Всем доброго времени суток! Через некоторое время возникнет у меня такая задача - сделать источник питания на 30кВ, чтобы заряжать от него конденсатор емкостью 0.1 мкФ. Делать это желательно раз 50 в секунду (мощность теоретическая при этом 2250Вт). Входное напряжение - сеть 220В.
Если кто-нибудь сталкивался с таким и имеет пару минут свободного времени, напишите пожалуйста пару слов о выборе рабочей частоты и возможно схемы, изготовлении трансформатора, выпрямлении 30кВ при данной частоте и других проблемах, с которыми можно столкнуться при этом.
Спасибо!

ЗЫ: никого током убивать не собираюсь.

А заряжать и разряжать конденсатор предполагается до нуля? 3кВ/мс весьма нехилая скорость нарастания/спада импульса. У вас уже есть конденсатор для такой задачи?
А по поводу БП задача несложная. Во всех компьютерных мониторах с ЭЛТ есть высоковольтный конвертор (отдельный или как часть строчной развертки), который вырабатывает напряжение для анода ЭЛТ величиной 25-29кВ на частоте строчной развертки 31-91кГц. Правда мощность такого конвертора небольшая - 30-50Вт. Почитайте литературу по этой тематике. Можно даже разобрать ТДКС (FBT) от такого монитора.

2 Резидент:
1. Разряжать предпологается практически до нуля.
2. Конденсатор есть.
3. Мне нужна мощность почти в тысячу раз больше, чем в строчнике от монитора. Это - ключевой момент, как мне кажется.

Электрогидравлический разряд или лазер? Для лазеров кто то в подмосковье производит. Высокое напряжение у них, кажется, прямо с трансформатора. Я делал для электрогидравлической очистки, но на меньшую мощность и напряжение до 20 кВ. Использовал генератор, высоковольтный трансформатор и умножитель. Ток зарядки ограничивался реактивным элементом (управляемая индуктивность). Работает уже 7 лет.
Кстати, курьез. Полтора года назад ящик с эл.блоком залили водой полностью. После этого слили воду, а на утро опять включили, мол за ночъ должен высохнуть. Пробило разъем Лемо, 25 кВ, после замены все ОК.

Вартапетов, ЦФП ИОФАН
http://www.pic.troitsk.ru/

Я не предлагал взять ТДКС в качестве требуемого вам трансформатора, а лишь посмотреть принцип его конструкции. В ТДКС обычно три-четыре вторичных высоковольтных обмотки включенные последовательно (каскадно) через выпрямительные диоды. Он поэтому и называется Трансформатор Диодно-Каскадный Строчный. За счет такого деления на каждой обмотке сравнительно небольшое напряжение, что позволяет использовать выпрямительные диоды с обратным напряжением меньше, чем максимальное выходное напряжение. В то же время на выходе не нужен отдельный блок умножителя. Вся конструкция в виде одного залитого блока выполнена. Это более технологичное решение для массового производства, чем конструкция с отдельным блоком умножителя. Но, конечно же, вам самому решать, как именно вы будете делать.

1) 0,1 мкФ при 30 кВ -90 Дж. х50 Гц=4,5 кВт.
2) 4,5 кВт ТДКС - вполне реальная штука. Токо заливать надо. Хотя бы силиконом. Потом, если что, выдирать проще, чем эпоксидку.
3) Габаритная мощность такого девайса соответствует 2-3-4 сердечникам ETD59. Можно попытаться намотать разные секции на разных сердечниках. Типа модульная конструкция. Такое нередко практикуют. Проще, и если прошьет, менять меньше. Первичные обмотки в параллель или вовсе от разных транзисторов. Схема - ессно, обратноходовый преобразователь. Частота 30-40 кГц, транзисторы - IGBT на 900 или 1200 В, 30-50 А. RCD снаббер полезно поцепить. С динамикой, правда проблемы - в начале заряда конденсатора потребление от сети мало(ток ограничивается трансом).
Бороться с этим не очень просто. Можно просто поставить после сетевого моста конденсаторов на 2000 мкФ, для накопления. 4,5 кВт от однофазной сети, кстати, добыть не очень просто. Не всякая сеть столько даст. Для средней сети 3 кВт считается пределом.

Burner:

В цэ у квадрате вы забыли пополам.
Насчет сети - сколько надо, столько и будет.

