Последовательно два повышающих трансформатора, разумно ли? Опции

[iiv]

Всем привет,

я, как всегда о своих баранах...

Хочется поставить два торроидальных трансформатора (феррит диаметром 110мм), так, чтобы повышать с 17V(RMS)->11kV(RMS).

То есть первый повышает с 17V до 430V, а второй уже до 11kV (здесь и далее только RMS).

Почему так хитро:

1. нужна приемлимая мощность при маленьких габаритах, а именно постоянно надо иметь 500Ватт, но в пике (1мс) до 5кВатт,
2. нагрузка очень не равномерная, то ее нет (50-70% времени), то она пилообразно падает с 0.5А до 1мА, поэтому, зная сопротивление нагрузки, я буду подстраивать частоту, успешный опыт работы на одном трансформаторе 17V->2kV с аналогичной нагрузкой имеется, но вот в нем у меня было три слоя на вторичке (2000 витков), а тут думаю, надо в один слой мотать вторичку у второго трансформатора на 600 витков,
3. нужна оптимизация по весу, почти обязательно, чтобы система была не большая, до 25см длина, ширина, высота и весила не более 5 кг,
4. трансформаторное масло не подойдет, так как ожидаются большие перепады температур так как планируется эксплуатация от северного Урала, до южного Казахстана, и, до 5g ускорения,
5. есть положительный опыт работы с одним таким трансформатором и самопально написанная и успешно работающая система автоподстройки частоты в зависимости от нагрузки,
6. есть надежда, что после первого не сильно высоковольтного трансформатора, выход будет очень гладким и синусоидальным, и на моих 50кГц не пробъет второй трансформатор,
7. система должна работать на как можно максимально высокой частоте, система накачки может генерить частоту вплоть до 30мГц, но, как показывает опыт, оптимум, (в зависимости от нагрузки) находится в диапазоне от 30 до 60кГц для этого феррита.

Теперь после всего вышесказанного, очень прошу Вас, уважаемые друзья, помочь мне ответить на один вопрос:

Скажите, пожалуйста, правильно ли я понимаю, что если плотность тока по сечению обмоток у трансформаторов будут одинаковы (первичная с первичной, вторичная с фторичной), то максимум КПД у обоих трансформаторов в зависимости от частоты и нагрузки будут тоже одинаковы?

Спасибо!

ИИВ

[AlexeyW]

Маленькая, 20 Вт примерно. Трансформатор определяется в данном случае не мощностью, а нужной индуктивностью и пределом насыщения. Кроме того, поскольку тоже важен вопрос корректной передачи сигнала, важны паразитные резонансы.

Сообщение отредактировал AlexeyW - Sep 1 2011, 18:11

[iiv]

В продолжении темы, несколько моих комментариев:

1. действительно с числом витков в резонансе - описался, почему-то в эту тему давно не заглядывал.

2. попробовал два тора в каждом по 40 первички и 1200 вторички, потом попробовал первый транс с 4-ырмя перчичками, и одной вторичкой, второй транс одна первичка и одна вторичка, с подбором параметров так, чтобы все было максимально похоже друг на друга - пока не сильно доволен результатом. Происходит неравномерный нагрев, подстройка оптимума КПД плывет ужасно, короче мне пока эта идея перестала нравиться... Реально правда 400Ватт выходной получается на 70мм торах и порядка 120кГц.

3. Недавно факультативно собрал полный мост на 300В, запустил с одним трансом, реально лучше, спасибо gte за идею! Особенно понравилось, что от температуры теперь подстройка частот почти не плывет, а при моих исходных 12В-360В-10КВ уже через минуту работы параметры сильно из-за нагрева плыли. Пока идея с питанием одного транса на 300В только факультативно работает, но, думаю, руководство одобрит, и прибегут правильные люди из соседнего отдела и будут это серьезно разрабатывать, а я только численную часть буду долизывать.

ИМХО, если нужна малая мощь, как у Вас AlexeyW, порядка 20Ватт, то, два транса, возможно, по комплектующим будет самый дешевый вариант.

С уважением

ИИВ

[gte]

В продолжении темы, несколько моих комментариев:
Пока идея с питанием одного транса на 300В только факультативно работает, но, думаю, руководство одобрит, и прибегут правильные люди из соседнего отдела и будут это серьезно разрабатывать, а я только численную часть буду долизывать.

Если Вам так допустимо, то это лучше, чем с 17VRMS. При таком варианте может быть более высокая частота резонанса.
Регулировать выходное напряжение будет удобно изменением напряжения питания (300В).

