بهبود عملکرد ترانسفورماتور ولتاژ بالا در منبع تغذیه تقویت‌کننده کلایسترون با متعادل‌سازی جریان مغناطیس‌کنندگی
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
ابوالفضل نصیری
1
*
,
محسن گنجی
2
,
سید محمد علوی
3
1 - فنی و مهندسی
2 - برق، دانشکده فنی، دانشگاه امام حسین، تهران، ایران
3 - گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
کلید واژه: ترانسفورماتور فرکانس بالا, تقویت کننده کلایسترون, مدار تشدید سری, مدار راه‌انداز.,
چکیده مقاله :
در این تحقیق از ساختار مبدل تمام‌پل برای تغذیه تقویت‌کننده کلایسترون استفاده شده است. برای تأمین توان کلایسترون (kW 100، A 4 و kV 25) سه ماژول مبدل تمام‌پل با ترانسفورماتور ولتاژ بالا- فرکانس بالا به‌کار رفته است. خروجی ترانسفورماتورها در یک ساختار ستاره، یکسو شده و پس از عبور از یک فیلتر π، تغذیه مدار راه‌انداز لامپ کلایسترون تأمین می‌شود. خروجی منبع تغذیه، پالس‌هایی با عرض ms 1 و فرکانس تکرار 50Hz می‌باشد. ولتاژ ورودی مبدل VDC 500 است که از یک تغذیه سه‌فاز تأمین می‌گردد. در این تحقیق با متعادل‌سازی جریان مغناطیس‌کنندگی ترانسفورماتور فرکانس بالا، بیشینه جریان مغناطیس‌کنندگی ترانسفورماتورها کاهش یافته و موجب کاهش بیشینه جریان ترانزیستورها می‌شود. با کاهش بیشینه جریان مغناطیس‌کنندگی نیز ابعاد هسته ترانسفورماتور و در نتیجه ابعاد، حجم و وزن مدار راه‌انداز کلایسترون کاهش پیدا می‌کند. همچنین اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور فرکانس بالا، موجب شکلگیری مدار تشدید سری شده و شرایط کلیدزنی نرم فراهم گردیده و بدین ترتیب موجب بهبود عملکرد مدار راه‌انداز کلایسترون می‌شود. عملکرد مدولاتور با استفاده از نرم‌افزار PSCAD و بار مقاومتی شبیه‌سازی شده و مورد تأیید قرار گرفته است.
In this research, the structure of a Full-bridge converter has been used to feed the klystron amplifier. Three Full-bridge transducer modules with high voltage transformers are used to supply the power of klystron (100 kW, 4 kV, 25 kV). The output of the transformers is rectifier in a star structure and after passing through a π filter, the circuit of the klystron lamp is supplied. The output of the power supply is 1 ms width and frequency of repetition is 50 Hz. The input voltage of the converter is 500 VDC, which is supplied by a three-phase feed. In this research, by balancing the magnetizing current of high frequency transformers, the maximum magnetization current of transformers decreases and decreases the maximum current of transistors. In addition, the core dimensions of the transformer decrease by reducing the maximum magnetization current. As a result, the dimensions, volume, and weight of the klystron drive circuit are reduced. Also, by using leakage inductance of high frequency transformer, series resonance circuit has been created and soft switching conditions have been provided. In this way, it improves the performance of the klystron driven circuit. Modulator performance has been simulated and approved using PSCAD software and resistive load.
[1] Z. Liu, H. Zha, J. Shi, and H. Chen, "Study on the efficiency of klystrons," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 48, no. 6, pp. 2089-2096, Jun. 2020.
[2] L. J. R. Nix, L. Zhang, and A. W. Cross, "Design of a 48 GHz gyroklystron amplifier," IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 68, no. 11, pp. 5792-5798, Nov. 2021.
[3] R. Thekkeppat, V. Mandloi, and P. Shrivastava, "A solid-state converter topology, −100 kV, 20 A, 1.6 ms, modulator for high average power klystron amplifier," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 46, no. 10, pp. 3700-3707, Oct. 2018.
[4] M. Collins and C. Martins, "A modular and compact long pulse modulator based on the SML topology for the ESS linac," IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 24, no. 4, pp. 2259-2267, Aug. 2017.
[5] م. ر. بنائي، ا. نصيري، س. م. علوي و س. حسين‌زاده، "كنترل ولتاژ منبع‌تغذيه مگنترون با استفاده از مبدل فلاي‌بك كلمپ فعال،" نشريه علمي الكترومغناطيس كاربردي، سال 7، شماره 1، صص. 81-73، بهار و تابستان 1398.
