1. Kaj je Marxov generator?
A Marxov generatorje standardna topologija vezja za skoraj vsakim industrijskim sistemom za testiranje impulzne napetosti. Poimenovan po nemškem inženirjuErwin Otto Marx, ki ga je predlagal leta 1924, rešuje temeljni problem: kako ustvarite impulz 400 kV, 800 kV ali 1200 kV, ko mora vaš polnilni vir zagotoviti le ±100 kV na stopnjo?
Odgovor je eleganten - polnjenje več enakih stopenj kondenzatorjavzporednopri skromni napetosti, nato jih povežitev serijis sproženimi iskrišči v trenutku praznjenja, pri čemer se izhodna napetost pomnoži s številom stopenj.
Ta članek se korak za korakom sprehodi skozi Marxov diagram vezja in razloži, kaj počne vsaka komponenta, kako se eno-stopenjska in več-stopenjska vezja razlikujejo in kako je znana valovna oblika strele 1,2/50 µs dejansko oblikovana.
2. Osnovna ideja: vzporedno polnjenje, zaporedno praznjenje
Pomislite na Marxov generator kot na lestev. Vsaka prečka je kondenzator, stranski tirnici pa dva niza polnilnih uporov.
Med polnjenjem:
Napajanje enosmernega toka (običajno 0–100 kV na stopnjo) se napaja skozi polnilne upore-visoke vrednosti.
Vsak kondenzator na lestvici se napolni do enake napetosti -, recimo +100 kV.
Ker sta kondenzatorja na tej točki dejansko vzporedna, mora napajanje oddajati samo napetost ene stopnje, ne pa celotne napetosti sklada.
Iskrišča med stopnjama ostanejo odprta - zrak je pri tej napetosti dober izolator.
Med odvajanjem:
Sprožilni impulz sproži prvo (zgornjo-stopenjsko) iskrišče.
To prvo zapiranje vrzeli podvoji napetost v naslednji vrzeli, kar jo prenapetosti in povzroči, da se naslednjič pokvari.
To kaskadno pada po lestvici - vrzel za vrzeljo, ki se sproži v nanosekundah.
Zdaj so vsi kondenzatorji povezaniv seriji. S 4 stopnjami, napolnjenimi do 100 kV vsaka, obremenitev vidi 4 × 100 kV =400 kVčez nekaj mikrosekund.
Skupna shranjena energija je preprosto n × (½·C_stopnja·V²), kjer je n število stopenj.
3. Označen Marxov vezni diagram - Vsaka komponenta
Spodaj je -prehod skozi to, kar boste videli v kateri koli shemi Marxovega generatorja (glejte sliko 1: diagram glavnega vezja generatorja impulzne napetosti):
| Komponenta | Po-odrski vlogi | Tipična vrednost |
|---|---|---|
| Glavni impulzni kondenzator (C) | Shranjuje energijo; eno ali dve na stopnjo | 1,5 µF pri 100 kV v 4-stopenjskem sistemu 30 kJ |
| Polnilni upor (Rc) | Izolira stopnje med polnjenjem; visoka vrednost, tako da ne obremenjuje utripa | Na desetine kΩ na stopnjo |
| Wavefront/dušilni upor (Rf) | Oblikuje naraščajoči rob impulza; duši parazitska nihanja | Izbrano glede na obremenitveno kapacitivnost |
| Upor valovnega repa (Rt) | Oblikuje razpadajoči rep valovne oblike | Izbrano glede na obremenitveno kapacitivnost |
| Vžigalna iskrišča (G) | Tri-elektrode, sprožene; med praznjenjem povezuje stopnje v seriji | φ250 mm krogelna reža, motor-nastavljen |
| Izolacijski stolpec | Mehansko podpira stolp | Epoksi, 2 debeli + 3 tanki na stopnjo |
Zunanja merilna veriga - šibko dušen kapacitivni delilnik in digitalni snemalnik - sedi čez preskusni predmet in ni del same Marxove lestvice.
4. Eno{1}}stopenjska proti več{2}}stopenjskim Marxovim vezjem
Enostopenjski-Marxje napačen izraz v strogem pomenu - en sam kondenzator, napolnjen na želeno napetost in izpraznjen skozi režo, je samo impulzni kondenzator, ne Marxovo vezje. Kar inženirji običajno mislijo z "vezjem enostopenjskega generatorja impulzov", je aeno{0}}Marxova lestev: en glavni kondenzator, en polnilni upor, ena vžigalna reža. Doseže okoli 100–200 kV in je pogost v učnih laboratorijih in majhnih preskusnih nizih.
Več{0}}stopenjski Marxje industrijska oblika:
2 stopnji / 200 kV: značilno za rutinske preskuse stikalnih naprav in merilnih transformatorjev razreda 10 kV-.
