Помощь студентам в учебе
Лабораторная установка испытаний электрической прочности воздуха
|
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
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.
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.
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.
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.