1. Máy phát điện Marx là gì?
A máy phát điện Marxlà cấu trúc liên kết mạch tiêu chuẩn đằng sau hầu hết mọi hệ thống kiểm tra điện áp xung công nghiệp. Được đặt theo tên kỹ sư người ĐứcErwin Otto Marx, người đã đề xuất nó vào năm 1924, nó giải quyết được một vấn đề cơ bản: làm cách nào để tạo ra xung 400 kV, 800 kV hoặc 1200 kV khi nguồn sạc của bạn chỉ cần phân phối ±100 kV mỗi giai đoạn?
Câu trả lời là - sạc nhiều tầng tụ điện giống hệt nhausong songở điện áp khiêm tốn, sau đó kết nối chúngnối tiếpvới các khe hở tia lửa điện được kích hoạt tại thời điểm phóng điện, nhân điện áp đầu ra với số pha.
Bài viết này trình bày sơ đồ mạch Marx theo từng giai đoạn, giải thích chức năng của từng thành phần, mạch đơn{0}}cung cấp và đa cấp{1}} khác nhau như thế nào cũng như dạng sóng sét 1,2/50 µs quen thuộc thực sự được định hình như thế nào.
2. Ý tưởng cốt lõi: Sạc song song, xả nối tiếp
Hãy coi máy phát điện Marx như một cái thang. Mỗi nấc là một tụ điện, và các thanh ray bên là hai chuỗi điện trở sạc.
Trong quá trình sạc:
Nguồn sạc DC (thường là 0–100 kV mỗi giai đoạn) cấp nguồn qua các điện trở sạc có giá trị cao.
Mọi tụ điện trong thang đều sạc đến cùng một điện áp - chẳng hạn như +100 kV.
Bởi vì các tụ điện thực sự song song tại thời điểm này, nên nguồn cung cấp chỉ phải cung cấp điện áp của một giai đoạn chứ không phải điện áp toàn bộ ngăn xếp.
Khe hở tia lửa điện giữa các tầng vẫn mở - không khí là chất cách điện tốt ở điện áp này.
Trong quá trình xả:
Xung kích hoạt sẽ kích hoạt khoảng trống tia lửa đầu tiên (giai đoạn{0}}đầu tiên).
Việc đóng khe hở đầu tiên đó sẽ tăng gấp đôi điện áp trên khe hở tiếp theo, khiến nó bị quá áp và khiến nó bị hỏng tiếp theo.
Điều này sẽ xếp tầng xuống khoảng trống - bậc thang sau khi khoảng cách kích hoạt tính bằng nano giây.
Bây giờ tất cả các tụ điện được kết nốinối tiếp. Với 4 giai đoạn được sạc tới 100 kV, mỗi giai đoạn tải sẽ thấy 4 × 100 kV =400 kVngang qua nó trong vài micro giây.
Tổng năng lượng được lưu trữ đơn giản là n × (½·C_stage·V²), trong đó n là số lượng giai đoạn.
3. Sơ đồ mạch Marx được chú thích - Mọi thành phần
Dưới đây là phần hướng dẫn-những gì bạn sẽ thấy trong bất kỳ sơ đồ máy phát Marx nào (xem Hình 1: sơ đồ mạch chính của máy phát điện áp xung):
| Thành phần | Theo-vai trò trên sân khấu | Giá trị điển hình |
|---|---|---|
| Tụ xung chính (C) | Lưu trữ năng lượng; một hoặc hai mỗi giai đoạn | 1,5 µF ở 100 kV trong hệ thống 4 giai đoạn 30 kJ |
| Điện trở sạc (Rc) | Cô lập các giai đoạn trong quá trình sạc; giá trị cao nên không tải xung | Hàng chục kΩ mỗi giai đoạn |
| Điện trở mặt sóng / giảm chấn (Rf) | Định hình cạnh tăng của xung; dao động ký sinh làm giảm | Được chọn trên mỗi điện dung tải |
| Điện trở đuôi sóng (Rt) | Định hình phần đuôi phân rã của dạng sóng | Được chọn trên mỗi điện dung tải |
| Khe hở tia lửa (G) | Ba{0}}điện cực, được kích hoạt; kết nối các giai đoạn nối tiếp trong quá trình xả | Khoảng cách hình cầu φ250 mm, động cơ-đã điều chỉnh |
| cột cách điện | Hỗ trợ tháp một cách cơ học | Epoxy, dày 2 lớp mỏng + 3 mỗi lớp |
Chuỗi đo lường bên ngoài - một bộ chia điện dung có độ suy giảm yếu và một máy ghi kỹ thuật số - nằm trên đối tượng thử nghiệm và bản thân nó không phải là một phần của thang Marx.
4. Mạch Marx giai đoạn đơn-và nhiều giai đoạn{2}}
Marx-giai đoạn đơnlà một cách gọi sai theo nghĩa chặt chẽ - một tụ điện được tích điện đến điện áp mong muốn và phóng điện qua một khe hở chỉ là một tụ điện xung, không phải mạch Marx. Ý của các kỹ sư khi nói "mạch tạo xung một tầng" làmột-nấc thang Marx: một tụ điện chính, một điện trở sạc, một khe đánh lửa. Nó có điện áp cao nhất khoảng 100–200 kV và phổ biến trong các phòng thí nghiệm giảng dạy và các bộ thử nghiệm nhỏ.
Marx nhiều giai đoạnlà hình thức công nghiệp:
2 giai đoạn / 200 kV: điển hình cho các thử nghiệm thường xuyên của thiết bị đóng cắt và máy biến áp đo lường cấp 10 kV-.
