1. Что такое генератор Маркса?
A Генератор Маркса— это стандартная топология схемы, лежащая практически в каждой промышленной системе испытания импульсным напряжением. Назван в честь немецкого инженераЭрвин Отто Маркс, предложивший его в 1924 году, он решает фундаментальную проблему: как генерировать импульс напряжением 400 кВ, 800 кВ или 1200 кВ, если вашему источнику зарядки необходимо подавать только ± 100 кВ на ступень?
Ответ элегантен: - зарядите множество одинаковых конденсаторных каскадов.параллельнопри скромном напряжении, затем подключите ихв сериисо срабатыванием разрядников в момент разряда, умножая выходное напряжение на количество каскадов.
В этой статье поэтапно рассматривается принципиальная схема Маркса, объясняя, что делает каждый компонент, чем различаются одно-и многокаскадные-схемы и как на самом деле формируется знакомая форма сигнала молнии 1,2/50 мкс.
2. Основная идея: параллельная зарядка, последовательный разряд.
Думайте о генераторе Маркса как о лестнице. Каждая ступенька представляет собой конденсатор, а боковые направляющие представляют собой две цепочки зарядных резисторов.
Во время зарядки:
Источник зарядки постоянного тока (обычно 0–100 кВ на ступень) питается через зарядные резисторы высокого-номера.
Каждый конденсатор в лестнице заряжается до одинакового напряжения -, скажем, +100 кВ.
Поскольку в этот момент конденсаторы фактически включены параллельно, источник питания должен подавать напряжение только одного каскада, а не всего напряжения стека.
Искровые промежутки между ступенями остаются открытыми - воздух является хорошим изолятором при этом напряжении.
Во время выписки:
Триггерный импульс запускает первую (верхнюю-ступень) искрового разрядника.
Закрытие первого зазора удваивает напряжение на следующем зазоре, что приводит к его перенапряжению и следующему выходу из строя.
Это каскадно спускается вниз по лестнице -, разрыв за разрывом срабатывает в наносекундах.
Теперь все конденсаторы подключены.в серии. При четырех ступенях, заряженных по 100 кВ каждая, нагрузка выдерживает 4 × 100 кВ =400 кВчерез него в течение нескольких микросекунд.
Общая запасенная энергия равна n × (½·C_stage·V²), где n — количество ступеней.
3. Аннотированная принципиальная схема Маркса - Каждый компонент
Ниже приведено-обзор того, что вы увидите на любой схеме генератора Маркса (см. рис. 1: принципиальная схема генератора импульсного напряжения):
| Компонент | Роль на-этапе | Типичное значение |
|---|---|---|
| Главный импульсный конденсатор (С) | Хранит энергию; один или два на этап | 1,5 мкФ при 100 кВ в 4-ступенчатой системе на 30 кДж |
| Зарядный резистор (Rc) | Изолирует ступени во время зарядки; высокое значение, поэтому он не нагружает пульс | Десятки кОм на ступень |
| Волновой фронт / демпфирующий резистор (Rf) | Формирует нарастающий фронт импульса; гасит паразитные колебания | Выбирается по емкости нагрузки |
| Волновой резистор (Rt) | Формирует затухающий хвост сигнала | Выбирается по емкости нагрузки |
| Искровой разрядник (G) | Три-электрода, триггерные; последовательно соединяет ступени во время разряда | Зазор сферы φ250 мм, регулировка-двигателем |
| Изоляционная колонна | Механически поддерживает башню | Эпоксидная смола, 2 толстых + 3 тонких на этап |
Внешняя измерительная цепь - слабо демпфируемый емкостный делитель и цифровой регистратор - расположена поперек объекта испытаний и не является частью самой лестницы Маркса.
4. Одно-этапные и многоэтапные-схемы Маркса
Одноэтапный-Марксэто неправильное название в строгом смысле слова - одиночный конденсатор, заряженный до желаемого напряжения и разряженный через промежуток, представляет собой всего лишь импульсный конденсатор, а не схему Маркса. Под «схемой одноступенчатого импульсного генератора» инженеры обычно подразумеваютодна-лестница Маркса: один основной конденсатор, один зарядный резистор, один разрядник. Максимальное напряжение составляет около 100–200 кВ и часто встречается в учебных лабораториях и небольших испытательных установках.
Многоэтапный-Марксэто промышленная форма:
2 ступени/200 кВ: типично для контрольных испытаний распределительных устройств класса 10 кВ- и измерительных трансформаторов.
