1. Mikä on Marx-generaattori?
A Marx generaattorion vakiopiiritopologia lähes jokaisen teollisuuden impulssijännitteen testausjärjestelmän takana. Nimetty saksalaisen insinöörin mukaanErwin Otto Marx, joka ehdotti sitä vuonna 1924, se ratkaisee perustavanlaatuisen ongelman: kuinka synnytät 400 kV, 800 kV tai 1200 kV pulssin, kun latauslähteesi tarvitsee tuottaa vain ±100 kV vaihetta kohti?
Vastaus on tyylikäs - lataa useita identtisiä kondensaattorivaiheitarinnakkainvaatimattomalla jännitteellä, liitä ne sittensarjassalaukaisuilla kipinävälillä purkaushetkellä, kertomalla lähtöjännite portaiden lukumäärällä.
Tässä artikkelissa käydään läpi Marxin piirikaavio vaihe vaiheelta ja selitetään, mitä kukin komponentti tekee, kuinka yksi-vaiheinen ja monivaiheinen-piiri eroaa toisistaan ja miten tuttu 1,2/50 µs salaman aaltomuoto todella muotoutuu.
2. Ydinidea: rinnakkaislataus, sarjapurkaus
Ajattele Marx-generaattoria tikkaina. Jokainen puola on kondensaattori, ja sivukiskot ovat kaksi latausvastusta.
Latauksen aikana:
Tasavirtalataussyöttö (tyypillisesti 0–100 kV porrasta kohti) syöttää korkean -arvoisten latausvastusten kautta.
Jokainen tikapuussa oleva kondensaattori latautuu samaan jännitteeseen - eli +100 kV.
Koska kondensaattorit ovat tässä vaiheessa tehokkaasti rinnakkain, syöttö tarvitsee toimittaa vain yhden portaan jännitettä, ei koko pinojännitettä.
Portaiden väliset kipinävälit pysyvät auki - ilma on hyvä eriste tällä jännitteellä.
Purkamisen aikana:
Liipaisupulssi laukaisee ensimmäisen (ylimmän-asteen) kipinävälin.
Tämä ensimmäinen raon sulkeutuminen kaksinkertaistaa jännitteen seuraavan raon yli, mikä ylijännittää sen ja aiheuttaa sen hajoamisen seuraavaksi.
Tämä laskee tikkaita alas - aukon jälkeen, kun aukko välähtää nanosekunneissa.
Nyt kaikki kondensaattorit on kytkettysarjassa. Kun 4 vaihetta on ladattu 100 kV:iin, kuorma näkee 4 × 100 kV =400 kVsen poikki muutaman mikrosekunnin ajan.
Varastoitu kokonaisenergia on yksinkertaisesti n × (½·C_stage·V²), missä n on vaiheiden lukumäärä.
3. Merkitty Marxin piirikaavio - Jokainen komponentti
Alla on{0}}esittely siitä, mitä näet missä tahansa Marx-generaattorin kaaviossa (katso kuva 1: impulssijännitegeneraattorin pääpiirikaavio):
| Komponentti | -lavaroolikohtaisesti | Tyypillinen arvo |
|---|---|---|
| Pääpulssikondensaattori (C) | Varastoi energiaa; yksi tai kaksi per vaihe | 1,5 µF 100 kV jännitteellä 4-vaiheisessa 30 kJ järjestelmässä |
| Latausvastus (RC) | Eristää vaiheet latauksen aikana; korkea arvo, joten se ei kuormita pulssia | Kymmeniä kΩ per vaihe |
| Aaltorinta / vaimennusvastus (Rf) | Muovaa impulssin nousevan reunan; vaimentaa loisvärähtelyjä | Valitaan kuormakapasitanssin mukaan |
| Wavetail vastus (Rt) | Muodostaa aaltomuodon hajoavan hännän | Valitaan kuormakapasitanssin mukaan |
| Sytytyskipinäväli (G) | Kolme{0}}elektrodia, laukaissut; kytkee vaiheet sarjaan purkauksen aikana | φ250 mm:n palloväli, moottori-säädetty |
| Eristävä pylväs | Tukee tornia mekaanisesti | Epoksi, 2 paksua + 3 ohutta vaihetta kohti |
Ulkoinen mittausketju - heikosti vaimennettu kapasitiivinen jakaja ja digitaalinen tallennin - istuu testikohteen poikki eikä ole osa itse Marx-tikkaita.
4. Yksi-vaihe vs. monivaiheinen-vaihe Marx-piirit
Yksivaiheinen{0}}Marxon harhaanjohtava nimitys suppeassa merkityksessä - yksi kondensaattori, joka on ladattu haluttuun jännitteeseen ja purettu raon kautta, on vain pulssikondensaattori, ei Marx-piiri. Mitä insinöörit yleensä tarkoittavat "yksivaiheisella impulssigeneraattoripiirillä" on ayksi-porras Marx-tikkaat: yksi pääkondensaattori, yksi latausvastus, yksi laukaisuväli. Se ylittää noin 100–200 kV ja on yleinen opetuslaboratorioissa ja pienissä testisarjoissa.
Monivaiheinen Marx-on teollinen muoto:
2 vaihetta / 200 kV: tyypillinen 10 kV-luokan kytkinlaitteiden ja instrumenttimuuntajien rutiinitesteissä.
