مدونة الجودة / المكثفات
مكثفات مقابض الأبواب القابلة للتكديس، جهد قابل للتعديل لأجهزة الليزر عالية الطاقة
يمثل تطوير أنظمة الليزر عالية الطاقة سعياً مستمراً لتوسيع حدود إنتاج الطاقة الضوئية.
مكثفات مقابض الأبواب القابلة للتكديس: جهد قابل للتعديل لأجهزة الليزر عالية الطاقة
إجابة هندسية
يحتاج الليزر عالي الطاقة إلى بنك طاقة يخزن كمية كبيرة من الطاقة ويُطلقها على شكل نبضة سريعة وعالية التيار، ويجب أن يكون هذا البنك قابلاً للتوسع من نموذج أولي بقدرة 5 كيلوجول إلى نظام إنتاج بقدرة 50 كيلوجول دون الحاجة إلى إعادة تصميم. يُعد مكثف مقبض الباب القابل للتكديس هو الحل: جسم خزفي أسطواني متطابق، موصول على التوالي للجهد، وعلى التوازي للسعة، وموازن بمقاومات عبر كل مرحلة. يُضاعف التكديس على التوالي قيمة الجهد بعدد الأجسام، ويُضاعف التكديس على التوازي السعة، وتُعادل مقاومات الموازنة الجهد عبر المكثفات غير المتطابقة تمامًا. بالنسبة لتكديس يتراوح جهده بين 20 و150 كيلوفولت، يُحدد حجم مُقسّم الموازنة بناءً على فرق تيار التسريب وزمن الشحن: كلما زاد عدم تطابق تيار التسريب، انخفضت قيمة مقاومة الموازنة المطلوبة.
- يؤدي التوصيل على التوالي إلى تراكم الجهد؛ بينما يؤدي التوصيل على التوازي إلى تراكم السعة؛ ويبقى الجسم كما هو.
- وازن كل مرحلة من مراحل السلسلة باستخدام مقاومات مصممة لتناسب انتشار التسريب.
- تأكد من أن البطارية مشحونة بالكامل قبل توصيل الحمل.
الملخص
تتطور أنظمة الليزر عالية الطاقة: تبدأ طاقة الضخ من 5 كيلوجول وتصل إلى 50 كيلوجول، ويجب أن ينمو بنك الطاقة الذي يخزنها مع النظام. يحوّل مكثف "مقبض الباب" القابل للتكديس مشكلة النمو إلى مشكلة ميكانيكية - حيث يتم تثبيت المزيد من الوحدات على التوالي لتوفير الجهد، والمزيد على التوازي لتوفير السعة - بينما يظل التصميم الكهربائي كما هو. تستنتج هذه الورقة معادلات تقسيم الجهد على التوالي ومعادلات مقاومة الموازنة، وتحدد كميًا ميزانيات التسريب والتيار، وتقارن مكثفات "مقبض الباب" المكدسة ببنك طاقة كبير واحد، وتختتم بحالة تم فيها توسيع بنك طاقة بحثي لليزر من 4 إلى 16 وحدة دون تغيير أي قاعدة كهربائية.
1. سياق التطبيق: يجب أن ينمو البنك بالتوازي مع نمو تقنية الليزر
تتناسب طاقة الليزر النبضي طرديًا مع الطاقة المخزنة E = ½CV²، ويصل نظام عالي الطاقة إلى عشرات الكيلوجولات برفع الجهد V أو السعة C أو كليهما. للمكثف الواحد جهد ثابت، لذا يجب أن يأتي جانب الجهد من مجموعة مكثفات متصلة على التوالي: n مكثفات متصلة على التوالي تقسم الجهد الكلي على n مكثفات. سعة مجموعة المكثفات المتصلة على التوالي هي C/n، وتضاعفها مجموعة المكثفات المتصلة على التوازي. يجعل تصميم مقبض الباب القابل للتكديس كلا الترتيبين مسألة تتعلق بالأجهزة، وليس التصميم. الطاقة المخزنة لمجموعة من m سلاسل متوازية من n مكثفات متصلة على التوالي هي:
لا يكون تقسيم الجهد على التوالي مثاليًا أبدًا: فلكل عنصر سعة كهربائية وتيار تسريب مختلفان قليلًا، لذا تتفاوت الجهود عبر مجموعة التراص المتصلة على التوالي. وتجبر مقاومة الموازنة الموجودة عبر كل مرحلة التقسيم على أن يكون متساويًا.
