Wpływ wysokiego napięcia na kluczowe gałęzie przemysłu

Technologie zasilania wysokiego napięcia

Technologia i topologie opracowane i zastosowane przez XP Glassman pozwalają oferować kompaktowe i niezawodne zasilacze wysokiego napięcia, które można łatwo dostosować do większości zastosowań, a jednocześnie są najłatwiejsze w utrzymaniu w branży. Prawie wszystkie zasilacze XP Glassman wykorzystują powietrze jako główny środek izolacyjny i wykorzystują konwerter PWM off-line o wysokiej częstotliwości.

Izolacja powietrzna

Chociaż nie nadaje się do ultra-miniaturowych modułów pracujących w trudnych warunkach środowiskowych, izolacja powietrzna oferuje lekką, możliwą do naprawy strukturę, która minimalizuje pasożytnicze straty pojemności w większości zastosowań. Firma XP Power opracowała konstrukcje HV, które obejmują wyrównanie potencjałów i ekranowanie elektrostatyczne wrażliwych elementów, dzięki czemu osiągnięto doskonałą stabilność i dokładność. Wszystkie zasilacze HV oparte są na dobrze znanej koncepcji powielacza napięcia Cockcrofta-Waltona (lub jej odmianach), aby osiągnąć wysokie wartości wyjściowe prądu stałego, jednocześnie minimalizując szczytowe napięcia wtórne transformatora. Zastosowanie powietrza pozwala na wymuszone chłodzenie komponentów HV, gdy jest to wymagane. Wymuszone chłodzenie powietrzem pozwala uwzględnić zwiększoną wartość rezystancji zabezpieczenia szeregowego (tam, gdzie jest to praktyczne), co minimalizuje szczytowe prądy rozładowania w przypadku wystąpienia łuku lub przeciążenia. (UWAGA: Niektóre modele lub aplikacje wymagają zewnętrznej szeregowegowej rezystancji ochronnej). Chroni to nie tylko komponenty HV, ale także zmniejsza energię wyładowania występującą podczas łuku i minimalizuje impuls zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), który może uszkodzić lub zakłócać wrażliwe elementy sterujące i mikrokontrolery. Wszystkie te techniki poprawiają niezawodność całego zespołu wysokiego napięcia, a także elementów sterujących i zasilających całej konstrukcji zasilacza.

Powyżej 150 kV nasze projekty wykorzystują „stos” open-air , który eliminuje złącze HV i kabel, który byłby masywny przy tych napięciach. Toroidalne zaciski i powierzchnie ekwipotencjalne służą do minimalizacji pól elektrostatycznych. W przypadku jednostek o napięciu 150 kV i poniżej montujemy zespół w opatentowanej izolowanej i uziemionej obudowie HV, której ściany mogą wytrzymać pełne napięcie. Obudowa wykonana jest z materiałów ognioodpornych i została zaprojektowana tak, aby zapewnić jednolity gradient powierzchni w celu zminimalizowania wyładowań koronowych.

Jednym z problemów związanych ze zwiększaniem częstotliwości konwersji w zasilaniu HV jest odbita pojemność pasożytnicza. Jest to spowodowane bliskością powierzchni do ziemi. W dużej strukturze HV odbita pojemność pasożytnicza może być znaczna. Jeśli stosowana jest hermetyzacja w stanie stałym lub ciekłym, ta pojemność jest znacznie wyższa niż w powietrzu, ponieważ stała dielektryczna powietrza wynosi 1,0, podczas gdy większość kapsułek jest rzędu 3-4,5. Pojemność jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej izolacji.

Transformatory HV zwykle mają napięcie szczytowe 6 kV lub mniejsze na częściach wtórnych i wykorzystują specjalne techniki uniwersalnego uzwojenia do wytworzenia samonośnego uzwojenia o dużej średnicy, które ma odpowiednie gradienty napięcia. Ponadto stosowane są duże rdzenie typu U w oknach, które zapewniają wystarczającą ilość miejsca na odpowiednie gradienty.

PWM

Zasilacze XP Glassman HV wykorzystują zastrzeżoną technologię konwertera PWM do konwersji mocy głównej. Zazwyczaj napięcie sieciowe AC jest prostowane i filtrowane do szyn DC bezpośrednio z linii bez transformatorów. W wielu przypadkach stosuje się przetwornicę podwyższającą z korekcją współczynnika mocy, aby zapewnić regulowaną szynę szynową 400 V DC. Zapewnia to współczynnik mocy bardzo bliski jedności, co praktycznie eliminuje prądy harmoniczne linii i zmniejsza VA pobierane z sieci. Napięcie na szynie DC jest doprowadzane do przekształtnika i podłączane do zespołu HV za pośrednictwem transformatorów HV, które zapewniają izolację międzyprzewodową. Sygnały sterujące przekształtnikiem są sprzężone z urządzeniami przełączającymi przekształtnika za pomocą transformatorów separacyjnych, które zapewniają również izolację międzyprzewodową.

Większość zasilaczy HV XP Power wykorzystuje konwerter pracujący z częstotliwościami przełączania od 30 kHz do 70 kHz i wykorzystujący tranzystory FET lub IGBT jako elementy przełączające, osiągając sprawność konwersji powyżej 90%. Topologia przetwornika jest dobrze dostosowana do napędzania transformatorów podwyższających o dużym współczynniku, ponieważ wykorzystuje energię zmagazynowaną w pojemności transformatora.

Konwerter ma modulowaną szerokość impulsu i wykorzystuje zintegrowane elementy magnetyczne do przechowywania energii konwersji. Jest to topologia przy zerowym prądzie włączania, która eliminuje straty podczas włączania. Pracuje na stałych częstotliwościach, co pomaga zminimalizować składową tętnień częstotliwości przełączania i poprawia odpowiedź pętli sterowania. Konstrukcja tego przetwornika jest z natury ograniczona prądowo, tak że nawet bez zewnętrznego sterowania lub ochrony przetwornica może pracować w sposób ciągły z martwym zwarciem, a nawet może wytrzymać nawet nieokreślony czas martwego zwarcia na częściach wtórnych transformatora.

Obwody sterujące

Wszystkie zasilacze XP Glassman zapewniają szybko działające sterowanie pętlą sprzężenia zwrotnego napięcia i prądu z automatyczną zwrotnicą. Ponadto stosowane są techniki zapewniające bezpieczny, dobrze kontrolowany wzrost napięcia w każdych warunkach, w tym powrót do stanu po łuku, przeciążeniu lub zwarciu. Zapobiega to niebezpiecznemu przekroczeniu napięcia w każdych warunkach przywracania.

Wszystkie zasilacze XP Glassman wykorzystują redundantne wykrywanie spadku napięcia, dzięki czemu zasilacz jest w pełni chroniony przed wszelkimi zaburzeniami napięcia wejściowego aż do zera. Zapewnia to bezpieczną pracę podczas awarii zasilania lub dużych przerw na linii. Napięcia szyny polaryzacji pochodzą z jednego źródła, dzięki czemu wzrost i spadek napięć polaryzacji podczas włączania i wyłączania pozostają w tej samej relacji, jak w przypadku normalnej pracy. Eliminuje to jakąkolwiek możliwość utraty kontroli przez wzmacniacze operacyjne sprzężenia zwrotnego i generowania niewłaściwych sygnałów sterujących.