Вообще я так примерно это и представляю - обратный ход, быстро закрываем транзисторы и смотрим результат. Интересно было бы почитать высказывания того кто реально такое (или примерно такое) делал руками. В свое время с 20 витков на сердечнике RM10 получал 1200в на холостом ходу. КПД правда был никакой, но тогда мне это не нужно было...

1) Таки да. 45 Дж.
2) Похоже, таких нету - чтобы именно конденсатор заряжать именно импульсным источником . ТДКС я разбирал. Ничего особенного, только низковольтные обмотки фольгой мотались. Не очень толстая изоляция(0,2-0,3 мм).

1.Таки, нет, больше будет раза в два - таки, да.

Таких мощных сам не делал, но когда-то наблюдал в действии - 7 кВт, 10 кВ. Помнится, там все было сравнительно просто: трехфазный выпрямитель, квазирезонансный мостовой преобразователь на ~40 кГц. Транзисторы моста (мощные полевики, по нескольку в параллель с выравнивающими резюками в истоках) управлялись через маленькие трансы. Силовой транс на П-образных ферритах, первичка и вторичка на разных стержнях. Транс и все высоковольтные цепи были залиты двухкомпонентным силиконом. Последовательно с первичкой - дроссель, т.к. индуктивности рассеяния транса, очевидно, было недостаточно, чтобы получать резонанс на выбранной частоте. Охлаждение - банк мощных вентиляторов, которые ревели, как самолет на старте.

Когда мне его демонстрировали, зрелище было феерическое. При помощи полутораметровой изолирующей палки из текстолита выход БП замыкался накоротко, а потом провода размыкались и растаскивались в стороны. При этом возникала устойчивая зеленая дуга длиной в десятки сантиметров.

Имхо, обратноходовый преобразователь с ТДКС лучше. Сделать 3-4 параллельных модуля. С вытеснением тока меньше проблем, разрабатывать один модуль проще, особенно если опыта нет. И расфазировать их можно.

Я с трудом себе представляю, зачем надо делать мощный высоковольтный обратноходовым. Мне кажется, все заворожены строчниками от телеков, но никто, похоже, не принимает в расчет, что в телеке токи в высоковольтных цепях совершенно мизерные. В основном там моща прет в сравнительно низковольтные вторичные обмотки, поэтому высоковольтная оказывает не очень большое влияние на работу БП.

В высоковольтном БП есть несколько проблем:
- Из-за требований к изоляции, первичная и вторичная обмотки плохо связаны, велика индуктивность рассеяния
- Из-за большого количества витков во вторичке велика ее емкость

Большая индуктивность рассеяния и большая емкость создают сравнительно низкочастотный LC-фильтр. В строчниках только малая часть мощи проходит сквозь этот фильтр. К тому же строчники работают на сравнительно низких частотах. И, наконец, мощность строчников мала, поэтому бОльшие по сравнению с пуш-пуллами габариты транса не играют значительной роли.

В мощных высоковольтных БП, вся моща должна пройти через этот LC-фильтр. Чтобы получить умеренные габариты, правильнее всего делать пуш-пулл. А чтобы пуш-пулл мог работать с таким LC-фильтром, этот пуш-пулл надо делать квазирезонансным.

Вот ыманна.

Делали квазирезонансник с умножителем. Давал 35 кВ при 1200 Вт. В вашем случае вижу гораздо меньше проблем из-за отсутствия необходимости иметь стабилизированное DC на выходе в диапазоне напряженией и нагрузок - зарядил -> выключил.

Даже при 30 кв паразитные емкости высоких цепей не дадут реактивной мощности, сравнимой с выходной. Резонансный преобразователь поэтому необязателен. Достаточно меандра. Напр., мост с резонансным преключением. То, что непряжение нагрузки все время меняется, усложняет задачу. Из-за этого мост желательно питать от чоппера. Старая структура "Buck-boost", которую предлагали IR.
Резонансный двухтактник, конечно, эффективнее обратнохода - там транс раза в 2 тяжелее, и потери энергии из-за рассеяния процентов 5. Но зато обратноход проще - он просто гонит ток в нагрузку, в широком диапазоне непряжений.


Можно еще ЧИМ сделать. Контур - последовательный, в первичной цепи, из инд. рассеяния, конденсатора и, м. б., дополнительного дросселя. Этот контур и будет балластом при разряженном конденсаторе нагрузки.

