Sixten Sepp KÕRGEPINGE-IMPULSSTRAFO TOITEALLIKA JA KÕRGEPINGEMUUNDURIGA TESTMOODULI PROJEKTEERIMINE ESS-I PROOTONIKIIRENDILE LÕPUTÖÖ Mehaanikateaduskond Elektritehnika eriala Tallinn 2017
Mina, Sixten Sepp, tõendan, et lõputöö on minu kirjutatud. Töö koostamisel kasutatud teiste autorite, sh juhendaja teostele on viidatud õiguspäraselt. Kõik isiklikud ja varalised autoriõigused käesoleva lõputöö osas kuuluvad autori/te/le ainuisikuliselt ning need on kaitstud autoriõiguse seadusega. Lõputöö autor Sixten Sepp Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Üliõpilase kood 120820180 Õpperühm ET71/81 Lõputöö vastab sellele püstitatud kehtivatele nõuetele ja tingimustele. Juhendajad Jüri Joller Heljut Kalda Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Konsultandid Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Kaitsmisele lubatud..20.a.... teaduskonna dekaan.. Teaduskonna nimetus Nimi ja allkiri
SISUKORD SISSEJUHATUS... 4 1. TEHNILINE ÜLESANNE IMPULSSTRAFO TOITEALLIKA JA TESTMOODULI VÄLJATÖÖTAMISEKS... 6 1.1. Tööpõhimõte... 6 1.2. H-sildmodulaator... 7 1.3. Testmoodul... 8 2. SÜSTEEMI STRUKTUURISKEEM... 10 3. JÕUAHELAD JA NENDE MODELLEERIMINE... 12 3.1. H-sildmodulaatori jõuahela ülevaade... 12 3.2. Kõrgepingemuunduriga testmooduli jõuahela ülevaade... 13 3.3. Jõuahelate modelleerimine... 15 3.3.1. Pingekuju enne ja pärast LC-filtrit... 15 3.3.2. IGBT-moodulite juhtsignaalid... 16 3.3.3. Trafo sisend- ja väljundpinge... 17 3.3.4. Testmooduli väljundi pinge- ja voolukuju... 18 4. JUHTIMISAHELA STRUKTUURISKEEM... 20 5. KÕRGEPINGE TESTMOODULI KAVANDAMINE... 22 5.1. Sisemine ja välimine kõrgepingepuur... 22 5.2. Õhk- ja roomevahemikud... 24 6. MAJANDUSLIK OSA - PROTOTÜÜBI VALMISTAMISE MAKSUMUSE ARVUTUS... 26 7. OHUTUSTEHNIKA... 28 KOKKUVÕTE... 30 SUMMARY... 32 VIIDATUD ALLIKAD... 34 LISAD... 36 Lisa 1. IGBT-moodulite juhtsignaalid (autori joonis)... 37 Lisa 2. Testmooduli kaksvaade (autori joonis)... 38 3
SISSEJUHATUS Teadusasutus European Spallation Source (ESS) projekteerib prootonikiirendit. Maailmas töötab küll üle kümne seda laadi kiirendi, kuid ESS-i prototüübi teeb eriliseks oluline muutus tööpõhimõttes, mis võrreldes kasutusel olevate kiirenditega võimaldab mitu korda suuremat efektiivsust. Kuna tegu on mahuka ja uuendusliku teadustööga, panustab kiirendi projekti üle 40 koostööpartneri kogu maailmast. Üks nendest on Tallinna Tehnikaülikool (TTÜ), kellelt firma Energiatehnika OÜ sai ülesande koostada prootonikiirendi jaoks impulsstrafo toiteallika ja testseadme projekt. ESS-i prootonikiirendi on tehniliselt eelkäijatest erinev ja sobivat kõrgepingeimpulsstrafot suudavad toota vähesed ettevõtted maailmas [1, p. 394]. Selle põneva projekti üks teostaja eelnimetatud firmas oli käesoleva töö autor. Lõputöö eesmärgiks oli projekteerida impulsstrafole toiteallikas ja moodul selle testimiseks. Impulsstrafo testimine enne selle kasutuselevõtmist on ülioluline, eriti nii suures ja kulukas projektis nagu prootonikiirendi. Õigeaegselt ja põhjalikult kontrollitud seadmed aitavad ESS-il edaspidi vältida tööseisakuid, graafikust mahajäämist ja ka võimalikke katastroofilisi rikkeid, mida põhjustaks vigane transformaator. Prootonikiirendis kasutatakse impulsstrafosid ülijuhtivate pesade toitesüsteemis. Pesade arv on üle 150, mis nõuab paljude trafode vigadeta tööd. [1, p. 352] Selle saavutamine eeldab töökindla testimissüsteemi loomist ja impulsstrafode läbimõeldud katsetamist. Põhiprobleemiks oli, kuidas koostada TTÜ poolt antud tehnilisele ülesandele ja elektrotehnilistele standarditele vastav võimalikult optimaalne projekt. Eritähelepanu tuli pöörata kõrgepinges tekkivatele nähtustele ning nendega seotud ohtudele. Seetõttu olid töö koostamisel oluliseks infoallikaks mitmed jõuelektroonikateosed [2], [3], [4], kuna unikaalse prototüübi loomisel polnud võimalik selle kõrvutamine varasemate töödega, vaid teooriat tuli rakendada just konkreetse projekti eripärast lähtuvalt. Töö teostati põhiliselt arvutis, kasutades autori jaoks uudseid programme, nagu PSIM jõuahelate modelleerimiseks ja Fusion 360 CAD-jooniste tegemiseks. 4
Selles lõputöös kirjeldatakse kõigepealt ESS-i prootonikiirendi projekti, et selgitada, milleks testimise läbinud impulsstrafot kasutatakse. Seejärel tutvustatakse impulsstrafo toiteallika ja testseadme üldist struktuuriskeemi andmaks esialgset ülevaadet, millistest osadest projekt koosneb. Sellele järgneb juba detailne ülevaade jõuahelatest ja nende modelleerimisest. Viimase abil on võimalik kontrollida komponentide ja nende väärtuste sobivust, eriti just summutusahelates. Esitatakse ka juhtimisahela struktuuirskeem. Edasi tutvustatakse kõrgepinge testmooduli projekteerimise aluseid ja seletatakse, miks on kavandatud just selline komponentide asetus ja mooduli konstruktsioon. Kuna tegu on prototüübiga, kujuneb maksumus oluliselt suuremaks kui seeriatootmisel. Majanduslikus osas esitatakse eeldatav projekti teostamiseks vajalik rahasumma. Lõpetuseks tuuakse välja ohutusnõuded, mida peab testseadme kasutamisel jälgima. Ohutustehnika reeglid peavad olema paigas alates kasutusjuhendist kuni hoiatussiltideni testmooduli uksel, sest kõrgepinge puhul on oht inimelule eriti suur. Projekt valmis tihedas koostöös Tanel Jalaka ja Kuno Jansoniga TTÜ-st, kes andsid väärtuslikku nõu kõrgepinge testmooduli projekteerimisel. Kogu tehniliste dokumentide komplekt koostati firmas Energiatehnika OÜ kollektiivselt. Töö autor joonistas toiteallika jõuahela skeemi, modelleeris kogu jõuahela ja valmistas testmooduli CAD-joonise. Sellepärast on töös peamine rõhk modelleerimisel ja testmooduli projekteerimisel. 5
