Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Für HV-Trafos, Kaskaden, Coilguns, Induktionsheizer und Ähnliches.

Moderatoren: MaxZ, ebastler, SeriousD

Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

Mehr als Gedankenexperiment als unter der Annahme, dass ich es realisieren werde, interessiert mich die Frage, ob es irgendeine Schaltung gibt, mit der man "theoretisch" immer noch mehr Spannung dadurch erzeugen kann, indem man eine frühere Version der Schaltung einfach erweitert. Es soll aber auch „praktisch“ gehen, wobei es dann irgendwann Grenzen wegen Platz und Kosten gibt.

Die bekannteste Version einer solchen skalierbaren Hochspannungsschaltung ist sicherlich die Cockroft-Walton-Kaskade. Sie hat jedoch den Nachteil, dass die entnehmbare Stromstärke mit zunehmender Anzahl der Stufen abnimmt und die entnehmbare Leistung wahrscheinlich invers proportional zur Anzahl der Stufen ist.

Ich sage mir jedoch: Wenn ich schon doppelten Aufwand an Bauteilen und Kosten habe, möchte ich nicht nur eine höhere Spannung (die doppelte oder mehr), sondern auch KEINE kleinere Leistung haben - idealerweise sogar die doppelte Leistung und somit die gleiche Stromstärke.
Daher scheidet die Cockroft-Walton-Kaskade mit beliebig erhöhbarer Anzahl der Stufen aus (eine begrenzte Anzahl an Stufen ist aber erlaubt).

Außerdem möchte ich ausschließen, Transformatoren beliebiger Größe zu verwenden, da es ab irgendeiner Größe Grenzen der Beschaffbarkeit gibt.
Außerdem soll nicht das Prinzip des Tesla-Transformators verwendet werden (gekoppelte Luftspulen) – es sei denn man könnte vom Topload ein Kabel wegführen und dann damit einen „normalen“ Lichtbogen gegen Erde erzeugen – geht das eigentlich ?

Es soll eher eine mehr oder weniger kontinuierliche und keine gepulste Spannnung (mit langsamer Folge der Pulse) erzeugt werden.

Die einzige mir bekannte Lösung des Problems scheint nach dem Prinzip des Marx-Generators zu funktionieren. Da der normale Marx-Generator jedoch nur Hochspannungs-IMPULSE erzeugt, ist er in dieser Form nicht geeignet. Man kann diese Energie-Impulse jedoch in einem Kondensator speichern, um eine geglättete Spannung zu erhalten. Noch besser: Die Impulse entsprechen einer Wechselspannung, aus der man mit einer Kaskade (mit begrenzter Anzahl an Stufen) noch höhere Spannungen erhalten kann.

Ich habe mal einen „Prototyp“ einer solchen Schaltung im Anhang. Zunächst erzeuge ich aus einem Drehstrom-Anschluss mit einer Dioden-Kondensator-Schaltung eine mehr oder weniger geglättete Gleichspannung von ca. 1126 V (im Leerlauf) und nicht unter 1000 V bei einer Leistung von 10 kW. Mit dieser Spannung werden alle Kondensatoren eines Marx-Gennerators parallel über eine Induktivität von 30 µH und einen Widerstand von 100 Ohm aufgeladen. Statt der Funkenstrecken im Marx-Generator verwende ich z.B. den IGBT IXGH10N170 (1700 V, 10 A bei 90 °C), den man bei eBay für ca. 5 Euro bekommt. Nach dem Aufladen werden die IGBTs gleichzeitig z.B. über einen GDT leitend gemacht, so dass sich am Knotenpunkt VL (siehe Schaltbild) eine Spannung von ca. -24 kV gegen GND ergibt. Gleichzeitig mit (oder etwas früher als) dem Einschalten der IGBTs muss der Schalter VCS2 ausschalten. Dieser muss als Mosfet- oder IGBT-Stack realisiert werden. Der Knoten VL führt über eine Induktivität von 50 mH an den Eingang einer Cockroft-Walton-Kaskade (5 Stufen).

Ich habe es so dimensioniert, dass der Marx-Generator mit einer Frequenz von 25 kHz Impulse an die HV-Kaskade abgibt (die IGBTs, die die Funkenstrecken des Marx-Generators ersetzen, sowie der Schalter VCS2 werden mit einer Frequenz von 25 kHz geschaltet).

Die Schaltung ist skalierbar, da man die Anzahl der Stufen des Marx-Generators erhöhen kann, ohne die entnehmbare geglättete Stromstärke zu reduzieren. Da sich damit auch die Leistung erhöht, muss man u.a. die Glättungskondensatoren der Drehstrom-Gleichrichter-Multiplier-Schaltung vergrößeren und die Spannungsfestigkeit der Dioden und Kondensatoren der HV-Kaskade (nach dem Marx-Generator) erhöhen. Außerdem muss die zulässige Sperrspannung des Mosfet- oder IGBT-Stacks (Schalter VCS2) erhöht werden.

