mgr inż. Michał Balcerak

Mgr inż. Michał Balcerak
Optymalizacja półprzewodnikowego, submikrosekundowego
generatora impulsów wysokiego napięcia o topologii MarxaFitcha z kompresją magnetyczną
Wstęp
W wielu współczesnych zaawansowanych procesach badawczych i
technicznych – między innymi takich jak badanie wytrzymałości elektrycznej
materiałów izolacyjnych, odporności wyrobów na wyładowania atmosferyczne
(EMC), fizyka wysokiej energii (betatrony, synchrotrony, Z-pinch, lasery
wysokoenergetyczne), technologie modyfikacji powierzchni, sterylizacja cieczy,
wytwarzanie
plazmy
–
niezbędne
jest
źródło
krótkotrwałych
wysokonapięciowych impulsów o dużej energii. Takie źródło krótkotrwałych
impulsów wysokiego napięcia może być również wykorzystane w generacji
plazmy nietermicznej, która ostatnio znalazła zastosowanie w szeroko
rozumianej ochronie środowiska, a w szczególności ochronie atmosfery.
Pomimo intensywnego rozwoju technologii plazmowych postępy poczynione w
konstrukcji i budowie generatorów są nieznaczne, zwłaszcza iż podstawowym
kluczem pozostaje tyratron, klucz iskrowy lub z tzw. „wirującą szczeliną”. Jest
oczywiste, że rozwiązania oparte na zjawisku wyładowania w gazach cechuje
niska trwałość, co znacznie ogranicza częstotliwość pracy i ma bezpośredni
wpływ na czas bezawaryjnej pracy (żywotność generatora). Obserwowany
ostatnio szybki rozwój technologii wytwarzania półprzewodnikowych elementów
mocy takich jak tranzystory IGBT, MOSFET, CoolMOS, tyrystory MTC, SI-Thy
oraz materiałów magnetycznych (metglas, ferryty nanokrystaliczne) w istotny
sposób mogą zmienić warunki pracy elementów generatora HV. Plazma
nietermiczna wytwarzana w warunkach atmosferycznych jest specyficznym
rodzajem odbiornika z punktu widzenia właściwości elektrycznych [1].
Właściwości elektryczne plazmy atmosferycznej nie tylko zależą od przemian
fizycznych i chemicznych zachodzących w gazie, ale również bardzo silnie od
parametrów elektrycznych samego generatora HV. W związku z powyższym
efektywność pożądanych przemian fizykochemicznych środowiska wymagać
będzie poszukiwania optymalnych warunków pracy układu reaktor
atmosferycznej plazmy nietermicznej – generator HV, w zakresie
dopuszczalnych zmian parametrów pracy półprzewodnikowych elementów
mocy (PEM), obwodu kompresji magnetycznej oraz pozostałych elementów
pasywnych generatora HV.
Technologia plazmy nietermicznej jest jedną z najdynamiczniej
rozwijających się elektrotechnologii. Znajduje zastosowania zarówno w skali
makro (zastosowania w medycynie, modyfikacja właściwości powierzchniowych
materiałów) jak i nano (nanoszenie cienkich warstw, modyfikacja
nanomateriałów). Jednym z obiecujących obszarów zastosowania plazmy jest
ochrona środowiska, gdzie reaktory plazmowe służą do prowadzenia reakcji
chemicznych, często bez dodatkowych reagentów chemicznych.
Podstawowym celem pracy doktorskiej jest zaprojektowanie i wykonanie
systemu impulsowego zasilania demonstracyjnego układu redukcji tlenków
siarki i azotu w przemysłowych gazach odlotowych. Jednym z potencjalnych
zastosowań jest innowacyjny system oczyszczania spalin elektrowni oraz
elektrociepłowni węglowych.
Zastosowania atmosferycznej plazmy nietermicznej
Atmosferyczna plazma nietermiczna znajduje zastosowanie wszędzie
tam, gdzie występuje konieczność wywołania reakcji chemicznych, do
zainicjowania których wykorzystuje się zwykle wysoka temperaturę gazów.
Użycie plazmy atmosferycznej w celu zainicjowania reakcji chemicznych
pozwala na zaoszczędzenie znacznych ilości energii, ponieważ nie ma
konieczności podwyższania temperatury gazów, które biorą udział w reakcjach.
Obecnie w Polsce istnieje pilotażowa instalacja dużej mocy do
oczyszczania spalin z tlenków siarki i azotu zainstalowana w elektrociepłowni
Pomorzany. Jest to nowoczesna metody oczyszczania spalin, której skutkiem
ubocznym pracy są związki chemiczne, jakie z powodzeniem są stosowane,
jako nawóz sztuczny. Plazma w strumieniu spalin jest wytwarzana przy użyciu
betatronów (Electron Beam). Takie rozwiązanie posiada niestety stosunkowo
niską sprawność energetyczną oraz wymaga częstych prac konserwacyjnych.