Если Вы собираетесь работать на резонансе, то обратите внимание на необходимость уменьшения индуктивности рассеяния, которая может не позволить Вам получить требуемую мощность или достаточно низкое выходное сопротивление.

Для уменьшения дрейфа можно использовать современные ферромагнитные материалы, у которых малая зависимость проницаемости от температуры.

P.S. При высоком напряжении более высокая частота повышает требования к изоляции.

[iiv]

Если Вам так допустимо, то это лучше, чем с 17VRMS....

По компонентам и габаритам получилось дешевле купить инвентор на 2кВатт, и воткнуть его выход в полный мост - дешего и сердито. Сейчас попробовали играться разными торами, вышли на 700кГц, дальше не было смысла поднимать резонанс, так как умножитель уже не тянет (конденсаторы не успевают перезаряжаться).

gte, еще раз огромное спасибо за идею и советы!

[gte]

Сейчас попробовали играться разными торами, вышли на 700кГц, дальше не было смысла поднимать резонанс, так как умножитель уже не тянет (конденсаторы не успевают перезаряжаться).

Думаю, что придется опускать частоту.
Вы уже получили 11 кВ RMS на 700 килогерц в реальных габаритах и у Вас ничего не греется и не горит?

P.S. Вы генератором трансформатор в полосе от килогерца до 700 проверяли?

[iiv]

Вы уже получили 11 кВ RMS на 700 килогерц в реальных габаритах и у Вас ничего не греется и не горит?

да... только пока было 7кВ RMS, с потреблением порядка 400Ватт. Пока немного греется, но конвекция трансформаторного масла очень большая поэтому это - не проблема.

P.S. Вы генератором трансформатор в полосе от килогерца до 700 проверяли?

ага, как раз с тем числом витков (13 первичка и 220 вторичка, тор) как у меня, КПД получался максимальный где-то на 600кГц. КПД мерил по количеству энергии, необходимой для вгона в транс, чтобы на выходе это все через симметричный шестиступенчатый умножитель успешно зарядило кондер на 50кВ до его номинала в 5нФ.

Думаю, что придется опускать частоту.

собираюсь это сделать, так как можно и умножитель на больших номиналах собрать, да и витков побольше намотать.

[gte]

ага, как раз с тем числом витков (13 первичка и 220 вторичка, тор) как у меня, КПД получался максимальный где-то на 600кГц.

Какие потери получились? Что то у Вас не сходится. Я так понимаю, 7 кВ на вторичной обмотке Вы определили путем умножения питания генератора на коэффициент трансформации?
А надо измерять. Пиковым детектором, осциллографом, емкостным делителем. Чем доступно.
Или у Вас 3 секции умножения?

[iiv]

Какие потери получились? Что то у Вас не сходится. Я так понимаю, 7 кВ на вторичной обмотке Вы определили путем умножения питания генератора на коэффициент трансформации?
А надо измерять. Пиковым детектором, осциллографом, емкостным делителем. Чем доступно.
Или у Вас 3 секции умножения?

да, на вторичке я не измерял, просто посчитал, что на первичную даю +320В,-320В (полный мост на 2*p+2*n мосфетах с питанием 320В). Потом 6 ступеней умножителя, в пике должно быть 67кВ, по достижении 50кВ срабатывала некоторая схема, на основе которой я узнавал, что напряжение до 50кВ там дошло. Потери пока большие, суммарно КПД получилось 30%, но, как я понимаю, около 25-30% рассеялось еще до транса над чем и хочется упорно поработать. Вся высоковольтная часть, включая мосфеты, плавала в трансформаторном масле. Без него уже на второй секунде работы было столько озона, что решено было не продолжать...

ЗЫ никогда бы не подумал, что охлаждать мосфеты трансформаторным маслом очень удобно я использовал малюсенький радиатор поверх 247 корпуса, а конвекция трансформаторного масла была очень большой. Кстати, а бывают ли турбинки для масла, и, если да, то как такое чудо называется?

[gte]

да, на вторичке я не измерял, просто посчитал, что на первичную даю +320В,-320В (полный мост на 2*p+2*n мосфетах с питанием 320В). Потом 6 ступеней умножителя, в пике должно быть 67кВ, по достижении 50кВ срабатывала некоторая схема, на основе которой я узнавал, что напряжение до 50кВ там дошло. Потери пока большие, суммарно КПД получилось 30%,

Для такого трансформатора пересчетом питания на отношение витков Вы не получите соответствие реальности. Особенно, под нагрузкой.
Для Вашей схемы с выходным напряжением 7 кВ RMS напряжение х.х на выходе умножителя должно быть в два раза больше.
Частоту надо сильно уменьшать. Масло не самый лучший диэлектрик. Да и для очень хорошего изолятора на частоте 700 кГц и 10 кВ потери будут запредельными. Кроме того, если Вы превысите допустимые напряженности и потери в диэлектрике, то возникающие частичные разряды и локальное выделения тепла со временем будут приводить к отказу.