1. TEHNILINE ÜLESANNE IMPULSSTRAFO TOITEALLIKA JA TESTMOODULI VÄLJATÖÖTAMISEKS European Spallation Source ehk ESS (spallation materjali osakeste eraldumine kehast kokkupõrke või stressi tõttu) on Rootsis ehitatav prootonikiirendi, millest saab tähtis uurimisobjekt teadlastele ja ka tööstusinseneridele. Seal kasutatavate neutronkiirte abil on võimalik uurida mateeria koostist molekulaartasandil, mis muude vahenditega poleks võimalik. Praeguse ajakava järgi hakkab uurimisasutus tööle 2019. aastal ja aastaks 2025 on töös kõik projekteeritud süsteemid, mille hulka kuulub ka 22 uurimisseadet tulemuste tõlgendamiseks ja salvestamiseks. [1, p. 25] 1.1. Tööpõhimõte Kiirelt muutuvad elektromagnetväljad kuumutavad vesinikgaasi, kuni vesiniku molekulidest eralduvad elektronid. Järele jääb prootonite plasma, sest vesinikus neutroneid ei ole. Kiirendustorus kiirendatakse vaakumkeskkonnas prootoneid elektromagnetlainetega. Prootonite teekonna juhtimiseks ja nende koondamiseks kasutatakse magneteid, mis asuvad kiirendustorude ümber. Umbes 50 meetri pärast on prootonid piisavalt kiired, et neid saaks ülijuhtivate pesade abil veelgi kiirendada. Prootonid saavutavad 96% valguse kiirusest enne sihtmärgini jõudmist. [5] Prootonite kiirendamine on küll suur osa ESS-i funktsioonist, aga nagu nimigi ütleb (European Spallation Source), siis eesmärgiks on kiirendatud prootonite kokkupõrkamisel sihtmärgiga tekitada neutronite allikas. Kiirendustoru pikkus ioonide allikast sihtmärgini on 601,934 m. Kiirendi keskmine võimsus on 5 MW, maksimaalne võimsus 125 MW. Võrreldes kasutusel olevate lahendustega peaks ESS-i kiirendi ühe MW prootonkiire kohta andma kuus korda intensiivsema neutronite väljundi. Prootonikiirendi tehnilises ülevaates on arvestatud aastas 5000 töötunniga ja kogu kiirendi 95% töökindlusega. Prootonkiir peab käituma etteantud parameetrite järgi töökindlusega 99%. Siit lähtub impulsstrafo testimise tähtsus. [1, p. 31], [5] 6
1.2. H-sildmodulaator ESS töötab koos TTÜ-ga välja impulsstrafot kõrgepingemuunduri jaoks, mis omakorda on toiteallikaks ESS-i IOT (inductive output tube) modulaatorile [1, p. 353]. Impulsstrafo testimiseks on vajalik toiteallikas h-sildmodulaator, mis võimaldab projekteeritavas testmoodulis trafo katsetamist. Nii toiteallika kui ka testmooduli väljatöötamiseks on kehtestatud mitmed nõuded. Impulsstrafo vajab spetsiifilist sisendit ja selle jaoks projekteeritakse toiteallikas, mis vastab järgnevas tabelis toodud kriteeriumitele (Tabel 1). Tabel 1 H-sildmodulaatori parameetrid [1] Parameeter Väärtus Sisendparameetrid Sisendpinge 3-faasi 670 V, 50 Hz Lisatoide 230 V AC Väljundparameetrid Impulssvõimsus 500 kva Sagedus 15 khz Väljundpinge amplituudväärtus ~ 0.9 kv Väljundvoolu amplituudväärtus 550 A Väljundpinge modulatsioon Moduleeritud vahelduvpinge impulsid Keskkonnaparameetrid Temperatuur 10 30 C Õhuniiskus 0 95 % RH IP-aste IP10 Kõrgus merepinnast (EN 60071-5) < 2000 m Saasteaste (EN 60071-5) 2 Juhtimine Kaugjuhtimispult ühendatud kaabli abil h-sildmodulaatoriga. Pult peab võimaldama Kaugjuhtimine järgmisi funktsioone: sisse-, väljalülitamine, täiteteguri muutmine, oleku indikatsioon. 7
Lisaks tabelis 1 toodud parameetritele peab h-sildmodulaator olema kergesti liigutatav, et seadme transportimine oleks lihtne. Samuti on nõutav nii korpuse kui ka rataste piisav mehaaniline vastupidavus. Joonis 1. H-sildmodulaatori nõutavad voolu- ja pingeväljundid [1] H-sildmodulaatori väljundpinge amplituud on 0,9 kv ja väljundvoolu amplituud 500 A. Iga 71 ms (14 Hz) tagant korratakse pulsside jada. Aga nagu jooniselt on näha, on pulsside kestus ainult 3,5 ms (Joonis 1). Seega enamasti h-sildmodulaatori väljundist pulsse ei tule. Üks pulsside periood kestab kõigest 66 µs, mis teeb sageduseks 15 khz. [1] 1.3. Testmoodul Lisaks toiteallika projekteerimisele oli vaja luua testmoodul, mis võimaldab kontrollida impulsstrafo väljundi töökindlust ja vastavust tehnilises ülesandes toodud väljundparameetritele. Järgnevas tabelis on testmooduli nõutavad põhiparameetrid (Tabel 2). Tabel 2 Testmooduli parameetrid [1] Parameeter Väärtus Sisendparameetrid Tabelis 1 ja Joonisel 1 toodud parameetrid ja pinge-, voolukujud. Väljundparameetrid 8
Parameeter Väljundpinge amplituudväärtus (Uout_amp) Väljundvoolu amplituudväärtus (Iout_amp) Väljundmodulatsioonisagedus Moduleeritud impulsi kestus Moduleeritud impulsside esinemissagedus Väärtus 10 kv 50 A 30 khz 3,5 ms 14 Hz 9
2. SÜSTEEMI STRUKTUURISKEEM Vastavalt eelmises peatükis esitatud tehnilisele ülesandele koostas töö autor ülevaatliku skeemi, milles on kaks osa: trafo toiteallikas ja testmoodul. Joonisel on toodud plokkskeemina välja süsteemi osad (Joonis 2). Sisendiks on 3 x 670 V vahelduvvool, enne alaldit on lisatud 3-faasiline reaktor voolu summaarse harmoonmoonutusteguri vähendamiseks [6, p. 40]. Peale alaldamist ja LC-filtris pinge silumist on pinge 900 V. Vool alaldatakse, sest alalisvoolust on palju lihtsam saada trafo jaoks vajalikke pulsse. Neid pulsse genereeritakse h-sildmodulaatoriga, mis IGBT-sid lülitades muudab alalisvoolu moduleeritud vahelduvpinge pulssideks. H-sildmodulaatoril on vaja juhtsignaali, mis edastatakse vastavalt programmeeritud mikrokontrollerist. Juhtimissüsteemi ülesandeks on tagada õigete signaalide saatmine IGBT-moodulitesse ja kasutaja vajadustest lähtuvalt nende signaalide muutmine. Kaugjuhtimisega on võimalik testmoodulist ohutus kauguses sisendsignaale muuta ning seadet sisse ja välja lülitada. Joonis 2. Süsteemi struktuuriskeem (autori joonis) Toiteallikas (Joonisel 2 ümbritsetud punase joonega) algab alaldist ja lõppeb h-sildmodulaatoriga. Impulsstrafo on testmooduliga sama raami peal. Ratastel kilbis olev toiteallikas on ühendatud trafoga kaablite abil. Testmooduli plokkskeemi osad sarnanevad toiteallika omadega. Vahe on selles, et trafost väljudes (ülekandesuhe 1 : 12) on pinge amplituud 0,9 kv asemel 10 kv. Trafo on 10