Rozwiązaniem tych wad z zachowaniem wszystkich zalet tej metody
oczyszczania spalin jest inicjowanie reakcji z wykorzystaniem atmosferycznej
plazmy nietermicznej wzbudzanej bezpośrednio w strumieniu gazów
odlotowych. Podobne zastosowanie atmosferycznej plazmy nietermicznej
można znaleźć przy oczyszczaniu z tlenków siarki i azotów występujących w
strumieniu spalin z silników Diesla.
W ramach pracy doktorskiej wykonany zostanie reaktor atmosferycznej
plazmy nietermicznej z dedykowanym źródłem zasilania, który będzie mógł
zostać wykorzystany jako model reaktora oczyszczania gazów z tlenków siarki i
azotu (SOX i NOX)
Opis pracy doktorskiej
Budowany w ramach pracy doktorskiej zasilacz ma służyć do zasilania
reaktorów homogenicznej plazmy nietermicznej, co stawia wysokie wymagania
w zakresie sprawności przekształtnika oraz kształtu i amplitudy generowanego
napięcia. Stromość narastania napięcia nie powinna być niższa niż 100V/ns,
długość trwania impulsu nie powinna przekraczać 250ns, natomiast wartość
szczytowa generowanego napięcia powinna wynosić ok. 9kV (wartość napięcia
jest zależna od budowy reaktora). Budowany zasilacz ma pracować w trybie
ciągłym przez okres kilku lat, zatem jego sprawność powinna być możliwie
wysoka i nie powinna być niższa nić 80%. Powyższe wymagania powinien
spełniać układ KPS (Kicker Power Supply), który uzyskał europejskie
zgłoszenie patentowe o numerze EP2106025A1. Schemat przetwornicy, która
jest modyfikacją generatora Fitcha, był wielokrotnie przedstawiany w
międzynarodowych publikacjach [2,3]. Schemat KPS przedstawiono na
Rysunku 1a, natomiast zasadę działania obrazuje rysunek 1b. W przypadku
zastosowań dla układu do generacji plazmy nietermicznej, istotne są
następujące parametry, takie jak wysokość uzyskanego napięcia, stromość
narastania napięcia i czas trwania impulsu. Dwa istotne parametry to amplituda
napięcia wyjściowego oraz stromość narastania napięcia, które są głównie
odpowiedzialne za inicjację plazmy. Natomiast czas trwania impulsu jest ważny
z dwóch powodów: prowadzi on do dodatkowych strat na przewodzenie w
plazmie, które nie są pożądane dla plazmy nietermicznej i prowadzi do
wyładowania łukowego, które jest niekorzystne ze względu na degradację
elektrod
Rysunek 1. Schemat pojedynczego modułu KPS a) oraz teoretyczny przebieg
napięcia wyjściowego Uwyj po wysterowaniu tranzystora Tr z zaznaczonymi
napięciami na kondensatorach C1, C2 i C3 b)
Źródło: opracowanie własne na podstawie [3]
Zaletą generatora typu KPS jest brak transformatora podnoszącego
napięcie wyjściowe oraz możliwość łączenia wielu modułów szeregowo w celu
podniesienia napięcia sumarycznego, występującego na elektrodach reaktora.
Pojedynczy moduł przekształtnika generuje na wyjściu bipolarny impuls
widoczny na rysunku 2 (przebieg czerwony), którego amplituda jest trzykrotnie
większa niż wartość napięcia zasilającego. Wartość napięcia zasilania jest tu
ograniczona przez wytrzymałość napięciową poszczególnych elementów
przetwornicy KPS (przeważnie najmniejszą wytrzymałość posiadają klucze
energoelektroniczne - w tym przypadku tranzystory). Połączenie n modułów
szeregowo zwiększa wyjściowe napięcie n-krotnie. Kolejną zaletą przetwornicy
typu KPS jest praca tranzystora mocy w pierwszej półfali rezonansu, a zatem
nie występują na nim straty energii podczas wyłączania tranzystora (wyłączanie
bezprądowe), natomiast straty na załączanie można ograniczyć zwiększając
wartość indukcyjności dławików (L2 i L3) przeładowujących pojemności (C2 i
C3).
