ارایه یک الگوریتم طراحی و پیاده‌سازی مولد توان پالسی با استفاده از فشرده‌ساز پالس مغناطیسی

محورهای موضوعی : مبدل های الکترونیک قدرت

محمد دهقانیان ¹ (دانشکده مهندسی برق- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران)
امیر بکتاش ² (مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران)

تاریخ دریافت : 1401/04/27 تاریخ پذیرش : 1401/12/06 تاریخ انتشار : 1401/12/06

کلید واژه: مولد توان پالسی, فشرده ساز, پالس مغناطیس, کلیدهای مغناطیسی,

چکیده مقاله :

در بسیاری از کاربردها نیاز است تا انرژی الکتریکی به‌صورت پالسی با سطح ولتاژ بالا به بار منتقل گردد. استفاده از کلیدهای مرسوم مانند نیمه‌هادی‌ها به دلیل محدودیت ولتاژ یا سرعت برای این کاربردها مقدور نیست و لذا باید از سلف‌های اشباع‌پذیر استفاده شود. این سلف‌ها در لحظه اشباع مانند اتصال کوتاه عمل کرده و نقش یک سوییچ وصل را بازی می‌کنند. با طراحی یک مدار تحت عنوان فشرده‌ساز مغناطیسی پالس (MPC) می‌توان از این خاصیت برای تولید پالس‌های ولتاژ با عرض کم و دامنه زیاد استفاده نمود. بررسی ساختار فشرده‌ساز مغناطیسی پالس در این مقاله اشاره شده و یک الگوریتم برای طراحی آن پیشنهاد شده است. با استفاده از این الگوریتم می‌توان برای هر کاربرد و با داشتن مشخصات مواد مغناطیسی، یک مدار فشرده‌ساز کارآمد طراحی کرد. برای نشان دادن عملکرد صحیح الگوریتم یک نمونه مدار فشرده‌ساز طراحی و شبیه سازی شده است. پالس خروجی مدار مورد نظر برای یک بار مقاومتی 5 اهمی دارای دامنه 500 ولتی و عرض 500 نانو ثانیه‌ای است. برای اعتبارسنجی روش پیشنهادی، یک نمونه آزمایشگاهی ساخته شده است. نتایج حاصل نشان می‌دهند که کلیدهای مغناطیسی عملکرد قابل قبولی داشته و الگوریتم پیشنهادی نیز به‌خوبی در طراحی مدار فشرده‌ساز موفق است.

چکیده انگلیسی:

In many applications, it is necessary to transfer electrical energy to the load as a pulse with a high voltage level. Conventional switches such as semiconductors cannot be used for these applications due to voltage or speed limitations, and therefore saturable inductors must be used. These inductors act like a short circuit at the moment of saturation and play the role of a connected switch. By designing a circuit called magnetic pulse compressor (MPC), this feature can be used to produce voltage pulses with a small width and a large amplitude. The study of the structure of magnetic pulse compressor is mentioned in this article and an algorithm for its design is proposed. By using this algorithm, an efficient compressor circuit can be designed for any application and with the characteristics of magnetic materials. To show the correct operation of the algorithm, a compressor circuit sample has been designed and simulated. The output pulse of the desired circuit for a 5 Ω resistive load has an amplitude of 500 volts and a width of 500 nanoseconds. To validate the proposed method, a laboratory sample is made. The results show that the magnetic switches have an acceptable performance and the proposed algorithm is also successful in designing the compressor circuit. 

منابع و مأخذ:

[1] J.H. Rhee, Y.M. Cho, S.H. Kim, K.C. Ko, "Design for compression improvement of a magnetic pulse compressor by using a multiwinding magnetic switch", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 45, no. 12, pp. 3252-3257, Dec. 2017 (doi: 10.1109/TPS.2017.2767067).

[2] J.H. Rhee, Y.M. Cho, J.E. Baek, S.H. Kim, C.J. Lee, K.C. Ko, "Design of a low-stray inductance magnetic switch for high compression of the pulse width in a magnetic pulse compressor", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 46, no. 7, pp. 2599-2604, July 2018 (doi: 10.1109/TPS.2018.2841040).

[3] R. Narsetti, R.D. Curry, K.F. Mcdonald, T.E. Clevenger, L.M. Nichols, "Microbial inactivation in water using pulsed electric fields and magnetic pulse compressor technology", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 34, no. 4, pp. 1386-1393, Aug. 2006 (doi: 10.1109/TPS.2006.878386).

[4] S. Li, J. Gao, H. Yang, D. Zhu, B. Qian, Y. Cui, Q. Wu, Jun Zhang, "Investigation on adjustable magnetic pulse compressor in power supply system", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 2, pp. 1540-1547, Feb. 2019 (doi: 10.1109/TPEL.2018.2830106).

[5] J. Rhee, S. Kim, J. Baek, K. Ko, "Method for self-resetting of magnetic switches in a magnetic pulse compressor without additional reset circuits", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 46, no. 10, pp. 3708-3712, Oct. 2018 (doi: 10.1109/TPS.2018.2860975).

[6] A.S. Druzhinin, V.G. Kuchinsky, B.A. Larionov, A.G. Roshal, V.P. Silin, V.F. Soikin, "Pulse power systems using inductive energy storage", IEEE Trans. on Magnetics, vol. 28, no. 1, pp. 410-413, Jan. 1992, doi: 10.1109/20.119898.