paigutatud testmooduliga samale raamile, et sekundaarmähise väljavõtete ja dioodsilla vaheline ühenduskaabel oleks häiringute vähendamiseks võimalikult lühike. Testmooduli jõuahela skeem oli antud tehnilises ülesandes, seega on ka struktuuriskeemi osa selle põhjal tehtud. Taas kord alaldatakse vool ja seejärel silutakse pinget LC-madalpääsfiltriga. Nii toiteallikas kui ka testmoodulis kasutatakse täisperioodalaldit. Alaldit ja LC-filtrit ümbritsevad Faraday ehk kõrgepingepuurid. Faraday puur muudab elektrivälja homogeensemaks ja eraldab erineva potentsiaaliga ahelad üksteisest. Projekti tehniline ülesanne näeb ette kuni nelja testmooduli kaskaadi ühendamist. Nii kerkib maksimaalne potentsiaal maa ning sisemise kõrgepingepuuri vahel 40 kv-ni. Sisemise kõrgepingepuuri ja alaldi komponentide vaheline maksimaalne potentsiaal on 10 kv. Lisaks peab sisemine kõrgepingepuur olema ühendatud alaldi miinusklemmiga. Seega on vajalik ka välimine kõrgepingepuur, et alaldi komponendid ei puutuks kokku 40 kv pingega. [1] Süsteemi üldine struktuuriskeem pole keeruline, aga kõrgepinge ja tugevad voolud muudavad komponentide valiku keeruliseks. Nii mõnegi komponendi peab tellima spetsiaalselt antud projekti tarbeks. Struktuuriskeemi täpsed jõuahelad ja nendes kasutatud komponendid on esitatud järgmises peatükis. 11
3. JÕUAHELAD JA NENDE MODELLEERIMINE Jõuahelate modelleerimine on vajalik, et veenduda skeemi korrektses toimimises. Lisaks aitab see leida raskesti avastatavaid probleeme. Lülitustel tekivad pinge- ja voolupiigid, mis on eriti ohtlikud kõrgete pingete ja suurte voolude korral. Jõuahelate modelleerimiseks kasutas autor programmi PSIM, mille tootjaks on Powersim Inc [7]. See programm on mõeldud spetsiaalselt jõuahelate modelleerimiseks ja väljastab soovitud ahelapunktidest pinge- ja voolulainekujud. 3.1. H-sildmodulaatori jõuahela ülevaade Selles peatükis on esitatud h-sildmodulaatori skeem ja selle tööpõhimõte (Joonis 3). Projektis esitatud nõuete kohaselt on modulaatori sisendpingeks 3 x 670 V (L1, L2, L3) vahelduvpinget ja väljundiks moduleeritud vahelduvpinge impulsid. Kõige lihtsamalt saab soovitud väljundi alalispingest, seega tuleb kõigepealt pinge alaldada, kasutades 3-faasilist dioodsilda (D1...D6). Alaldist tuleva pinge silumiseks kasutatakse LC-filtrit (Lx2 ja C1). Laadimistakisti R1 on mõeldud kondensaatori C1 laadimisvoolu vähendamiseks. Kontaktor K1 lühistab laadimistakisti R1, kui kondensaator on täis laetud. Takisti R2 laeb kondensaatori C1 tühjaks, et siis, kui modulaator pole töös, ei jääks kondensaatorile ohtlik pinge. IGBT-moodulid tekitavad moduleeritud vahelduvpinge pulsid vastavalt juhtimisele. IGBT-d on valitud h-silla komponentideks, kuna nende tehniline areng viimase aja jooksul on olnud väga kiire. Eriti palju leiavad IGBT-d kasutust vaheldites, kuna kannatavad suurt võimsust ja kõrgeid lülitussagedusi. Moodulitesse on sisse ehitatud kaitse- ja jälgimisahelad, mis aitavad pikendada moodulite eluiga ja vältida nende kahjustumist. Pooljuhtseadmete modulaarne disain, väikesed lülituskaod ja lihtne juhtimine muudavad IGBT-moodulid selles projektis heaks valikuks. [4, p. 87] 12
Joonis 3. H-sildmodulaatori jõuahela skeem (autori joonis) H-sildmodulaatori jõuahela skeem pole uuenduslik. Keeruline on õigete komponentide valik, eriti just sobivate summutusahelate kasutamine õigetes kohtades. Liigne summutusahelate lisamine või valede väärtuste kasutamine komponentidel võib probleeme hoopis suurendada. 3.2. Kõrgepingemuunduriga testmooduli jõuahela ülevaade Testmooduli jõuahela muudab eriliseks asjaolu, et alaldist tuleb 10 kv pinge. Projekti lähteülesandes on antud ka võimalus, et neli testmoodulit ühendatakse kaskaadi, mis tõstaks pinge 40 kv-ni. Sellepärast on testmoodulil kaks Faraday puuri, mis on osa jõuahelast. Puurist on täpsemalt juttu kõrgepinge testmooduli kavandamise peatükis. Kõrgepinge testmooduli jõuahela skeem oli esitatud tehnilises ülesandes, siiski on seda natuke muudetud lähtuvalt projekti vajadustest (Joonis 4). H-sildmodulaatorist tulevad moduleeritud vahelduvpinge pulsid, mis suunatakse trafo (Tr1) primaarmähisele (Joonis 4). Trafo ülekandesuhe on 1 : 12, seega peaks trafo sekundaarpoolelt 13
väljuvad pulsid olema 10,8 kv, kui sisend on 0,9 kv. Reaalselt tekivad aga trafos pingekaod, mis vähendavad kasutegurit ja seega ka väljundpinget. Joonis 4. Kõrgepingemuunduriga testmooduli jõuahela skeem [1] Trafost väljuvad pulsid alaldatakse dioodsillas (D1...D4). Igal dioodil on RC-filtrid, et vähendada trafost tulevaid kõrgsageduslikke häiringuid. Nagu h-sildmodulaatoris on ka testmooduli jõuahelas kasutusel LC-filter, mis õigesti valituna parandab märgatavalt alaldatud pinge kuju. Takisti R5 on kondensaatori C5 tühjaks laadimiseks, kui testseade pole elektrivõrku ühendatud, et eemaldada ohtlikud pinged. Kui pooljuhte kasutada nimiparameetrite piiril, muutuvad neile väga ohtlikuks pinge- ja voolupiigid. Sellistel juhtudel saab valida kõrgemate nimiväärtustega pooljuhtseadmed ehk antud juhul IGBT-moodulid või alaldidioodid. Kõrgete pingete ja suurte voolude korral muutuvad pooljuhtseadmed väga kalliks ja ka valikuvõimalused vähenevad märgatavalt. Sellisel juhul on tihti mõistlik kasutada summutusahelaid, et vähendada pingeid muunduri komponentidele. Summutusahela tüüpe ja otstarbeid on palju. Ahelate modelleerimise käigus selgitatakse summutusahelate vajalikkust ja nende efektiivsust piikide eemaldamisel. [3, p. 669] 14
