چکیده:توان پالسی طرحی است برای تخلیه انرژی ذخیره شده الکتریکی بر روی بار در یک یا چند پالس کوتاه با نرخ تکرار قابل کنترل. فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالسهای کم توان و پالسهای پر توان تقسیم می شود. پالسهای کم توان در حد چند مگا وات و پالسهای پرتوان دارای توانی در حد گیگا و تراوات یا بیشتر می باشد.در این پایان نامه با هدف تولید شکل موج پالسی مورد نیاز برای تولید ورقهای فلزی از مولد مارکس تک قطبی با قطعات نیمه هادی استفاده شده؛ سپس با در مدار آوردن با تاخیر هر طبقه شکل موج مورد نیاز پالسی ساخته می شود. برای محاسبه زمان مناسب ورود هر طبقه به مدار الگوریتم ژنتیک به کار می رود.با افزایش زمان، به دلیل افت ولتاژ خازنهای ذخیره کننده انرژی در مولد مارکس سطح پالس دچار افت و در نتیجه سبب خارج شدن شکل موج پالسی از حالت مورد نیاز می شود. برای از بین بردن این مشکل از جبران کننده فعال مدولاسیون عرض پالس استفاده می شود. به منظور کاهش هزینه و افزایش سادگی مدار در این پایان‌نامه طرح جدیدی برای جبران کننده فعال مدولاسیون عرض پالس ارائه شده است؛ در این طرح منبع تغذیه کمکی حذف و تعدادی از خازنهای مولد مارکس به عنوان جبران کننده پالس اصلی استفاده می‌شود.تمامی شبیه سازی ها در محیط سیمولینک[1] و محاسبات ریاضی مربوط به نمونه برداری از پالس خروجی و مقایسه آن با پالس الگو و بدست آوردن تابع خطا در محیط برنامه نویسی متلب[2] انجام می گیرد و نوار ابزار «گوست[3]» برای محاسبه زمان تاخیر سوییچ های هر واحد استفاده می‌شود. فهرست1 مفاهیم اساسی1-1مقدمه 21-2 ذخیره سازی 61-2-1منابع پالسی خازنی 61-2-2منابع پالسی سلفی 71-2-3نوسان ساز جبران کننده پالسی 71-2-4مولد های تک قطبی HPG 81-2-5نوسان ساز دیسکی 101-3 سوییچ های بسته شونده 101-3-1سوییچ های گازی 101-3-2سوییچ های بسته شونده نیمه هادی 111-3-3سوییچ های مغناطیسی 121-4 سوییچ های باز شونده 141-4-1فیوز 141-4-2قطع کننده مکانیکی 151-4-3سوییچ باز شونده ابر رسانا 151-4-4سویچ سیال (پلاسمایی) 151-4-5سوییچ باز شونده نیمه هادی 161-5 خطوط انتقال 172 کاربرد های توان پالسی2-1 گداخت هسته ای 192-2 اثرات میدان الکتریکی پالسی بر روی ریز موجودات زنده 192-2-1غیر فعال سازی میکروبی 202-3 کاربرد ها در درمان سرطان 242-4 ساخت مواد 272-4-1 ورقهای فلزی 272-4-2 پرداخت اولیه چوب با پالسهای لیزر 272-4-3 لایه نشانی سخت 292-4-4شکل دادن فلز در سرعت بالا 292-4-4-1 هیدرو پالسر 302-5 نفت و صنایع شیمیایی 312-5-1تولید اُزن 312-5-2شکستن امولسیون نفت خام با میدانهای الکتریکی ولتاژ بالای پالسی 322-6 تصفیه گاز 332-7 تصفیه آب و فاضلاب 343 پیشینه تحقیق و روش پیشنهادی3-1 نیازمندیهای مولد پالسی در مهندسی مواد 373-2 مولد مارکس 383-3 مولد پالسی مارکس تکرار شونده حالت جامد 403-3-1شارژ 403-4 معرفی کلید زنی پیشنهادی با استفاده از الگوریتم ژنتیک 443-4-1الگورییتم ژنتیک 