[7] J. Liu, X. Li, Y. Chi, J. Li, D. He, X. He, G. Pei, L.Shang, "Development of a solid-state, high-current, repetitive pulse power system for positron source prototype", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 50, no. 1, pp. 88-96, Jan. 2022 (doi: 10.1109/TPS.2021.3132149).

[8] Z. Yang, K. Wang, P. Zhu, P. Liu, Q. Zhang, C. Xu, H. Jian, R. Shen, “A reusable planar triggered spark-gap switch batched-fabricated with PCB technology for medium- and low-voltage pulse power systems”, Defence Technology, vol. 17, no. 4, pp. 1572-1578, Aug. 2021 (doi: 10.1016/j.dt.2020.11.017).

[9] R. Xiao, G. Wang, L. Fu, F. Ma, C. Li, R. Huang, X. Hao, “An adaptive hybrid dynamic state estimation method of the medium-voltage DC integrated power system with pulse load”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 134, Article Number: 107441, Jan. 2022 (doi: 10.1016/j.ije­pes.2021.107441).

[10] L. Xu, J. Zhang, J. Liu, H. Wang, J. Dong, "Development of a 200-kJ capacitive pulsed power system for vehicular electrothermal-chemical launcher", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 48, no. 10, pp. 3378-3385, Oct. 2020 (doi: 10.1109/TPS.2020.3005954).

[11] M. Jafarboland, M. Peyvandi, "Multi-objective optimization of pulsed power supply for a railgun", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 2, no. 6, pp. 25-30, Aug. 2011 (dor: 20.1001.1.2322­38­71.1­390.2.6.3.9).

[12] M. Song, D. Le, B. Go, M. Park, I. Yu, "Design of an attractive force circuit of pulsed power system for multistage synchronous induction coilgun", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 46, no. 10, pp. 3606-3611, Oct. 2018 (doi: 10.1109/TPS.2018.2827372).

[13] Y. Liu, S. Liu, Y. Han, Y. Ge, Q. Zhang, F. Lin, "Optimization design of a repetitive nanosecond pulse generator based on saturable pulse transformer and magnetic switch", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 43, no. 9, pp. 3277-3285, Sept. 2015 (doi: 10.1109/TPS.2015.2459102).

[14] S. Kim, M. Ehsani, "Control and analysis of magnetic switch reset current in pulsed power systems", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 529-533, Feb. 2014 (doi: 10.1109/TPEL.2013.2269908).

[15] J. Kołek, M. Hołub, "Practical design of a high-voltage pulsed power supply implementing sic technology for atmospheric pressure plasma reactors", Applied Sciences, vol. 9, no. 7, Article Number: 1451, April 2019 (doi: 10.3390/app9071451).

[16] Z. Fang, Y. Shi, F. Liu, R. Zhou, "Compact microsecond pulsed power generator driven by solar energy for dielectric barrier discharge applications", IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 2, pp. 390-396, April 2019 (doi: 10.1109/TDEI.2018.007725).

[17] M. Manoochehri, J. Faiz, G. Shahgholian, "Improving the drive system of permanent magnet linear synch­ronous motor based on direct thrust force control applying space vector modulation", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 3, no. 11, pp. 41-52, Sept. 2013 (dor: 20.1001.1.23223­87­1.13­91.3.11.6.9).

[18] M. Watanabe, J. Kamiya, T. Takayanagi, "Design and circuit simulation of a magnetic switching system for kicker magnet power supply of 3 GeV RCS in J-PARC", IEEE Trans. on Applied Superconductivity, vol. 20, no. 3, pp. 1681-1684, June 2010 (doi: 10.1109/TASC.2010.2040612).

[19] W. Ding, H. Ren, Q. Zhang, L. Yang, "Repetitive frequency marx generator based on magnetic switches and its application in dielectric barrier discharge", IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 40, no. 10, pp. 2373-2378, Oct. 2012 (doi: 10.1109/TPS.2011.2174807).

[20] A. Soldoozy, A. Esmaeli, H. Akbari, S.Z. Mazloom, "Optimal design of power transformers with the help of a new innovative algorithm to minimize the cost and electromagnetic forces applied to the coil", “, Journal of Novel Researches on Electrical Power, vol. 10, no. 2, pp. 53-64, 2021 (dor: 20.1001.1.23222468.1400.­10­.2­.6.3).

[21] J. García, M. Méndez, S. González, V. Vega, R. Caballero, V.M. Prida, “2 - Electrochemical methods assisted with ALD for the synthesis of nanowires”, Magnetic Nano- and Microwires, pp. 21-60, Second Edition, Woodhead Publishing, 2020 (ISBN: 9780081028322).

[22] A.V. Svalov, I.R. Aseguinolaza, A. Garcia-Arribas, I. Orue, J.M. Barandiaran, J. Alonso, M.L. FernÁndez-Gubieda, G.V. Kurlyandskaya, "Structure and magnetic properties of thin permalloy films near the "Tran­scri­ti­cal” state", IEEE Trans. on Magnetics, vol. 46, no. 2, pp. 333-336, Feb. 2010 (doi: 10.1109/T­MA­G.2009.2­032519).