3.3. Jõuahelate modelleerimine Jõuahelate modelleerimiseks kasutas autor tarkvara PSIM, kus h-sildmodulaator ja kõrgepingemuunduriga testmoodul modelleeritakse ühe ahelana, et kindlustada kogu ahela töötamine. PSIM kasutab modelleerimiseks ideaalseid lülitusi, mis suurendab märgatavalt arvutuste kiirust. Täpsuse huvides antakse siiski dioodidele ja IGBT-moodulitele modelleerimiseks olulisemad väärtused nagu IGBT takistus, IGBT dioodi takistus ja küllastuspinge. Lisaks on määratud kondensaatorite, induktorite, takistite ja ka trafo parameetrid. Järgnevalt tuuakse välja pinge- ja voolukujude muutumine sisendist väljundini. 3.3.1. Pingekuju enne ja pärast LC-filtrit Joonisel 5 on näha pinge kuju (VP1) peale 3 x 670 V alaldamist 3-faasilises dioodsillas (Joonis 5). 0,25 s pärast hakkab pingekuju muutuma. See on hetk, kui kondensaator C2 on laetud ja h-sild hakkab tööle. Enne IGBT-moodulite käivitumist on pinge kõikumine umbes 15%, ja kui koormus on ühendatud, väheneb kõikumine 1,5%-le. Pingekuju VP2 aga on pinge pärast LC-filtrit ja on näha, et pinge kõigub minimaalselt. Nii VP1-l kui ka VP2-l nähtavad perioodilised pingelangud on iga 14 Hz tagant trafosse saadetavad moduleeritud vahelduvvoolu impulsid. Enne LC-filtrit nähtavad häiringud tekivad dioodsilla lülitustest. Kuna tegu on 3-faasilise täissildalaldiga, siis pinge võnkumine on 300 Hz juures. LC-filter ehk madalpääsfilter tuleb valida sobiva lõikesagedusega, et madalpinget siluda. Lõikesagedus leitakse valemiga (1) [2, p. 139]: f l =, (1) kus f l lõikesagedus Hz; L induktiivsus H; C mahtuvus F. 15
Joonis 5. Pingekuju enne (VP1) ja pärast (VP2) LC-filtrit (autori joonis) 3.3.2. IGBT-moodulite juhtsignaalid Lisas 1 toodud joonisel on näha neli juhtsignaali Q1...Q4. Algselt oli plaanis kasutada moodulite juhtimiseks pulsilaiusmodulatsiooni ehk PWM-i. Modelleerimise käigus selgus, et impulsside vahel tekkisid suured pingepiigid, sest kahe impulsi vahel on hetkeliselt kõik IGBT suletud ja tekivad ülepinged. Lahenduseks oli nihutatud plokkjuhtimine, mis on segu nelinurksignaallülitusest ja unipolaarsest PWM-lülitusest. Kõigil neljal IGBT-l on täitetegur 0,5 ehk impulsilaiust ei muudeta. Kontrollida saab aga signaalide ülekatte nurka α. Ülekatteperioodi jooksul on väljundpinge null, kuna kas mõlemad ülemised IGBT-d või alumised IGBT-d on avatud [3, pp. 218-219]. Lisas 1 on näha, kuidas nihutatud plokkjuhtimist kasutatakse. Antud juhul on ülekate 90, millele lisandub IGBTmoodulitele sisseehitatud hilistumine 3,3 µs, mis välistab lühise tekke moodulite vahel. Ühes õlas asuvad Q1, Q4 ja teises Q2, Q3. Lisast 1 on näha, et sama õla IGBT-d pole ühel ajal sisse lülitatud. Ülekatet saab teoreetiliselt muuta 0...180. Kui α = 0, siis ülekate puudub ja väljund on maksimaalne [3]. Maksimaalse väljundi korral tekivad taas pingepiigid, kuna juhtsignaal on sarnane nelinurksignaaliga, kus puudub ülekate. Joonisel 6 on võrreldud plokkjuhtimist, kui nihe on 0 ja 90 (Joonis 6). Vasak lainekuju on IGBT-moodulite väljund 90 nihkega ja parem 0 ehk maksimaalne. Parempoolsel lainekujul on pingepiigid, mis on mitusada volti soovitust kõrgemad. Vasakpoolsel lainekujul on näha moonutusi, aga kõrgeid pingepiike enam ei esine. 16
Joonis 6. Nihutatud plokkjuhtimine 90 (vasakul) ja 0 nihkega (autori joonis) 3.3.3. Trafo sisend- ja väljundpinge Trafo ülekandesuhteks on võetud 1 : 12. Põhjuseks on 3 x 670 V sisendpinge, millest pärast h-silda on saanud 900 V amplituudiga nelinurkpinge. Tabelis 2 toodud parameetrite järgi peab väljundpingeamplituud olema 10 kv, seega suhe 1 : 12 annab sellises jõuahelas pinge ligikaudu 10 kv (Tabel 2). Joonis 7. Trafo sisend- ja väljundpinge lainekujud (autori joonis) Trafo sisend- ja väljundpinge lainekujud on toodud joonisel 7. VP3 on trafo sisendpinge ja VP24 väljundpinge. Trafo väljundpinge kujus puuduvad IGBT-moodulite tõttu sisendis tekkinud pingepiigid. Väljundis kahe impulsi vahelised 0 V alad põhjustab h-silda sisseehitatud 3,3 µs hilistumine. Trafo modelleerimiseks määrati programmis PSIM nõutud parameetrid (Tabel 3). Võrreldes ideaalse trafoga avaldas eriti märkimisväärset mõju trafo väljundpingele puisteinduktiivsus. Programmis PSIM on trafo aseskeem selline, et kõik sekundaarpoole näitajad on teisendatud primaarpoolele. 17
Tabel 3 Trafoparameetrid [1] Parameetrid Primaartakistus Väärtused 9,6 mω Sekundaartakistus 0,58 mω (taandatud primaarpoolele) Puisteinduktiivsus primaaris ja sekundaaris 6,5 µh (taandatud primaarpoolele) Magneetimisinduktiivsus 2,86 mh Ülekandesuhe 1 : 12 3.3.4. Testmooduli väljundi pinge- ja voolukuju Jooniselt 4 on näha, et trafost tulevad 15 khz vahelduvpingeimpulsid alaldatakse (Joonis 4). Pärast täisperioodalaldit on väljundpinge silumiseks jällegi kasutusel LC-filter. Joonisel 8 on toodud pingekuju (VP27) ja voolukuju (I8) pärast alaldiväljundi silumist LC-filtriga (Joonis 8). Eelmises peatükis selgus, et trafo väljundpinge on 10 kv. Samas ilmneb VP27-l, et pinge on langenud 8 kv-ni. Osaliselt on see seletatav modelleerimisel valitud 200 Ω koormusega. Koormuse muutmisega saaks küll pinget tõsta, aga see vähendaks voolutugevust. Teiseks seatakse väljundvõimsuse piir ette h-silla juhtimisega ja IGBT-moodulite võimsusega, kadudega trafos, filtrites jms. Kuna modelleerimine on tehtud aktiivkoormusega on Joonisel 8 olevad pinge- ja voolulainekujud täpselt samasugused, sellepärast mainitakse edaspidi selles peatükis ainult pinget. Pinge tõuseb alguses 10 kv lähedale ja seejärel langeb 8 kv-le, kust hakkab aeglaselt alanema. Lõpus on näha sujuvat pinge langust. Algne tõus on tekitatud LC-filtriga. Täpsemalt, suur induktiivsus tõstab pinget ja samal ajal osana filtrist vähendab oluliselt võnkumisi. Aeglane pinge alanemine 8 kv juures näitab h-sildmodulaatoris paikneva kondensaatori tühjenemist. LC-filtris olev kondensaator aeglustab pingelangu tsükli lõpus. 18
Joonis 8. Testmooduli väljundi pinge- ja voolukuju (autori joonis) 19
4. JUHTIMISAHELA STRUKTUURISKEEM Impulsstrafo toiteallikas peab IGBT-mooduleid kasutades andma trafole vajaliku sisendi. IGBTmoodulite juhtimiseks töötati välja juhtimisahel, mis võimaldab plokkjuhtimist kasutades muuta trafosse saadetavaid impulsse. Joonis 9. Juhtimisahela struktuuriskeem (Energiatehnika OÜ joonis) Joonisel on kujutatud juhtimisahela struktuuriskeem (Joonis 9). Ohutuseesmärkidel on mikrokontroller A5 galvaaniliselt eraldatud h-sillast. Samuti on galvaaniliselt eraldatud A1 toiteallikate väljundid. H-silla IGBT-moodulid on varustatud sisemiste juhtimisplokkidega, mida saab suunata mikrokontrolleriga. IGBT-moodulitel on sisse ehitatud kaitsefunktsioonid ja sensorid, millele lisatakse ka välised sensorid A3. Neid kasutatakse kontrolli- ja kaitsefunktsiooniks. 20
