Разработка установки электрогидродинамического распыления конденсированных сред: схемотехническая реализация высоковольтного источника напряжения

Целью исследования в данной работе является разработка высоковольтного источника напряжения, силовая часть которого будет толерантна к резким скачкам тока, связанным с пробоем диэлектрической жидкости для ЭГД-экструдера. Необходимость разработки высоковольтного источника напряжения возникла из-за специфики его использования, так как конечной целью является изготовление установки электрогидродинамического распыления конденсированных сред.

Материалы. Для проектирования и исследования режимов работы высоковольтного источника напряжения были использованы методы моделирования электронных схем и проектирования печатных плат в программах Multisim и Altium Designer с последующей разработкой Android-приложения для управления высоковольтным источником питания. Корпус устройства разработан в программе AutoCAD.

Результаты. Схемотехническая структура высоковольтного источника напряжения с цифровым управлением разработана на базе микроконтроллера ATmega328. Реализовано поузловое разбиение устройства, включающее силовую и управляющую части, а также коммуникационные и защитные блоки. Выполнена схема управляющей части высоковольтного источника, способная обеспечивать стабилизированное питание микроконтроллера и периферии, отображение информации о температуре, управление и отражение состояния на ЖК-дисплее, а также связь с внешними устройствами для мониторинга и настройки. При помощи специализированной программы моделирования Multisim подтверждена работоспособность схемы: выходное напряжение соответствует расчётному и демонстрирует стабильную работу устройства. Трассировка и 3D-моделирование печатной платы выполнено с помощью комплексной системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств Altium Designer, в соответствии с конструктивными и схемотехническими особенностями разрабатываемого устройства.

Заключение. Разработана и смоделирована схема высоковольтного источника напряжения. Проведены экспериментальные исследования разработанного источника высокого напряжения для верификации его характеристик, особенно устойчивости к токовым скачкам и стабильности выходного напряжения.

1. Орел Е. А. Совершенствование высоковольтного источника вторичного питания, работающего на импульсную нагрузку // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26, № 2. С. 31-40. https://doi.org/10.18721/JEST.26203.

2. Угловский А. С., Семеренко Ю. С. Разработка высоковольтного источника питания // Вестник АПК Верхневолжья. 2024. Т. 68, № 4. С. 100-109. https://doi.org/10.35694/YARCX.2024.68.4.015.

3. Development of high-power density interleaved DC/DC converter with SiC devices / T. Kitamura, M. Yamada, S. Harada, M. Koyama // Electrical Engineering in Japan. 2016. Vol. 196. P. 22-29. https://doi.org/10.1002/eej.22748.

4. Butler S. Enabling a powerful decade of changes [Flyback] // IEEE Power Electronics Magazine. 2019. Vol. 6. P. 18-26. https://doi.org/10.1109/MPEL.2018.2886103.

5. A modified step-Up DC-DC flyback converter with active snubber for improved / C. Pesce, J. Riedemann, R. Pena, W. Jara, C. Maury, R. Villalobos // Energies. 2019. Vol. 12. P. 1-17. https://doi.org/10.3390/en12112066.

6. Ravi V., Lakshminarasamma N. Steady state voltage gain of flyback converters for high voltage low power applications // 2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). Trivandrum, Iudia: IEEE, 2016. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/PEDES.2016.7914508.

7. Barsoum N., Stanley G. Design of high voltage low power supply device // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering. 2015. Vol. 3, no. 1. P. 6-12. https://doi.org/10.13189/ujeee.2015.030102.

8. DC/DC Conversion systems consisting of multiple converter modules: stability, control, and experimental verifications / W. Chen, X. Ruan, H. Yan, C.K. Tse // IEEE Transactions on Power Electronics. 2009. Vol. 6, no. 24. P. 1463-1474. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2012406.

9. Design improvements for primary-side-regulated high-power flyback converters in continuous-conduction-mode / B. Keogh, B. Long, J. Leisten // 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Charlotte, USA: IEEE, 2015. P. 492-497. https://doi.org/10.1109/APEC.2015.7104395.

10. Ravi V., Lakshminarasamma N. Modeling, analysis and implementation of high voltage low power flyback converter feeding resistive loads // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 5, no. 54. P. 4682-4695. https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2838547.

11. Hyeok-Jin Y. High-voltage input and low-voltage output power supply for modular multilevel converter // 2016 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Busan, South Korea: IEEE, 2016. P. 157-162. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2016.7512940.

12. Davari P., Zare F., Ghosh A. Parallel and series configurations of flyback converter for pulsed power applications // 2012 7th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Singapore: IEEE, 2012. P. 1517-1522. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2012.6360964.

13. Zelnik R., Prazenica M. Multiple output flyback converter design // Transactions on electrical engineering. 2019. Vol. 8, no. (3). P. 32-39. https://doi.org/10.14311/TEE.2019.3.03.

14. Leuenberger D., Biela J. Accurate and computationally efficient modeling of flyback transformer parasitics and their influence on converter losses // 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe). Geneva, Switzezland: IEEE; 2015. P. 1-10. https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7309194.

15. Bielskis E., Baskys A., Sapurov M. Impact of transformer design on flyback converter voltage spikes // Elektronika ir elektrotechnika. 2016. Vol. 22, no. 5. P. 58-61. https://doi.org/10.5755/j01.eie.22.5.16345.

16. Bielskis E., Šapurov M., Platakis A. Investigation of flyback transformer flux leakage reduction ways // Mokslas – Lietuvos ateitis. 2017. Vol. 9, no. 3. P. 312-317. https://doi.org/10.3846/mla.2017.1037.