Różne możliwości lokalnego i zdalnego sterowania są standardem w przypadku zasilaczy XP Glassman. Dostępne jest sterowanie i monitorowanie przez interfejs RS232, USB i Ethernet. Opcjonalny zewnętrzny interfejs szeregowy jest dostępny dla zasilaczy bez zintegrowanego sterowania cyfrowego. Wszystkie interfejsy komputerowe zapewniają pełną izolację galwaniczną między komputerem głównym a zasilaniem do 1000VAC. Jest to bardzo ważne w środowisku o wysokim poziomie szumów i napięć przejściowych, w którym działają zasilacze HV. Technika ta całkowicie izoluje i chroni wrażliwe obwody komputerowe, zarówno po stronie użytkownika, jak i sam zasilacz.

Ochrona przed łukiem elektrycznym

Większość zasilaczy XP Glassman wykorzystuje szybkie wykrywanie łuku i ochronę. Za każdym razem, gdy zasilacz wysokiego napięcia jest rozładowywany, energia zmagazynowana w zespole HV jest dostarczana do szeregowych rezystorów ograniczających w zasilaczu. Rezystory te są potrzebne do ograniczenia prądu rozładowania do poziomu, który chroni diody HV i kondensatory oraz zmniejsza generowane EMI. Ponieważ większość zasilaczy XP Glassman ma szybki czas narastania do powrotu napięcia, moc, która zostanie rozproszona w szeregowych rezystorach ograniczających podczas powtarzającego się łuku, jest proporcjonalna do iloczynu energii i częstotliwości powtarzania łuku.

Ze względu na rozmiar i układ, zainstalowanie wystarczającej liczby rezystorów ograniczających, aby poradzić sobie z tym rozpraszaniem, nie zawsze jest praktyczne. Chociaż rezystory są typami wysokoenergetycznymi i mogą wytrzymać krótkie wyładowania łukowe, mogą nie być w stanie wytrzymać ciągłego stanu łuku. Zabezpieczenie zapewnia obwód zliczający łuki, który hamuje generowanie wysokiego napięcia, gdy liczba łuków przekroczy bezpieczny limit w określonym czasie. Technika ta pozwala na rozsądne średnie rozpraszanie mocy w rezystorach ograniczających. Obwody wykrywające łuk reagują w ciągu mikrosekund z progiem, który zapewnia ochronę zasilania bez nadmiernych „uciążliwych” wyłączeń. Po wyłączeniu zasilania automatyczne resetowanie następuje zwykle w ciągu 5 sekund. Opcjonalnie zasilanie może być odłączone na stałe. Resetowanie zasilania można wykonać za pomocą sygnału zewnętrznego. Funkcja wygaszania łuku blokuje konwerter na określony czas po każdym łuku. Umożliwia to wygaszenie łuku.

Chociaż głównym celem obwodów wykrywających łuk jest ochrona zasilacza, w niektórych zastosowaniach może on również chronić obciążenie, które zasila zasilacz. Na przykład w przypadku źródeł jonów, w których zwykle znajduje się zewnętrzny rezystor szeregowy, funkcja zliczania łuku nie jest potrzebna. Jednak szybkie wygaszanie łuku poprzez funkcję „wygaszania łuku” chroni źródło jonów przed uszkodzeniem. Czas trwania blokady, czułość i częstotliwość funkcji wykrywania łuku mogą być modyfikowane na zamówienie dla dowolnej aplikacji, o ile parametry pozostają w zakresie wymaganym do utrzymania ochrony zasilania. Należy skonsultować się z producentem, jeśli zewnętrzny rezystor jest używany szeregowo z obciążeniem, aby można było odpowiednio ustawić próg czułości wykrywania łuku.

Złącze HV

Standardowy system złączy XP Glassman HV stosowany powyżej 6kV wykorzystuje rurkę głębinową ze stykiem sprężynowym. Głębokość złącza zmienia się wraz z poziomem napięcia. Głębokość ta została zaprojektowana w taki sposób, aby w przypadku eksploatacji zasilacza bez włożenia współpracującego kabla personel nie mógł wejść w kontakt z niebezpiecznym napięciem. W celu zapewnienia bezpieczeństwa ekran współpracującego kabla jest zakończony na obudowie.