3 stopnje / 300 kV: vnos za distribucijsko opremo razreda 35 kV-.
4 stopnje / 400 kV: delovni konj za razdelilne transformatorje razreda 35 kV-, puše, prenapetostne odvodnike in GIS.
6 stopenj / 600 kV: razred 66–110 kV.
12 stopenj / 1200 kV in več: preskusni laboratoriji tipa-EHV/UHV.
Vsaka dodatna stopnja 100 kV doda eno stopničko na lestvici - ista topologija, več kondenzatorjev, več vrzeli, višji stolp.
5. Kako se oblikujejo upori Wavefront in Wavetail 1,2/50 µs
Valovne oblike strele 1,2/50 µs ne proizvedejo samo kondenzatorji - se oblikuje z izbiroRf (spredaj)inRt (rep).
Thesprednji čas(1,2 µs) je v veliki meri nastavljeno s tem, kako hitro se kapacitivnost bremena polni skozi sprednji upor. Manjši Rf → hitrejši sprednji del; premajhen Rf → parazitsko zvonjenje.
Thečas do polovične-vrednosti(50 µs) je v veliki meri določeno s tem, kako počasi se kombinirana kondenzatorska baterija prazni skozi repni upor. Večji Rt → daljši rep.
Zasesekljan val(2–6 µs), se ločena rezalna vrzel sproži v valovno obliko in jo umetno skrajša.
Zapreklopni impulz(250/2500 µs), so sprednji upori ohranjeni kot dušilni upori, večji repni upori pa so vklopljeni, da upočasnijo valovno obliko.
V stolpu,-ki ga je mogoče konfigurirati, operaterji zamenjajo vtične-nabore uporov za premikanje med načini strele, preklopom, nihanjem in strmimi{2}}valovi - brez spajkanja, brez ponovnega ožičenja glavnega vezja.
6. Zakaj napajalnik za polnjenje ostane pri nizki napetosti
Pogosto vprašanje: zakaj ne bi neposredno napolnili enega samega kondenzatorja na 400 kV?
Odgovor je izolacija. 400 kV oljni-kondenzator s sponkami, ocenjenimi za to napetost, je velik, drag in težko ga je uporabljati. Nasprotno pa so štirje kondenzatorji 100 kV, ki so med praznjenjem povezani zaporedno:
cenejši na joul shranjene energije,
lažji za pošiljanje in namestitev,
modularno (dodajte stopnjo, dodajte 100 kV),
in napajanje za polnjenje mora doseči samo 100 kV - veliko manjšo, varnejšo enosmerno enoto.
Zato vsak sodoben generator impulzne napetosti od 100 kV naprej uporablja Marxovo topologijo.
7. Praktični vidiki načrtovanja
Če preučujete, določate ali kupujete sistem impulzne napetosti, ki temelji na Marxu-, bodite pozorni na:
Stopenjska napetost.Večina industrijskih Marxovih stolpov je zgrajenih pri 100 kV na stopnjo. Nekateri kompaktni visoko{2}}energijski modeli uporabljajo 200 kV na stopnjo (npr. . 6 stopenj=1200 kV v krajšem stolpu).
Zanesljivost sprožilca. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99% uspešnost streljanja na tisoče strelov; stopnja uhajanja nad 2 % pomeni nestabilne rezultate testa.
Induktivnost telesa.Nižje je bolje. Dobro-zasnovan 4-stopenjski stolp meri pod 55 µH.
Pasovna širina delilnika.Šibko dušen kapacitivni delilnik z delnim odzivnim časom, manjšim od ali enakim 100 ns, daje čiste valovne oblike do sub-mikrosekundnih strmih-preizkusov.
Ozemljitev.O enotočkovni-ozemljitvi pri manjšem ali enakem 0,5 Ω ni-predmet dogovora - slaba ozemljitev pokvari vsako meritev.
Za popolnoma konfiguriran komercialni primer glejte4-stopenjski 400 kV / 30 kV Marxov generatorzgrajen okoli krmilnega stojala PLC Siemens.
8. Zaključek
Vezje Marxovega generatorja je mojstrovina elektrotehnike iz 1920-ih, ki še vedno določa, kako-naprave z visoko napetostjo se testirajo danes. Vzporedno polnjenje ohranja zalogo za polnjenje majhno in varno; serijska razelektritev skozi sprožene iskrišča pomnoži napetost; sprednji in repni upori oblikujejo valovno obliko; in modularne stopnje vam omogočajo, da iz istih gradnikov zgradite karkoli, od 100 kV učne enote do 2400 kV UHV tipa-testnega sistema.
Želite videti, kako se to vezje pretvori v delujoč izdelek?Prebrskajte po našihcelotna serija WGJgeneratorjev impulzne napetosti Marx-vezja od 20 kV do 2400 kV.