Kaitsefunktsioonide hulka kuuluvad voolu-, pinge- ja temperatuuriahelad. Kasutajaliides võimaldab seadet sisse ja välja lülitada, lähtestada vigu, muuta väljundpinget ja jälgida indikaatorite abil süsteemi olekut. H-sildmodulaatori juhtimine peab toimuma vastavalt peatükis 2 toodud tehnilisele ülesandele ja joonisel 1 olevale ajadiagrammile ja lainekujudele. Pinge muutmine toimub vastavalt alapeatükis 4.3.2 kirjeldatud nihutatud plokkjuhtimisele. Pinget kondensaatoril C2 jälgitakse pidevalt juhtsüsteemi abil. Kui pinge langeb alla ettenähtud väärtuse V M, avatakse kontaktor K1 kontakt (Joonis 3). Pinge tõusmisel üle etteantud väärtuse V K suletakse kontaktor K1 kontakt. V M peaks olema tunduvalt väiksem kui V K, et vältida pidevat kontaktori lülitamist. See hoiab ära suured laadimisvoolud kondensaatoris C2. Vea tekkimisel IGBT-moodulis või hädanupu vajutamisel peab jõuahel välja lülituma nii mehaaniliselt kui ka mikrokontrolleriga. Enne seadme uuesti käivitamist peab käsitsi kasutajaliidese abil vea lähtestama. See väldib h-sildmodulaatori tahtmatut kahjustamist. 21
5. KÕRGEPINGE TESTMOODULI KAVANDAMINE Erinevate potentsiaalidega ahelate paigutamine üksteisele võrdlemisi lähedale tekitab probleeme, eriti kõrgepinges. Et vältida läbilööke, tuleb rakendada standarditele vastavaid õhu- ja roomevahemikke. Ahelate eraldamiseks tuleb kasutada näiteks Faraday puure ja isolaatoreid, et tagada seadmete töökindlus ja ohutus. Testmooduli kavandamises oli lisaks ohutusvahemikele tähtis ka mooduli kompaktsus. Liigsed vahemikud ja massiivsed kõrgepingepuurid võtaks asjatult ruumi. Aga selleks, et saaks projekteerida võimalikult hästi ärakasutatava ruumiga testmooduli, oli vaja teada kõikide komponentide mõõtmeid. 5.1. Sisemine ja välimine kõrgepingepuur Testmooduli raam ja kõrgepingepuurid projekteeriti alumiiniumprofiilidest, mis käivad omavahel kokku spetsiaalsete ühenduslülidega. Profiilide eeliseks on kokkupaneku kiirus, kuna neid ei pea keevitama ega muretsema, et nurgad oleks 90. Profiilid sobivad omavahel täpselt kokku ja spetsiaalsed sooned teevad lihtsaks hingede, lukkude ja profiilidevaheliste ühenduste kinnitamise. Alumiiniumi eeliseks võrreldes näiteks karprauaga on kergus ja ka parem elektrijuhtivus, arvestades, et Faraday puur on osa jõuahelast. Kõrgepingepuuridel peab olema piisav mehaaniline tugevus ja see peab säilima ka transportimisel [8]. Alusraam on 90 x 90 mm mõõduga alumiiniumprofiilidest, mille külge kinnituvad piduritega rattad (piisava mehaanilise vastupidavusega), et testmoodul oleks mobiilne. Alusraam on ristkülikukujuline. Põhja all on kaks 90 x 90 mm profiili lisaks äärmistele. See suurendab tugevust ja muudab aluspinna kahveltõstuki jaoks ühtlaseks. Samas toetub ka trafo alusraami tugevatele profiilidele, sest trafo eeldatav kaal on ligikaudu 165 kg. Lisas 2 on toodud testmooduli gabariitmõõtmed 1190 x 2300 x 1915 mm. Testmooduli paigutamisel peab arvestama, et uste avamiseks peab olema piisavalt ruumi. Välimine kõrgepingepuur on 45 x 45 mm alumiiniumprofiilist. Puurile on lisatud kolm ust. Üks nendest tagab trafole parema ligipääsu. Teised kaks on pooluksed ühel küljel, et anda ligipääs sisemise kõrgepingepuuri uksele, mis omakorda tagab ligipääsu alaldidioodidele ja LC-filtrile. Välimise Faraday puuri põhi on piisava paksusega metallplaadist, kuna sellele toetuvad kolm 22
tugiisolaatorit, mis omakorda kannavad kogu sisemise Faraday puuri raskust (Joonis 10). Välimise puuri iga külg on kaetud metallvõrguga. See on vajalik Faraday puuri omaduste parandamiseks, lisaks on metallvõrgu silmused küllalt väikesed, et inimese näpp sealt läbi ei pääseks. Trafo on küll välimise kõrgepingepuuri osa, aga see asub eraldi sektsioonis. Trafo sektsiooni eesmärk on kasutaja ohutus, iseenesest trafo Faraday puuri ei vaja. Joonis 10. Kõrgepinge testmooduli CAD-joonis (autori joonis) Sisemine kõrgepingepuur on tehtud 45 mm alumiiniumprofiilist, mille servraamid on ümardatud. Ülelöök tekib kergemini, kui pindade ümarusraadius on väike ehk teravate nurkade korral. Parimal juhul on kahe pinna vaheline kaugus ühtlane ja pinnal puuduvad teravad servad. [9] Ka väiksema kõrgepingepuuri põhjaks on metallplaat, et kanda kondensaatori, induktori ja ka dioodide raskust. Lisaks on tugevduseks kaetud metallplaadiga osa laest, sest sealt ripuvad kaks tugiisolaatorit, mille külge on kinnitatud väljundkaabli muhvid. Jällegi on Faraday puuri terviklikkuse huvides kõik küljed kaetud peensilmuselise metallvõrguga. Avad on tehtud ainult põrandasse väljundkaablitele ja Joonise 9 järgi vasakusse külge trafo isolatsioonitorude ja ühenduste jaoks dioodsillaga. Uksed on kinnitatud alumiiniumhingedega ja ka lukk on alumiiniumist. See peaks tagama korraliku ühenduse ukse ja raami vahel. Siiski on kindlam kasutada lisaühendust, et kindlustada hea elektrijuhtivus. 23