Я говорил об индуктивности рассеяния в совокупности с емкостью вторички, а не об одной только емкости. Если вы нарисуете эквивалентную схему выходного каскада, то вы увидите, что вся мощность будет идти в нагрузку через LC-фильтр нижних частот. Причем для высоковольтного БП частота этого фильтра составляет всего лишь десятки килогерц, а эффективного демпфирования у него вообще говоря нет, с учетом меняющейся нагрузки. То есть, реактивная энергия, циркулирующая в этом контуре, частенько будет намного больше, чем уходящая в нагрузку. Без работы в квазирезонансе потери будут чудовищные.

Похоже, вы правы. При экви емкости вторичной обмотки 10 пФ и ее индуктивности 3 Гн выходит резонанс 29 кГц. Если не удастся сделать ТДКС с резонанс выше хотя бы 100 к, обратноход не имеет смысла.

Ну, не так всё страшно, нужно брать не саму индуктивность вторичной обмотки, а то, что от неё останется если замкнуть первичку, т.е. индуктивность рассеяния, она поменьше будет.

На один-два порядка. Зато для обмотки с напругой в несколько кВ емкость будет не 10 пФ, а один-два порядка больше. А в сумме тож на тож выйдет: чтобы резонанс хотя бы в 50 кГц получить, надо очень стараться (обмотку секционировать, и т.п.). И чем больше стараешься с емкостью, тем хуже для индуктивности рассеяния. Так и ходишь по кругу...

1.Думаю, что пуш-пуль при вхоже 220В это не правильно ( сложно изготовить обмотки идентичными). Наверное лучше мостовая схема.
2. Не понятно как выполнить выходной выпрямитель, если схема 2х тактная.
3.Для однотактника выходную обмотку набирать как в ТДКСе, это позволит уменьшить емкость транса и снизить потери на ключах, чем меньше реактивности тем меньше во времени переходные процессы.
4.Выполнять "мягкий"заряд выходного конденсатора в каждом такте.

А какие сложности?

Или ту же (одну) обмотку на умножитель.
Вообще, слишком общий разговор. При такой мощности, витков во вторичке, а тем более в первичной обмотке, будет не очень много.

А какие предложения ?
Я не вижу реализации по этому пути.


Это не имеет значение, как только транс превращается в повышающий, его емкость автоматом становится большей (по сравнению с понижающим) и не угодной.

двухполупериодный выпрямитель не подойдет?

Имеет значение не "больше", "меньше", а абсолютные значения величин. Перенося решения для мощностей на два порядка больше надо все взвесить (посчитать).

2х полупериодный, думаю не очень ( разве что в идеале)... Последовательный набор вых. обмоток направлен на снижение емкости транса. И помоему чем секций больше тем лучше.
И ск. диодов Вы предлогаете поставить???




Думаю стоит реализовать сдвоенный однотактник...

В данном случае слово "пуш-пулл" я употреблял как фигуру речи, обозначаюющую любой двухтактный преобразователь, будь то собственно пуш-пулл, мост или полумост.


Например, удвоитель напряжения поставить. Вообще же для 30 кВ скорей всего придется многокаскадный умножитель делать.


Потери будут огромные.

Не забывайте про изоляцию от сердечника. При последовательном включении обмоток она должна быть на полное напряжение минус одна секция.
Рабочую частоту так же нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, нет прямой зависимости между типом генератора и использованием сплит странсформатора.

Количество диодов зависит от типа умножителя напряжения и количества каскадов умножения, а их количество от напряжения трансформатора.
И еще один момент. Высоковольтные устройства требуют большой аккуратности. Отказ из-за пробоя изоляции может происходить через достаточно большое время, например, из-за частичных разрядов, емкостных утечек в каком нибудь высоко-напряженном месте.

Почему, если в начальный момент на разряженную емкость подать напряжение по нарастающей, 10, 20, 100В и т.д то потери и помехи будут меньше, чем сразу кинуть 30кВ.

Не подскажете, где можно почитать про физику и схемотехнику высоковольтных преобразователей (чопперы, Buck-boost, снаббер и т.п.)?

Для начала, посмотрите описания на готовые источники. Это позволит Вам определиться с тем по какой схемотехнике они делаются.
На русском языке можно найти несколько книжек (скорее всего, только в крупных библиотеках), в которых можно почерпнуть по схемотехнике умножителей и высоковольтной изоляции, пробивном напряжении и т.п. Можете полистать журналы, например, "Приборы и техника эксперимента"
Проектирование высоковольтных источников это не только электроника.