[6] N. Z. Saadabad, A. Nasiri, and J. Nekoui, "A new three‐port DC/DC converter with soft switching for PV applications," International J. of Circuit Theory and Applications, Early View, Jun. 2024, https://doi.org/10.1002/cta.4107.
[7] F. C. Magallanes and D. Aguglia, "Solid-state fast voltage compensator for pulsed power applications requiring constant AC power consumption," IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 22, no. 4, pp. 1963-1970, Aug. 2015.
[8] D. Malviya and M. Veerachary, "A boost converter-based high-voltage pulsed-power supply," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 56, no. 5, pp. 5222-5233, Sept./Oct. 2020.
[9] ا. نصيري، م. ر. بنائي، ي. م. علوي و س. حسين‌زاده، " ارائه یک روش جدید برای راه‌اندازی لامپ مگنترون با استفاده از مبدل نیم‌پل تغییر فاز یافته،" رادار، سال 8، شماره 2، صص. 20-9، دي 1399.
[10] R. Khosravi and M. Rezanejad, "A new pulse generator with high voltage gain and reduced components," IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 66, no. 4, pp. 2795-2802, Apr. 2019.
[11] M. Collins and C. A. Martins, "Evaluation of a novel capacitor charging structure for flicker mitigation in high-power long-pulse modulators," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 47, no. 1, pp. 985-993, Jan. 2019.
[12] M. Collins and C. A. Martins, "Optimal design of a high-voltage DC/DC converter for the 11.5 MW/115 kV ESS long-pulse modulator," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 48, no. 10, pp. 3332-3341, Oct. 2020.
[13] ا. نصيري، م. ر. بنائي، ي. م. علوي و س. حسين‌زاده، "کاهش تلفات هسته مغناطیسی در مبدل فوروارد برای راه اندازی لامپ مگنترون،" نشريه مهندسي برق و مهندسي كامپبوتر ايران، الف- مهندسي برق، سال 18، شماره 4، صص. 239-231، زمستان 1398.
[14] A. Nasiri and M. R. Banaei, "A new magnetron driving method using a phase shifted active clamp forward converter for sulfur plasma tube applications," IET Power Electronics, vol. 14, no. 2, pp. 442-453, Feb. 2021.
[15] م. بیگی، آ. دهستانی کلاگر و م. ر. علیزاده پهلوانی، "استفاده از یک‌سوسازهای چندسطحی دیودمهاری با کنترل‌کننده MPC، جهت تغذیه فرستنده لورن،" علوم و فناوری‌های پدافند نوین، سال 11، شماره 2، صص. 165-155، تير 1399.
[16] N. Z. Saadabad, S. H. Hosseini, A. Nasiri, and M. Sabahi, "A new soft switched high gain three-port DC-DC converter with coupled inductors," IET Power Electronics, vol. 13, no. 19, pp. 4562-4571, Feb. 2020.
[17] A. Nasin, M. R. Banaei, S. M. Alavi, and S. Hosseinzadeh, "A new control method for magnetron lamp power supply using forward-flyback converter with active clamp," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 51, no. 8, pp. 2390-2398, Aug. 2023.
[18] ا. شمشادي، ع. ر. نصيري، و پ. خرم‌پور، "بررسي و شبيه‌سازي چندپاره شدن شبكه زمين و تأثير آن بر تغيير ولتاژهاي گام و تماس در پست‌هاي فشارقوي با استفاده از روش اجزاي محدود،" نشريه علمي الكترومغناطيس كاربردي، سال 9، شماره 1، صص. 97-89، بهار و تابستان 1400.
[19] A. Nasin, M. R. Banaei, and S. Rahirni, "Phase-shifted half-bridge resonant inverter for driving magnetron," in Proc. IEEE Int. 10th Power Electronics, Drive Systems and Technologies. Conf., pp. 735-740, Shiraz, Iran, 12-14 Feb. 2019.
[20] M. J. Kim, W. S. Choi, I. W. Jeong, H. C. Park, and K. H. Park, "A new driving method of the magnetron power supply for a sulfur plasma lamp," IEEE Trans. on Ind. Electron, vol. 63, no. 9, pp. 492-499, 2016.
[21] J. H. Cho, K. B. Park, J. S. Park, G. W. Moon, and M. J. Youn, "Design of a digital offset compensator eliminating transformer magnetizing current offset of a phase-shift full-bridge converter," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 27, no. 1, pp. 331-341, Jan. 2012.