463-4-2مزایای استفاده از الگوریتم ژنتیک 503-5 جبران سازی لبه پالس ولتاژ 503-5-1روش جبران سازی مدولاسیون عرض پالس 523-5-2طراحی پارامتر های جبران کننده مدولاسیون عرض پالس 533-5-3 سیگنال فرمان MOSFET 543-5-4 ولتاژ منبع تغذیه کمکی 573-5-5 خازن Ccp 573-6 مدار پیشنهادی برای جبران‌سازی مولد مارکس 584 نتایج شبیه سازی4-1 تنظیم زمانهای تریگر واحدها 604-2 جبران سازی لبه پالس 644-3 بهبود شکل پالس به کمک جبران سازی 715 نتیجه گیری و پیشنهادات5-1 نتیجه گیری 745-2 پیشنهادات 74مراجع 76چکیده انگلیسی 79ضمیمه 80فهرست جداول:جدول 1-1محدوده توان پالسی 2جدول1-2 مقایسه محدوده عملکرد سوییچ های بسته شونده از دید بیشینه ولتاژ و جریان قابل تحمل 13جدول 1-3 مقایسه سوییچ های باز شونده 16جدول 2-1 مشخصات دستگاه برش پالسی 30جدول 4-1 پارامترهای مدار 64جدول 4-2 نتایج بدست آمده برای جبران سازی سطح پالس 71فهرست شکلها و تصاویر:شکل 1-1 نمودار کلی یک مولد پالس 2شکل 1-2 شکل ظاهری پالس 3شکل 1-3شمای مولد پالسی با ذخیره ساز خازنی 5شکل 1-4شمای مولد پالسی با ذخیره ساز سلفی 6شکل1-5 نوسانساز جبران کننده پالسی 8شکل 1-6مولد تک قطبی 9شکل 1-7نوسان ساز دیسکی 10شکل 1-8 نمایی از سوییچ تریگاترون 11شکل 1-9نمودار مغناطیس شوندگی هسته سوییچ مغناطیسی 12شکل 1-10 شمای سوییچ سیال 15شکل 1-11 مدار با خط انتقال 17شکل 2-1 محفظه عملیات دیسکی شکل 21شکل 2-2 محفظه عملیات استوانه ای 21شکل 2-3 محفظه عملیات میله ای 22شکل 2-4 محفطه عملیات پیوسته ساده باحفره در عایق آن 22شکل 2-5 محفظه عملیات پیوسته 23شکل 2-6 محفظه عملیات پیوسته 23شکل 2-7 طرح مولد پالس استفاده شده برای درمان سرطان 24شکل 2-8 طرح سیم پیچ هلم هولتز 25شکل 2-9 محفظه عملیاتی درمان سرطان 25شکل 2-10 پالسهای مغناطیسی اعمال شده برای درمان سرطان 26شکل2-11ورق تولید شده توسط شرکت کابایلی با روش توان پالسی 28شکل 2-12 مدار به کار رفته برای شکل دهی هیدرولیک 30شکل 3-1 جریان بار مورد نیاز در ساخت ورق فلزی 37شکل3-2 مولد مارکس کلاسیک 39شکل3-4 مدار تخلیه مارکس کلاسیک 39شکل3-5 مولد پالسی مارکس تکرار شونده حالت جامد 40شکل3-6 مدار شارژ مولد مارکس حالت جامد 40شکل3-7 مدار تخلیه خازنهای مولد مارکس حالت جامد 41شکل3-8 الف سیگنال فرمان سوییچهای فرد ب سیگنال فرمان سوییچ های زوج 43شکل 3-9 پالس الگو 44شکل3-10 فلوچارت الگوریتم ژنتیک 47شکل3-11مدار معادل تخلیه خازن 50شکل 3-12 شکل موج ولتاژ خازن در زمان تخلیه 51شکل 3-13 مدار معادل مولد مارکس متوالی با جبران کننده PWM 52شکل 3-14 روش کار در جبران سازی PWM 53شکل 3-15 سیگنال فرمان مورد نیاز با دوره کاری متغیر 54شکل 3-16 تولید سیگنال فرمان با مقایسه موج دندان اره ای و مربعی 55شکل 0‑18 الف افت ولتاژ سطح پالس ب ولتاژ جبران ساز 57شکل 0‑19 مدار جبران ساز پیشنهادی 58شکل4-1 مولد حالت جامد با چهار واحد 60شکل4-2ولتاژ الگوی مثلثی 61شکل 4-3 ولتاژ بار مدار چهار واحده