Дослідження радіаційної залежності амплітуди вихідної напруги перетворювача частоти з ланкою постійного струму за допомогою математичної моделі

ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІАЦІЙНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ АМПЛІТУДИ ВИХІДНОЇ НАПРУГИ ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЧАСТОТИ З ЛАНКОЮ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ ЗА ДОПОМОГОЮ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ

RESEARCH OF THE OUTPUT VOLTAGE AMPLITUDE RADIATION DEPENDENCE OF THE FREQUENCY CONVERTER WITH DC LINK BY USING MATHEMATICAL MODEL

Сторінки: 168-173. Номер: №4, 2020 (287)

Автори:
О.В. ЧЕРМАЛИХ, Д.Д. МУГЕНОВ
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”

ALEXANDR VALENTYNOVYCH CHERMALYKH, DANIIL DZHALILOVYCH MUHENOV
National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

 
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2020-287-4-168-173

 
Рецензія/Peer review : 09.09.2020 р.
Надрукована/Printed : 03.11.2020 р.

 

Анотація мовою оригіналу

     У статті розглянуто вплив іонізуючого випромінювання на роботу електромеханічного обладнання мостового крана сховища радіоактивних відходів. Синтезована математична модель врахування впливу поглиненої дози іонізуючого випромінювання на амплітуду вихідної напруги перетворювача частоти з ланкою постійного струму середньої потужності. Побудована схема силового каналу перетворювача частоти з драйверами, виконаними за біполярною комплементарною технологією, на підставі якої записані рівняння електричної рівноваги. Визначено елементи, радіаційна зміна параметрів яких найбільш суттєво впливає на радіаційну стійкість системи.
Ключові слова: іонізуюче випромінювання, електропривод, перетворювач частоти, драйвер, метал оксид напівпровідник, біполярний транзистор, оптрон.

 

Розширена анотація англійською мовою

     Introduction. The article considers the influence of ionizing radiation on the operation of electric drive power electronics of the radioactive waste storage bridge crane. Problem. The equipment of bridge crane electric systems is done in general industrial implementation. Since electric drives are exposed to radiation caused by radioactive waste activity and elevated radiation background, it is relevant to explore the effect of ionizing radiation on their performance. Insulated gate bipolar transistor (IGBT) driver chips can be made on the basis of metal-oxide-semiconductor (MOS) or bipolar junction transistors (BJT) complementary technology. Goal. To synthesize frequency converter (FC) output voltage amplitude on radiation model for IGBT driver chips which made on the basis of BJTs. To determine the semiconductor device in the circuit, which radiation-dependent parameter affects the most significantly on FC output voltage amplitude. Methodology. To achieve this goal, FC power electronics equivalent scheme was built. To obtain its mathematical model, the equation of electric equilibrium was written. In the developed model the idealized, insensitive to radiation, components were substituted turn by turn. Results. An electric power channel mathematical model of a medium-power FC is obtained. According to the results of the study it is determined that idealized optocoupler increases the radiation resistance in four times with a monotonic output voltage decrease for circuits with MOS drivers. For a circuit with BJT drivers, the idealized optocoupler shows an increase in radiation resistance almost twice with a monotonic decrease in the output voltage amplitude, but the idealized BJT in the IGBT equivalent circuit gives constant amplitude with the same stability as the real system. Originality. The radiation stability analysis of general industrial implementation variable-frequency drive is carried out for the first time. The most radiation-sensitive components of the variable-frequency drive system are revealed. The FC electric power channel scheme with MOS drivers is compared to scheme with BJT drivers. Practical value. The obtained results show that in order to increase the radiation resistance of general industrial implementation electric drives, it is necessary to pay attention to the replacement of optocouplers and BJT in IGBT equivalent circuit with more radiation-resistant components.
Key words: ionizing radiation, electric drive, frequency converter, driver, metal oxide semiconductor, bipolar junction transistor, optocoupler.

 

References

1. Chermalykh A.V. Ionizing radiation influence on the frequency converter output voltage / A.V. Chermalykh, D.D. Muhenov // East European Scientific Journal. – Warsaw, 2020. – Vol. 5(57). – P. 26–34.
2. Vologdin E.N. Radiacionnye effekty v nekotoryh klassah poluprovodnikovyh priborov : uchebnoe posobie / E.N. Vologdin, A.P. Lysenko. – Moskva : Moskovskij gos. inst. elektroniki i matematiki, 2001. – 70 s.
3. Vologdin E.N. Radiacionnaya stojkost bipolyarnyh tranzistorov : uchebnoe posobie / E.N. Vologdin, A.P. Lysenko. – Moskva : Moskovskij gos. inst. elektroniki i matematiki, 2000. – 102 s.
4. LaBel K.A. A Compendium of Recent Optocoupler Radiation Test Data / 2000 IEEE Radiation Effects Data Workshop. Workshop Record. Held in conjunction with IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (Cat. No.00TH8527) : zb. nauk, prac za materialami mizhnar. nauk.-prakt. konf. (24–28 lip. 2000 p., m. Rino (Nevada)). – Rino (Nevada), 2000. – 157 s. – DOI: 10.1109/REDW.2000.896280.
5. Reed R.A. Space radiation effects in optocouplers / R.A. Reed, P.W. Marshall, K.A. Label // International Journal of High Speed Electronics and Systems. – Singapore, 2004. – Vol. 14, No. 02. – P. 401–417. – DOI: 10.1142/S0129156404002430.
6. Buriev N.N. Vneshnee izluchenie kombinirovannogo hranilisha radioaktivnyh othodov / N.N. Buriev, N.T. Buriev // Simvol nauki : Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal. – 2016. – № 10-1. – S. 18–20.
7. Pogosov A.Yu. Ioniziruyushaya radiaciya: radioekologiya, fizika, tehnologii, zashita : navch. posib. / A.Yu. Pogosov, V.A. Dubkovskij. – Odesa : Nauka i tehnika, 2012. – 804 s.
8. Fiore S. Radiation damage effects on detectors and eletronic devices in harsh radiation environment / S. Fiore // Acta Physica Polonica Series – Varshava, 2015. – № 127(5). – S. 1560–1562. – DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1560
9. Bekman I.N. Radioaktivnost i radiaciya [Elektronnij resurs] : konspekt lekcij / I.N. Bekman. – Moskva : MGU, 2006. – Rezhim dostupu : http://profbeckman.narod.ru/RR0.htm (data zvernennya: 04.03.2020).
10. Loshakov I.I. Vvedenie v dozimetriyu i zashita ot ioniziruyushih izluchenij : navch. posib. / I.I. Loshakov. – Sankt-Peterburg : Izdatelstvo Politehnicheskogo universiteta, 2008. – 145 s.
11. Rokah A.G. Dejstvie ioniziruyushih izluchenij na poluprovodnikovye materialy i pribory : konspekt lekcij / A.G. Rokah. – Saratov : SGU, 2007. – 60 s.
12. Titce U. Poluprovodnikovaya shemotehnika. Tom I / U. Titce, K. Shenk. – 12-e izd. – M. : DMK Press, 2008. – 832 s.