1. Apakah Penjana Marx?
A Penjana Marxialah topologi litar piawai di belakang hampir setiap sistem ujian voltan impuls industri. Dinamakan sempena jurutera JermanErwin Otto Marx, yang mencadangkannya pada tahun 1924, ia menyelesaikan masalah asas: bagaimana anda menjana nadi 400 kV, 800 kV atau 1200 kV apabila bekalan pengecasan anda hanya perlu menghantar ±100 kV setiap peringkat?
Jawapannya ialah - mengecas banyak peringkat kapasitor yang samaselaripada voltan sederhana, kemudian sambungkannyasecara bersiridengan celah percikan yang dicetuskan pada saat nyahcas, mendarabkan voltan keluaran dengan bilangan peringkat.
Artikel ini menelusuri rajah litar Marx peringkat demi peringkat, menerangkan perkara yang dilakukan oleh setiap komponen, cara-peringkat dan pelbagai{1}}litar peringkat berbeza dan cara bentuk gelombang kilat 1.2/50 µs yang biasa dibentuk.
2. Idea Teras: Pengecasan Selari, Pelepasan Siri
Fikirkan penjana Marx sebagai tangga. Setiap anak tangga ialah kapasitor, dan rel sisi adalah dua rentetan perintang pengecasan.
Semasa mengecas:
Bekalan pengecasan DC (biasanya 0–100 kV setiap peringkat) menyalurkan melalui-perintang pengecasan bernilai tinggi.
Setiap kapasitor dalam tangga mengecas sehingga voltan yang sama - katakan, +100 kV.
Oleh kerana kapasitor secara berkesan selari pada ketika ini, bekalan hanya perlu menghantar voltan satu peringkat, bukan voltan tindanan penuh.
Jurang percikan antara peringkat kekal terbuka - udara adalah penebat yang baik pada voltan ini.
Semasa pelepasan:
Nadi pencetus melancarkan celah percikan ({0}}atas) pertama.
Penutupan jurang pertama itu menggandakan voltan merentasi jurang seterusnya, yang melebih voltan dan menyebabkan ia rosak seterusnya.
Ini melantun menuruni tangga - jurang selepas jurang menyala dalam nanosaat.
Sekarang semua kapasitor disambungkansecara bersiri. Dengan 4 peringkat dicas kepada 100 kV setiap satu, beban melihat 4 × 100 kV =400 kVmerentasinya selama beberapa mikrosaat.
Jumlah tenaga yang disimpan hanyalah n × (½·C_stage·V²), dengan n ialah bilangan peringkat.
3. Diagram Litar Marx Beranotasi - Setiap Komponen
Di bawah ialah langkah-melalui perkara yang anda akan lihat dalam mana-mana skema penjana Marx (lihat Rajah 1: rajah litar utama penjana voltan impuls):
| Komponen | Peranan setiap-peringkat | Nilai biasa |
|---|---|---|
| Kapasitor nadi utama (C) | Menyimpan tenaga; satu atau dua setiap peringkat | 1.5 µF pada 100 kV dalam sistem 30 kJ 4 peringkat |
| Perintang pengecasan (Rc) | Mengasingkan peringkat semasa pengecasan; nilai tinggi supaya ia tidak memuatkan nadi | Berpuluh-puluh kΩ setiap peringkat |
| Hadapan gelombang / perintang redaman (Rf) | Membentuk tepi meningkat impuls; melembapkan ayunan parasit | Dipilih setiap kapasitansi beban |
| Perintang gelombang (Rt) | Membentuk ekor yang mereput bentuk gelombang | Dipilih setiap kapasitansi beban |
| Celah percikan api (G) | Tiga-elektrod, dicetuskan; menyambungkan peringkat secara bersiri semasa pelepasan | Jurang sfera φ250 mm, motor-dilaraskan |
| Lajur penebat | Menyokong menara secara mekanikal | Epoksi, 2 tebal + 3 nipis setiap peringkat |
Rantaian ukuran luaran - pembahagi kapasitif yang dilembapkan lemah dan perakam digital - terletak merentasi objek ujian dan bukan sebahagian daripada tangga Marx itu sendiri.
4. Litar-Peringkat lwn Berbilang-Peringkat tunggal
Tahap-tunggal Marxialah salah nama dalam erti kata yang ketat - satu kapasitor yang dicaskan kepada voltan yang dikehendaki dan dilepaskan melalui celah hanyalah kapasitor nadi, bukan litar Marx. Apa yang jurutera biasanya maksudkan dengan "litar penjana impuls satu peringkat" ialah asatu-anak tangga Marx: satu kapasitor utama, satu perintang pengecasan, satu jurang penembakan. Ia melebihi 100–200 kV dan biasa dalam makmal pengajaran dan set ujian kecil.
Berbilang-peringkat Marxialah bentuk industri:
2 peringkat / 200 kV: tipikal untuk ujian rutin alat suis kelas 10 kV-dan pengubah instrumen.
3 peringkat / 300 kV: kemasukan untuk peralatan pengedaran kelas-35 kV.
