Нужна помощь в разработке схемы питания для умножителя., Хотим испробовать немного нестандартный подход к схеме умножителя. Опции

[Александр Гагари...]

Всем доброго дня!
Мы с коллегами столкнулись с проблемой изготовления ВЧ ВВ умножителя выше 300кВ, в связи с тем что нет в наличии трансформаторов на нужную мощность, напряжение и частоту. Вообще задача изготовления трансформатора на частоты даже до 25кгц (20кВ, 1-2кВт), оказалась очень не тревиальной. Поэтому сейчас ищем варанта обхода этой проблемы. Один я изложил ниже, буду благодарен участникам форума за любые советы по данной задаче.

Постановка задачи
Нужен умножитель, ВЧ, выходное напряжение -500кВ
Мощность на выходе не ниже 300-400Вт
Нагрузка на умножитель носит чисто реактивный характер (съем электростатики), однако потери на корону в пространстве на данном напряжении все равно существенные, отсюда требование к мощности.

Проблема:
отсутствие ВВ трансформаторов на выходное напряжение 15-20кВ и выше на ВЧ
(есть, но стоимость запредельная)

Имеются:
- сверхбыстрые диоды на 500мА (время восстановления менее 50нс), 8кВ, для сборки диодных столбов, в нужном количестве;
- возможность сделать самодельные конденсаторы на любое напряжение, на основе полимерных изоляторов (оргстекло, винипласт, полиэтилентерафталат), поскольку в размерах ограничений нет, установка будет в любом случае заливаться в масло

Ищем возможное решение, как один вариант:
Изготовление импульсного генератора с регулировкой частоты в диапазоне 10-60кГц, на напряжение от 2 до 5кв (чем выше предположительно тем лучше). Форма сигнала близка к прямоугольной, возможно есть смысл чуть завалить фронт, чтобы не прибить диоды во вторичке. Мощность генератора до 2кВт.
Узкое место - трансформатор - в таком случае несложно изготовить кустарно, поскольку количество витков в обмотках будет не очень большое. (К примеру, с 5кВ до 100кВ, при 5 витках первички будет 100 витков вторички, либо до 50кВ, еще проще). Как вариант провода для вторички рассматривается автомобильные для свечей зажигания, изоляция до 50кВ имеются в продаже (продаются на нужную длину), либо провода для неоновых трансформаторов, изоляция 20-30кВ. Для такого трансформатора имеются достаточно крупные ферритовые сердечники, с выточенными фторопластовыми втулками. Можно использовать до 2-х комплектов. (Соединить вторички последовательно). Естесственно тоже в масло.
Таким образом умножитель будет работать по импульсной схеме, соответственно умножение по числу ступеней.
Примерная прикидка показывает что резонансная частота умножительного столба будет измеряться в сотнях килогерц, поскольку индуктивность вторички явно очень небольшая, да и емкости большими сделать не получится (в пределах 1нф максимум).
Поэтому предполагается накачивать после полного завершения колебаний от предыдущего импульса (к примеру, для 5 ступеней 10 тактов, соответственно частота
накачки не более чем 1/5 от резонансной). Таким образом можно уйти от точной подстройки в резонанс.
Желательно рассчитать по мощности импульса чтобы на вход умножительного столба попадало не менее 1кВт мощности, благо диоды и напряжения позволяют это сделать с запасом.

Предполагаемая концептуальная схема в приложении.
Нужна помощь в разработке схемы, со всеми защитами. Ну и конечно любые советы и комментарии вообще по предложенному варианту решения, или какие-то другие варианты. Вообщем, хочется уйти от стандартной проблемы с трансформатором.
Буду благодарен за любые комментарии.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[gte]

Ваш подход не самый лучший и очень прямой.
В очередной раз напоминаю про реактивные сопротивления паразитных емкостей, которые сильно падают с увеличением частоты. Так, что о трансформаторном преобразовании 5 кВ в 100 кВ, да еще на сотне килогерц забудьте.
Давайте начнем с того,

какой ток нагрузки Вам требуется,
какая стабильность,
какие пульсации,
немного больше о назначении источника.

А пока могу сказать.
1. В свое время, при выборе изоляции для источников на 500-700 кВ между жидкостной и газовой, выбор был сделан в пользу газовой и никто не пожалел, хотя вопрос и всплывал периодически. Думаю, что ничего не изменилось за последние 20 лет.
Есть, конечно, хорошие силиконовые компаунды, но не уверен, что такое дорогостоящее изделие можно делать неремонтнопригодным.
2. Попытки разработать такой источник без учета резонанса обречены на провал.
В свое время для источников на 500кВ и 700кВ использовался преобразователь с ZVC с регулируемым выходным напряжением и работой на параллельный резонанс УН.
3. Если в нагрузке допустимы пробои, то это надо учитывать, иначе что то будет регулярно выходить из строя.
4. В элегазе трансформатор киловольт на 20 сделать не сильно сложно, но в комплексе в умножителем для получения требуемой резонансной частоты.

