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]

Вам надо обязательно получить 500 кВ на нагрузке на открытом воздухе?

Токи утечки будут определятся напряженностью поля, соответственно, необходимо выбирать соответствующие радиусы и полированные поверхности, иначе не сможете поднять напряжение.

Если использовать газовую изоляцию, то на такие напряжения используется элегаз при давлении не больше 10 атм, так как выше пробивное напряжение от давления растет не сильно. Мы использовали 4-6 атм. При этом, баки должны быть спроектированы (формализованы) и изготовлены организацией, имеющей на это право.

Пульсации выходного напряжения определяются током нагрузки, частотой, схемой умножителя, числом каскадов и емкостями умножителя. Начните с расчетов каскадного умножителя.
Возьмите какое то напряжение, необходимое количество секций, доступную емкость и сделайте расчет с минимальной нагрузкой и максимальной нагрузкой. Увидите какие получатся пульсации и падение напряжения на умножителе при полной нагрузке.

Напряжение на секции надо привязывать к доступным конденсаторам, к15-10, например, или импортным (денег они хороших стоят, учитывая количество).
к15-10 на 40 кВ есть 10 нФ, киловольт 25-30 на секцию, т.е. трансформатор на 12,5-15 кВ. Увидите что получилось, будете думать дальше. Чуть позже посчитаю Вам какой то вариант. Считает у меня достаточно долго из-за того, что столбы в расчетах адекватные настоящим.

300 и 700 большая разница.

[Александр Гагари...]

Вам надо обязательно получить 500 кВ на нагрузке на открытом воздухе?

Закрытое отапливаемое помещение, именно так.

Токи утечки будут определятся напряженностью поля, соответственно, необходимо выбирать соответствующие радиусы и полированные поверхности, иначе не сможете поднять напряжение.

Есть два полированных шара: нержа 75см и алюминий 100см.

Если использовать газовую изоляцию, то на такие напряжения используется элегаз при давлении не больше 10 атм, так как выше пробивное напряжение от давления растет не сильно. Мы использовали 4-6 атм. При этом, баки должны быть спроектированы (формализованы) и изготовлены организацией, имеющей на это право.

Здесь меня волнует только один момент. Есть проблема такого плана что электростатика норовит побегать по границам сред. В масле этого не наблюдается, в силу смачиваемости, насколько я понимаю. Это не тоже самое что коронный разряд. Будет ли элегаз также защищать от этого процесса как масло? Ну и масло опять же дополнительное охлаждение создает.

Пульсации выходного напряжения определяются током нагрузки, частотой, схемой умножителя, числом каскадов и емкостями умножителя. Начните с расчетов каскадного умножителя.
Возьмите какое то напряжение, необходимое количество секций, доступную емкость и сделайте расчет с минимальной нагрузкой и максимальной нагрузкой. Увидите какие получатся пульсации и падение напряжения на умножителе при полной нагрузке.

Конкретно для постановки эксперимента пульсации большого значения не имеют. Как посчитать нагрузку в таком режиме съема даже не представляю. Могу только предположить ток утечки и то по косвенным данным.

Напряжение на секции надо привязывать к доступным конденсаторам, к15-10, например, или импортным (денег они хороших стоят, учитывая количество).
к15-10 на 40 кВ есть 10 нФ, киловольт 25-30 на секцию, т.е. трансформатор на 12,5-15 кВ. Увидите что получилось, будете думать дальше. Чуть позже посчитаю Вам какой то вариант. Считает у меня достаточно долго из-за того, что столбы в расчетах адекватные настоящим.

300 и 700 большая разница.

Трансформатор 15кВ сразу отпадает, ввиду ограниченного количества ступеней которые можно ставить на сам умножительный столб (13-15).
Есть еще один момент к15-10, их ненадежность, как и у всей керамики (кроме КВИ) на высоких частотах. Рассматривали этот вариант, пришли к выводу что есть смысл делать самодельные плоские конденсаторы с полимерным изолятором. Размер будет приличный, но зато любое выбранное напряжение и в принципе емкость можно подобрать. Как крайний вариант рассматриваю покупку также зарубежных импульсных пленочных конденсаторов. Есть наши к73-14 полиэтилентерафталатные, они в принципе подходят и по частоте и по емкости, жаль только до 25кВ их делают.
Кстати кто нибудь может подсказать, можно ли в умножителе последовательно соеднинять конденсаторы, для получения большего номинала напряжения? На максимальном количестве ступеней это дело никак не скажется?