3 giai đoạn / 300 kV: mục dành cho thiết bị phân phối loại 35 kV-.
4 giai đoạn / 400 kV: công cụ chính cho máy biến áp phân phối loại 35 kV-, ống lót, thiết bị chống sét và GIS.
6 giai đoạn / 600 kV: Cấp 66–110 kV.
12 cấp/1200 kV trở lên: Phòng thí nghiệm thử nghiệm loại EHV / UHV-.
Mỗi giai đoạn 100 kV bổ sung sẽ thêm một bậc vào thang - cùng một cấu trúc liên kết, nhiều tụ điện hơn, nhiều khoảng trống hơn, tháp cao hơn.
5. Hình dạng của điện trở đầu sóng và điện trở đuôi sóng 1,2/50 µs
Dạng sóng sét 1,2/50 µs không chỉ được tạo ra bởi các tụ điện - nó được thiết kế bằng cách chọnRF (phía trước)VàRt (đuôi).
cáctrước thời gian(1,2 µs) phần lớn được thiết lập bằng tốc độ sạc điện dung tải qua điện trở phía trước. Rf nhỏ hơn → mặt trước nhanh hơn; Rf quá nhỏ → tiếng chuông ký sinh.
cácthời gian đến một nửa giá trị(50 µs) phần lớn được thiết lập bằng tốc độ phóng điện của dãy tụ điện qua điện trở đuôi. Rt lớn hơn → đuôi dài hơn.
Vìsóng cắt nhỏ(2–6 µs), một khe cắt riêng biệt sẽ truyền vào dạng sóng và cắt bớt nó một cách giả tạo.
Vìxung chuyển mạch(250/2500 µs), các điện trở phía trước được giữ lại làm điện trở giảm chấn và các điện trở đuôi lớn hơn được bật vào để làm chậm dạng sóng.
Trong một-tháp có thể định cấu hình trường, người vận hành hoán đổi bộ điện trở phích cắm{1}} để di chuyển giữa các chế độ sóng sét, chuyển mạch, dao động và sóng dốc- - không hàn, không nối lại mạch chính.
6. Tại sao nguồn sạc vẫn ở điện áp thấp
Một câu hỏi phổ biến: tại sao không sạc trực tiếp một tụ điện tới 400 kV?
Câu trả lời là cách nhiệt. Tụ điện ngâm trong dầu 400 kV{2}}có các cực được định mức cho điện áp đó sẽ lớn, đắt tiền và khó xử lý. Ngược lại, bốn tụ điện 100 kV mắc nối tiếp trong quá trình phóng điện là:
rẻ hơn trên mỗi jun năng lượng dự trữ,
dễ vận chuyển và lắp đặt hơn,
mô-đun (thêm một giai đoạn, thêm 100 kV),
và nguồn sạc chỉ phải đạt 100 kV - một bộ DC nhỏ hơn, an toàn hơn nhiều.
Đây là lý do tại sao mọi máy phát điện áp xung hiện đại từ 100 kV trở lên đều sử dụng cấu trúc liên kết Marx.
7. Cân nhắc thiết kế thực tế
Nếu bạn đang nghiên cứu, chỉ định hoặc mua hệ thống điện áp xung dựa trên nền tảng Marx, hãy chú ý đến:
Điện áp giai đoạn.Hầu hết các tháp Marx công nghiệp được xây dựng ở mức 100 kV mỗi giai đoạn. Một số thiết kế năng lượng cao-nhỏ gọn sử dụng 200 kV mỗi giai đoạn (ví dụ:. 6 giai đoạn=1200 kV trong tháp ngắn hơn).
Độ tin cậy kích hoạt. Three-electrode gaps with motorized spacing give >Tỷ lệ bắn thành công 99% sau hàng ngàn phát bắn; tỷ lệ chạy trốn trên 2% có nghĩa là kết quả xét nghiệm không ổn định.
Độ tự cảm của cơ thể.Thấp hơn là tốt hơn. Một tháp 4 tầng được thiết kế tốt có-có áp suất dưới 55 µH.
Bộ chia băng thông.Bộ chia điện dung có độ suy giảm yếu có thời gian phản hồi một phần nhỏ hơn hoặc bằng 100 ns mang lại dạng sóng rõ ràng cho đến các thử nghiệm phía trước có độ dốc dưới{1}}micro giây{2}}.
Tiếp đất.Nối đất một điểm-ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 Ω là việc nối đất kém-không thể thương lượng được - làm hỏng mọi phép đo.
Để biết ví dụ thương mại được cấu hình đầy đủ, hãy xemMáy phát điện Marx 4 tầng 400 kV/30 kVđược xây dựng xung quanh giá điều khiển PLC của Siemens.
8. Kết luận
Mạch máy phát điện Marx là một kiệt tác của kỹ thuật điện những năm 1920 vẫn xác định cách thức-kiểm tra thiết bị điện áp cao ngày nay. Sạc song song giữ cho nguồn sạc nhỏ và an toàn; phóng điện nối tiếp qua các khe phóng điện được kích hoạt sẽ làm tăng điện áp; điện trở phía trước và phía sau định hình dạng sóng; và các giai đoạn mô-đun cho phép bạn xây dựng mọi thứ từ thiết bị giảng dạy 100 kV đến hệ thống thử nghiệm loại UHV 2400 kV{5}}từ cùng một khối xây dựng.
Bạn muốn xem mạch này chuyển thành sản phẩm hoạt động như thế nào?Duyệt qua của chúng tôiloạt WGJ đầy đủcủa mạch tạo điện áp xung Marx-từ 20 kV đến 2400 kV.