2. المتطلبات الفنية
2.1 تقسيم الجهد وموازنته. في أسوأ الحالات، يكون الجهد الكلي مقسومًا على n مضافًا إليه عدم التوازن. يجب أن تحافظ شبكة الموازنة على كل مرحلة ضمن نطاق قدرتها المقدرة.
2.2 تيار التفريغ وحث الحلقة. يسحب ليزر عالي الطاقة عشرات الكيلو أمبيرات من بنك الطاقة. وتضيف وصلات التراص الحثية، ويتم تحديد ذروة التيار بواسطة الحث الكلي للحلقة L:
2.3 هامش التفريغ الجزئي عبر المدخنة. يتم تقسيم الجهد، ولكن يجب فحص هامش التفريغ الجزئي مرحلةً تلو الأخرى. يتم فحص كل جسم عند 1.2 ضعف جهد التشغيل الخاص به.
الشكل 1 - مجموعة ثلاثية الأجسام متصلة على التوالي مع مقاومات موازنة: الجهد الكلي هو 3 أضعاف تصنيف الجسم ويتم الاحتفاظ بكل مرحلة داخل حدودها الخاصة.
3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)
الألم 1 - فشل الجزء العلوي أولاً، في كل مرة. في الدائرة المكونة من ستة مكثفات، كان المكثف العلوي يتعطل أولاً دائمًا. تسبب انتشار التسريب في زيادة الجهد على المرحلة العلوية. أدى استخدام مقاومات موازنة، تم اختيار حجمها بناءً على انتشار التسريب المقاس، إلى معادلة التقسيم وتوقف الأعطال.
الألم 2 - التوسع يعني تصميمًا جديدًا. "كل ترقية للطاقة كانت تستلزم تصميمًا جديدًا للبنك." مع الأجسام القابلة للتكديس، تكون الترقية ميكانيكية: أضف جسمًا إلى السلسلة، وأضف مقاومة موازنة، وتبقى القاعدة الكهربائية دون تغيير.
الألم 3 - تباطأ النبض مع ازدياد حجم التراكم. أدى إضافة وحدات متسلسلة إلى زيادة التفريغ. كل وصلة بينية أضافت حثًا. حافظت قضبان التوصيل القصيرة والعريضة بين الوحدات والتصميم المدمج على إحكام الحلقة مع نمو المجموعة.
4. مقارنة بين مقبض الباب المزدوج ومقبض الباب الكبير الواحد
| السمة | مقابض أبواب متراصة | بنك واحد كبير |
|---|---|---|
| قابلية تغيير الجهد | سلسلة مكدسة، معيارية | تم إصلاح التقييم، يلزم إعادة التصميم |
| قابلية توسيع السعة | سلاسل متوازية، وحدات نمطية | بناء ثابت ومخصص |
| الخدمات اللوجستية لقطع الغيار | هيكل واحد، والعديد من قطع الغيار | جزء فريد لكل نظام |
| موازنة العبء | مقاومة لكل مرحلة | لا شيء (جسم واحد) |
| احتواء الأعطال | يموت جسد واحد، وينجو الباقون | البنك بأكمله متوقف |
كيفية استخدام هذه المقارنة. بالنسبة لنظام تتزايد طاقته، تُعدّ البنية المكدسة هي البنية القابلة للتوسع. ولا يُجدي استخدام بنك طاقة واحد كبير إلا إذا كان هذا الاحتياج ثابتًا إلى الأبد.
5. الاختيار وحل HVC
| الموقع الحالي | سلسلة HVC | الجهد االكهربى | المواصفات الرئيسية |
|---|---|---|---|
| عنصر مكدس | HVCT8G | 20-150 كيلو فولت/جسم | N4700، مجموعات مكبرات صوت متوازنة |
| مقاومة الموازنة | HVR | 5-50 كيلو فولت | ±1%، القيم المتطابقة |
| الزناد / الاقتران | قرص سيراميك | 1-50 كيلو فولت | الرصاص الشعاعي، الفئة 1 |
| مقوم | HVD | PIV 2–20 كيلو فولت | شفاء عاجل |
① الجهد الذي يتم تثبيته. تقوم سلسلة المكدس بضرب التصنيف بعدد الأجسام، لذلك ينمو البنك مع الليزر دون الحاجة إلى إعادة تصميم.