3 ступени/300 кВ: вход для распределительного оборудования класса 35 кВ-.
4 ступени/400 кВ: рабочая лошадка для распределительных трансформаторов, вводов, ограничителей перенапряжения и КРУЭ класса 35 кВ-.
6 ступеней/600 кВ: класс 66–110 кВ.
12 ступеней / 1200 кВ и выше: Испытательные лаборатории сверхвысокого и сверхвысокого напряжения-типа.
Каждая дополнительная ступень на 100 кВ добавляет одну ступеньку к лестнице - та же топология, больше конденсаторов, больше зазоров, выше башня.
5. Как формируются резисторы волнового фронта и хвоста волны 1,2/50 мкс
Форма волны молнии 1,2/50 мкс создается не только конденсаторами -, она создается путем выбораРФ (передний)иРт (хвост).
переднее время(1,2 мкс) во многом определяется тем, насколько быстро заряжается емкость нагрузки через передний резистор. Меньший Rf → более быстрый фронт; слишком маленький Rf → паразитный звон.
время до половины-значения(50 мкс) во многом определяется тем, насколько медленно комбинированная батарея конденсаторов разряжается через хвостовой резистор. Больший Rt → более длинный хвост.
Длярубленая волна(2–6 мкс) отдельный разделительный промежуток включается в сигнал и искусственно обрезает его.
Дляимпульс переключения(250/2500 мкс), передние резисторы остаются в качестве демпфирующих резисторов, а хвостовые резисторы большего размера включаются для замедления формы сигнала.
В полевой-конфигурируемой вышке операторы меняют вилки-в наборах резисторов для переключения между режимами молнии, переключения, колебаний и крутых-волн - без пайки и перемонтажа главной цепи.
6. Почему источник зарядки остается под низким напряжением
Распространенный вопрос: а почему бы просто не зарядить один конденсатор до напряжения 400 кВ напрямую?
Ответ – изоляция. Масляный-конденсатор на 400 кВ с клеммами, рассчитанными на это напряжение, большой, дорогой и с ним трудно обращаться. Напротив, четыре конденсатора на 100 кВ, соединенные последовательно во время разряда:
дешевле за джоуль запасенной энергии,
проще доставить и установить,
модульные (добавить ступень, добавить 100 кВ),
а напряжение зарядки должно достигать только 100 кВ - гораздо меньшего и более безопасного блока постоянного тока.
Вот почему каждый современный генератор импульсного напряжения от 100 кВ и выше использует топологию Маркса.
7. Практические соображения по проектированию
Если вы изучаете, уточняете или покупаете систему импульсного напряжения на основе Маркса-, обратите внимание на:
Напряжение ступени.Большинство промышленных башен Маркса строятся на 100 кВ на ступень. В некоторых компактных-конструкциях с высоким энергопотреблением используется напряжение 200 кВ на ступень (например, . 6 ступени=1200 кВ в более короткой опоре).
Надежность триггера. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99% успеха при стрельбе из тысячи выстрелов; уровень отклонения выше 2% означает нестабильные результаты испытаний.
Индуктивность тела.Ниже лучше. Хорошо спроектированная четырехступенчатая башня имеет сопротивление менее 55 мкГн.
Делитель полосы пропускания.Слабо демпфируемый емкостный делитель с временем частичного отклика менее или равным 100 нс обеспечивает чистые формы сигналов даже в тестах с крутым фронтом менее-микросекунды-.
Заземление.Одноточечное-заземление с сопротивлением менее или равном 0,5 Ом не-не подлежит обсуждению. - плохое заземление искажает результаты всех измерений.
Полностью настроенный коммерческий пример см.4-ступенчатый генератор Маркса 400 кВ/30 кВпостроен на базе стойки управления ПЛК Siemens.
8. Заключение
Схема генератора Маркса — это шедевр электротехники 1920-х годов, который до сих пор определяет, каким образом-испытываются высоковольтные устройства сегодня. Параллельная зарядка обеспечивает компактность и безопасность зарядного устройства; последовательный разряд через сработавшие разрядники умножает напряжение; передние и хвостовые резисторы формируют форму сигнала; а модульные этапы позволяют построить что угодно — от учебного блока на 100 кВ до испытательной системы сверхвысокого напряжения 2400 кВ-из одних и тех же строительных блоков.
Хотите увидеть, как эта схема превращается в работающий продукт?Просмотрите нашполная серия WGJгенераторов импульсного напряжения по схеме Маркса-от 20 кВ до 2400 кВ.
