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.

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.

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



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.



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.



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.



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.



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



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?

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.

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.

Закрытое отапливаемое помещение, именно так.



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



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.



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.



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.




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?

Я не понимаю Вас. Статика никуда не бегает. В разных средах напряженность электростатического поля распределяется обратно пропорционально диэлектрической проницаемости. В высоковольтном источнике распределение поля в высоковольтных зазорах будет перераспределяться, если Вы будете использовать разные диэлектрики. В случае с газом нет смачиваемости. Нет таких эффектов, как выделение газовых пузырьков и различных включений в масле, которые могут выстраиваться в цепочки и вызывать пробой. Элегаз наиболее подходящий газ для изоляции и широко используется в технике высоких напряжений, достаточно доступен и имеет высокое пробивное напряжение, которое до нескольких атмосфер пропорционально увеличивается при увеличении давления.

Без расчетов и 10 кВт может не спасти. Есть хорошо обсосанная теория измерения высоких напряжений с использованием разрядников в виде шаров. Соответственно, Вы можете поискать данные по пробивному напряжению для желаемых диаметров и зазоров и сделать приличный запас. Более детально мне трудно сказать, так как мой практический опыт ограничивался получением 700 кВ только в элегазе. Какие токи утечки могут быть на воздухе в не кондиционированном помещении при 500 кВ я не знаю.

Чем накладываются ограничения?

к15-10 желательно отбраковывать и поверхность дополнительно лакировать (под элегаз), но по массогабаритам подобные конденсаторы наиболее подходящие, если не превышать на них допустимые пульсации. И они вполне работоспособны. У Вас же статический режим без пробоев. У к73-14 посмотрите тангенс угла потеть на рабочей частоте.

Емкость может изменяться при изменении напряжения, старении, напряжение будет распределяться не равномерно, особенно, при срезе напряжения.

Не знаю что Вы понимаете под статикой, можно вести речь о электростатическом потенциале, постоянном напряжении, распределении электростатического поля, заряде. Стоит уточнять, все же, а то не понятно.

Может не количество статики, а количество заряда . Про керамику. Вы немного странно используете термины. Конденсаторы у которых диэлектрик имеет высокую диэлектрическую проницаемость могут разрушаться от импульсов тока выше допустимых для данного конденсатора (в том числе от электрострикции) Не превышайте допустимых пульсаций для керамических конденсаторов и они будут служить тот срок, который им определил производитель.

Вы все же попробуйте используя какую нибудь программу посчитать Ваше конструкцию, какие у Вас емкости потребуются на частоте 5 кГц. Может все же будет выгоднее использовать большую частоту и меньшие емкости.
Количество секций не догма, размеры при большем количестве секций могут быть меньше. Каскадный генератор на 700 кВ имел длину бочки около 1,5 метра (в элегазе).
И еще мне думается, что при миллиамперном токе, который Вы отвели на частичные разряды, будут проблемы или такой ток Вам не потребуется, но я не знаю Вашей задачи.

По поводу частоты. Как Вы думаете, откуда в генераторе - Вашем предполагаемом источнике, возьмутся 5 кВ?
Они будут получены путем трансформации 300-400В. У Вас будет два трансформатора. Суммарный коэффициент трансформации будет больше 100
Не надейтесь, что Вам кто то сделает источник на 5 кВ без учета Вашей нагрузки и он не будет вылетать, когда Вы его подключите к Вашей конструкции. Кроме того, такой источник должен иметь регулировку частоты и напряжения.
Невозможно получить 500кВ сразу подавая полное питание. должно быть достаточно плавное нарастание напряжения. Если Вы так не делали, то это может быть причиной выхода из строя диодов и конденсаторов. Некоторые мои источники с использованием керамических конденсаторов Murata в умножителе отработали уже по 60000 часов и продолжают работать.

Для экспериментов могу посоветовать поискать ламповый ультразвуковой генератор, он более живучий.

Включенная параллельно индуктивность может повысить частоту, а не понизить.

Ну, вообще говоря, вы наверное правы. Наш опыт пока ограничивается парафином.
Посоветуете кто может изготовить корпус для умножительного столба под элегаз?



Примерно до 500ватт потери, будем стараться уменьшать. Таблицы пробойных напряжений я видел.
Как я уже говорил, активной нагрузки нет. Это не ГИН и не для ГИНа. Пробоев и разрядов не предвидится.



Вроде как практикой, по крайней мере из готовых что я видел было максимальное количество 15 ступеней.
Опять же, потери растут в кубической зависимости от количества ступеней.



Не только смотрел но и использовал. Стоят в телевизионных умножителях и прекрасно работают на частоте до 30кгц.
Мы использовали на частоте до 65кГц, никаких проблем.
Проблемы бы были если бы они на этой частоте работали на активную нагрузку, тогда да.
(В режиме полной разрядки-зарядки)
Как я уже говорил, массогабариты мне не принципиальны. Производитель (не помню название, в Питере) не рекомендует
к75-10 для указанных частот, я созванивался.



Вы совершенно правы, мощность просто беру с запасом. Просто опыта эксплуатации нет.
Склоняюсь что и 600-700 ватт будет достаточно.

Что касается мощности, к примеру емкости в 1500пкф на 50кВ при 5кгц вполне достаточно, две формулы можно и в уме прикинуть.
1,875х5000=9375Дж. Более чем вроде. Мне же не обязательно чтобы вся мощность прокачивалась в постоянном режиме, мне надо чтобы поддерживался потенциал, это совсем другая задача, за один такт емкости конденсаторов расходуются на сотые доли процента.
Так что тут вполне подойдут и пленочные конденсаторы.