[iiv]

Для такого трансформатора пересчетом питания на отношение витков Вы не получите соответствие реальности. Особенно, под нагрузкой.

согласен

Для Вашей схемы с выходным напряжением 7 кВ RMS напряжение х.х на выходе умножителя должно быть в два раза больше.

вот тут не согласен, так как я уже построил с десяток стендов, в которых выходным напряжением было 20-70кВ, (входное было правда ранье только 12В), и на основе моего опыта оптимум вcегда был, когда идеальное напряжение которое гипотетически должно было достигаться, составляло всего-то 20-30% больше, чем то, что надо. Именно в этих случаях КПД схемы был максимален. Хотя при трансформации 300В в 50кВ что-то может кординально измениться.

Частоту надо сильно уменьшать.

так это был тест проверить, сам надеюсь, что все будет на 50-100кГц работать, просто транс нужен правильный, да конденсаторы умножителя помощнее. Правда есть интересный факт, в той схеме, что я тут на 600кГц получил, почти не было изменения резонансной частоты (и максимума КПД) от величины нагрузки, а вот раньше при 12В в 30кВ такое было совсем не подецки - частота плыла почти в 3 раза (холостой ход и полная нагруузка)

Масло не самый лучший диэлектрик. Да и для очень хорошего изолятора на частоте 700 кГц и 10 кВ потери будут запредельными. Кроме того, если Вы превысите допустимые напряженности и потери в диэлектрике, то возникающие частичные разряды и локальное выделения тепла со временем будут приводить к отказу.

это да, согласен, поэтому и хочется турбинку с маслом прифигачить

[gte]

вот тут не согласен, так как я уже построил с десяток стендов, в которых выходным напряжением было 20-70кВ, (входное было правда ранье только 12В), и на основе моего опыта оптимум вегда был, когда идеальное напряжение которое гипотетически должно было достигаться, составляло всего-то 20-30% больше, чем то, что надо. Именно в этих случаях КПД схемы был максимален. Хотя при трансформации 300В в 50кВ что-то может кординально измениться.

Вы не поняли.
Напряжение на каждой секции не нагруженного каскадного умножителя не сильно отличается от 2U входного.
Т.е. на 6 секциях у Вас без нагрузки должно быть напряжение не сильно отличающееся от 16,92*Uвх[RMS].
Т.е. при 6 секциях и 7 кВ RMS это 118 кВ. А у Вас получается всего 50кВ. Это не хорошо. Особенно, когда надо 0,5 кВт в нагрузке.

Правда есть интересный факт, в той схеме, что я тут на 600кГц получил, почти не было изменения резонансной частоты (и максимума КПД) от величины нагрузки, а вот раньше при 12В в 30кВ такое было совсем не подецки - частота плыла почти в 3 раза (холостой ход и полная нагруузка)

У Вас паразитная нагрузка 60%. В любом случае, в разы ухода не будет.
P.S. В очередной раз акцентирую внимание. Прежде чем лезть в высокие частоты на высоких напряжениях прикиньте сопротивление паразитных емкостей на предполагаемой рабочей частоте. Посчитайте реактивное сопротивление 1 пф и соответствующие реактивные мощности. Может и не будет желания тратить время на проведение таких тестов.

[iiv]

Вы не поняли.
Напряжение на каждой секции не нагруженного каскадного умножителя не сильно отличается от 2U входного.
Т.е. на 6 секциях у Вас без нагрузки должно быть напряжение не сильно отличающееся от 16,92*Uвх[RMS].
Т.е. при 6 секциях и 7 кВ RMS это 118 кВ. А у Вас получается всего 50кВ. Это не хорошо. Особенно, когда надо 0,5 кВт в нагрузке.

ой... я как-то просмотрел... Вы правы!!!

У Вас паразитная нагрузка 60%. В любом случае, в разы ухода не будет.

понятно, думаю, что довылизываю этот эксперимент и отрапортуюсь, вдруг кому будет интересно. Все только в строгом соответствии с Вашими, gte, советами, за что Вам огромное СПАСИБО!