3 vaihetta / 300 kV: sisäänpääsy 35 kV-luokan jakelulaitteille.
4 vaihetta / 400 kV: työhevonen 35 kV-luokan jakelumuuntajille, läpiviennille, ylijännitesuojalle ja GIS:lle.
6 porrasta / 600 kV: 66–110 kV luokka.
12 porrasta / 1200 kV ja enemmän: EHV/UHV-tyypin{0}}testilaboratoriot.
Jokainen ylimääräinen 100 kV porras lisää portaiden tikkaat - sama topologia, enemmän kondensaattoreita, enemmän rakoja, korkeampi torni.
5. Kuinka aaltorinta- ja aaltopyrstövastukset muotoutuvat 1,2/50 µs
1,2/50 µs salaman aaltomuotoa eivät synny yksin kondensaattorit - se on suunniteltu valitsemallaRf (edessä)jaRt (häntä).
Theetuaika(1,2 µs) määräytyy suurelta osin sillä, kuinka nopeasti kuormakapasitanssi latautuu etuvastuksen läpi. Pienempi Rf → nopeampi etuosa; liian pieni Rf → loissoitto.
Theaika puoleen-arvosta(50 µs) määräytyy suurelta osin sillä, kuinka hitaasti yhdistetty kondensaattoriryhmä purkaa loppuvastuksen läpi. Isompi Rt → pidempi häntä.
vartenleikattu aalto(2–6 µs), erillinen leikkausrako syttyy aaltomuotoon ja katkaisee sen keinotekoisesti.
vartenvaihtoimpulssi(250/2500 µs), etuvastukset säilytetään vaimennusvastuksina ja suuremmat takavastukset kytketään sisään aaltomuodon hidastamiseksi.
Kentällä-konfiguroitavissa olevassa tornissa operaattorit vaihtavat pistoketta-vastussarjoissa liikkuakseen salama-, kytkentä-, värähtely- ja jyrkän-aaltotilojen välillä - ei juottamista, ei pääpiirin uudelleenjohdotusta.
6. Miksi latauslähde pysyy alhaisella jännitteellä
Yleinen kysymys: miksi ei vain ladata yhtä kondensaattoria suoraan 400 kV:iin?
Vastaus on eristys. 400 kV öljy{2}}upotettu kondensaattori, jonka liittimet on mitoitettu tälle jännitteelle, on suuri, kallis ja vaikea käsitellä. Sitä vastoin purkauksen aikana sarjaan kytkettyjä neljä 100 kV kondensaattoria ovat:
halvempaa varastoidun energian joulea kohti,
helpompi lähettää ja asentaa,
modulaarinen (lisää vaihe, lisää 100 kV),
ja lataussyötön tulee saavuttaa vain 100 kV - paljon pienempi, turvallisempi tasavirtayksikkö.
Tästä syystä jokainen moderni impulssijännitegeneraattori 100 kV:sta ylöspäin käyttää Marxin topologiaa.
7. Käytännön suunnittelunäkökohdat
Jos tutkit, määrität tai ostat Marx{0}}pohjaista impulssijännitejärjestelmää, kiinnitä huomiota:
Vaihejännite.Suurin osa teollisista Marx-torneista on rakennettu 100 kV:n jännitteellä per vaihe. Jotkut kompaktit korkean{2}}energiset mallit käyttävät 200 kV vaihetta kohti (esim. . 6 vaihetta=1200 kV lyhyemmässä tornissa).
Triggerin luotettavuus. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99 %:n onnistuminen tuhansissa laukauksissa; yli 2 %:n juoksunopeus tarkoittaa epävakaita testituloksia.
Kehon induktanssi.Alempi on parempi. Hyvin-suunniteltu 4-vaiheinen torni on alle 55 µH.
Jakaja kaistanleveys.Heikosti vaimennettu kapasitiivinen jakaja, jonka osavasteaika on enintään 100 ns, antaa puhtaat aaltomuodot alle -mikrosekunnin jyrkkiin-rintamatesteihin asti.
Maadoitus.A
Täysin konfiguroitu kaupallinen esimerkki on kohdassa4-vaiheinen 400 kV / 30 kV Marx-generaattorirakennettu Siemens PLC -ohjaustelineen ympärille.
8. Johtopäätös
Marx-generaattoripiiri on 1920-luvun sähkötekniikan mestariteos, joka määrittelee edelleen, kuinka korkeajännitteisiä laitteita testataan nykyään. Rinnakkaislataus pitää latauslähteen pienenä ja turvallisena; sarjapurkaus laukaisujen kipinävälien kautta moninkertaistaa jännitteen; etu- ja takavastukset muokkaavat aaltomuotoa; ja modulaaristen vaiheiden avulla voit rakentaa mitä tahansa 100 kV opetusyksiköstä 2400 kV UHV-tyyppiseen{5}}testijärjestelmään samoista rakennuspalikoista.
Haluatko nähdä, kuinka tämä piiri muuttuu toimivaksi tuotteeksi?Selaa meidänkoko WGJ-sarjaMarx{0}}piirin impulssijännitegeneraattorit 20 kV - 2400 kV.