4 peringkat / 400 kV: kuda kerja untuk 35 kV-pengubah pengedaran kelas, sesendal, penangkap lonjakan dan GIS.
6 peringkat / 600 kV: kelas 66–110 kV.
12 peringkat / 1200 kV dan ke atas: Makmal ujian jenis EHV / UHV-.
Setiap peringkat tambahan 100 kV menambah satu anak tangga ke tangga - topologi yang sama, lebih banyak kapasitor, lebih banyak jurang, menara lebih tinggi.
5. Bagaimana Bentuk Hadapan Gelombang dan Perintang Wavetail 1.2/50 µs
Bentuk gelombang kilat 1.2/50 µs tidak dihasilkan oleh kapasitor sahaja - ia direka bentuk dengan memilihRf (depan)danRt (ekor).
Themasa hadapan(1.2 µs) sebahagian besarnya ditetapkan oleh seberapa pantas kemuatan beban mengecas melalui perintang hadapan. Rf yang lebih kecil → hadapan yang lebih laju; terlalu kecil Rf → deringan parasit.
Themasa kepada separuh-nilai(50 µs) sebahagian besarnya ditetapkan oleh seberapa perlahan gabungan bank kapasitor dilepaskan melalui perintang ekor. Rt lebih besar → ekor lebih panjang.
Untukgelombang cincang(2–6 µs), celah pemotongan yang berasingan menyala ke dalam bentuk gelombang dan memotongnya secara buatan.
Untukmenukar impuls(250/2500 µs), perintang hadapan dikekalkan sebagai perintang redaman dan perintang ekor yang lebih besar dihidupkan untuk memperlahankan bentuk gelombang.
Dalam medan-menara boleh dikonfigurasikan, pengendali menukar palam-dalam set perintang untuk bergerak antara kilat, pensuisan, berayun dan-mod gelombang curam - tanpa pematerian, tiada pendawaian semula litar utama.
6. Mengapa Bekalan Pengecasan Kekal pada Voltan Rendah
Soalan biasa: mengapa tidak hanya mengecas satu kapasitor kepada 400 kV secara terus?
Jawapannya ialah penebat. Kapasitor rendam minyak 400 kV-dengan terminal yang dinilai untuk voltan itu adalah besar, mahal dan sukar dikendalikan. Sebaliknya, empat kapasitor 100 kV disambung secara bersiri semasa nyahcas ialah:
lebih murah setiap joule tenaga tersimpan,
lebih mudah untuk menghantar dan memasang,
modular (tambah peringkat, tambah 100 kV),
dan bekalan pengecasan hanya perlu mencapai 100 kV - unit DC yang lebih kecil dan lebih selamat.
Inilah sebabnya mengapa setiap penjana voltan impuls moden dari 100 kV ke atas menggunakan topologi Marx.
7. Pertimbangan Reka Bentuk Praktikal
Jika anda sedang mengkaji, menentukan atau membeli sistem voltan impuls berasaskan Marx-, beri perhatian kepada:
Voltan peringkat.Kebanyakan menara Marx perindustrian dibina pada 100 kV setiap peringkat. Sesetengah reka bentuk tenaga-tinggi padat menggunakan 200 kV setiap peringkat (cth. 6 peringkat=1200 kV dalam menara yang lebih pendek).
Kebolehpercayaan pencetus. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99% menembak kejayaan ke atas beribu-ribu tembakan; kadar lari melebihi 2% bermakna keputusan ujian tidak stabil.
Kearuhan badan.Lebih rendah adalah lebih baik. Menara 4 peringkat yang direka dengan baik-berukuran di bawah 55 µH.
Jalur lebar pembahagi.Pembahagi kapasitif yang dilembapkan lemah dengan Masa tindak balas separa kurang daripada atau sama dengan 100 ns memberikan bentuk gelombang bersih sehingga ujian hadapan sub-curam mikrosaat-.
Pembumian.Pembumian-titik tunggal pada Kurang daripada atau sama dengan 0.5 Ω ialah pembumian yang tidak-boleh dirunding - merosakkan setiap pengukuran.
Untuk contoh komersial yang dikonfigurasikan sepenuhnya, lihatPenjana Marx 4-peringkat 400 kV / 30 kVdibina di sekeliling rak kawalan Siemens PLC.
8. Kesimpulan
Litar penjana Marx ialah karya agung kejuruteraan elektrik tahun 1920-an yang masih mentakrifkan{1}}alat voltan tinggi diuji hari ini. Pengecasan selari memastikan bekalan pengecasan kecil dan selamat; pelepasan siri melalui celah percikan yang dicetuskan mendarabkan voltan; perintang hadapan dan ekor membentuk bentuk gelombang; dan peringkat modular membolehkan anda membina apa sahaja daripada unit pengajaran 100 kV kepada sistem ujian jenis UHV 2400 kV-dari blok binaan yang sama.
Ingin melihat bagaimana litar ini diterjemahkan kepada produk yang berfungsi?Layari kamisiri WGJ penuhdaripada Marx-penjana voltan impuls litar daripada 20 kV hingga 2400 kV.
