การศึกษาวิเคราะห์การออกแบบสร้างหม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า ขนาดพิกัด 100 kV 150 kHz

Abstract

วิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาวิเคราะห์การออกแบบสร้างหม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า (Solid State Tesla Transformer) ซึ่งเป็นหม้อแปลงเทสล่า ที่ใช้การสวิตช์แบบอิเล็กทรอนิกส์ แทน สปาร์คแกป โดยมีข้อดีคือ สามารถทำให้หม้อแปลงเทสล่า มีขนาดเล็กลง ไม่เกิดเสียงดังและสามารถปรับความถี่ในการทดสอบได้ แต่ปัญหาในการสร้างหม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า ให้มีขนาดพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงๆ จำเป็นจะต้องใช้อุปกรณ์สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีพิกัดกระแสและแรงดันสูงตามไปด้วย ซึ่งอุปกรณ์สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวมีราคาแพง ทำให้หม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า มีต้นทุนในการสร้างสูง ดังนั้นจึงต้องมีการศึกษาเพื่อหารูปแบบที่เหมาะสมในการสร้างเพื่อแก้ปัญหา การดำเนินการวิจัยได้ทำการออกแบบสร้างหม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า ขนาดพิกัด 100 kV, 150 kHz ข้อมูลที่ได้จากการออกแบบจะถูกนำไปจำลองระบบด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์MATLAB/Simulink ใน 4 รูปแบบ คือ การใช้สวิตช์แบบสปาร์คแกป การใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์แบบต่อตรง การใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ต่อแบบวงจรฮาฟบริดจ์อินเวอร์เตอร์ และการใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ต่อแบบวงจรฟูลบริดจ์อินเวอร์เตอร์ เพื่อหารูปแบบวงจรที่เหมาะสมในการสร้าง หม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่าที่สร้างขึ้นจะถูกนำไปเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงาน กับหม้อแปลง เทสล่าแบบสปาร์คแกป ผลการดำเนินการวิจัยพบว่า การจำลองระบบด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ รูปแบบการสวิตช์แบบวงจรฮาฟบริดจ์อินเวอร์เตอร์ เป็นรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดในการสร้าง เนื่องจากมีค่าพิกัดกระแสและแรงดันของอุปกรณ์สวิตช์ต่ำที่สุด คือ 311 V, 75 A ได้หม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่าขนาดพิกัด แรงดัน 152 kV, 147 kHz และเมื่อทดสอบการทำงานของหม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่าที่สร้างขึ้น พบว่าการใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ หรือ โซลิดสเตตรีเลย์ เป็นสวิตช์ เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ สปาร์คแกป สามารถทำให้หม้อแปลงเทสล่า มีประสิทธิภาพในการทำงานใกล้เคียงกัน แสดงให้เห็นว่า หม้อแปลงโซลิดสเตตเทสล่า มีการทำงานถูกต้องตามการออกแบบ

This thesis aims to study and analyze a design and construction of an electronic switching tesla transformer which is called Solid State Tesla Transformer. The advantages of solid state tesla transformer are smaller, noiseless, adjustable frequency. However, there are disadvantages of solid state tesla transformer such as requirement of high rated current and voltage of electronic switch devices. Moreover electronic switch devices are expensive thus solid state tesla transformer has higher cost in construction. Therefore analysis of design and construction is necessary to find a suitable model in order to solve such mentioned problems. The research implements a design and construction of a solid state tesla transformer, which capacity of 100 kV, 150 kHz. The data from the design was simulated using MATLAB/Simulink into 4 forms program such as: spark gap switching, direct connected electronic switching, half bridge inverter electronic switching, and full bridge inverter electronic switching in order to find a suitable model for the construction. The constructed solid state tesla transformer was tested and compared the performance with a typical tesla transformer spark gap. From the experimental result, it shows that the simulation of half bridge inverter electronic switch is the most appropriate model for construction because electronic device has lower voltage and current as 311 V , 75 A. The constructed solid state tesla transformer has capacity of 150 kV, 145 kHz output rating. From functional testing of the constructed solid state tesla transformer, it found that the performance is similar to the typical spark gap tesla transformer. This can prove that the designed solid state tesla transformer is working properly as it designation.