1. Què és un generador Marx?
A generador de Marxés la topologia de circuit estàndard darrere de gairebé tots els sistemes de prova de tensió d'impuls industrial. El nom de l'enginyer alemanyErwin Otto Marx, que el va proposar el 1924, resol un problema fonamental: com es genera un pols de 400 kV, 800 kV o 1200 kV quan el subministrament de càrrega només necessita lliurar ± 100 kV per etapa?
La resposta és elegant - carrega moltes etapes de condensadors idèntiquesen paral·lela una tensió modesta, després connecteu-losen sèrieamb espurnes disparades en el moment de la descàrrega, multiplicant la tensió de sortida pel nombre d'etapes.
En aquest article s'explica el diagrama de circuits de Marx etapa per etapa, explicant què fa cada component, com es diferencien els circuits d'una -etapa i de diverses etapes- i com es configura realment la forma d'ona del llamp familiar d'1,2/50 µs.
2. La idea bàsica: càrrega paral·lela, descàrrega en sèrie
Penseu en el generador de Marx com una escala. Cada esglaó és un condensador i els rails laterals són dues cadenes de resistències de càrrega.
Durant la càrrega:
Un subministrament de càrrega de CC (normalment de 0 a 100 kV per etapa) s'alimenta a través de resistències de càrrega d'alt -valor.
Tots els condensadors de l'escala es carreguen fins a la mateixa tensió - per exemple, +100 kV.
Com que els condensadors estan efectivament en paral·lel en aquest punt, el subministrament només ha de proporcionar la tensió d'una etapa, no la tensió completa de la pila.
Les espurnes entre les etapes romanen obertes - l'aire és un bon aïllant a aquesta tensió.
Durant l'alta:
Un pols d'activació dispara la primera espurna (-etapa superior).
El tancament d'aquest primer buit duplica la tensió a través del següent buit, que el sobrevolta i fa que es trenqui a continuació.
Això baixa en cascada per l'escala - buit després que l'espai s'encengui en nanosegons.
Ara tots els condensadors estan connectatsen sèrie. Amb 4 etapes carregades a 100 kV cadascuna, la càrrega veu 4 × 100 kV =400 kVa través d'ell durant uns microsegons.
L'energia total emmagatzemada és simplement n × (½·C_stage·V²), on n és el nombre d'etapes.
3. Diagrama de circuit de Marx anotat - Cada component
A continuació es mostra una-revisió del que veureu en qualsevol esquema del generador Marx (vegeu la figura 1: diagrama del circuit principal del generador de voltatge d'impuls):
| Component | Rol per -etapa | Valor típic |
|---|---|---|
| Condensador de pols principal (C) | Emmagatzema energia; un o dos per etapa | 1,5 µF a 100 kV en un sistema de 4 etapes de 30 kJ |
| Resistència de càrrega (Rc) | Aïlla les etapes durant la càrrega; valor alt perquè no carregui el pols | Desenes de kΩ per etapa |
| Front d'ona / resistència d'amortiment (Rf) | Modela la vora ascendent de l'impuls; amortitza les oscil·lacions parasitàries | Seleccionat per capacitat de càrrega |
| Resistència de cua d'ona (Rt) | Modela la cua en descomposició de la forma d'ona | Seleccionat per capacitat de càrrega |
| Espai d'espurna (G) | Tres-elèctrodes, activats; connecta etapes en sèrie durant la descàrrega | Espai de l'esfera de φ250 mm, motor-ajustat |
| Columna aïllant | Suporta la torre mecànicament | Epoxi, 2 de gruix + 3 prims per etapa |
La cadena de mesura externa - un divisor capacitiu poc amortit i una gravadora digital - es troben a través de l'objecte de prova i no forma part de l'escala de Marx en si.
4. Circuits Marx d'una-etapa o multi-etapa
Marx d'una-etapaés un nom inadequat en sentit estricte - un únic condensador carregat a la tensió desitjada i descarregat a través d'un buit és només un condensador d'impulsos, no un circuit de Marx. El que solen dir els enginyers per "circuit generador d'impulsos d'una sola etapa" és auna-escala de Marx: un condensador principal, una resistència de càrrega, un buit de disparament. Arriba al voltant dels 100-200 kV i és comú en laboratoris d'ensenyament i petits conjunts de proves.
Marx multi-etapaés la forma industrial:
2 etapes / 200 kV: típic per a les proves rutinàries d'aparells de commutació i transformadors d'instruments de classe de 10 kV-.
3 etapes / 300 kV: entrada per a equips de distribució de classe 35 kV-.