5.2. Õhk- ja roomevahemikud Kõige suuremaks probleemiks testmooduli projekteerimisel oli kindlasti arvestamine õhk- ja roomevahemikega. Mida kõrgemaks pinge muutub, seda suuremad peavad olema ka komponentidevahelised kaugused. Arvestades, et kuni nelja testmooduli kaskaadi ühendamisel võib potentsiaalide vahe olla 40 kv, tuleb standardi EVS-EN 60071-5 järgi valida sobivad vahemikud [10]. Õhk- ja roomevahemikke mõjutavad suurel määral keskkonnatingimused. Testmoodulit hakatakse kasutama sisetingimustes, kontrollitud õhuniiskusega keskkonnas. Sellistes oludes kasutatakse edukalt roomevahemikku, mis on vähemalt 14 mm/kv, et läbilööki ei esineks. 40 kv juures teeks see vajalikuks roomevahemikuks 560 mm. Et komponentidevahelisi kaugusi ei peaks nii suuureks muutma, on kasutusel isolaatorid ja kaablimuhvid, mis on mõeldud pingele vähemalt 40 kv ja mis vähendavad vajalikku roomevahemikku. [11], [12] Standardis EVS-EN 60664-1 tabelis A.1 toodu kohaselt annab 100 mm õhuvahemik kaitse läbilöögi eest kuni 210 kv korral homogeenses ja 50 kv mittehomogeenses elektriväljas. Nagu näha, on 100 mm valitud varuga, isegi kui elektriväli pole homogeenne. Lisaks on 40 kv küll oodatav tööpinge, aga kindlasti esineb ka lühiajalisi pingepiike, mis ületavad 40 kv. Nendel põhjustel ongi välimise ja sisemise kõrgepingepuuri vahe igal pool vähemalt 100 mm. Vahemik, kus sisemine puur kinnitub tugiisolaatoritega välimise külge, on 445 mm. Jällegi on eesmärgiks tagada isolaatorite abil piisav roomevahemik ja ka kindel toestus sisemisele kõrgepingepuurile. Sisemise kõrgepingepuuri kõik servraamid on ümardatud, mis samuti ühtlustab elektrivälja ja vähendab ülelöögiohtu. Lisas 2 toodud joonisel on testmooduli pealtvaates (paremal) näha, et ka sisemiste komponentide paigutamisel on mõeldud õhk- ja roomevahemikele. Kondensaator, induktor, dioodid, trafo ja ka väljundkaablid on üksteisest piisavalt eraldatud standarditele EVS-EN 60664-1 ja EVS-EN 60071-5 vastavalt, et vältida ülelööke. [10], [13] Alaldidioodide puhul oli häiringute minimeerimise eesmärgil vajalik nad ühendada trafole võimalikult lähedale. Selle saavutamiseks on üks dioodide paar ühendatud kõrgepingepuuriga võimalikult trafo lähedal, aga nii, et säiliks vajalik õhkvahemik. Teine dioodide paar on toestatud tugiisolaatoriga, mis tagab ka 560 mm roomevahemiku. Lisas 2 vasakpoolsel vaatel on näha ka, et vertikaalteljel on dioodidel piisav õhkvahemik. Tugiisolaatoreid kasutati ka väljuvate kaablite isoleerimisel sisemisest Faraday puurist. Kõrgepingepuuride mõõtmete vähendamiseks on väljuvad kaablid riputatud sisemise puuri laest, mis annab võimaluse kasutada puuri sisemist ruumi optimaalselt. 24
Kõrgepinge puhul on vaja arvestada iga komponendi paigutust ja nende kaugust üksteisest. Kõrgepingepuure oleks saanud veel väiksemaks teha, aga soovitatud õhk- ja roomevahemikke minimaalselt kasutada ei olnud mõistlik, eriti arvestades potentsiaalseid pingepiike. 25
6. MAJANDUSLIK OSA - PROTOTÜÜBI VALMISTAMISE MAKSUMUSE ARVUTUS ESS-i prootonikiirendi ehituseelarve on 1,843 miljardit eurot. Suur osa sellest saadakse annetustena erinevatelt Euroopa partneritelt. Samuti toetab kiirendi ehitust Euroopa Liit ja mitmed liikmesriigid. 747,5 miljonit eurot loodetakse saada mitterahalise toetusena ja 341 miljonit eurot rahas. [14] Kõrgepinge impulsstrafo tehakse ESS-i prootonikiirendi jaoks eritellimusel. Seega puudub ka standardlahendus toiteallika ja testmooduli jaoks. Oluliste komponentide konkreetset tüüpi ja täpset maksumust ei ole võimalik avaldada ärilistel põhjustel. Siiski annavad alltoodud arvud aimu, kui kallis võib antud prototüüp olla. Tabel 4 Komponentide kogus ja maksumus Jrk nr Komponent Kogus Maksumus, eur Kokku, eur 1. H-sild 1200 V 600 A 1 kmpl. 12 500 12 500 2. Juhtsüsteem 1 kmpl. 2 800 2 800 3. Tugiisolaator 65 kv 6 tk 255 1530 4. Kaablimuhvid 69 kv 2 tk 255 510 5. Tööaeg 90 päeva 100 9000 6. Üldkulud 1 3 400 3 400 7. Testmooduli LC-filter 1 tk tarnib tellija - 8. Al-profiil 45 x 45 mm 25 tk 15 375 9. Al-profiil 90 x 90 mm 10 tk 50 500 10. Al-profiil 45 R90 16 tk 19 304 11. Testmooduli alaldi 16 kv 75 A 1 kmpl. tarnib tellija - 12. Toiteallika alaldi 1,2 kv 250 A 1 tk 300 300 13. Toitefilter 1 tk 600 600 26
14. Toiteallika sisendinduktor 1 tk 600 600 15. Toiteallika kilp 1 tk 1 000 1 000 16. Kaablid, montaažimaterjalid 1 kmpl. 600 600 17. Kilbi ventilaator 1 tk 45 45 18. Rattad 8 tk 22 176 19. Lukud, hinged 3 kmpl 50 150 20. Toiteallika käepidemed 4 tk 11 44 21. Kontaktor 1000VDC 1 tk 340 340 Kokku: 34 774 Eelnevast nähtub, et projekti maksumus kujuneb Eesti mõistes suhteliselt suureks, arvestades, et toiteallikat ja testmoodulit on vaja ainult impulsstrafo kontrollimiseks ja ESS-i prootonikiirendis kasutatakse oma toiteallikat. Samas näitab see impulsstrafo kui komponendi tähtsust kogu kiirendi süsteemis ja üleeuroopalise projekti maksumusega võrreldes on see pigem odav. 27
7. OHUTUSTEHNIKA Kuigi testmoodul on mõeldud opereerimiseks oma ala spetsialistidele, tuleb alati mõelda ka üldisele ohutusele. Standard EVS-EN 50110-1 sätestab elektripaigaldise seotud tööde ohutusnõuded [15]. Testmooduli kasutamisel tuleks järgida kõiki nõudeid, mis standardi järgi sellele seadmele kehtivad. Tähtsamad sätted ja projekteeritavale testmoodulile iseloomulikud omadused on toodud välja järgnevalt. Kõiki, kes testseadet mingil moel kasutavad või töötavad selle vahetus läheduses, peab instrueerima võimalikest ohtudest, ohutusreeglitest ja protseduuridest, mis seotud just selle elektripaigaldisega. Elektripaigaldis on seade, mis on ette nähtud elektrienergia tootmiseks, edastamiseks, muundamiseks, jaotamiseks ja kasutamiseks [15, p. 8]. Töötoimingute eest peab olema määratud vastutav isik, kes kontrollib, et töötajate riietus vastaks töötamiskoha oludele, ja hoiatab alati seadme kasutajaid võimalike ohtude eest. Testmoodul on mõeldud kasutamiseks ainult vastava väljaõppega inimestele, kes on kursis testseadme omaduste ja tööpõhimõttega. Kõrvalistel isikutel on keelatud viibida seadme juures või selle läheduses ja keeluala peab olema vastavalt tõkestatud ja märgistatud. Õppe- või vaatluseesmärgil ruumis viibijad peavad olema instrueeritud ja vastutava isiku pideva valve all. Kõik ohuallikad peavad olema selgelt tähistatud ja ligipääs nende juurde tõkestatud. Lisaks tuleb perioodiliselt kontrollida elektripaigaldist ja veenduda selle ohutuses. [15] Elektrilöögi oht sõltub pinge tasemest ja ka ligipääsetava juhtiva osa kontaktpinna suurusest nahaga, samuti naha niiskustasemest. Standardis EVS-EN 62477-1 on välja toodud ohutusabinõud, mis muudavad seadme kasutuse vähem ohtlikuks [8]. Testmooduli puhul on väga tähtis kaitsefunktsioon välimisel kõrgepingepuuril. Välimine puur piirab ligipääsu juhtivatele osadele ja välistab õnnetuse korral (näiteks kukkumine) kokkupuute pinge all olevate komponentidega. Lisaks on välimise Faraday puuri küljed kaetud peenvõrgust metallvõrega. Maksimaalne võrguava suurus peaks olema 5 x 10 mm või väiksem, et inimese näpp ei mahuks võrgusilmusest läbi. Standardis on nõutav IP-aste vähemalt IPXXB, mis välistab sõrme mahtumise läbi välimise puuri [8, p. 33]. 28
