Επεξήγηση κυκλώματος γεννήτριας Μαρξ: Αρχή εργασίας & στάδια

1. Τι είναι μια γεννήτρια Μαρξ;

A γεννήτρια Μαρξείναι η τυπική τοπολογία κυκλώματος πίσω από σχεδόν κάθε βιομηχανικό σύστημα δοκιμής παλμικής τάσης. Πήρε το όνομα του Γερμανού μηχανικούΈρβιν Ότο Μαρξ, που το πρότεινε το 1924, λύνει ένα θεμελιώδες πρόβλημα: πώς δημιουργείτε έναν παλμό 400 kV, 800 kV ή 1200 kV όταν η τροφοδοσία φόρτισης χρειάζεται μόνο να αποδίδει ±100 kV ανά στάδιο;

Η απάντηση είναι κομψή - φόρτιση πολλών πανομοιότυπων βαθμίδων πυκνωτήπαράλληλασε μέτρια τάση και, στη συνέχεια, συνδέστε ταστη σειράμε ενεργοποιημένα κενά σπινθήρα τη στιγμή της εκφόρτισης, πολλαπλασιάζοντας την τάση εξόδου με τον αριθμό των σταδίων.

Αυτό το άρθρο περιγράφει το διάγραμμα κυκλώματος Μαρξ βήμα προς βήμα, εξηγώντας τι κάνει κάθε στοιχείο, πώς διαφέρουν τα κυκλώματα ενός σταδίου-και πολλών- σταδίων και πώς διαμορφώνεται στην πραγματικότητα η γνωστή κυματομορφή κεραυνού 1,2/50 µs.

2. The Core Idea: Parallel Charging, Series Discharge

Σκεφτείτε τη γεννήτρια Μαρξ ως μια σκάλα. Κάθε σκέλος είναι ένας πυκνωτής και οι πλευρικές ράγες είναι δύο σειρές αντιστάσεων φόρτισης.

Κατά τη φόρτιση:

Μια τροφοδοσία φόρτισης DC (συνήθως 0–100 kV ανά στάδιο) τροφοδοτείται μέσω αντιστάσεων φόρτισης υψηλής-τιμής.

Κάθε πυκνωτής στη σκάλα φορτίζει μέχρι την ίδια τάση - ας πούμε, +100 kV.

Επειδή οι πυκνωτές είναι ουσιαστικά παράλληλοι σε αυτό το σημείο, η παροχή πρέπει να παρέχει μόνο την τάση ενός σταδίου, όχι την τάση πλήρους στοίβας.

Τα κενά σπινθήρα μεταξύ των σταδίων παραμένουν ανοιχτά - ο αέρας είναι καλός μονωτής σε αυτήν την τάση.

Κατά την απόρριψη:

Ένας παλμός σκανδάλης ενεργοποιεί το πρώτο (ανώτατο-στάδιο) διάκενο σπινθήρα.

Αυτό το πρώτο διάκενο που κλείνει διπλασιάζει την τάση στο επόμενο διάκενο, το οποίο το υπερβολίζει και προκαλεί τη διακοπή του στη συνέχεια.

Αυτό μειώνει το διάκενο της κλίμακας - μετά από πυρκαγιές κενού σε νανοδευτερόλεπτα.

Τώρα όλοι οι πυκνωτές είναι συνδεδεμένοιστη σειρά. Με 4 στάδια φορτισμένα στα 100 kV το καθένα, το φορτίο βλέπει 4 × 100 kV =400 kVκατά μήκος του για μερικά μικροδευτερόλεπτα.

Η συνολική αποθηκευμένη ενέργεια είναι απλώς n × (½·C_στάδιο·V²), όπου n είναι ο αριθμός των σταδίων.

3. Σχολιασμένο διάγραμμα κυκλώματος Μαρξ - Κάθε στοιχείο

Ακολουθεί μια περιήγηση-του τι θα δείτε σε οποιαδήποτε σχηματική γεννήτρια Marx (δείτε Εικόνα 1: διάγραμμα κύριου κυκλώματος γεννήτριας τάσης παλμών):

Η εξωτερική αλυσίδα μέτρησης - ένας χωρητικός διαχωριστής με ασθενή απόσβεση και ένας ψηφιακός καταγραφέας - βρίσκεται κατά μήκος του αντικειμένου δοκιμής και δεν αποτελεί μέρος της ίδιας της κλίμακας Marx.