300 и 700 конечно большая, но хотя бы 500.

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.

Я часто сталкиваюсь с таким вопросом. Статика и ток проводимости это совершенно разные по своей природе вещи. Статика это фактически ток смещения. Количество статики есть производное от реактивных токов на границе раздела сред металл/диэлектрик. Совсем другие свойства у статики, я это дело давно изучаю, она обладает рядом очень необычных свойств. Поэтому если плавно зарядить конденсатор и например импульсами с крутым фронтом, то количество статики будет существенно разным, как показывает практика.

Кроме того, есть нюанс, что количество статики которое можно зарядить в конденсатора зависит от реактивной емоксти конденсатора, то есть от типа диэлектрика. Это еще одна причина почему выбор пал на пленочные конденсаторы.
Керамика же от статических пульсаций деградирует быстро (кроме специальной). Некоторые керамические конденсаторы даже взрываются, у меня даже видео где-то было.


Вот у меня такой еще вопрос, может посоветуете.
Допустим сделал я накачку и трансформатор 5/50кВ к примеру, частота в пределах 5 кгц. Естесственно, по количеству витков на вторичке и емкости умножителя резонансная частота никак 5кгц не выйдет. Как быть в такой ситуации? Понизить резонансную частоту столба с помощью установки дополнительной индуктивности, вроде катушки на феррите?


Сообщение отредактировал Александр Гагарин - Apr 12 2011, 14:26

[Herz]

Я часто сталкиваюсь с таким вопросом. Статика и ток проводимости это совершенно разные по своей природе вещи. Статика это фактически ток смещения. Количество статики есть производное от реактивных токов на границе раздела сред металл/диэлектрик. Совсем другие свойства у статики, я это дело давно изучаю, она обладает рядом очень необычных свойств. Поэтому если плавно зарядить конденсатор и например импульсами с крутым фронтом, то количество статики будет существенно разным, как показывает практика.

Кроме того, есть нюанс, что количество статики которое можно зарядить в конденсатора зависит от реактивной емоксти конденсатора, то есть от типа диэлектрика. Это еще одна причина почему выбор пал на пленочные конденсаторы.
Керамика же от статических пульсаций деградирует быстро (кроме специальной). Некоторые керамические конденсаторы даже взрываются, у меня даже видео где-то было.

Действительно, терминология Ваша как-то... сбивает с толку. Я так и не понял из Вашего объяснения, что же имеется в виду. И почему "статика" зависит от частоты и от способа заряда конденсатора. Есть какие-то общепринятые названия тому, что вы называете "статикой", её количеством? Заряд? Потенциал? Что-то другое? Если токов (реактивных или нереактивных) нет, то "статики" нет?

[Александр Гагари...]

Действительно, терминология Ваша как-то... сбивает с толку. Я так и не понял из Вашего объяснения, что же имеется в виду. И почему "статика" зависит от частоты и от способа заряда конденсатора. Есть какие-то общепринятые названия тому, что вы называете "статикой", её количеством? Заряд? Потенциал? Что-то другое? Если токов (реактивных или нереактивных) нет, то "статики" нет?

К сожалению, электротехнического образования не имею, могу плавать в терминах. Статика - электростатический потенциал, электростатический заряд на обкладках конденсатора. Количественно образование электростатического заряда зависит от способа зарядки конденсатора, конечно измерения имею смысл при съеме этого заряда и некой количественной оценке. В нашем случае прямых измерений не проводили, да и не было необходимости, на глаз разница очень существенная.
Насчет токов не понял вопроса, если их нет то вообще ничего нет, не только электростатики вроде, при выключенном то устройстве.