1. Marx Jeneratörü Nedir?
A Marx üretecihemen hemen her endüstriyel darbe gerilimi test sisteminin arkasında yer alan standart devre topolojisidir. Adını Alman mühendisten alıyorErwin Otto Marx1924'te bunu öneren kişi, temel bir sorunu çözüyor: Şarj kaynağınızın aşama başına yalnızca ±100 kV sağlaması gerektiğinde 400 kV, 800 kV veya 1200 kV'luk bir darbeyi nasıl üretirsiniz?
Cevap çok şık - birçok aynı kapasitör aşamasını şarj edinparalel olarakmütevazı bir voltajda, ardından bunları bağlayınseri halindedeşarj anında tetiklenen kıvılcım aralıkları ile çıkış voltajının aşama sayısıyla çarpılması.
Bu makale, Marx devre şemasını adım adım inceleyerek her bileşenin ne yaptığını, tek-aşamalı ve çok-aşamalı devrelerin nasıl farklılaştığını ve tanıdık 1,2/50 µs yıldırım dalga formunun gerçekte nasıl şekillendiğini açıklamaktadır.
2. Temel Fikir: Paralel Şarj, Seri Deşarj
Marx üretecini bir merdiven gibi düşünün. Her basamak bir kapasitördür ve yan raylar iki dizi şarj direncidir.
Şarj sırasında:
Bir DC şarj kaynağı (genellikle aşama başına 0–100 kV), yüksek-değerli şarj dirençlerinden beslenir.
Merdivendeki her kapasitör aynı voltaja ({0}}, örneğin +100 kV'ye kadar şarj olur.
Bu noktada kapasitörler etkili bir şekilde paralel olduğundan, kaynağın tam yığın voltajını değil yalnızca bir aşamanın voltajını sağlaması gerekir.
Kademeler arasındaki kıvılcım aralıkları açık kalır - bu voltajda hava iyi bir yalıtkandır.
Taburculuk sırasında:
Bir tetikleme darbesi ilk (üst-aşama) kıvılcım aralığını ateşler.
Bu ilk boşluk kapanması, bir sonraki boşluktaki voltajı iki katına çıkarır, bu da onu aşırı gerilime sokar ve daha sonra bozulmasına neden olur.
Bu, nanosaniyeler içinde boşluk tetiklendikten sonra - merdiven boşluğundan aşağıya doğru basamaklanır.
Artık tüm kapasitörler bağlıseri halinde. Her biri 100 kV'a şarj edilen 4 aşama ile yük 4 × 100 kV=görür400kVbirkaç mikrosaniye boyunca boyunca.
Depolanan toplam enerji basitçe n × (½·C_stage·V²)'dir; burada n, aşama sayısıdır.
3. Açıklamalı Marx Devre Şeması - Her Bileşen
Aşağıda, herhangi bir Marx üreteci şemasında göreceğiniz şeyin-bir açıklaması yer almaktadır (bkz. Şekil 1: darbe gerilimi üreteci ana devre şeması):
| Bileşen | Aşama başına rol-başına | Tipik değer |
|---|---|---|
| Ana darbe kapasitörü (C) | Enerji depolar; aşama başına bir veya iki | 4 aşamalı 30 kJ sistemde 100 kV'ta 1,5 µF |
| Şarj direnci (Rc) | Şarj sırasında aşamaları izole eder; nabzı yüklemeyecek kadar yüksek değer | Aşama başına onlarca kΩ |
| Dalga cephesi / sönümleme direnci (Rf) | İtkinin yükselen kenarını şekillendirir; parazitik salınımları sönümler | Yük kapasitesi başına seçilir |
| Dalga kuyruğu direnci (Rt) | Dalga formunun çürüyen kuyruğunu şekillendirir | Yük kapasitesi başına seçilir |
| Ateşleme kıvılcım aralığı (G) | Üç-elektrot tetiklendi; deşarj sırasında aşamaları seri olarak bağlar | φ250 mm küre aralığı, motor-ayarlı |
| Yalıtım sütunu | Kuleyi mekanik olarak destekler | Epoksi, aşama başına 2 kalın + 3 ince |
Zayıf sönümlü kapasitif bölücü ve dijital kaydediciden oluşan harici ölçüm zinciri -, test nesnesinin karşısında yer alır ve Marx merdiveninin bir parçası değildir.
4. Tek-Aşamalı ve Çok-Aşamalı Marx Devreleri
Tek-aşamalı Marxtam anlamıyla yanlış bir isimdir - istenilen voltaja yüklenen ve bir boşluktan boşaltılan tek bir kapasitör, bir Marx devresi değil, yalnızca bir darbe kapasitörüdür. Mühendislerin genellikle "tek kademeli darbe üreteci devresi" ile kastettikleri şey,tek-basamaklı Marx merdiveni: Bir ana kapasitör, bir şarj direnci, bir ateşleme aralığı. Yaklaşık 100-200 kV'a ulaşır ve laboratuvarlarda ve küçük test setlerinde yaygındır.
Çok-aşamalı Marxendüstriyel şeklidir:
2 kademeli / 200 kV: 10 kV-sınıfı şalt donanımı ve alet trafosu rutin testleri için tipiktir.
3 kademeli / 300 kV: 35 kV-sınıfı dağıtım ekipmanı için giriş.
