Научно-практическая конференция исследовательских работ обучающихся общеобразовательных организаций
«Кузбасские истоки»
Направление: Точные науки
Тема: «Генератор Маркса»
Бер Никита
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
город Таштагол, Кемеровской области
11 – б класс
Научный руководитель:
,
учитель физики
высшей квалификационной категории
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
Оглавление
Теоретическая часть 3
Преобразователи 3
Выпрямители 5
Инверторы 6
Преобразователи частоты 7
Преобразователи напряжения 7
Генератор Маркса 8
Практическая часть 10
Сборка преобразователя напряжения 10
Сборка генератора Маркса 13
Теоретическая часть
Преобразователи
Для чего нужно высокое напряжение? Во-первых, для уменьшения тепловых потерь в линиях передач. Как известно ток от станции к подстанциям идет вод огромным напряжение от 100 до 500 киловольт.
Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования напряжения, частоты, или формы сигнала. Для создания преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.
В начале практического использования электрической энергии возникла проблема преобразования энергии.
Период использования | Компонентная база | Особенности |
1880-е | Мотор-генератор До сих пор находят применение (например, динамотор) | Плюсы: Низкий коэффициент нелинейных искажений + Высокий КПД + Большие мощности +Возможность преобразования постоянного тока +Стойкость к коротким замыканиям, перегрузкам, перенапряжениям Минусы: - Материалоёмкость -Сложность ремонта и обслуживания -Наличие подвижных изнашивающихся частей - Шум и вибрации -Низкий коэффициент мощности |
1880-е Используются в настоящее время | Трансформаторы | + Большая надёжность + Высокий КПД + Большие мощности -Большие габариты при малых частотах -Невозможность преобразования постоянного тока |
1930—1970-е В настоящее время практически не используются | Ионные приборы (игнитрон) | + Большая преобразуемая мощность + Стойкость к коротким замыканиям и перенапряжениям |
1960-е | Полупроводниковые диоды, и транзисторы | +Компактность |
Функции преобразователей:
- Преобразование Преобразование и регулирование Преобразование и стабилизация
Классификация:
- Выпрямитель Инвертор Преобразователи частоты Импульсные преобразователи напряжения
По способу управления:
Выпрямители
Выпрямитель — преобразователь электрической энергии. Механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный ток. Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.
Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).
Инверторы
Инвемртор — устройство для преобразования постоянного в переменный ток с изменением величины частоты и/или напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.
Инверторы напряжения могут применяться в виде отдельного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока.
Свойства инверторов:
- Инверторы напряжения позволяют устранить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора можно обеспечить работу компьютеров для корректного завершения решаемых задач.
- Кроме «самостоятельных» приложений, где инвертор выступает в качестве источника питания потребителей переменного тока, широкое развитие получили технологии преобразования энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепочке преобразователей. Как и любое другое силовое устройство, инвертор должен иметь высокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлемые характеристики. Кроме того, он должен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициентов гармоник) и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.
Преобразователи частоты
Преобразователь частоты — радиоэлектронное устройство для преобразования электрического (электромагнитного) сигнала путём переноса его спектра на некоторый интервал по оси частот.
Преобразователи напряжения
Преобразователь напряжения - устройство, вырабатывающее напряжение питания заданной величины из др. питающего напряжения (напр., для питания аппаратуры от аккумулятора).
Преобразование переменного напряжения легко осуществляется с помощью трансформатора. В то время как преобразователи постоянного напряжения выполняются, как правило, на основе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное. Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, подключается к первичной обмотке трансформатора, а со вторичной обмотки снимается переменное напряжение нужной величины, которое затем выпрямляется. Постоянное выходное напряжение выпрямителя при необходимости стабилизируется с помощью стабилизатора
Генератор Маркса
Генератор Маркса — генератор импульсного тока высокого напряжения, принцип действия которого основан на зарядке параллельно соединённых конденсаторов, после зарядки последовательно разряжающихся при помощи различных коммутирующих устройств. Напряжение на выходе будет увеличиваться пропорционально количеству соединенных конденсаторов
Запуск генератора происходит посредством срабатывания одного из разрядников. После срабатывания одного из конденсаторов, перенапряжение на нем заставляет срабатывать все остальные, чем и осуществляется последовательное соединение конденсаторов. Импульсы в генераторе могут достигать напряжения от нескольких десятков киловольт, до нескольких десятков мегавольт.
Лабораторные малые генераторы Маркса, могут исполняться с воздушной изоляцией. Более мощные генераторы Маркса, могут выполняться с вакуумной, масляной изоляцией, препятствующей как непосредственным паразитным пробоям воздуха, так и стеканию зарядов с установки вследствие коронных разрядов.