Uzyskanie bardzo krótkich impulsów wysokiego napięcia można osiągnąć
stosując pojemności i indukcyjności (C i L) o niskich wartościach. Niestety
zmniejszając wartościach pojemności C1, C2 i C3 zmniejsza się również
maksymalną energię pojedynczego impulsu. Również zaczyna wzrastać
znaczenie pasożytniczych pojemności montażowych oraz występujących np. w
tranzystorach mocy [4]. Zmniejszanie wartości indukcyjności zwiększa straty
energii na załączenie, jakie wydzielają się w tranzystorze mocy, obniżając tym
samym sprawność całej przetwornicy. Zasadne zatem staje się zastosowanie
dławików nasycających się, które wykazują stosunkowo dużą wartość
indukcyjności przy niewielkich wartościach prądu, lecz w miarę nasycania się
rdzenia magnetycznego ich indukcyjność gwałtownie maleje. Takie rozwiązanie
pozwala na skrócenie czasu trwania impulsu przy jednoczesnej eliminacji wad
wymienionych powyżej. Przebiegi uzyskane podczas symulacji przetwornicy
KPS z dławikami o rdzeniu magnetycznym nasycającym się przestawiono na
poniższym przebiegu (przebieg niebieski).
Rysunek 2. Symulacyjne przebiegi napięcia generowanego przez KPS dla
dławików z nienasycającym się rdzeniem (przebieg czerwony) oraz z rdzeniem
nasycającym się (przebieg niebieski)
Źródło: Opracowanie własne
Powyższe przebiegi obrazują, że zastosowanie nasycających się rdzeni
magnetycznych w indukcyjnościach przeładowujących pojemności, zwiększa
stromość impulsu. Zastosowanie rdzeni nasycających się umożliwia również
uzyskanie kompresji magnetycznej prądu obciążenia, dzięki której można
kilkukrotnie skrócić czas trwania impulsu z zachowaniem wysokiej sprawności
procesu. W takim przypadku bipolarny charakter impulsu generowanego przez
moduł KPS pozwala na zmniejszenie wymiarów rdzenia magnetycznego
użytego do kompresji magnetycznej prądu obciążenia.
Innowacyjność
Niniejsza praca doktorska łączy w sobie wiele innowacyjnych rozwiązań,
które w przyszłości mogą zostać wykorzystywane na większą skalę w
przemyśle. Innowacyjność topologii przetwornicy typu KPS, która została
opracowana przez zespół szczecińskich naukowców pod kierownictwem pana
dra inż. S. Kalisiaka, została potwierdzona europejskim zgłoszeniem
patentowym o numerze EP2106025A1. Finansowanie procedury patentowej
odbyło się w ramach programu „PATENT PLUS”, ze środków Ministerstwa
Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Topologia ta posiada ogromny potencjał i jest
stale doskonalona. Również rozwiązania sterowania tranzystorami są
nowoczesne. Poświęcono wiele pracy nad metodami szybkiego załączania
tranzystorów z zachowaniem separacji galwanicznej, odpornymi na silne
zakłócenia elektromagnetyczne oraz wysokie napięcia. Efektem tej pracy jest
zbudowane źródło impulsów wysokiego napięcia (aktualnie 3kV) o stromości
narastania napięcia przekraczającej 350V/ns. Górna wartość napięcia zależy
jedynie od ilości modułów generatora. Nowatorskie wydaje się być również
zastosowanie kompresji magnetycznej prądu oraz dławiki z rdzeniami celowo
tak wybranymi, aby łatwo ulegały nasyceniu. Pomimo tego, ze kompresja
magnetyczne prądu jest znana od kilkudziesięciu lat, nie jest ona powszechnie
wykorzystywana. Autor niniejszej pracy ma nadzieję, że rozwiązania, jakie
zostaną zastosowane w pracy doktorskiej przyspieszą proces wdrażania
technologii do przemysłu oraz staną się inspiracją dla konstruktorów urządzeń
energoelektronicznych, niekoniecznie związanych z technologią generacji
plazmy nietermicznej.
Mgr inż. Michał Balcerak
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych
Alfabetyczny wykaz literatury:
1. Hołub M., Kalisiak S., Jakubowski T., Balcerak M.: Power electronic supply
systems for non-thermal plasma sources, XVIII International Conference on
Gas Discharge and Their Applications (GD2010), Greifswald (Germany)
2. Kalisiak S., Hołub M., „Modified Fitch generator topology for non-thermal
plasma applications”, Przegląd Elektrotechniczny 2009, nr 7, str. 134-137
3. Kalisiak S., Hołub M.: Modified multistage semiconductor-Fitch generator
topology with magnetic compression, 13th EPE-PEMC 2008, 1-3
September, Poznań, Poland, pp. 195-200
4. Tareilus G. H., „Der Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter im
Umfeld schaltverlustreduzierter IGBT-Pulswechselrichter“, rozprawa
doktorska, ISBN 3-89720-638-2, der Technischen Universität CaroloWilhelmina zu Braunschweig, 2002, str. 21-31