4 etapes / 400 kV: el cavall de batalla per a transformadors de distribució de classe de 35 kV-, casquilles, descargadors de sobretensions i GIS.
6 etapes / 600 kV: classe 66–110 kV.
12 etapes / 1200 kV i superior: laboratoris de proves tipus-EHV/UHV.
Cada etapa addicional de 100 kV afegeix un esglaó a l'escala - mateixa topologia, més condensadors, més buits, torre més alta.
5. Com es formen les resistències de front d'ona i de cua d'ona 1,2/50 µs
La forma d'ona del llamp d'1,2/50 µs no la produeixen només els condensadors - sinó que s'ha dissenyat escollintRf (frontal)iRt (cua).
Elprimer temps(1,2 µs) es determina en gran mesura per la rapidesa amb què es carrega la capacitat de càrrega a través de la resistència frontal. Rf més petit → davant més ràpid; Rf massa petit → anellament paràsit.
Eltemps a la meitat-valor(50 µs) es determina en gran mesura per la lentitud que es descarrega el banc de condensadors combinat a través de la resistència de cua. Rt més gran → cua més llarga.
Perona picada(2–6 µs), una bretxa separada dispara a la forma d'ona i la trunca artificialment.
Perimpuls de commutació(250/2500 µs), les resistències frontals es mantenen com a resistències d'amortiment i les resistències de cua més grans s'activen per alentir la forma d'ona.
En una torre-configurable de camp, els operadors intercanvien els conjunts de resistències d'endoll-per moure's entre els modes de llamp, de commutació, d'oscil·lació i d'ona-continua - sense soldadura, sense cablejat del circuit principal.
6. Per què el subministrament de càrrega es manté a baixa tensió
Una pregunta habitual: per què no carregar directament un únic condensador a 400 kV?
La resposta és l'aïllament. Un condensador-immers en oli de 400 kV amb terminals classificats per a aquesta tensió és gran, car i difícil de manejar. Per contra, quatre condensadors de 100 kV connectats en sèrie durant la descàrrega són:
més barat per joule d'energia emmagatzemada,
més fàcil d'enviar i instal·lar,
modular (afegir una etapa, afegir 100 kV),
i el subministrament de càrrega només ha d'arribar als 100 kV - una unitat de corrent continu molt més petita i segura.
És per això que tots els generadors de tensió d'impuls moderns a partir de 100 kV utilitzen la topologia de Marx.
7. Consideracions pràctiques de disseny
Si esteu estudiant, especificant o comprant un sistema de tensió d'impuls-basat en Marx, presteu atenció a:
Tensió d'etapa.La majoria de les torres Marx industrials es construeixen a 100 kV per etapa. Alguns dissenys compactes d'alta-energia utilitzen 200 kV per etapa (per exemple,. 6 etapes=1200 kV en una torre més curta).
Fiabilitat del disparador. Three-electrode gaps with motorized spacing give >99% d'èxit de trets en milers de trets; una taxa d'esgotament superior al 2% significa resultats de les proves inestables.
Inductància corporal.Més baix és millor. Una torre de 4 etapes ben-dissenyada mesura menys de 55 µH.
Ample de banda divisor.Un divisor capacitiu poc amortit amb un temps de resposta parcial inferior o igual a 100 ns ofereix formes d'ona netes fins a les proves frontals de sub-microsegons-.
Posada a terra.La posada a terra d'un sol-punt a Menor o igual a 0,5 Ω no és-negociable - La mala presa a terra corromp totes les mesures.
Per obtenir un exemple comercial totalment configurat, vegeu elGenerador Marx de 4 etapes 400 kV / 30 kVconstruït al voltant d'un bastidor de control PLC de Siemens.
8. Conclusió
El circuit del generador de Marx és una obra mestra de l'enginyeria elèctrica dels anys 20 que encara defineix com es prova els aparells d'alta tensió-actualment. La càrrega paral·lela manté el subministrament de càrrega petit i segur; la descàrrega en sèrie mitjançant espurnes disparades multiplica la tensió; les resistències frontals i posteriors donen forma a la forma d'ona; i les etapes modulars us permeten crear qualsevol cosa, des d'una unitat didàctica de 100 kV fins a un sistema de prova de tipus-UHV de 2400 kV a partir dels mateixos blocs de construcció.
Vols veure com es tradueix aquest circuit en un producte de treball?Navega pel nostresèrie completa WGJdels generadors de tensió d'impuls del circuit de Marx-de 20 kV a 2400 kV.