4. Μονό-Stage vs Multi-Stage Marx Circuits

Μονό-Μαρξείναι μια εσφαλμένη ονομασία με την αυστηρή έννοια - ένας μόνο πυκνωτής που φορτίζεται στην επιθυμητή τάση και εκφορτίζεται μέσω ενός διακένου είναι απλώς ένας πυκνωτής παλμών και όχι ένα κύκλωμα Μαρξ. Αυτό που συνήθως εννοούν οι μηχανικοί με τον όρο "κύκλωμα γεννήτριας παλμών ενός σταδίου" είναι αμια-σκάλα Μαρξ: ένας κύριος πυκνωτής, μία αντίσταση φόρτισης, ένα διάκενο πυροδότησης. Ξεπερνά τα 100–200 kV και είναι συνηθισμένο σε εργαστήρια διδασκαλίας και μικρά σετ δοκιμών.

Πολυ-Μαρξείναι η βιομηχανική μορφή:

2 στάδια / 200 kV: τυπικό για δοκιμές ρουτίνας διακοπτών 10 kV-κατηγορίας και μετασχηματιστών οργάνων.

3 στάδια / 300 kV: είσοδος για εξοπλισμό διανομής κατηγορίας 35 kV-.

4 στάδια / 400 kV: το άλογο εργασίας για μετασχηματιστές διανομής κατηγορίας 35 kV-, δακτυλίους, απαγωγείς υπερτάσεων και GIS.

6 στάδια / 600 kV: Κατηγορία 66–110 kV.

12 στάδια / 1200 kV και άνω: Εργαστήρια δοκιμών τύπου EHV/UHV-.

Κάθε επιπλέον στάδιο 100 kV προσθέτει ένα σκαλοπάτι στη σκάλα - ίδια τοπολογία, περισσότερους πυκνωτές, περισσότερα κενά, ψηλότερο πύργο.

5. Πώς σχηματίζονται οι αντιστάσεις Wavefront και Wavetail 1,2/50 µs

Η κυματομορφή κεραυνού 1,2/50 µs δεν παράγεται μόνο από τους πυκνωτές - έχει κατασκευαστεί επιλέγονταςRf (μπροστά)καιRt (ουρά).

Ομπροστινή ώραΤο (1,2 µs) ρυθμίζεται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο γρήγορα φορτίζεται η χωρητικότητα φορτίου μέσω της μπροστινής αντίστασης. Μικρότερο Rf → πιο γρήγορο μπροστινό μέρος. πολύ μικρό Rf → παρασιτικό κουδούνισμα.

Οχρόνος έως τη μισή-τιμή(50 µs) καθορίζεται σε µεγάλο βαθµό από το πόσο αργά εκφορτίζεται η συνδυασµένη συστοιχία πυκνωτών µέσω της αντίστασης ουράς. Μεγαλύτερο Rt → μακρύτερη ουρά.

Γιαψιλοκομμένο κύμα(2–6 µs), ένα ξεχωριστό κενό κοπής εκτοξεύεται στην κυματομορφή και την περικόπτει τεχνητά.

Γιαεναλλαγή ώθησης(250/2500 µs), οι μπροστινές αντιστάσεις διατηρούνται ως αντιστάσεις απόσβεσης και οι μεγαλύτερες αντιστάσεις ουράς ενεργοποιούνται για να επιβραδύνουν την κυματομορφή.

Σε έναν -πύργο με δυνατότητα διαμόρφωσης πεδίου, οι χειριστές αλλάζουν βύσματα-σε σετ αντιστάσεων για να μετακινούνται μεταξύ των καταστάσεων αστραπής, μεταγωγής, ταλάντωσης και απότομης{2}}κυματικής λειτουργίας - χωρίς συγκόλληση, χωρίς επανακαλωδίωση του κύριου κυκλώματος.