Kõrgepingepuurid on varustatud ustega, mis võimaldavad ligipääsu hooldusteks ja parandustöödeks. Uksed on eranditult avatavad võtmega, mis on olemas ainult vastutaval isikul [8]. Selle eesmärgiks on vältida kõrvaliste isikute ligipääs juhtivatele osadele, sest isegi kui seade pole töös, võib kondensaatoritel olla ohtlik pinge. Sellepärast on testmooduli jõuahelasse paigaldatud kondensaatori peale tühjendustakisti ja ka tühjenemisoleku indikaator. Testmooduli kõrgepingepuuri uste avamine on keelatud, enne kui olekuindikaator näitab, et pinge ahelas on ohutu. Välimise Faraday puuri ustele on paigaldatud lülitid, mis ukse avamise korral, kui testseade töötab, lülitab viivitamatult toite välja. Tootja peab testmooduliga kaasa andma kasutusjuhendi, mis õpetab seadmega ohutult ümber käima ja loetleb võimalikud elektrilöögi ja ülekuumenemise ohud. Juhendis on ka kõik juhtimisseadme funktsioonid ja näidikute tähendused. Kuigi tühjenemisoleku indikaator näitab, kas seade on ohutu või mitte, peab juhendis olema kirjas ka minimaalne aeg, mille jooksul kondensaator kõige halvemate tingimuste korral tühjeneb. See aeg peab olema märgitud ka testmooduli uksel. Samuti tuuakse juhendis välja hooldustoimingud ja isikud, kes neid võivad üldse läbi viia. Kõik hoiatussildid peavad olema nähtavates kohtades ja vastama ülemaailmsetele standarditele nagu IEC 60417. Kasutusjuhendi koostamise eest vastutab elektripaigaldise ehitaja. [8] 29
KOKKUVÕTE Toiteallika ja kõrgepingemuunduriga testmooduli projekteerimisega kõrgepinge-impulsstrafole oli tegemist osaga väga olulisest ja tulevikku suunatud projektist. Seetõttu kaasnes tööga suur vastutus ning vajadus mõista süsteemi tervikuna. Tehniline ülesande täitmine osutus keerukaks ja töömahukaks, kuna toiteallikas pidi tekitama suure võimsusega vahelduvpinge impulsse, mis koormavad kogu süsteemi. See omakorda vajas kõikide komponentide läbimõeldud valikut ja nendevahelist koostööd. Süsteemi üldise struktuuriskeemi koostamine osutus töö üheks lihtsamaks osaks. Lähteülesandest sõltuvalt ei olnud palju muid võimalusi, millistest süsteemiplokkidest skeem koostada. Seevastu jõuahela kokkupanemisel oli asendamatu modelleerimistarkvara. Iga plokk, mis struktuuriskeemis välja toodi, mõjutab pinge- ja voolulainekujusid. Tänu modelleerimisele avastas töö autor erinevate pooljuhtide lülitamisel tekkivad pingepiigid. Nende eemaldamiseks tuli proovida erinevaid summutusahelaid erinevate komponendiväärtustega. Nii saab arvutuslikult leitud filtreid kontrollida ja vajadusel neid muuta. Töös selguski, et mitme summutusahela komponendi väärtus oli üle dimensioneeritud ehk normide piiridesse jääv moonutustase oli saavutatav ka teistsuguste omadustega filtriga. See andis mitmel juhul ühtlasi hinnavõidu. Kuigi modelleerimine on oluline etapp igas keerukamas jõuahelas, tuleb alati eeldada, et mudelite ebatäpsuse tõttu võib seadme töö reaalses keskkonnas mõnevõrra modelleeritust erineda. Juhtimisahela struktuuriskeemi koostamisel tuli arvestada jõuahelas kasutatavate komponentidega ja muuta juhtahel sobivaks ülejäänud süsteemiga. IGBT-moodulite valikust sõltus sisseehitatud sensorite ja kaitsesüsteemide lisamise vajalikkus. Modelleerimise tulemusel selgus ka, et PWM-il põhinev juhtimisalgoritm tuleb asendada nihutatud plokkjuhtimisega. Need on head näited tõestamaks, et projekti käigus tuleb arvesse võtta kõiki osi korraga ja teha muutusi vastavalt vajadusele. Kõrgepinge testmooduli kavandamine oli aeganõudev protsess, sest standardeid, millele moodul pidi vastama, oli palju. Testseadmes muundati vahelduvvool alalisvooluks ja madalpinge 30
kõrgepingeks, samuti 50 Hz võrgusagedus moduleeriti 15 khz impulssideks. Sellest oli tingitud ka kohaldatavate standardite rohkus. Majanduslikust aspektist lähtudes osutub projekti teostamine suhteliselt kalliks, kuid siiski ootuspäraseks, arvestades selle vajadust prootonikiirendi loomisel. Kõige kulukamaks komponendiks kujunes h-sild, milles kasutati IGBT-mooduleid. Nende multifunktsionaalsus sisseehitatud juhtimissüsteemi ja sensorite näol teeb ostuhinna kõrgeks, aga vähendab tunduvalt töö hulka ja vajadust erinevaid süsteeme h-sillas kokku sobitada. Ohutustehnikaalase kasutusjuhendi koostaja, kes hakkab toiteallikat ja kõrgepingemuunduriga testmoodulit ehitama, saab projektist standardipõhise algmaterjali, et töötada välja kõiki testseadme omapärasid hõlmav põhjalik juhend. Meeskonnatöö tähtsus sai selgeks projekti varajases staadiumis. Koosolekud kolleegidega firmast ja TTÜ-st tekitasid mitu uut ideed, kuidas muuta projekt paremaks. Testmooduli konstruktsiooni ja selles paiknevate komponentide asetust muudeti mitmel korral, kuna CAD-programmis visualiseerimine aitas paremini mõista mooduli ülesehitust. Kuigi juba esimene mooduli versioon vastas nõuetele, aitas arutelu muuta disaini efektiivsemaks. Eriti laiendas autori silmaringi tema jaoks uute meetodite ja programmide rakendamine lõputöös. Põhiliselt jõuahelate modelleerimiseks mõeldud PSIM aitas välja tuua mitmeid süsteemi nüansse, mis otseselt mõjutasid edasist projekti kulgu. Programmi kasutamine aitas loodetavasti ära hoida probleeme, mis oleks võinud toiteallika ja testmooduli opereerimisel tekkida. Teine suur õppimiskoht jõuahelate modelleerimisel oli lainekujude uurimine. Töö käigus tekkis arusaam, millised peaksid lainekujud olema, kui suured moonutused on lubatud ja ka millised summutusahelad aitaksid just teatud ahelapunktis lainekuju parandada. Tehnilises ülesandes antud ideaalsed lainekujud on reaalsuses mõningate moonutustega ja nende tõlgendamine aitas paremini mõista elektriahelate modelleerimist ja kõrgepingetehnikat üldiselt. Tehnilises ülesandes nõutud parameetrite ja lainekujude ning kohustuslike elektrotehniliste standardite järgi valmis ESS-i prootonikiirendi impulsstrafole toiteallika ja kõrgepinge testmooduli projekt. See on üle antud tellijale, kes jäi tehtuga rahule ning on välja kuulutanud ehitushanke. 31
