Усовершенствование высоковольтных импульсных трансформаторов с полупроводниковыми коммутаторами для электротехнологических установок

Abstract

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13 "Техника сильных электрических и магнитных полей". – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2015. В диссертационной работе решена научно-техническая задача усовершенствования высоковольтных импульсных трансформаторов с использованием полупроводниковых коммутаторов для электрофизических установок, что позволило модернизировать существующие и создать новые электротехнологические установки, создающие сильные импульсные электрические и магнитные поля. Разработанная двухступенчатая схема мегавольтного генератора импульсов напряжения с использование двух импульсных трансформаторов позволила создать компактный трансформаторный импульсный источник напряжения с временем нарастания импульсов ≈250 нс на емкостной нагрузке ≈1 нФ и напряжением до 1 МВ. Установлено, что для созданных высоковольтных импульсных трансформаторов на напряжение 100 кВ и 1 МВ для импульсного мегавольтного генератора путем усовершенствования высоковольтных импульсных трансформаторов состоящего в том, что части как вторичной так и первичной обмотки разнесены и расположены не на одном общем стержне, а на четырех крестообразно расположенных частях расщепленного стержня магнитопровода, удалось уменьшить результирующую индуктивность рассеивания этих трансформаторов. Исследованы безаварийные рациональные режимы работы в импульсных трансформаторах с полупроводниковыми коммутаторами в генераторах для получения ИКР. Установлено, что при работе полупроводникового ключа в качестве размыкающего коммутатора амплитуда напряжения на реакторе Up может существенно превышать удвоенное зарядное напряжение первичной накопительной ёмкости, умноженное на коэффициент трансформации (Up>>2ntU₀), а при работе ключа в качестве замыкающего коммутатора Up не может превышать величины Up = 2 nт U₀, где U₀ – амплитуда зарядного напряжения первичной накопительной ёмкости, nт – коэффициент трансформации. Экспериментальные исследования работы высоковольтного импульсного трансформатора в компактном генераторе высоковольтных импульсов с полупроводниковым ключом показало, что время нарастания напряжения на реакторе до максимума меньше при работе ключа в качестве замыкающего коммутатора, а время нарастания тока на реакторе до максимума меньше при работе ключа в качестве размыкающего коммутатора. Впервые создана и в заводских условиях успешно опробована установка на основе двух импульсных трансформаторов с полупроводниковыми ключами в низковольтной цепи генератора импульсов высокого напряжения для парового риформинга метана в составе коксового газа в синтез-газ при помощи высоковольтных импульсных объёмных разрядов: коронного и барьерного с засыпкой никелевым катализатором.Dissertation for competition a technical science candidate degree. Speciality 05.09.13. "High electric and magnetic field engineering". National Technical University "Kharkov Polytechnical Institute", Kharkov, 2015. In this work the scientific and practical problem of improvement of high-voltage pulsed transformers with using semiconductor switches for electrophysical plants has been solved which enabled to modernize existing and to create new electrotechnological plants that generate strong pulsed electric and magnetic fields. It was found that improvement of high-voltage transformers, which consist in that the parts of the secondary and primary windings are separated and placed not at one common core but at four crosswise situated parts of split core of magnetic circuit, enabled to reduce a resulting leakage inductance of the transformers. Using them in two-stage circuit of voltage pulse generator enabled to create a compact pulsed voltage source with pulse rise time 250 ns at a capacitive load about 1 nF and voltage of 1 MV. Accident-free rational operation modes of pulsed transformers with semiconductor switches in generators for creating PCD with high pulse repetition frequency have been investigated. For the first time in the factory conditions a plant on the basis of pulsed transformers with semiconductor switches in the circuit of the generator of voltage pulses for steam reforming of methane as part of coke-oven gas into synthesis gas with help of high-voltage pulsed volumetric discharges: corona and barrier discharge with nickel catalyst in the reactor, has been successfully test-operated.