Mgr inż. Michał Balcerak Optymalizacja półprzewodnikowego, submikrosekundowego generatora impulsów wysokiego napięcia o topologii Marxa- Fitcha 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 (SO X i NO X) 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 Carolo- Wilhelmina zu Braunschweig, 2002, str. 21-31