Repetitive Solid State Pulse Modulator Based on a DC Voltage Multiplier

A newly developed solid-state repetitive high-voltage (HV) pulse modulator topology created from the mature concept of the d.c. voltage multiplier (VM) is described. The proposed circuit is based in a voltage multiplier type circuit, where a number of d.c. capacitors share a common connection with different voltage rating in each one. Hence, besides the standard VM rectifier and coupling diodes, two solid-state on/off switches are used, in each stage, to switch from the typical charging VM mode to a pulse mode with the d.c. capacitors connected in series with the load. Due to the on/off semiconductor configuration, in half-bridge structures, the maximum voltage blocked by each one is the d.c. capacitor voltage in each stage. A 2 kV prototype is described and the results are compared with PSPICE simulations.

Projecto e implementação de um sistema de alimentação para um transformador de alta tensão

Neste trabalho pretende-se estudar, dimensionar e implementar experimentalmente de um sistema de alimentação para transformadores de alta tensão a alta frequência. Este sistema será constituído por dois elementos principais, um rectificador monofásico em ponte totalmente controlado e por um inversor de tensão. Inicialmente realizou-se um estudo sobre as diferentes topologias possíveis para o rectificador considerando diferentes tipos de carga. Realizou-se, também, um estudo sobre o circuito de geração dos impulsos de disparo dos tiristores, executado com base num circuito integrado TCA 785, dimensionou-se os elementos constituintes do circuito de disparo, e de um sistema de controlo da tensão de saída do rectificador. Posteriormente estudou-se o funcionamento do inversor de tensão, definindo-se os modos de operação e dimensionou-se um circuito ressonante tendo em conta os parâmetros construtivos do transformador que se pretende utilizar. Finalmente procedeu-se à implementação prática dos sistemas previamente dimensionados e simulados e à apresentação dos respectivos resultados.

Solid-State Bipolar Marx Generator with Voltage Droop Compensation

This paper addresses the voltage droop compensation associated with long pulses generated by solid-stated based high-voltage Marx topologies. In particular a novel design scheme for voltage droop compensation in solid-state based bipolar Marx generators, using low-cost circuitry design and control, is described. The compensation consists of adding one auxiliary PWM stage to the existing Marx stages, without changing the modularity and topology of the circuit, which controls the output voltage and a LC filter that smoothes the voltage droop in both the positive and negative output pulses. Simulation results are presented for 5 stages Marx circuit using 1 kV per stage, with 1 kHz repetition rate and 10% duty cycle.

Mass spectrometry improvement on an high current ion implanter

The development of accurate mass spectrometry, enabling the identification of all the ions extracted from the ion source in a high current implanter is described. The spectrometry system uses two signals (x-y graphic), one proportional to the magnetic field (x-axes), taken from the high-voltage potential with an optic fiber system, and the other proportional to the beam current intensity (y-axes), taken from a beam-stop. The ion beam mass register in a mass spectrum of all the elements magnetically analyzed with the same radius and defined by a pair of analyzing slits as a function of their beam intensity is presented. The developed system uses a PC to control the displaying of the extracted beam mass spectrum, and also recording of all data acquired for posterior analysis. The operator uses a LabView code that enables the interfacing between an I/O board and the ion implanter. The experimental results from an ion implantation experiment are shown. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

New Technique for Uniform Voltage Sharing in Series Stacked Semiconductors

This paper describes the operation of a solid-state series stacked topology used as a serial and parallel switch in pulsed power applications. The proposed circuit, developed from the Marx generator concept, balances the voltage stress on each series stacked semiconductor, distributing the total voltage evenly. Experimental results from a 10 kV laboratory series stacked switch, using 1200 V semiconductors in a ten stages solid-state series stacked circuit, are reported and discussed, considering resistive, capacitive and inductive type loads for high and low duty factor voltage pulse operation.