٢- توازن يحمي كل مرحلة. تعمل المقاومات المتوازنة المتطابقة على تثبيت كل جسم ضمن تصنيفه، مما يؤدي إلى القضاء على أعطال المرحلة العليا التي تتسبب في تلف السلاسل غير المكدسة.
③ جسم واحد، كل نظام. يُستخدم نفس جسم مقبض الباب في النموذج الأولي بقدرة 5 كيلو جول وفي بنك الإنتاج بقدرة 50 كيلو جول، مما يبسط قطع الغيار والخدمات اللوجستية.
6. دراسة حالة هندسية (مرجع)
قام فريق بحثي متخصص في الليزر بتوسيع نطاق مجموعة مصابيح الوميض الخاصة به من 4 إلى 16 جسمًا يشبه مقابض الأبواب مع ازدياد طاقة التجربة من 5 كيلوجول إلى 20 كيلوجول. احتاجت السلسلة المتصلة على التوالي إلى مقاومات موازنة؛ تم قياس انتشار التسريب للأجسام وتم تحديد حجم المقسم وفقًا لذلك:
| المعلمة المقاسة | قبل (4 أجسام، غير مكدسة) | بعد (مجموعة مكونة من 16 جسمًا) |
|---|---|---|
| إجمالي الجهد | 4 × V_body | 16 × V_body |
| انتشار جهد المرحلة | ± 18٪ | ± 4٪ |
| معدل فشل المرحلة العليا | 1 كل 6 أشهر | 0 في 2 سنة |
| طاقة البنك | 5 كيلو جول | 20 كيلو جول |
| إعادة تصميم مطلوبة | - | لا شيء |
حوّل مقبض الباب القابل للتكديس عملية تحسين الطاقة إلى مهمة ميكانيكية. نفس الهيكل، ونفس قاعدة التوازن، وبنك طاقة نما أربعة أضعاف دون أي إعادة تصميم كهربائية.
7. اعتبارات التصميم
- موازنة المراحل: حجم R_balance من انتشار التسريب المقاس؛ لا تقم أبدًا بتشغيل سلسلة غير مكدسة.
- اجعل الحلقة قصيرة: تعمل الوصلات البينية العريضة والقصيرة على تثبيت النبضة بسرعة مع نمو المكدس.
- فحص الجثث: تحقق من أن PD < 5 بيكو كولوم عند 1.2 ضعف جهد التشغيل لكل مرحلة.
قائمة التحقق من الصحة
- قم بقياس تيار التسرب لكل جسم وحدد حجم مقاومات الموازنة.
- قم بشحن المجموعة الكاملة وتحقق من أن جهد المرحلة يقع ضمن نطاق ±5% من القيمة المتساوية.
- قم بتشغيل المجموعة الكاملة عند طاقة التصميم وسجل شكل موجة التفريغ.
- قم بتشغيل 100,000 لقطة وافحص مقاومات التوازن بحثًا عن الانحراف وأجسام الكاميرا بحثًا عن PD.
8. المراجع
- [1] دبليو. كوشنر، هندسة الليزر في الحالة الصلبة، الطبعة الخامسة، سبرينغر، 6.
- [2] 蓝信钜等,《激光技术》(تقنية الليزر)، 科学出版社 (Science Press)، الطبعة الثالثة، 2014. (الكتاب الأكاديمي الصيني)
- [3] ج. ماركل وآخرون، "مكثفات الجهد العالي لأشعة الليزر المضخّمة بمصابيح الوميض"، في وقائع مؤتمر IEEE للطاقة النبضية، 2009.
- [4] IEC 60384-1، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامةاللجنة الكهروتقنية الدولية، 2018.
- [5] شركة موراتا للتصنيع، مكثفات سيراميكية عالية الجهد: تطبيقات النبضدليل استخدام منتجات موراتا، 2019. (دليل استخدام منتجات العلامة التجارية)
- [6] د. بورتيس، ج. بيلا، ج. و. كولار، "تصميم والتحكم في شبكة موازنة نشطة للمكثفات الفائقة الموصولة على التوالي"، معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة، المجلد 25، العدد 8، 2010. (مقالة في مجلة)
صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مرجعية المكثف.
منتجات HVC ذات الصلة
ثنائيات الجهد العالي لأنظمة نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)
القادم →مقاومات رقائقية عالية الجهد، طبقة سميكة، SMD