Zasilacz wysokiego napięcia 0,23/14kV AC 0,5kVA 0-400Hz

Tematem tego opracowania są moje badania z wykorzystania przekształtnika w roli generatora zasilającego przekładnik napięciowy do uzyskania wysokich napięć¹ przemiennych o wartościach przekraczających 3kV_ac.
Podejmując się tego zagadnienia musiałem rozwiązać kilka problemów, które dokładnie opisałem w poniższej publikacji.

Założenia projektowe:

a) Źródłem wysokiego napięcia jest przekładnik napięciowy przeznaczony do rozdzielni 6kV w układzie V

b) Regulacja częstotliwości i napięcia jest realizowana poprzez trójfazowy falownik² 0,75 kW

c) dokładny pomiar napięcia po stronie wysokiej:

Odpowiednio obliczony dzielnik rezystancyjny pozwoli zmniejszyć napięcie do wystarczająco niskiego aby móc pomierzyć zwykłym miernikiem.

d) zabezpieczenie strony wysokiej przed doziemieniem:

Wysoki prąd wyjściowy oraz praca przy niskiej częstotliwości zwiększają zagrożenia wynikające z porażenia prądem;
Izolowany przekładnik ferrantiego wraz z układem badającym prąd upływy jest konieczny, aby zapewnić dodatkową ochronę przeciwporażeniową.

e) izolowanie strony pierwotnej transformatora³ WN – Nie jest możliwe izolowanie strony niskiej takiego transformatora, ponieważ wskutek najprawdopodobniej pojemności między uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi uzwojeń „indukuje” się napięcie rzędu kilkuset woltów(między uzwojeniem niskiego napięcia, a ziemią.

Zmniejszenie napięcia wyjściowego falownika do wartości 48 V

Zastosowany został transformator toroidalny napięciu 230/2X24V. Odpowiedni układ przekaźników przełącza układ uzwojeń tak, aby optymalnie wykorzystać moc falownika.

f) Pomiar i zabezpieczenie I>, I>> po stronie wysokiej przekładnika

Zadanie o tyle trudne, że wymagało by użycia izolowanego przekładnika prądowego, gdyż strona wtórna transformatora jest trwale uziemiona.

g) Pomiar i zabezpieczenie I> po stronie niskiej przekładnika

Wykorzystane zostało zabezpieczenie falownika.

	Parametr		Wartość	Uwagi
Wejście generatora [od strony sieci 230V]	Napięcie	AC	200-230 V
		DC	260-325 V
	Częstotliwość wejściowa	50 Hz(dc-60 Hz)
	Prąd wejściowy	~ 3,15 A
	Moc	500VA dla pracy ciągłej z pominięciem transformatora
	Moc	150VA dla pracy ciągłej z transformatora
Wyjście generatora [od strony wysokiej przekładnika napięciowego]	Napięcie	3460 V		Wyjście nieobciążone, 48V napięcie zasilające przekładnik
	Częstotliwość wejściowa	0,1-400 Hz*		Ze względu na materiał rdzenia przekładnika nie mniej niż 40Hz i nie więcej niż 300Hz *Częstotliwość wyjściowa modułu falownika.
	Prąd wyjściowy maksymalny	145 mA		Przy 5-krotnym przeciążeniu przekładnika
	Prąd wyjściowy znamionowy	30 mA

Tabela 1: Parametry główne

Trudności na które natrafiłem:

a) przebieg prądu zasilającego transformator musi zostać dokładnie odfiltrowany. Zniekształcony przebieg wyjściowy falownika oraz duża indukcyjność transformatora powoduje indukowanie się o wiele większego napięcia, niż wynika z przekładni, co może spowodować jego uszkodzenie. Przy przebiegach silnie odkształconych przekładnik zachowuję się tak samo jak cewka zapłonowa samochodu, dając impulsowy przebieg prądu.
Do pomiarów przebiegów wyjściowych użyłem obciążenia w postaci rezystora 1 Ω i kondensatora 1 μF/400 V.
Oscyloskop jednokanałowy 10Mhz. Odseparowany od sieci transformatorem 230/230 V/V.
Pomiar wykonany był za transformatorem 230/24/24 V .
Przy próbach cały czas był podłączony dławik wejściowy i DC, a zwierany dławik wyjściowy.

Analizując wykresy wyjściowe prądów można dojść do wniosku, że im większe obciążenie tym łagodniejsze zbocza przebiegów. Łagodniejszy przebieg uzyskałem dodając kondensator 1 μF w obwód obciążenia.

Wracając do problemu zakłóceń, zostały one wyeliminowane w następujący sposób:

Zastosowałem filtr LCD⁴: na wejściu i wyjściu falownika oraz dławik w obwodzie DC
Zwiększyłem częstotliwość nośną do 15 kHz co w połączeniu z filtrem LC daje bardzo dobre efekty

b) małe napięcie zwarcia powoduje, że transformator ten nie może pracować przy zwarciu. Należy wykonać ujemne sprzężenie, który zmniejszy napięcie zasilające transformator w chwili zwiększenia poboru prądu.

Tę wadę częściowo wyeliminowałem poprzez zastosowanie dławików.

Poniżej przedstawiam przykładowe oscylogramy:

f=50 hz, 48 VAC f_k= 15 kHZ, dławik wyjściowy 36mH, 50 W obciążenia RC,

f=300 hz, 48 VAC f_k= 15 kHZ, dławik wyjściowy 36mH, 50 W obciążenia RC

f=50hz, 48VAC f_k= 2kHZ bez dławika wyjściowego, 50W obciążenia RC

f=50hz, 48VAC f_k= 15kHZ bez dławika wyjściowego, 50W obciążenia RC

Niezbędne do doboru zabezpieczeń było obliczenie jaki prąd popłynie w czasie zwarcia.

Aby to policzyć konieczne było obliczenie wszystkich impedancji obwodu zasilającego przekładnik.

Znałem już impedancje dławików, brakowało mi parametrów zwarciowych transformatora i przekładnika:

Szacowany prąd zwarcia przeliczony dla zasilania 230V wynosi 6,12A. Przy obliczeniach pominąłem rezystancję wewnętrzną falownika i przyjąłem, że Uwe=Uwy falownika.

1Z def. napięcie powyżej 1 kV przy częstotliwości mniejszej niż 50 Hz

2Yaskawa J1000 0,75 kW, skalarny

3Przekładnik napięciowy to rodzaj transformatora obniżającego napięcie do znormalizowanej wartości

4Dławik, Kondensator i TVS

Galeria: