Генератор высоковольтных импульсов напряжения на основе каскадного преобразователя частоты
Ключевые слова:
генератор высоковольтных импульсов напряжения, генератор с импульсным трансформатором, генератор Аркадьева–Баклина–Маркса, спиральный генератор Фитча–Говела, каскадный преобразователь частоты
Аннотация
Статья посвящена разработке генератора высоковольтных импульсов напряжения на основе каскадного преобразователя частоты. Генератор предназначен для проверки электрической импульсной прочности изоляции обмоток электрических машин, питающихся от преобразователей частоты. В процессе разработки проведено моделирование работы генератора в программной среде SimInTech. Проведен анализ наиболее известных схем генераторов. Разработанная схема генератора промоделирована схемотехническим методом в различных режимах работы. Показано, что генератор по выходным параметрам (форма импульсов напряжения, их амплитуда, фронт и спад, длительность и частота следования импульсов) полностью эквивалентен преобразователям частоты с широтно-импульсной модуляцией. Предлагаемая схема генератора позволяет проводить ресурсные испытания изоляции и испытания изоляции максимальным напряжением одиночными импульсами. Основные технические характеристики генератора: униполярные импульсы амплитудой до 6 кВ или биполярные импульсы с размахом до 12 кВ с плавным шагом регулирования амплитуды; длительность импульсов напряжения от 20 до 1000 мкс при регулируемой длительности фронта от минимальной до 50 мкс; частота следования импульсов от одиночных до 1 кГц; номинальная полная мощность генератора до 50 кВ·А.
Литература
1. Grubic S. et al. A Survey on Testing and Monitoring. Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(12): pp. 4127–4136, DOI:10.1109/TIE.2008.2004665.
2. Леонов А.П., Колесников С.В. Надёжность изоляции статорных обмоток частотно-управляемых электродвигателей. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2022, т. 18, № 1, с. 33–62.
3. Stone G.C., Culbert M., Lloyd B.A. Stator Insulation Problems Associated with Low Voltage and Medium Voltage PWM Drives. – IEEE Cement Industry Technical Conference Record, 2007, DOI: 10.1109/CITCON.2007.358997.
4. Леонов А.П., Солдатенко Т.М. Оценка срока службы изоляции кабельных изделий для систем питания и управления горношахтного электрооборудования. – Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2022, т. 333, № 1, с. 113–120.
5. Martinez -Tarifa J.M., Amaris H., Sanz J. Frequency Domain Modeling of Random Wound Motor Windings for Insulation Stress Analysis. – Electrical Engineering, 2006, 88(5), pp. 403–409, DOI:10.1007/s00202-005-0300-8.
6. Gavrilenko V.N. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt: PhD Thesis in Electrical Engineering. Universite Paris-Saclay, 2020.
7. ГОСТ Р МЭК 60034-4-18-42-2012. Машины электрические вращающиеся. Часть 4. Методы экспериментального определения параметров синхронных машин. М. Стандартинформ, 2014, 87 с.
8. Taherian M. et al. A Modular Unipolar/Bipolar High-Voltage Pulse Generator Suitable for High Resistive Load. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2023, DOI:10.1109/TPS.2023.3262153.
9. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004, 704 с.
10. Крастелев Е.Г. и др. Мощные электроимпульсные системы. Часть II. М.: МИФИ, 2008, 144 с.
11. Zhang Z. et al. A Modular Push-Pull-Flyback High-Voltage Pulse Generator for Electric Field Emulation During a Lighting Strike. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(6), pp. 7322–7335, DOI:10.1109/TPEL.2023.3258523.
12. Melfi M. et al. Effect of Surge Voltage Risetime on the Insulation of Low-Voltage Machines Fed by PWM Converters. – IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 34 (4), pp. 766–775, DOI:10.1109/28.703971.
13. Жмеров Г.Г., Тугай Д.В., Титаренко И.Г. Моделирование электропривода переменного тока с каскадным многоуровневым инвертором напряжения. – Электротехника и электромеханика, 2013, № 2, с. 40–47.
14. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
15. Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнёв В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970, 154 с.
16. Конесев С.Г., Кириллов Р.В. Генераторы импульсов напряжений. Применение и обзор схемотехнических решений. – Национальная ассоциация ученых, 2015, № 2-3(7), с. 106–110.
17. Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника. Томск: Изд-во ТПУ, 2011, 136 с.
18. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel Principle of Transient High-Voltage Generation. – Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1964, 111(4), 849, DOI:10.1049/piee.1964.0139.
19. Rao J. et al. A High-Voltage Solid-State Marx Generator with Adjustable Pulse Edges. – High Voltage, 2023, 8(3), DOI:10.1049/hve2.12311.
20. Важов В.Ф., Лавринович В.А. Техника высоких напряжений. М.: Инфра-М, 2015, 263 с.
21. Белоусов И.В. и др. Широтно-импульсные преобразователи электрической энергии. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2019, 228 с.
---
Авторы выражают благодарность генеральному директору ФГУП «Крыловский государственный научный центр» Олегу Владиславовичу Савченко за проявленный интерес к работе и финансовую помощь
#
1. Grubic S. et al. A Survey on Testing and Monitoring. Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(12): pp. 4127–4136, DOI:10.1109/TIE.2008.2004665.
2. Leonov A.P., Kolesnikov S.V. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrical Engineering and Information Complexes and Systems), 2022, vol. 18, No. 1, pp. 33–62.
3. Stone G.C., Culbert M., Lloyd B.A. Stator Insulation Problems Associated with Low Voltage and Medium Voltage PWM Drives. – IEEE Cement Industry Technical Conference Record, 2007, DOI: 10.1109/CITCON.2007.358997.
4. Leonov A.P., Soldatenko Т.М. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov – in Russ. (Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource Engineering), 2022, vol. 333, No. 1, pp. 113–120.
5. Martinez -Tarifa J.M., Amaris H., Sanz J. Frequency Domain Modeling of Random Wound Motor Windings for Insulation Stress Analysis. – Electrical Engineering, 2006, 88(5), pp. 403–409, DOI:10.1007/s00202-005-0300-8.
6. Gavrilenko V.N. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt: PhD Thesis in Electrical Engineering. Universite Paris-Saclay, 2020.
7. GОSТ R МEК 60034-4-18-42-2012. Mashiny elektricheskie vrashchayushchiesya. Chast' 4. Metody eksperimental'nogo opredeleniya parametrov sinhronnyh mashin (Rotating Electrical Machines. Part 4: Methods for Determining Synchronous Machine Quantities from Tests). M. Standartinform, 2014, 87 p.
8. Taherian M. et al. A Modular Unipolar/Bipolar High-Voltage Pulse Generator Suitable for High Resistive Load. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2023, DOI:10.1109/TPS.2023.3262153.
9. Mesyats G.А. Impul'snaya energetika i elektronika (Pulse Power Engineering and Electronics). M.: Nauka, 2004, 704 p.
10. Krastelev E.G. et al. Moshchnye elektroimpul'snye sistemy. Chast' II (Powerful Electric Pulse Systems. Part II). М.: MIFI, 2008, 144 p.
11. Zhang Z. et al. A Modular Push-Pull-Flyback High-Voltage Pulse Generator for Electric Field Emulation During a Lighting Strike. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(6), pp. 7322–7335, DOI:10.1109/TPEL.2023.3258523.
12. Melfi M. et al. Effect of Surge Voltage Risetime on the Insulation of Low-Voltage Machines Fed by PWM Converters. – IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 34 (4), pp. 766–775, DOI:10.1109/28.703971.
13. Zhmerov G.G., Tugay D.V., Titarenko I.G. Elektrotekhnika i elektromekhanika – in Russ. (Electrical Engineering and Electromechanics), 2013, No. 2, pp. 40–47.
14. Vdovin S.S. Proektirovanie impul'snyh transformatorov (De-sign of Pulse Transformers). L.: Energoatomizdat, 1991, 208 p.
15. Mesyats G.A., Nasibov A.S., Kremnyov V.V. Formirovanie nanosekundnyh impul'sov vysokogo napryazheniya (Formation of High Voltage Nanosecond Pulses). M.: Energiya, 1970, 154 p.
16. Konesev S.G., Kirillov R.V. Natsional'naya assotsia-tsiya uchenyh – in Russ. (National Association of Scientists), 2015, No. 2-3(7), pp. 106–110.
17. Pichugina М.Т. Vysokovol'tnaya elektrotekhnika (High-Vol-tage Electrical Engineering). Tomsk: Izd-vo TPU, 2011, 136 p.
18. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel Principle of Transient High-Voltage Generation. – Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1964, 111(4), 849, DOI:10.1049/piee.1964.0139.
19. Rao J. et al. A High-Voltage Solid-State Marx Generator with Adjustable Pulse Edges. – High Voltage, 2023, 8(3), DOI:10.1049/hve2.12311.
20. Vazhov V.F., Lavrinovich V.А. Tekhnika vysokih napryazhe-niy (High Voltage Technique). Tomsk: TPU, 2014, 263 p.
21. Belousov I.V. et al. Shirotno-impul'snye preobrazovateli elektricheskoy energii (Pulse-Width Converters of Electrical Energy). SPb.: Krylovskiy gosudarstvennyy nauchnyy tsentr, 2019, 228 p
---
The authors express their gratitude to Oleg Vladislavovich Savchenko, General Director of FSUE Krylov State Research Center, for financial support and interest in the work
2. Леонов А.П., Колесников С.В. Надёжность изоляции статорных обмоток частотно-управляемых электродвигателей. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2022, т. 18, № 1, с. 33–62.
3. Stone G.C., Culbert M., Lloyd B.A. Stator Insulation Problems Associated with Low Voltage and Medium Voltage PWM Drives. – IEEE Cement Industry Technical Conference Record, 2007, DOI: 10.1109/CITCON.2007.358997.
4. Леонов А.П., Солдатенко Т.М. Оценка срока службы изоляции кабельных изделий для систем питания и управления горношахтного электрооборудования. – Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2022, т. 333, № 1, с. 113–120.
5. Martinez -Tarifa J.M., Amaris H., Sanz J. Frequency Domain Modeling of Random Wound Motor Windings for Insulation Stress Analysis. – Electrical Engineering, 2006, 88(5), pp. 403–409, DOI:10.1007/s00202-005-0300-8.
6. Gavrilenko V.N. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt: PhD Thesis in Electrical Engineering. Universite Paris-Saclay, 2020.
7. ГОСТ Р МЭК 60034-4-18-42-2012. Машины электрические вращающиеся. Часть 4. Методы экспериментального определения параметров синхронных машин. М. Стандартинформ, 2014, 87 с.
8. Taherian M. et al. A Modular Unipolar/Bipolar High-Voltage Pulse Generator Suitable for High Resistive Load. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2023, DOI:10.1109/TPS.2023.3262153.
9. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004, 704 с.
10. Крастелев Е.Г. и др. Мощные электроимпульсные системы. Часть II. М.: МИФИ, 2008, 144 с.
11. Zhang Z. et al. A Modular Push-Pull-Flyback High-Voltage Pulse Generator for Electric Field Emulation During a Lighting Strike. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(6), pp. 7322–7335, DOI:10.1109/TPEL.2023.3258523.
12. Melfi M. et al. Effect of Surge Voltage Risetime on the Insulation of Low-Voltage Machines Fed by PWM Converters. – IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 34 (4), pp. 766–775, DOI:10.1109/28.703971.
13. Жмеров Г.Г., Тугай Д.В., Титаренко И.Г. Моделирование электропривода переменного тока с каскадным многоуровневым инвертором напряжения. – Электротехника и электромеханика, 2013, № 2, с. 40–47.
14. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
15. Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнёв В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970, 154 с.
16. Конесев С.Г., Кириллов Р.В. Генераторы импульсов напряжений. Применение и обзор схемотехнических решений. – Национальная ассоциация ученых, 2015, № 2-3(7), с. 106–110.
17. Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника. Томск: Изд-во ТПУ, 2011, 136 с.
18. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel Principle of Transient High-Voltage Generation. – Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1964, 111(4), 849, DOI:10.1049/piee.1964.0139.
19. Rao J. et al. A High-Voltage Solid-State Marx Generator with Adjustable Pulse Edges. – High Voltage, 2023, 8(3), DOI:10.1049/hve2.12311.
20. Важов В.Ф., Лавринович В.А. Техника высоких напряжений. М.: Инфра-М, 2015, 263 с.
21. Белоусов И.В. и др. Широтно-импульсные преобразователи электрической энергии. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2019, 228 с.
---
Авторы выражают благодарность генеральному директору ФГУП «Крыловский государственный научный центр» Олегу Владиславовичу Савченко за проявленный интерес к работе и финансовую помощь
#
1. Grubic S. et al. A Survey on Testing and Monitoring. Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(12): pp. 4127–4136, DOI:10.1109/TIE.2008.2004665.