P.S. В очередной раз акцентирую внимание. Прежде чем лезть в высокие частоты на высоких напряжениях прикиньте сопротивление паразитных емкостей на предполагаемой рабочей частоте. Посчитайте реактивное сопротивление 1 пф и соответствующие реактивные мощности. Может и не будет желания тратить время на проведение таких тестов.

Не, высокая частота - это не самоцель. Просто хотелось проверить работу всего оборудования на таких параметрах, поэтому и транс был сделан так, чтобы его основная отдача была на таких частотах. Реально мне все равно, какая частота, главное, чтобы КПД был побольше. Сейчас ориентируюсь на 5кВатт потребления, и чем больше, тем лучше, на выходе.

Для параллельного проекта хочу попробовать буст с умножителем (в соседней ветке обсуждается). Собираюсь для 20кВ сравниться, мне не сложно все это же с другим умножителем попробовать и понять что более экономичнее в использовании.

С уважением

ИИВ

[gte]

Сейчас ориентируюсь на 5кВатт потребления, и чем больше, тем лучше, на выходе.

Вы не написали прогнозируемы ли пиковые нагрузки и требования к пульсациям и стабильности.

[iiv]

Вы не написали прогнозируемы ли пиковые нагрузки и требования к пульсациям и стабильности.

Нагрузка предельно простая - конденсатор: 20-70кВ, 1-20нФ в зависимости от задачи, который надо зарядить с 0 до положенного значения, а потом, он должен разрядиться через нагрузку за несколько десятков наносекунд. И так 30-1000 раз в секунду. Вариантов конденсаторов много, у какого-то 2 Дж запасается, и надо 1000 раз в секунду разряжаться, а бывает и 50Дж, там только 20-30 раз в секунду такое происходит. Правда это только то, что хочется собрать, то что работает имеет скорость разрядов на 2 порядка меньше.

[gte]

Нагрузка предельно простая - конденсатор: 20-70кВ, 1-20нФ в зависимости от задачи, который надо зарядить с 0 до

Нагрузка, я бы сказал, не простая и мощность средняя не 500 Вт. Вам не просто надо держать напряжение, а обеспечивать зарядку с ограничением мощности, в крайнем случае, тока. В этом случае работа на резонансе с регулированием изменением частоты может не пройти. Не хватит диапазона регулировки. А если еще и напряжение зарядки регулировать.
Но решения встречал, поищите по источникам для лазеров.
Я сам делал нечто подобное лет 10 назад, но было около 300Вт. Использовал фиксированный ток зарядки.
Посмотрите патент № 2207230 где то здесь здесь

[iiv]

Я сам делал нечто подобное лет 10 назад, но было около 300Вт. Использовал фиксированный ток зарядки.
Посмотрите патент № 2207230 где то здесь

За ссылку на патент - Спасибо! Читаю, интересно. А Вы его учасник, если не секрет?

Пока до этого я делал так, после того, как нагрузка разряжена, включал систему на полную мощь, и следил за потребляемым током, как только ток падал до определенного уровня - все, конденсатор зарядился. Сильно большая точность мне не нужна, 10% по напряжению позволительно ошибиться. Дополнительные измерительные системы позволяют мне оценить энергию разряда, а по ней, медленно и печально подгонять частоту, подаваемую на транс. Представляете, когда я трансом с 12В до 2кВ поднимал, как было весело угадывать правильную частоту. У меня ток на транс в начале (нагрузка разряжена) составлял около 20А, а при доходе до заданного напряжения, ток на транс падал до 0.7А. И с двумя трансами все так же было. Сейчас всего-то с 300В до 7-10кВ, думаю, что все будет на порядки проще.

[Herz]

За ссылку на патент - Спасибо! Читаю, интересно.

А мне не удалось обнаружить. Дайте точную ссылку, пожалуйста.

[gte]

А мне не удалось обнаружить. Дайте точную ссылку, пожалуйста.

Перейдя по ссылке выше выбираете
Реестр изобретений Российской Федерации

Затем вводите в поиск номер регистрации 2207230
Прямая ссылка может не работать

я боролся двумя методами на старой (50Ватт) установке. Первый - ставил очень большие номиналы на первую ступень каскада и использовал симметричный каскад, это в котором 3 конденсатора и 4 диода на ступень.

