Vacuum Electron-beam Valves in the Inverter for a Static Compensator

Authors

  • Александр [Aleksandr] Владимирович [V.] Щербаков [Shcherbakov]
  • Павел [Pavel] Михайлович [M.] Стальков [Stal′kov]

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-4-113-120

Keywords:

power semiconductors, electron-beam valves, converter equipment

Abstract

The article presents the results from studying the possibility of designing inverters for power industry applications with a capacity of 1...2 MW with transformerless connection to a network with a frequency of 50 Hz and voltage up to 35 kV, with the use of high-voltage switching apparatuses on the basis of electron-beam valves for currents up to 50 A and switched voltages up to 100 kV. If we wish to make further progress in the technology of power converters for electric power industry applications, it is necessary to improve the components in terms of increasing the operating voltages and frequency range, the resistance to the effect of external influencing factors, robustness to changes in power operating conditions, and reliability enhancement. Electron-beam valve based switches can be considered as an alternative to power semiconductor devices as components for making inverters. The effectiveness of using electron-beam valves should be estimated by comparing their electrical and operating characteristics with those of power semiconductor devices under the conditions of their possible use in the converters of a power supply system with the voltage level of 35 kV and above. With the approximately equal levels of power switched by the valves, power semiconductor devices are able to pass currents equal to around a few kA at voltages lower than 5...6 kV. As to electron-beam valves, in passing the same power levels, they can switch a constant current of around 50 A at a voltage of 50 to 200 kV. A significant advantage of electron-beam valves is their ability to limit short-circuit current in the load and simultaneously withstand short-term dissipation of a large power on the anode. In principle, electron-beam valves can be used to construct inverters with a PWM quantization frequency of more than 10 kHz, which is not attainable for power semiconductor devices on the basis of IGCT and IGBT (up to 2 kHz). Electron-beam valves operating in the mode of switching a voltage ranging from 20 to 200 kV can have losses in the conducting period at a level of 2...3% of the switched power. With the switched power at a level of 300...400 kW, it becomes possible to construct PWM inverters for static reactive power compensators. The main disadvantage of electron-beam valves is a relatively low maximum value of their electrical efficiency (0.9) and durability (the service life of usual barium cathodes operating with a current density of up to 1 A/cm 2 and temperature of about 700...800 o C is no more than 8000 h). Decreasing the current density results in a proportional increase of the durability. A further increase in the electrical efficiency of an electron-beam valve is possible by optimizing the design of its electronic-optical system with the aid of computer modeling, and the durability of the cathode can be increased by optimizing its design, the application technology, and chemical composition. For example, increasing the durability up to 100 000 h at a current density of up to 30 A/cm 2 and a temperature of about 1100 о C is possible by using dispenser cathodes on the basis of a tungsten sponge with WBaOs coating and longitudinal grooves on the substrate.

Author Biographies

Александр [Aleksandr] Владимирович [V.] Щербаков [Shcherbakov]

Science degree:

Dr.Sci. (Techn.)

Workplace

All-Russian Electrotechnical Institute

Occupation

Head of Department

Павел [Pavel] Михайлович [M.] Стальков [Stal′kov]

Science degree:

Ph.D. (Techn.)

Workplace

All-Russian Electrotechnical Institute

Occupation

Senior Researcher

References

1. Кузьменко В.А., Таратута И.П., Чуприков В.С. Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (опыт разработки и внедрения) // Электро. 2003. № 5. С. 34—38.

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.

Published

2018-08-01

Issue

Section

Electrical Engineering (05.09.00)