Currents for DC-DC Power Converters, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 3, pp. 2485-2495, Mar. 2016.
5 El-Rifaie A. M., Mageed Hala M. Abdel, Aladdin O. M. Enhancement of AC high voltage measurements’ uncertainty using a high voltage divider calibration method [Электронный ресурс] URL: https://www.metrology- journal.org/articles/ijmqe/pdf/2015/02/ijmqe 150014.pdf (дата обращения 22.05.17)
6 Fedison J. B., Harrison M. J. COSS hysteresis in advanced superjunction MOSFETs, IEEE 2016 Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2016, pp. 247-252.
7 Hou D., Su Y., Li Q., Lee F. C. Improving the efficiency and dynamics of 3D integrated POL, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, NC, 2015, pp. 140-145.
8 Huang X., Feng J., Du W., Lee F., Li Q. Design Consideration of MHz Active Clamp Flyback Converter with GaN Devices for Low Power Adapter Application, IEEE 2016 APEC, 2016, pp. 2334-2341
9 Kearney D. J., Kicin S., Bianda E., Krivda A. PCB Embedded Semiconductors for Low-Voltage Power Electronic Applications, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 7, no. 3, pp. 387-395, March 2017.
10 Kinzer D. Driving for Zero Switching Loss Power Solutions, IEEE 2016 PCIM Asia, Keynote speech, 2016
11 Liu Pei-Hsin, Design Consideration of Active Clamp Flyback Converter with Highly Nonlinear Junction Capacitance [Электронный ресурс] URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8341101/(дата обращения 21.03.18)
12 Liu X.C.X., Zhang Y., Zou X., Lin S. An overview of softswitching technique for flyback converters, IEEE 11th International Conference on ASIC (ASICON), 2015, pp. 1-4.
13 Mayerhoff E. High Voltage Insulation Methods [Электронный
ресурс] URL:
http://www.highvoltageconnection.com/articles/highvoltageinsulation.pdf (дата
обращения 15.05.17)
14 Park J. Quasi-Resonant (QR) Controller With Adaptive Switching Frequency Reduction Scheme for Flyback Converter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 6, pp. 3571-3581, June 2016.
15 Perrin R., Quentin N., Allard B., Martin C., Ali M. High-T emperature GaN Active-Clamp Flyback Converter With Resonant Operation Mode, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 3, pp. 1077-1085, Sept. 2016.
16 Pokryvailo A., Carp C., Scapellati C. A High-Power High-Voltage Power Supply for Long-Pulse Applications [Электронный ресурс] URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/5446345(дата обращения 10.01.17)
17 Quentin N., Perrin R., Martin C., Joubert C., Lacombe B., Buttay C. GaN Active-Clamp Flyback Converter with Resonant Operation Over a Wide Input Voltage Range, PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2016, pp. 1-8.
18 Rakitin A. E., Zhukov V. P., Starikovskii A. Yu. DEFLAGRATION-
TO-DETONATION TRANSITION UNDER INITIATION BY HIGH-VOLTAGE NANOSECON DISCHARGES [Электронный ресурс] URL:
https://www.eucass-proceedings.eu/articles/eucass/pdf/2009/01/eucass1p367.pdf(дата обращения 11.08.17)
19 Shaughnessy O., Andreotti E., Budjas D., Caldwell A., Gangapshev
A., Gusev K., Hult M., Lubashevskiy A., Majorovits B., Schonert S. and Smolnikov A. High voltage capacitors for low background experiments [Электронный ресурс] URL:
https://epjc.epj.org/articles/epjc/abs/2013/05/10052_2013_Article_2445/10052_20 13_Article_2445.html (дата обращения 20.02.17)
20 Sharma A. B. PCB embedded power package with reinforced top-side chip contacts, 6th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC), Grenoble, 2016, pp. 1-5.
21 Sun B. Two comparison-alternative high temperature PCB-embedded transformer designs for a 2 W gate driver power supply, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, 2016, pp. 1-7.
22 Watson R., Lee F. C., Hua G. Utilization of an Active-Clamp Circuit to achieve Soft Switching in Flyback Converters, IEEE Transaction on Power Electronics, vol.11, pp162-169, Jan. 1996.
23 Watson R., Hua G.C., Lee F.C. Characterization of an active clamp flyback topology for power factor correction applications [Электронный ресурс] URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/484432/(дата обращения 5.12.16)
24 Schwerz R., Roellig M., Osmolovskyi S., Wolter K. J. Reliability assessment of discrete passive components embedded into PCB core, 15th International Conference on Thermal, Mechanical and Mulit-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), Ghent, 2014, pp. 1-7.
25 Xue L., Zhang J. Active clamp flyback using GaN power IC for power adapter applications, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, USA, 2017, pp. 2441-2448.
26 Yipeng S., Wenli Z., Qiang L., Lee F. C., Mingkai M. High frequency integrated Point of Load (POL) module with PCB embedded inductor substrate, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2013 IEEE, 2013, pp. 1243-1250.
27 Zhang Z., Ngo K. D. T., Nilles J. L. A 30-W flyback converter operating at 5 MHz, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014, Fort Worth, TX, 2014, pp. 1415-1421.
28 Texas Instruments UCC28780 High Frequency Active Clamp Flyback
Controller [Электронный ресурс] URL:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28780.pdf(дата обращения 09.09.16)
29 Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с., ил.
30 Герман-Галкин С. Г. Линейные электрические цепи. Лабораторные работы. - СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 320 с., ил.
31 Ramleth S., Madhavan J., Thangal K., Nediyazhikam S. Simulation of
Impulse Voltage Generator and Impulse Testing of Insulator using MATLAB Simulink [Электронный ресурс] URL:
https://www.researchgate.net/publication/289611954_Simulation_of_impulse_volt age_generator_and_impulse_testing_of_insulator_using_MATLAB_simulink (дата обращения 10.10.16)
32 Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 1-е издание, 2007 год, 288 стр., формат 17x24 см, мягкая обложка.
33 Герман-Галкин С. Г. Спектральный анализ процессов силовых полупроводниковых преобразователей в пакете MATLAB (R 13) // Научно-практический журнал "Exponenta Pro. Математика в приложениях", 2003, № 2. С. 80 - 82.
34 Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. Питер. 2002.-528 с., ил.
35 STMicroelectronics STB75NF75, STP75NF75 - STP75NF75FP
[Электронный ресурс] URL:
http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/99/6b/cd/5a/ 84/8f/44/0c/CD00002771.pdf/files/CD00002771.pdf/jcr: content/translations/en.C D00002771.pdf (дата обращения 06.10.17)
36 Atmel 8-bit AVR Microcontrollers ATmega328/P DATASHEET
COMPLETE [Электронный ресурс] URL:
http: //ww 1. microchip. com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR- Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf (дата обращения 20.09.16)

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.