4 kademeli / 400 kV: 35 kV-sınıfı dağıtım transformatörleri, geçit izolatörleri, parafudrlar ve GIS için güçlü bir ürün.
6 aşama / 600 kV: 66–110 kV sınıfı.
12 kademe / 1200 kV ve üzeri: EHV / UHV tipi-test laboratuvarları.
Her ilave 100 kV'lik aşama, merdivene bir basamak ekler - aynı topoloji, daha fazla kapasitör, daha fazla boşluk, daha uzun kule.
5. Wavefront ve Wavetail Dirençleri 1,2/50 µs'yi Nasıl Şekillendiriyor?
1,2/50 µs yıldırım dalga biçimi yalnızca kapasitörler tarafından üretilmez - seçilerek tasarlanmıştırRF (ön)VeRt (kuyruk).
ön zaman(1,2 µs) büyük ölçüde yük kapasitansının ön direnç üzerinden ne kadar hızlı şarj edildiğine göre ayarlanır. Daha küçük Rf → daha hızlı ön; çok küçük Rf → parazit çınlaması.
değerin yarısına-kadar süre(50 µs) büyük ölçüde birleşik kapasitör bankasının kuyruk direncinden ne kadar yavaş boşaldığına göre ayarlanır. Daha büyük Rt → daha uzun kuyruk.
İçindoğranmış dalga(2–6 µs), ayrı bir kesme aralığı dalga biçimine ateşlenir ve onu yapay olarak keser.
İçinanahtarlama darbesi(250/2500 µs), ön dirençler sönümleme dirençleri olarak tutulur ve dalga biçimini yavaşlatmak için daha büyük kuyruk dirençleri devreye alınır.
Sahada-yapılandırılabilir bir kulede, operatörler, yıldırım, anahtarlama, salınım ve dik-dalga modları - arasında geçiş yapmak için direnç setlerindeki fişi-değiştirir; lehimleme yoktur, ana devrenin yeniden kablolanması gerekmez.
6. Şarj Kaynağı Neden Düşük Voltajda Kalıyor?
Yaygın bir soru: Neden tek bir kapasitörü doğrudan 400 kV'a şarj etmiyorsunuz?
sorunun cevabı "Yalıtım" dır. Terminalleri bu voltaja uygun olan 400 kV'lik yağa daldırılmış- bir kapasitör büyük, pahalı ve kullanımı zordur. Buna karşılık, deşarj sırasında seri olarak bağlanan dört adet 100 kV kapasitör:
depolanan enerjinin joulü başına daha ucuz,
nakliyesi ve kurulumu daha kolay,
modüler (bir aşama ekleyin, 100 kV ekleyin),
ve çok daha küçük, daha güvenli bir DC ünitesi olan şarj kaynağının yalnızca 100 kV'a - ulaşması gerekir.
Bu nedenle 100 kV'tan itibaren her modern darbe gerilimi jeneratörü Marx topolojisini kullanır.
7. Pratik Tasarım Hususları
Marx-tabanlı bir darbe gerilimi sistemi üzerinde çalışıyorsanız, belirliyorsanız veya satın alıyorsanız aşağıdakilere dikkat edin:
Aşama voltajı.Endüstriyel Marx kulelerinin çoğu, aşama başına 100 kV'ta inşa edilir. Bazı kompakt yüksek-enerjili tasarımlar, aşama başına 200 kV kullanır (örneğin, daha kısa bir kulede. 6 aşama=1200 kV).
Güvenilirliği tetikleyin. Three-electrode gaps with motorized spacing give >Binlerce atışta %99 atış başarısı; %2'nin üzerindeki kontrolden çıkma oranı istikrarsız test sonuçları anlamına gelir.
Vücut endüktansı.Daha düşük olması daha iyidir. İyi-tasarlanmış 4 aşamalı bir kulenin sıcaklığı 55 µH'nin altındadır.
Bölücü bant genişliği.100 ns'den az veya ona eşit kısmi yanıt süresine sahip, zayıf sönümlü kapasitif bölücü,-mikrosaniyenin altındaki dik-ön testlere kadar temiz dalga biçimleri sağlar.
Topraklama.0,5 Ω'dan küçük veya ona eşit olan tek-noktalı topraklama,-tartışılamaz - zayıf topraklama, her ölçümü bozar.
Tamamen yapılandırılmış ticari bir örnek için bkz.4 kademeli 400 kV / 30 kV Marx jeneratörüSiemens PLC kontrol rafı etrafında inşa edilmiştir.
8. Sonuç
Marx jeneratör devresi, 1920'lerin elektrik mühendisliğinin bir başyapıtıdır ve bugün hâlâ yüksek-cihazların ne kadar test edildiğini tanımlamaktadır. Paralel şarj, şarj kaynağını küçük ve güvenli tutar; tetiklenen kıvılcım aralıkları yoluyla seri deşarj gerilimi çoğaltır; ön ve kuyruk dirençleri dalga biçimini şekillendirir; ve modüler aşamalar, 100 kV'luk bir öğretim ünitesinden 2400 kV'luk bir UHV tip-test sistemine kadar her şeyi aynı yapı taşlarından oluşturmanıza olanak tanır.
Bu devrenin çalışan bir ürüne nasıl dönüştüğünü görmek ister misiniz?Ürünümüze göz atıntam WGJ serisi20 kV'tan 2400 kV'a kadar Marx-devre darbe gerilimi jeneratörlerinin sayısı.