Ну, до 5кВ не трудно я думаю найти сетевой трансформатор. На мощность до киловатта вполне можно соединить последовательно два МОТа от микроволновок, мне кажется. Будут честные 4.2кВ.
Для плавного пуска взять к ним ЛАТР на 2-3кВт.
Как считаете, возможен такой вариант решения?

Если вы делали на напряжения 500 и свыше, может посоветуете схемотехнику какую-то отработанную?



Ну я уж не совсем... Последовательно конечно.

Я не хотел Вас обидеть, бывает и не так к вечеру клинит. Последовательно поставите, увеличите крутизну падающей характеристики умножителя. На остальные вопросы отвечу позже. В ближайшее время буду сильно занят.
P.S. Хотел вам ссылку дать, но у Вас персональный ящик на форуме отключен или переполнен.
Успехов.

Не знаю, меня тоже что-то в ящик не пускает.
Личный ipkolpak собака yandex ru

Вместо парафина для проб лучше использовать церезин, желательно проваренный с небольшим количеством масла.
Корпус для элегазовых устройств можно изготовить из обыкновенной стали.

При 500 кВ на воздухе в не специальном помещении не застрахованы. Нитки, волосы в воздухе - пробой.
Но вопрос не в этом. Зная пробивное напряжение воздуха для Вашей формы электродов и расстояний Вы можете выбрать допустимое напряжение. Или наоборот, исходя из 500 кВ Вы можете определить минимально допустимые диаметры шаров и расстояния между ними.
Кстати, реактивная нагрузка при постоянном напряжении ток не потребляет вообще, куда запланирован ток в 1 мА?

Максимальное количество ступеней ограничивается уменьшением прироста напряжения на секции. Зависит от частоты, емкостей колонны, тока и паразитных емкостей. В Вашем случае 15 это далеко не предел.

Габариты определяют паразитные емкости, объем, который не маленький. Особенно, если будете маслом заливать.

Вы очень оптимистичны, все надо считать, что бы не тратить лишние деньги на переделку и ремонт.
Так Вам электростатический потенциал необходим или импульсы определенного напряжения и длительности?
Это не одно и тоже.

Только трансформатор от микроволновки работает на 50 Гц и соединить последовательно их не получится, пробьет изоляцию.
Есть мотор генераторы на 8000 Гц, правда, они наверное все на большие мощности и это все прошлый век.

Из своего опыта могу сказать, что плотная разработка такого источника займет не меньше года и потребует несколько миллионов рублей, а Вы хотите, что бы я за 10 минут выдал готовое решение? Увы, придется Вам все тщательно просчитывать, подбирать комплектующие, определять конструктивное исполнение.
Источники на 700 кВ, о которых я писал, были в элегазе, работали на частоте 18 кГц, имели 30 с небольшим секций, использовались К15-10, 10нФ, работали (может еще работают) на ток до пары сотен мкА. Нагрузка была достаточно стабильная, регулировка и стабилизация производилась коррекцией напряжения инвертора. Обратная связь была узкополосная, так как использовался чисто резистивный делитель напряжения имеющий, из-за паразитных емкостей, большое время отклика.

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.

Постоянное напряжение на конденсаторе может зависеть от способа его заряда только при его зарядке разными импульсами с одинаковой величиной амплитуды. Если Вы к конденсатору подведете постоянное напряжение, то он и зарядится до величины этого постоянного напряжения. После отключение зарядного напряжения величина напряжения на конденсаторе может изменяться во времени в зависимости от его свойств. Но к источнику высокого постоянного напряжения, структурную схему которого Вы нарисовали в первом сообщении, это не имеет никакого отношения.


Более того, если Ваш имеющийся источник был сделан по таким же прикидкам и не имеет прямого измерения выходного напряжения, то его истинное напряжение может быть много меньше ожидаемого Вами и зависеть от величины выходного тока. Напряжение на выходе каскадного умножителя может быть много меньше числа каскадов умноженное на 2U, коэффициент трансформации высокочастотного высоковольтного трансформатора (приведенный к входу умножителя напряжения) с большим соотношением витков первички и вторички отличается от простого отношения витков. На частотах в десятки кГц большое значение на работу каскадного умножителя и трансформатора оказывают паразитные емкости, потери в пластиках, изоляторах, компаундах. Делители напряжения могут врать из-за таких параметров, как изменение сопротивления от напряжения, ткс и т.п.
Это я к чему. Может Вам надо не 500кВ, а много меньше.

Постоянное напряжение это одно, электростатический потенциал это другое. Ток проводимости и ток смещения не одно и то же, более того явления совсем разные по свойствам.
Все вышеперечисленные факторы мне конечно же известны.
Используемый способ измерения потенциала - "лаптями", то есть длина разряда между сферическими электродами.
Забыл ответить, устройство используется аналогично генератору Ван-Дер-Графа, для создания постоянного электростатического потенциала на определенной поверхности. Утечки с поверхности и определяют минимальную необходимую мощность.

Ток проводимости и ток смещения к источнику высокого напряжения, который Вы собираетесь делать не имеет прямого отношения. Поэтому мы Вас и не понимаем.

Ваши 300 кВ на выходном металлическом шаре генератора Ван-Дер-Графа такие же как и на выходе другого источника подключенного к тому же шару при разнице потенциалов относительн земли в 300 кВ. Какие потенциалы у Вас возникают на других телах, находящихся в поле, создаваемым этим источником, это отдельный вопрос и не относится к источнику, который создает требуемые 300 или 500 кВ относительно земли.

Вы хотите сами все сделать? Бюджет не предусматривает заказ на стороне? Тема интересная, есть некоторый опыт в таких делах. Я бы взялся за 6 мес. и 6...7 тыс. долларов. Подход будет очень нестандартный. Вам должно понравиться.