Ключевые вакуумные электронно-лучевые вентили в инверторе для статического компенсатора
Аннотация
Приведены результаты исследований возможности создания инверторов для энергетики мощностью 1…2 МВт при бестрансформаторном подключении к сети частотой 50 Гц напряжением до 35 кВ на основе ключевых высоковольтных приборов (ВВП) — электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ) на ток до 50 А и напряжение коммутации до 100 кВ. Технический прогресс в преобразовательной технике для электроэнергетики требует совершенствования элементной базы в направлениях увеличения рабочих напряжений и частотного диапазона, стойкости к воздействию внешней среды, устойчивости к изменению энергетических режимов и надежности. Альтернативой элементной базы инверторов силовым полупроводниковым приборам (СПП) являются ключевые ЭЛВ. Оценку эффективности применения ЭЛВ следует проводить на основе сравнения электрических и эксплуатационных характеристик с СПП в условиях возможности использования их в преобразователях системы электроснабжения на уровне напряжения 35 кВ и выше. При приблизительном равенстве коммутируемой ключами мощности СПП позволяют пропускать величину тока порядка нескольких килоампер при напряжении меньшем 5…6 кВ. Электронно-лучевые вентили в условиях той же мощности используются при постоянном токе около 50 А и напряжении 50…200 кВ. Существенным преимуществом ЭЛВ является ограничение тока короткого замыкания (КЗ) в нагрузке и возможность в это время выдерживать кратковременное рассеивание большой мощности на аноде. На основе ЭЛВ можно создавать в перспективе инверторы с частотой дискретизации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) более 10 кГц, что исключено для СПП типа IGCT и IGBT (до 2 кГц). ЭЛВ в ключевом режиме при коммутации напряжения от 20 до 200 кВ могут иметь потери в проводящий период 2…3 % коммутируемой мощности. Уровень коммутируемой мощности, составляющий 300…400 кВт, позволяет создавать инверторы с ШИМ для статических компенсаторов (СТК) реактивной мощности. Основной недостаток ЭЛВ — сравнительно низкое максимальное значение электрического КПД (0,9) и долговечность (обычные бариевые катоды до 8000 ч при токоотборе до 1 А/см 2 и температуре около 700…800 о С). Снижение плотности токоотбора пропорционально способствует повышению долговечности. Дальнейшее повышение электрического КПД ЭЛВ возможно путем оптимизации конструкции его электронно-оптической системы (ЭОС) с помощью компьютерного моделирования, а долговечность катода может быть достигнута за счет оптимизации конструкции, технологии нанесения и химического состава. Например, повышение долговечности до 100 000 ч при токоотборе до 30 А/см 2 и температуре около 1100 o C возможно путем применения металлопористых катодов на основе вольфрамовой губки с покрытием из WBaOs и продольными канавками на подложке.
Литература
2. Щербаков А.В. Импульсный высоковольтный модулятор с частичным разрядом емкостного накопителя // Вестник МЭИ. 2017. № 1. С. 50—57.
3. Щербаков А.В. Электронно-лучевые вентили для высоковольтных импульсных устройств // Электротехника. 2014. № 2. Т. 1. С. 38—43.
4. Переводчиков В.И. и др. Исследование путей создания преобразователя для энергетики на основе вакуумных ключевых электронных приборов // Электротехника. 2012. № 10. С. 18—24.
5. Радилов Т.В. Разработка методики моделирования установившихся режимов электроэнергетических систем с гибкими электропередачами: автореф. дисс. ...канд. техн. наук. М., 2014.
6. Переводчиков В.И. и др. Перспективы разработки и применения вакуумных электронных приборов в силовой электронике и энергетике // Прикладная физика. 2012. № 2. С. 18—24.
7. Переводчиков В.И., Щербаков А.В., Трухачев И.М., Матвеев Н.В. Перспективы создания помехоустойчивого статического компенсатора реактивной мощности на основе вакуумных ключевых электронных приборов // Электро. 2011. № 5. С. 41—44.
8. Пат. № 95434 РФ. Многофункциональный энергетический комплекс (МЭК) / Н.В. Матвеев и др. // Бюл. изобрет. 2010. № 18.
9. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Мартынов В.Ф. Новый класс мощных электронных приборов — электронно-лучевые вентили // Прикладная физика. 2000. № 2. С. 86—94.
10. Акимов П.И. Принципы построения электронно-оптических систем мощных электронных приборов и методы их численного проектирования: Автореф. дисс. ... доктора физ.-мат. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2002.
11. Perevodchikov V.I., Stalkov P.M. Voltage Drop in Switch High-voltage Vacuum Electronic Devices // Proc. Intern. Conf. Actual Problems of Electron Devices Eng. Saratov, 2010. Pp. 454—459.
12. Perevodchikov V.I. e. a. High-effective Switching and Power Amplifier Tubes with Electrons Deceleration and Their Application in Power Electronics // IEEE Vacuum Electronics Conf. Monterey, 2010. Pp. 477—478.