Transformador para fonte de alta-tensão contínua

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Simulation of rectifier voltage malfunction on OWECS, four-level converter, HVDC light link: Smart grid context tool

This paper presents a model for the simulation of an offshore wind system having a rectifier input voltage malfunction at one phase. The offshore wind system model comprises a variable-speed wind turbine supported on a floating platform, equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power four-level neutral point clamped converter. The link from the offshore floating platform to the onshore electrical grid is done through a light high voltage direct current submarine cable. The drive train is modeled by a three-mass model. Considerations about the smart grid context are offered for the use of the model in such a context. The rectifier voltage malfunction domino effect is presented as a case study to show capabilities of the model. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

The influence of high cable penetration in distribution networks on earth fault currents and the operation of relay protection.

Recent Storms in Nordic countries were a reason of long power outages in huge territories. After these disasters distribution networks' operators faced with a problem how to provide adequate quality of supply in such situation. The decision of utilization cable lines rather than overhead lines were made, which brings new features to distribution networks. The main idea of this work is a complex analysis of medium voltage distribution networks with long cable lines. High value of cable’s specific capacitance and length of lines determine such problems as: high values of earth fault currents, excessive amount of reactive power flow from distribution to transmission network, possibility of a high voltage level at the receiving end of cable feeders. However the core tasks was to estimate functional ability of the earth fault protection and the possibility to utilize simplified formulas for operating setting calculations in this network. In order to provide justify solution or evaluation of mentioned above problems corresponding calculations were made and in order to analyze behavior of relay protection principles PSCAD model of the examined network have been created. Evaluation of the voltage rise in the end of a cable line have educed absence of a dangerous increase in a voltage level, while excessive value of reactive power can be a reason of final penalty according to the Finish regulations. It was proved and calculated that for this networks compensation of earth fault currents should be implemented. In PSCAD models of the electrical grid with isolated neutral, central compensation and hybrid compensation were created. For the network with hybrid compensation methodology which allows to select number and rated power of distributed arc suppression coils have been offered. Based on the obtained results from experiments it was determined that in order to guarantee selective and reliable operation of the relay protection should be utilized hybrid compensation with connection of high-ohmic resistor. Directional and admittance based relay protection were tested under these conditions and advantageous of the novel protection were revealed. However, for electrical grids with extensive cabling necessity of a complex approach to the relay protection were explained and illustrated. Thus, in order to organize reliable earth fault protection is recommended to utilize both intermittent and conventional relay protection with operational settings calculated by the use of simplified formulas.

Transformers 1

A 35 minute overview of Transformer construction and design elements by Prof Jan Sykulski of the University of Southampton.

Transformers 3

A 36 minute covering transformer testing, use in three-phase connections and power systems by Prof Jan Sykulski of the University of Southampton.

A low-cost neurostimulator with accurate pulsed-current control

A constant-current stimulator for high-impedance loads using only low-cost standard high-voltage components Is presented. A voltage-regulator powers an oscillator built across the primary of a step-up transformer whose secondary supplies, after rectification, the high voltage to a switched current-mirror in the driving stage. Adjusting the regulated voltage controls the pulsed-current intensity. A prototype produces stimulus of amplitude and pulsewidth within 0 less than or equal to I-skin less than or equal to 20 mA and 50 mus less than or equal to T-pulse less than or equal to 1 ms, respectively. Pulse-repetition spans from 1 Hz to 10 Hz. Worst case ripple is 3.7% at I-skin = 1 mA. Overall consumption is 5.6 W at I-skin = 20 mA.

A simple constant-current neural stimulator with accurate pulse-amplitude control

A simple constant-current electrocutaneous stimulator for high-impedance loads using low-cost, standard high-voltage components is presented. A voltage-regulator powers an oscillator built across the primary of a transformer whose secondary delivers, after rectification, the high-voltage supply to switched current-mirrors in the driving stage. Since the compliance high-voltage is proportional to the stimulation current, overall power consumption is minimized. By adjusting the regulated voltage, control of the pulsed-current amplitude is achieved. A prototype with readily available components features stimulation currents of amplitude and pulsewidth in the range 0≤Iskin≤20mA and 50μs ≤Tpulse≤1ms, respectively. Pulse-repetition spans from 1 Hz to 10Hz. Worst-case ripple is 3.7% @Iskin=1mA. Measured pulse fall-time is shorter than 32μs. Overall consumption is 4.4W @Iskin=20mA. Subject isolation from line is 4KV.