مثلثی 61شکل 4-4ولتاژ الگوی سینوسی 62شکل 4-5 ولتاژ بار مدار چهار واحده سینوسی 62شکل 4-6 جریان IGBT مدار تولید پالس مثلثی 63شکل 4-7 ولتاژ IGBT مدار تولید پالس مثلثی 63شکل 4-8 مدار فرمان تولید موج PWM 65شکل 4-9 مدار پیشنهادی 65شکل 4-10 ولتاژ پالسی بار بدون جبران سازی 66شکل 4-11 ولتاژ پالسی بار با جبران سازی همزمان خازنها 66شکل 4-12 بزرگنمایی ابتدای ولتاژ پالسی بار 67شکل 4-13 بزرگنمایی انتهای ولتاژ پالسی بار 67شکل 4-14 افت ولتاژ بار و ولتاژ جبران ساز 68شکل 4-15 ولتاژ پالسی بار با جبران سازی نوبتی خازنها 69شکل 4-16 بزرگنمایی لحظه ی نیمه ولتاژ پالسی بار 69شکل 4-17 پالس ولتاژ بار بعد از فیلتر کردن توسط ترانس 70شکل 4-18 ولتاژ پالس مثلثی مدار چهار واحده بهبود یافته با جبران سازی PWM 72شکل4-19 بزرگنمایی شکل 4-18 72 فصلاولمفاهیم اساسی 1-1مقدمهتوان پالسی طرحی است برای تخلیه انرژی ذخیره شده الکتریکی بر روی بار در یک پالس کوتاه یا پالسهایی کوتاه با نرخ تکرار قابل کنترل. فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالسهای کم توان و پالسهای پر توان تقسیم می شود. پالسهای کم توان در حوزه مخابرات، الکترونیک سرعت بالا، اندازه گیری و پالسهای پرتوان دارای توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر بوده ویژگی این پالسها در جدول زیر نشان داده شده است.فناوری پالسهای پرقدرت ایده اصلی آن مبتنی بر جمع آوری انرژی از منابع عادی اولیه در سطوح پایین توان و چگالی توان اندک و در درمرحله بعد ذخیره سازی موقت آن انرژی است سپس انرژی به سرعت از منبع ذخیره موقت رها می شود و شکل پالسی می یابد. و در نهایت پس از فشرده سازی توان پالسی، انرژی الکتریکی با سطوح بالای توان و چگالی توان به بار انتقال می یابد.[1]شکل 1-1 محدوده توان پالسیشکل 1-2 شکل ظاهری پالسعلاوه بر توان و انرژی، پالسها با نوع شکل شان نیز شناسایی می شوند. مثلاً با زمان صعود، زمان افت، عرض پالس یا صافی سطح پالس. معمولاً عرض پالسها توان بالا بین چند نانو ثانیه تا چند میکروثانیه در نظر گرفته می شود.(شکل 1-1)زمان صعود زمانی است که ولتاژ از 10% تا 90% اندازه نهایی افزایش می یابد. زمان افت نیز مدت زمان افت ولتاژ از 90% تا 10% است. زمان افت و صعود تا حدود زیادی به امپدانس بار بستگی دارد که با زمان معمولاً متغیر است. تعریف واحدی برای عرض پالس در منابع وجود ندارد اما برای برخی کاربردها بهتر است مدت زمانی که شکل موج حداقل 90% مقدار بیشینه را دارد تعریف گردد.