6. Γιατί η τροφοδοσία φόρτισης παραμένει σε χαμηλή τάση

Μια κοινή ερώτηση: γιατί να μην φορτίζετε απλώς έναν μόνο πυκνωτή στα 400 kV απευθείας;

Η απάντηση είναι η μόνωση. Ένας πυκνωτής 400 kV-βυθισμένος σε λάδι με ακροδέκτες που ονομάζονται για αυτήν την τάση είναι μεγάλος, ακριβός και δύσκολος στον χειρισμό. Αντίθετα, τέσσερις πυκνωτές 100 kV που συνδέονται σε σειρά κατά την εκφόρτιση είναι:

φθηνότερο ανά τζάουλ αποθηκευμένης ενέργειας,

ευκολότερη αποστολή και εγκατάσταση,

αρθρωτό (προσθέστε ένα στάδιο, προσθέστε 100 kV),

και η παροχή φόρτισης πρέπει να φτάσει μόνο τα 100 kV - μια πολύ μικρότερη, ασφαλέστερη μονάδα DC.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κάθε σύγχρονη γεννήτρια παλμικής τάσης από 100 kV και πάνω χρησιμοποιεί την τοπολογία Marx.

7. Πρακτικά ζητήματα σχεδιασμού

Εάν μελετάτε, προσδιορίζετε ή αγοράζετε ένα σύστημα παλμικής τάσης βασισμένου στο Μαρξ-, δώστε προσοχή στα εξής:

Σταδιακή τάση.Οι περισσότεροι βιομηχανικοί πύργοι Marx κατασκευάζονται στα 100 kV ανά στάδιο. Ορισμένα συμπαγή σχέδια υψηλής-ενέργειας χρησιμοποιούν 200 kV ανά στάδιο (π.χ.. 6 στάδια=1200 kV σε μικρότερο πύργο).

Αξιοπιστία ενεργοποίησης. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99% επιτυχία βολής σε χιλιάδες βολές. ένα ποσοστό διαφυγής άνω του 2% σημαίνει ασταθή αποτελέσματα δοκιμών.

Επαγωγή σώματος.Το χαμηλότερο είναι καλύτερο. Ένας καλά σχεδιασμένος πύργος 4 σταδίων έχει ταχύτητα κάτω από 55 µH.

Εύρος ζώνης διαιρέτη.Ένας χωρητικός διαιρέτης με ασθενή απόσβεση με χρόνο μερικής απόκρισης μικρότερο από ή ίσο με 100 ns δίνει καθαρές κυματομορφές μέχρι τις δοκιμές υπό-απότομης-μπροστινής γωνίας του δευτερολέπτου.

Γείωση.Η γείωση ενός σημείου-σε μικρότερο ή ίσο με 0,5 Ω δεν είναι-διαπραγματεύσιμη - η κακή γείωση καταστρέφει κάθε μέτρηση.

Για ένα πλήρως διαμορφωμένο εμπορικό παράδειγμα, βλΓεννήτρια Marx 4 σταδίων 400 kV / 30 kVχτισμένο γύρω από μια σχάρα ελέγχου PLC Siemens.

8. Συμπέρασμα

Το κύκλωμα γεννήτριας Marx είναι ένα αριστούργημα της ηλεκτρικής μηχανικής της δεκαετίας του 1920 που εξακολουθεί να καθορίζει πόσο δοκιμάζονται σήμερα οι συσκευές υψηλής τάσης{{1}. Η παράλληλη φόρτιση διατηρεί την παροχή φόρτισης μικρή και ασφαλή. Η σειριακή εκφόρτιση μέσω των κενών σπινθήρα που προκαλούνται πολλαπλασιάζει την τάση. Οι αντιστάσεις μπροστά και ουράς διαμορφώνουν την κυματομορφή. και τα αρθρωτά στάδια σάς επιτρέπουν να δημιουργήσετε οτιδήποτε, από μια διδακτική μονάδα 100 kV έως ένα σύστημα δοκιμής τύπου- 2400 kV UHV από τα ίδια δομικά στοιχεία.

Θέλετε να δείτε πώς αυτό το κύκλωμα μεταφράζεται σε λειτουργικό προϊόν;Περιηγηθείτε στο δικό μαςπλήρης σειρά WGJτου Marx-κυκλοφορούν γεννήτριες παλμικής τάσης από 20 kV έως 2400 kV.