2. Leonov A.P., Kolesnikov S.V. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrical Engineering and Information Complexes and Systems), 2022, vol. 18, No. 1, pp. 33–62.
3. Stone G.C., Culbert M., Lloyd B.A. Stator Insulation Problems Associated with Low Voltage and Medium Voltage PWM Drives. – IEEE Cement Industry Technical Conference Record, 2007, DOI: 10.1109/CITCON.2007.358997.
4. Leonov A.P., Soldatenko Т.М. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov – in Russ. (Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource Engineering), 2022, vol. 333, No. 1, pp. 113–120.
5. Martinez -Tarifa J.M., Amaris H., Sanz J. Frequency Domain Modeling of Random Wound Motor Windings for Insulation Stress Analysis. – Electrical Engineering, 2006, 88(5), pp. 403–409, DOI:10.1007/s00202-005-0300-8.
6. Gavrilenko V.N. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt: PhD Thesis in Electrical Engineering. Universite Paris-Saclay, 2020.
7. GОSТ R МEК 60034-4-18-42-2012. Mashiny elektricheskie vrashchayushchiesya. Chast' 4. Metody eksperimental'nogo opredeleniya parametrov sinhronnyh mashin (Rotating Electrical Machines. Part 4: Methods for Determining Synchronous Machine Quantities from Tests). M. Standartinform, 2014, 87 p.
8. Taherian M. et al. A Modular Unipolar/Bipolar High-Voltage Pulse Generator Suitable for High Resistive Load. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2023, DOI:10.1109/TPS.2023.3262153.
9. Mesyats G.А. Impul'snaya energetika i elektronika (Pulse Power Engineering and Electronics). M.: Nauka, 2004, 704 p.
10. Krastelev E.G. et al. Moshchnye elektroimpul'snye sistemy. Chast' II (Powerful Electric Pulse Systems. Part II). М.: MIFI, 2008, 144 p.
11. Zhang Z. et al. A Modular Push-Pull-Flyback High-Voltage Pulse Generator for Electric Field Emulation During a Lighting Strike. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(6), pp. 7322–7335, DOI:10.1109/TPEL.2023.3258523.
12. Melfi M. et al. Effect of Surge Voltage Risetime on the Insulation of Low-Voltage Machines Fed by PWM Converters. – IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 34 (4), pp. 766–775, DOI:10.1109/28.703971.
13. Zhmerov G.G., Tugay D.V., Titarenko I.G. Elektrotekhnika i elektromekhanika – in Russ. (Electrical Engineering and Electromechanics), 2013, No. 2, pp. 40–47.
14. Vdovin S.S. Proektirovanie impul'snyh transformatorov (De-sign of Pulse Transformers). L.: Energoatomizdat, 1991, 208 p.
15. Mesyats G.A., Nasibov A.S., Kremnyov V.V. Formirovanie nanosekundnyh impul'sov vysokogo napryazheniya (Formation of High Voltage Nanosecond Pulses). M.: Energiya, 1970, 154 p.
16. Konesev S.G., Kirillov R.V. Natsional'naya assotsia-tsiya uchenyh – in Russ. (National Association of Scientists), 2015, No. 2-3(7), pp. 106–110.
17. Pichugina М.Т. Vysokovol'tnaya elektrotekhnika (High-Vol-tage Electrical Engineering). Tomsk: Izd-vo TPU, 2011, 136 p.
18. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel Principle of Transient High-Voltage Generation. – Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1964, 111(4), 849, DOI:10.1049/piee.1964.0139.
19. Rao J. et al. A High-Voltage Solid-State Marx Generator with Adjustable Pulse Edges. – High Voltage, 2023, 8(3), DOI:10.1049/hve2.12311.
20. Vazhov V.F., Lavrinovich V.А. Tekhnika vysokih napryazhe-niy (High Voltage Technique). Tomsk: TPU, 2014, 263 p.
21. Belousov I.V. et al. Shirotno-impul'snye preobrazovateli elektricheskoy energii (Pulse-Width Converters of Electrical Energy). SPb.: Krylovskiy gosudarstvennyy nauchnyy tsentr, 2019, 228 p
---
The authors express their gratitude to Oleg Vladislavovich Savchenko, General Director of FSUE Krylov State Research Center, for financial support and interest in the work