13. Ашкинази Л.А. Результаты в области термо- и вторично-электронных катодов за 1990—2009 годы. М.: Изд-во МИЭМ, 2010.
14. Смирнов В.А. и др. Щелевые металлопористые катоды // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2017. Т. 1. № 1 (1). С. 96—99.
15. Смирнов В.А. и др. Катодные узлы для ускорителей электронов // Современные технологии в науке и образовании — СТНО-2016: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. Рязань: Рязанский гос. радиотехн. ун-т, 2016. С. 137—141.
16. Акимов П.И. и др. Мощный импульсный многолучевой клистрон для питания линейного ускорителя электронов // Там же. С. 137—141.
---
Для цитирования: Щербаков А.В., Стальков П.М. Ключевые вакуумные электронно-лучевые вентили в инверторе для статического компенсатора // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 113—120. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-113-120.
#
1. Kuz'menko V.A., Taratuta I.P., Chuprikov V.S. Staticheskie Tiristornye Kompensatory Reaktivnoy Moshchnosti (Opyt Razrabotki i Vnedreniya). Elektro. 2003;5:34—38. (in Russian).
2. Shcherbakov A.V. Impul'snyy Vysokovol'tnyy Modulyator s Chastichnym Razryadom Emkostnogo Nakopitelya. Vestnik MPEI. 2017; 1:50—57. (in Russian).
3. Shcherbakov A.V. Elektronno-luchevye Ventili dlya Vysokovol'tnyh Impul'snyh Ustroystv. Elektrotekhnika. 2014;2;1:38—43. (in Russian).
4. Perevodchikov V.I. i dr. Issledovanie Putey Sozdaniya Preobrazovatelya dlya Energetiki na Osnove Vakuumnyh Klyuchevyh Elektronnyh Priborov. Elektrotekhnika. 2012;10:18—24. (in Russian).
5. Radilov T.V. Razrabotka Metodiki Modelirovaniya Ustanovivshihsya Rezhimov Elektroenergeticheskih Sistem s Gibkimi Elektroperedachami: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. M., 2014. (in Russian).
6. Perevodchikov V.I. i dr. Perspektivy Razrabotki i Primeneniya Vakuumnyh Elektronnyh Priborov v Silovoy Elektronike i Energetike. Prikladnaya Fizika. 2012;2:18—24. (in Russian).
7. Perevodchikov V.I., Shcherbakov A.V., Truhachev I.M., Matveev N.V. Perspektivy Sozdaniya Pomekhoustoychivogo Staticheskogo Kompensatora Reaktivnoy Moshchnosti Na Osnove Vakuumnyh Klyuchevyh Elektronnyh Priborov. Elektro. 2011; 5:41—44. (in Russian).
8. Pat № 95434 RF. Mnogofunktsional'nyy Energeticheskiy Kompleks (MEK) / N.V. Matveev i dr. Byul. Izobret. 2010;18. (in Russian).
9. Perevodchikov V.I., Shapenko V.N., Martynov V.F. Novyy Klass Moshchnyh Elektronnyh Priborov — Elektronno-luchevye Ventili. Prikladnaya Fizika. 2000; 2: 86—94. (in Russian).
10. Akimov P.I. Printsipy Postroeniya Elektronno-opticheskih Sistem Moshchnyh Elektronnyh Priborov i Metody ih Chislennogo Proektirovaniya: Avtoref. Diss. ... Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: Izd-vo MPEI, 2002. (in Russian).
11. Perevodchikov V.I., Stalkov P.M. Voltage Drop in Switch High-voltage Vacuum Electronic Devices. Proc. Intern. Conf. Actual Problems of Electron Devices Eng. Saratov, 2010:454—459.
12. Perevodchikov V.I. e. a. High-effective Switching and Power Amplifier Tubes with Electrons Deceleration and Their Application in Power Electronics. IEEE Vacuum Electronics Conf. Monterey, 2010:477—478.
13. Ashkinazi L.A. Rezul'taty v Oblasti Termo- i Vtorichno-elektronnyh Katodov za 1990—2009 Gody. M.: Izd-vo MIEM, 2010. (in Russian).
14. Smirnov V.A. i dr. Shchelevye Metalloporistye Katody. Elektronika i Mikroelektronika SVCH. 2017;1;1 (1):96—99. (in Russian).
15. Smirnov V.A. i dr. Katodnye Uzly dlya Uskoriteley Elektronov. Sovremennye Tekhnologii v Nauke i Obrazovanii — STNO-2016: Sb. Trudov Mezhdunar. Nauch.-tekhn. i Nauch.-metod. Konf. Ryazan': Ryazanskiy Gos. Radiotekhn. Un-t, 2016:137—141. (in Russian).
16. Akimov P.I. i dr. Moshchnyy Impul'snyy Mnogoluchevoy Klistron dlya Pitaniya Lineynogo Uskoritelya Elektronov. Tam zhe:137—141. (in Russian).
---
For citation: Shcherbakov A.V., Stalkov P.M. Vacuum Electron-beam Valves in the Inverter for a Static Compensator. MPEI Vestnik. 2018;4:113—120. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-113-120.