P.S. Хотите делать сами, тщательно изучите как делаются высоковольтные источники такого диапазона.

[Александр Гагари...]

Ваш подход не самый лучший и очень прямой.
В очередной раз напоминаю про реактивные сопротивления паразитных емкостей, которые сильно падают с увеличением частоты. Так, что о трансформаторном преобразовании 5 кВ в 100 кВ, да еще на сотне килогерц забудьте.
Давайте начнем с того,

Да, спасибо, что-то неподумав написал. 5кГц было бы хорошо (может до 10?)
Пока думаю о 50кВ на вторичке, как основной вариант.

какой ток нагрузки Вам требуется,
какая стабильность,
какие пульсации,
немного больше о назначении источника.

Нагрузка имеет чисто реактивный характер. То есть снимаем только статику.
В связи с тем что расстояние от съема до земли 3-4м, то будет присутствовать ток утечки, в виде коронного разряда я понимаю (поскольку расстояние большое и площадь утечки тоже, то разряд не заметен я думаю будет). Поэтому минимальная планка по мощности на выходе стоит в 500ватт.
Почему частота является существенным моментом, потому что чем выше частота, тем больше электростатики образуется, получение которой и является целью изготовления устройства.
Соответственно, пульсации минимальные, потому что емкость поверхности на которой должен поддерживаться ВВ статический потенциал, постоянна, утечка зависит от влажности которая меняется не существенно (закрытое помещение).
Режим работы практически непрерывный до нескольких десятков часов.

А пока могу сказать.
1. В свое время, при выборе изоляции для источников на 500-700 кВ между жидкостной и газовой, выбор был сделан в пользу газовой и никто не пожалел, хотя вопрос и всплывал периодически. Думаю, что ничего не изменилось за последние 20 лет.
Есть, конечно, хорошие силиконовые компаунды, но не уверен, что такое дорогостоящее изделие можно делать неремонтнопригодным.

Газовую под давлением? Рассматриваю как вариант аргон, или азот (который недолюбиваю). Если под давлением то чуть усложняется сборка но зато ремонтопригодность выше. Буду благодарен если дадите комментарии.

2. Попытки разработать такой источник без учета резонанса обречены на провал.
В свое время для источников на 500кВ и 700кВ использовался преобразователь с ZVC с регулируемым выходным напряжением и работой на параллельный резонанс УН.

Да, понял. Вообще как сам напишешь на бумаге, так быстрее понимать начинаешь))
Все таки думаю накачку делать однополупериодную (то есть не переменку), единственное что думал возможно не в каждый такт частоты накачивать, а на определенный нечетный полупериод, например через 3 или через 5. Хотя если в любом случае резонанс ловить надо, тогда это теряет смысл.

3. Если в нагрузке допустимы пробои, то это надо учитывать, иначе что то будет регулярно выходить из строя.

Пробои не предполагаются, оборудование используется квалифицированным персоналом. Хотя если есть варианты сделать какую-то защиту, то это наверное не навредит. Однако я не силен в схемотехнике, поэтому и обратился на форум, возможно кто-то посоветует где можно заказать генераторную часть. Но прежде всего, конечно, хочу грамотно разобраться в техническом задании.

4. В элегазе трансформатор киловольт на 20 сделать не сильно сложно, но в комплексе в умножителем для получения требуемой резонансной частоты.

на 20 киловольт высокочастотный мощностью до 1 квт? хотя бы на 5кгц? не могли бы научить, или может подскажете кто изготовить может?

P.S. Хотите делать сами, тщательно изучите как делаются высоковольтные источники такого диапазона.

Делали и эксплуатировали до 250-300кВ, маломощные. Сейчас потребность выросла до 500-700кВ. Уже понятно что это совсем другой уровень сложности. Не могли бы посоветовать источники для изучения вопроса?

[Herz]

Почему частота является существенным моментом, потому что чем выше частота, тем больше электростатики образуется, получение которой и является целью изготовления устройства.

А что Вы называете электростатикой и почему она зависит от частоты? Выход ионов? Звучит, как "частота постоянного тока", ибо статика - это статика.

[gte]

А что Вы называете электростатикой и почему она зависит от частоты? Выход ионов? Звучит, как "частота постоянного тока", ибо статика - это статика.

Я понял, что речь о эффективности умножителя, но автор топика уточнит.