Если Вы ставите неравнозначные конденсаторы секциях умножителя напряжения, то при резком изменении нагрузки будет перераспределение напряжения по секциям.
Симметричный это, я так понял, двухполупериодный. Есть еще и многофазные
Ограничение плавным нарастанием напряжения, подаваемого на умножитель и даже обратная связь по току не спасает от пикового тока при пробое или быстром разряде в нагрузке. Ток определяется только конструкцией умножителя и нагрузкой. Минимальные резисторы в любом случае необходимы они выбираются исходя из допустимого импульсного тока высоковольтных столбов. Да и стоимость высоковольтных столбов с повышением их рабочего тока растет негуманно.

[Herz]

Перейдя по ссылке выше выбираете
Реестр изобретений Российской Федерации

Затем вводите в поиск номер регистрации 2207230
Прямая ссылка может не работать

Это: УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ?
Спасибо, работает.

[AndreyVN]

Последовательное соединение вторичек повышающих трансформаторов:  oscilatr.zip ( 92.41 килобайт ) Кол-во скачиваний: 143


А можно поинтересоваться, как у Вас H-мост c первичкой связан - напрямую, или через емкость?

PS: djvu не грузит, пришлосб в zip упаковать

[iiv]

А можно поинтересоваться, как у Вас H-мост c первичкой связан - напрямую, или через емкость?

когда еще на Н-мосте экспериментировал, первичка напрямую была воткнута, без конденсаторов. Сейчас перешел полностью на другую схему - буст воткнутый в умножитель, честно говоря, гораздо больше нравится.

[AndreyVN]

Сейчас перешел полностью на другую схему - буст воткнутый в умножитель, честно говоря, гораздо больше нравится.

Это без трансформатора вообще? Н-мост качает сразу умножитель?

Я делал преобразователи 2-3кВ для питания ФЭУ на ток где-то до 500 мкА.

Меня всегда волновал вопрос, как распорядиться тем фактом, что трансформаторный преобразователь имеет довольно ярко выраженные резонансные свойства.
Что лучше, настроиться на резонанс, или наоборот, отстроиться от резонанса?

[gte]

Меня всегда волновал вопрос, как распорядиться тем фактом, что трансформаторный преобразователь имеет довольно ярко выраженные резонансные свойства.
Что лучше, настроиться на резонанс, или наоборот, отстроиться от резонанса?

Если мощность более или менее заметна, игнорировать резонанс не получится, так как он находится близко или в области рабочих частот.
Поэтому работают на резонансе или квазирезонансе.

[AndreyVN]

Если мощность более или менее заметна, игнорировать резонанс не получится, так как он находится близко или в области рабочих частот.
Поэтому работают на резонансе или квазирезонансе.

А почему "поэтому"?

Мои рассуждения приводят к прямо-противоположному выводу.

Резонанс - это когда запасенная в колебательной системе энергия предыдущего колебания складывается с подкачкой энергии на следующем колебании.

При большой отдаваемой мощности, на каждом колебании отбирается вся запасенная в колебательной системе энергия, то есть работать на резонансе на больших мощностях смысла нет.
Коэффициент преобразования будет чистый к-т трансформации с учетом всех видов потерь.

А вот на малых - есть, можно получить коэффициент преобразования, превышающий коэффициент трансформации именно за счет запасания неизрасходованной энергии, т.е. резонансной раскачки.

Что значит "игнорировать резонанс"? Непонятно, у меня резонанс преобразователя 3кВ находится в области 12-17 кГц, без проблем можно перестроиться на 20-25 кГц.
То есть, рабочую частоту можно выбрать и резонансную и нерезонансную без проблем.

[gte]

А почему "поэтому"?

Мои рассуждения приводят к прямо-противоположному выводу.

Что значит "игнорировать резонанс"? Непонятно, у меня резонанс преобразователя 3кВ находится в области 12-17 кГц, без проблем можно перестроиться на 20-25 кГц.
То есть, рабочую частоту можно выбрать и резонансную и нерезонансную без проблем.

Если 12-17 кГц у Вас параллельный резонанс, то на 20-25 кГц работать без резонанса и проблем не получится. За параллельным идет последовательный.
Есть еще индуктивность рассеяния и емкость приведенная к первичной обмотке.
Конечно, многое зависит от коэффициента трансформации и напряжении на вторичной обмотке и допустимом кпд.

[Herz]

Если 12-17 кГц у Вас параллельный резонанс, то на 20-25 кГц работать без резонанса и проблем не получится. За параллельным идет последовательный.

Это интересно. А почему так получается? Ведь в формулу для расчёта резонансной частоты входят те же величины L и С. За счёт чего же резонанс токов переходит в резонанс напряжений?