Применение:
Генератор импульсов Маркса используется для разнообразных исследований в науке, а также для решения некоторых задач в технике. Так же в некоторых установках генераторы Маркса работают и в качестве генераторов импульсного тока. Например, генераторы Маркса применяются в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций.
Генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений.
В военной технике генераторы Маркса применяются в качестве генераторов излучения для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы, в качестве электромагнитного оружия, действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением.
В промышленности генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.
История
Генератор импульсов высокого напряжения изобретён немецким инженером Эрвином Марксом в 1924 году, построен в 1926 году. В отечественных источниках генератор Маркса часто называют генератором Аркадьева — Маркса или генератором Маркса — Аркадьева. Отдельные отечественные исследователи генератор Маркса называют генератором Аркадьева — Баклина — Маркса. Такое название возникло в связи с тем, что в 1914 году совместно с построил так называемый «генератор молний», который являлся первым импульсным генератором в России, работавшим на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения.
Практическая часть
Сборка преобразователя напряжения
Данная схема состоит из двух преобразователей напряжения, для которых мне понадобились следующие детали.
Первая схема:
Предлагается повышающий инвертор постоянного напряжения, обладающий неплохими характеристиками, несмотря на то, что в нём использован минимум элементов. Его схема представлена на рисунке. На транзисторах VT1 и VT2 собран двухтактный генератор импульсов. Ток положительной обратной связи протекает через обмотки III и IV трансформатора Т1 и нагрузку, подключённую между цепью +12 В и общим проводом. За счёт пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя. В реальном устройстве он составил 82-85% при токе
нагрузки 1 А.
Роль диодов, выпрямляющих выходное напряжение, выполняют эмигтерные переходы транзисторов. Можно получить и отрицательное напряжение (в рассматриваемом случае -4,2В), установив дополнительные диоды VD1 и VD2. как показано на рисунке штриховыми линиями. Здесь также потребуется фильтрующий конденсатор, аналогичный С1, но подключённый в противоположной полярности.
Магнитопроводом трансформатора Т1 служит кольцо из феррита 2000НМ1. Обмотки I и II содержат по 6 витков, a III и IV - по 10 витков изолированного провода диаметром 0,5 мм. Каждую пару обмоток наматывают одновременно в два провода.
Инвертор способен работать и при уменьшении входного напряжения до 1 В, что позволяет, например, получить напряжение 9 В от одного гальванического элемента напряжением 1.5 В При заданных входном Uвх и выходном Uвых, напряжениях и числе витков w1 обмоток I и II необходимое число витков обмоток III и IV (w2) с достаточной точностью рассчитывают по формуле w2=w1(Uвых-Uвх+0.9)/(Uвх-0,5)
Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки) и обратного напряжения эмиттер-база (оно должно быть больше удвоенной разности входного и выходного напряжений). Для работы в преобразователях небольшой мощности во многих случаях подойдут транзисторы серий КТ208, КТ209, КТ501. При этом трансформатор T1 может быть выполнен на кольцевом магнитопроводе меньшего диаметра.
Вторая схема:
Вторая схема представляет из себя повышающий преобразователь 12в-20 000В импульсного напряжения. Транзистор с первичной катушкой ТВС представляет собой колебательный контур в котором возникают колебания высокой частоты. Вторичная обмотка ТВС содержит большое количество витков, таким образом, во вторичной катушке ТВС возникает переменный ток высокой частоты и напряжением около 5 000 В. Последовательно ТВС подключен множитель напряжения, который повышает напряжение примерно в 4 раза и выпрямляет его, таким образом на выходе преобразователя мы имеем постоянный импульсный ток напряжением 20 000 В. Данный макет может применяться для исследования возникновения и природы поведения электрических разрядов.
Конечный вид схемы:
Корпус пребразователя склеил из пластика. Электроды взял от старой электрофорной машины.
Сборка генератора Маркса
Для конструирования генератора мне понадобились следующие детали.
В качестве основы были взяты два листа текстолита размерами 8*45 см. В нем были просверлены отверстия для монтирования конденсаторов и коммутирующих разрядников. В качестве конденсаторов были взяты высоковольтные конденсаторы КВИ-3 номиналом в 12 кВ 680 пФ (7 штук) и 10 кВ 2200 пФ(1 штука). При выборе высоковольтных резисторов были выбраны жидкостные резисторы т. к они просты в изготовлении и материалы для их изготовления легко доступны, но они обладают своими недостатками - их сопротивление сильно зависит от температуры, в отличие от полупроводниковых. Состав резисторов был подобран таким образом, что бы номинал их сопротивления равнялся 500 кОм. Для этого я растворил большой объем диэлектрика и малый электролита: глицерин и медный купорос в соотношении 10ч1. В качестве источника высокого напряжения был выбран мною собранный источник на основе ТВС и УН-29.