SUMMARY The following thesis Development of the Power Electronic Converters and the High Voltage Pulse Transformer Test Set-up Module for the ESS Accelerator gives a detailed overview of the development project. The European Spallation Source (ESS) is a Sweden based proton accelerator. It is set to start operating in 2019. Because of the large scale and advanced technical design of the accelerator project there are many partners around the world to help with the development process. One of those partners is Tallinn University of Technology (TTU) which commissioned the author of this thesis to develop a power source and a test module for the pulse transformer used in the ESS. The pulse transformer is a crucial part in powering superconductive cavities that propel the protons near the speed of light. Therefore testing the transformer beforehand is very important to make sure of its reliability and conformity to technical specifications and electrotechnical standards. This thesis gives a brief summary on how the proton accelerator works and then the technical specifications given by TTU are presented. The power electronic schematics of both the power source and the test module are shown and the function of every part explained. Then the whole circuit was thoroughly simulated in PSIM software to find any possible problems and to select suitable snubber circuits. The block diagram of the control system was explained. The test module was designed using Fusion 360 software. The main purpose for that was to set accurate clearance and creepage distances to make sure the system was safe for the power electronics but also for the personelle operating the test module. Therefore necessary safety precautions were pointed out and the required steps to maintain safety were written down. Also the cost of the entire project was roughly calculated to give an idea of the approximate costs. The simulation of the circuit yielded many important discoveries. Firstly the need for different snubber circuits. Also some of the values designed for the low pass filters were over dimensioned. That led to lighter and cheaper LC-filters that still provided sufficient voltage smoothing. Secondly it was discovered that using PWM to control the h-bridge was causing large voltage spikes and was 32
dangerous to the IGBT modules. The simulation determined that using the voltage cancellation technique to drive the h-bridge gave much better results. In conclusion the power source and the test module for the ESS proton accelerator was developed in accordance with the technical specifications and in compliance with electrotechnical standards. The project has been accepted by the client. 33
VIIDATUD ALLIKAD [1] ESS, ESS Technical Design Report, 2013. [Võrgumaterjal]. Available: http://eval.esss.lu.se/docdb/0002/000274/014/tdr_online_ver_all.pdf. [Kasutatud 29. märts, 2017]. [2] J. Joller, Jõuelektroonika, Tallinn: Tallinna Tehnikaülikool, 1996, p. 216. [3] T. M. U. W. P. R. Ned Mohan, Power Electronics, Minesota: John Wiley & Sons INC., 2003, p. 802. [4] M. H. Rashid, Power Electronics Handbook, Oxford: Butterworth - Heinemann, 2011, p. 1409. [5] ESS, European Spallation source, 2017. [Võrgumaterjal]. Available: https://europeanspallationsource.se/accelerator. [Kasutatud 28. märts, 2017]. [6] B. Wu, High-Power Converters and AC-Drives, Hoboken: John Wiley & Sons, Inc, 2006, p. 333. [7] Powersim Inc., PSIM Software, 2017. [Võrgumaterjal]. Available: https://powersimtech.com/support/. [Kasutatud 14. aprill, 2017]. [8] EVS-EN 62477-1:2012 Jõupooljuht-muundussüsteemide ja -muundusseadmete ohutusnõuded, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2012. [9] W. V. JP Holtzhausen, High Voltage Engineering, Stellenbosch: Stellenbosch University, 2011, p. 149. 34
[10] EVS-EN 60071-5:2015 - Insulation co-ordination Part 5: Procedures for high-voltage direct current (HVDC) converter stations, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2015. [11] EVS-EN 61952:2008 Insulators for overhead lines - Composite line post insulators for A.C. systems with a nominal voltage greater than 1 000 V - Definitions, test methods and acceptance criteria, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2008. [12] EVS-HD 632 S3:2016 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 36 kv, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2016. [13] EVS-EN 60664-1:2008 Madalpingepaigaldistes kasutatavate seadmete isolatsiooni koordinatsioon. Osa 1: Põhimõtted, nõuded ja katsetused, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2008. [14] ESS, European Spallation Source - In-kind donations, 2017. [Võrgumaterjal]. Available: https://europeanspallationsource.se/kind-contributions. [Kasutatud 28. Aprill, 2017]. [15] EVS-EN 50110-1:2013 Elektripaigaldiste käit. Osa 1: Üldnõuded, Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2013. 35
LISAD Lisa 1. IGBT-moodulite juhtsignaalid Lisa 2. Testmooduli kaksvaade 36
Lisa 1. IGBT-moodulite juhtsignaalid (autori joonis) 37
Lisa 2. Testmooduli kaksvaade (autori joonis) 38