جدول 0‑1 محدوده توان پالسیانرژی10-107 ژولتوان106 – 1014 واتولتاژ103- 107 ولتجریان103 – 107 آمپرچگالی جریان106-1011 آمپر بر متر مربععرض پالسثانیهانرژی10-107 ژولتوان106 – 1014 واتولتاژ103- 107 ولتجریان103 – 107 آمپرچگالی جریان106-1011 آمپر بر متر مربععرض پالسثانیهطرح توان پالس قابلیت شکل دهی پالس را علاوه بر چند برابر کنندگی توان دارا می باشد. مثلاً می توان زمان صعود و عرض پالس دلخواه را ایجاد کرد. برای بهینه سازی انتقال انرژی به بار تبدیل امپدانس ممکن است نیاز باشد. شکل 1-2 اجزای مولد پالس را نشان می دهند. انرژی می تواند به صورت شیمیایی، مکانیکی یا الکتریکی ذخیره شود. در بعضی دستگاهها انفجار شیمیایی برای فشرده سازی شار مغناطیسی موجود، استفاده می شود. و بدین ترتیب توان را تا جایی افزایش می دهد که انرژی مغناطیسی ذخیره شده بتواند آزاد شود.انرژی مکانیکی می تواند در روتور یک ژنراتور ذخیره شود. انرژی الکتریکی می تواند هم به صورت خازنی در میدان الکتریکی یا به صورت القایی در میدان مغناطیسی ذخیره گردد. در مورد اول 2/1 we= با ضریب عایقی 6 و قدرت شکست 0.78 E=بیشینه چگالی انرژی 161 we= بدست می آید.به دلیل محدود بودن بسته بندی خازن این مقدار باید در 5.0 ضرب شود بنابراین بیشینه ظرفیت ذخیره سازی خازن 80 we= خواهد بود.در مورد سلف در اینجا بشینیه چگالی انرژی به دلیل ذوب فلز دو سطح رسانا یا با قدرت مکانیکی سلف ذخیره ساز محدود می شود. گرمایش سلف در اثر تلفات ژولی در سطح رسانا به دلیل جریانهای گردابی است که در اثر القای میدان مغناطسی ایجاد می شود.در این مورد میانگین چگالی انرژی 3900 است. حتی با در نظر گرفتن شرایطی فنی مانند سازه های نگهدارنده، عایق سازی و غیره مشاهده می شود که چگالی انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی می تواند تا 100 برابر انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی باشد.اجزای اصلی مولد با ذخیره ساز خازنی در شکل 1-3 نمایش داده شده است. این مولد به تعداد بیشتری سویچ بسته شونده نیاز دارد که در زمان شارژ باز بماند و ولتاژ شارژ را نگه دارد. زمانی که سویچ بسته می شود مولد به چند برابر کنندگی ولتاژ یا جریان می رسد.شکل 1-3شمای مولد پالسی با ذخیره ساز خازنیمولد با ذخیره سازی القایی در شکل 1-4 نشان داده است. این طرح نیازمند سویچ بازشونده است که در زمان شارژ بسته باشد و جریان بالایی را انتقال دهد. بعد از شارژ سویچ باید در یک لحظه باز شود و ولتاژ بالایی را تحمل کند. به دلیل اینکه بسیار مشکل است تا سوییچ باز شونده مناسب ساخته شود. بیشتر مولدهای توان بالا از ذخیره ساز خازنی استفاده می کنند با وجود اینکه قابلیت ذخیره چگالی انرژی پایین تری دارد.شکل 1-4شمای مولد پالسی با ذخیره ساز سلفیاصلی ترین مشخصه توان پالسی که آن را از دیگر زمینه های الکترونیک قدرت متفاوت می کند و در روشهای دیگر الکترونیک قدرت قابل دسترس نیست میزان نسبت توان بیشینه به توان متوسط است. این مشخصه می تواند سبب شکستن آستانه تحمل و اثرات غیر خطی شود. مثلا میدان الکتریکی پالسی قوی می تواند سبب نابودی غشای سلولهای زنده یا سبب آزاد شدن بهمنی الکترونها از سطح فلز شود. مقدار بالای توان بیشینه بر میانگین می تواند همچنین سبب فرونشاندن روندهای گرمایشی پیش رونده شود. [1] simulink[2] MATLAB[3] GOSET Genetic optimization System Engineering Tool