Ich bin gerade am Simulieren der Schaltung und werde demnächst berichten.
Dateianhänge
Skalierbarer-HV-Generator-mit-Ellipse.png
Benutzeravatar

Thunderbolt
Beiträge: 2847
Registriert: Fr 7. Apr 2006, 14:05
Spezialgebiet: Physik,Elektronik,Blender
Schule/Uni/Arbeit: M.Sc ET, Hardwareentwickler
Wohnort: 65366 Geisenheim (Hessen)
Hat sich bedankt: 1 Mal
Danksagung erhalten: 65 Mal
Kontaktdaten:

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Thunderbolt »

Hier
https://de.wikipedia.org/wiki/Prüftransformator
Wird beschrieben, wie man durch "staplen" von transformatoren sehr hohe spannungen erzeugen kann
Benutzeravatar

Alexander470815
Beiträge: 1870
Registriert: Mi 14. Jul 2010, 22:00
Spezialgebiet: Kältetechnik, Frequenzumrichter, E-bikes
Wohnort: D:\Hessen\Gießen
Hat sich bedankt: 25 Mal
Danksagung erhalten: 114 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Alexander470815 »

Viel zu komplex das ganze, die Gate Ansteuerung wird ein Alptraum.
Warum das Rad neu erfinden? Es gibt gute Gründe warum solche Geräte meist so gebaut werden wie sie eben gebaut werden.
Drehstrom -> Gleichstrom -> Vollbrücke -> HF Trafo -> Kaskade -> Hohe Gleichspannung
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

Thunderbolt hat geschrieben: Mi 15. Jun 2022, 22:33 Hier
https://de.wikipedia.org/wiki/Prüftransformator
Wird beschrieben, wie man durch "staplen" von transformatoren sehr hohe spannungen erzeugen kann
Ja, auf diese Weise kann man tatsächlich eine skalierbare HV-Versorgung erhalten.
Alexander470815 hat geschrieben: Do 16. Jun 2022, 00:20 Viel zu komplex das ganze, die Gate Ansteuerung wird ein Alptraum.
Warum das Rad neu erfinden? Es gibt gute Gründe warum solche Geräte meist so gebaut werden wie sie eben gebaut werden.
Drehstrom -> Gleichstrom -> Vollbrücke -> HF Trafo -> Kaskade -> Hohe Gleichspannung
Du scheinst die Anforderungen, die ich in diesem Gedankenexperiment gegeben habe, nicht verstanden zu haben.
Wenn man einige 100 kV erzeugen will, funktioniert deine Schaltung. Wenn man es steigern will, muss man den HF Trafo aus Isolationsgründen vergrößern, was nur bin zu einem gewissen Grad geht, da ich laut Voraussetzung davon ausgegangen bin, dass beliebig große Trafokerne nicht verfügbar sind. Wenn du die Kaskade erweiterst, bekommst du zwar mehr Spannung, aber immer weniger Ausgangsleistung.

Für die Gate-Ansteuerung gibt es existierende Schaltungen. Ich habe nicht gesagt, dass die Schaltung für eine bestimmte Spannung, z.B. 500 kV, vom Preis-Leistungsverhältnis mit anderen für diese Spannung geeigneten Schaltungen konkurrenzfähig sein soll. Aber meine Schaltung ist skalisrbar im Gegensatz zu deiner, sofern Trafokerne laut Voraussetzung nicht beliebig groß sein können.

Inzwischen habe ich auch Simulationsergebnisse zu der abgebildeten Schaltung: Im Leerlauf (R2 = 100 GOhm) liefert sie am Ausgang nach ca. 1 Sekunde eine Spannung von 1,1 MV. Die Dioden und Kondensatoren müssen entweder dafür ausgelegt sein, oder der Leerlauf muss verhindert werden. Interessant an der Zeit-Ausgangspannungskurve ist Folgendes: Innerhalb der ersten 10 ms steigt die Spannung relaitv schnell auf ca. 120 kV an, und in der Zeit von ca. 20 ms bis ca. 400 ms steigt sie nachzu geradlinig bis auf ca. 700 kV an. Erst ab 400 ms flacht sich die Kurve ab, bis man ab ca. 1000 ms das Gefühl hat, dass die Spannung nicht mehr wesentlich ansteigt. Der geradlinige Anstieg zwischen 20 und 400 ms ist insofern bemerkenswert, da man, wenn in jeder Schaltperiode eine bestimmte Energie (von den in Reihe geschalteten Marx-Kondensatoren) in die Kaskade gebracht wird, eher einen Zeit-Spannungsanstieg wie bei einer Quadratwurzelfunktion erwarten würde. Denn die Kondensatorspannung ist ja proportional zur Wurzel aus der gespeicherten Energie. Dass es trotzdem geradlinig ansteigt, muss wohl mit der Eigenart der Kaskade zusammenhängen. Anscheinend wird nicht immer die ganze Energie der Kondensatoren in die Kaskade gebracht.

Wenn man R2 = 100 kOhm nimmt, ergibt sich am Widerstand im Mittel eine Spannung von 44 kV und eine Leistung von 20 kW (sofern das die Quelle überhaupt aufbringen kann und die Dioden usw. nicht durchbrennen). Bei R2 = 1 MOhm hat der Widerstand im Mittel 77 kV und 6 kW. Bei R2 = 10 MOhm hat er im Mittel 124 kV und 1,5 kW. Bei R2 = 100 MOhm erhält man 165 kV und 273 Watt. Bei R2 = 1GOhm scheint es nicht mehr viel Unterschied zu Unendlich (100 GOhm) zu geben.
Benutzeravatar

Alexander470815
Beiträge: 1870
Registriert: Mi 14. Jul 2010, 22:00
Spezialgebiet: Kältetechnik, Frequenzumrichter, E-bikes
Wohnort: D:\Hessen\Gießen
Hat sich bedankt: 25 Mal
Danksagung erhalten: 114 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Alexander470815 »

Zitzewitz hat geschrieben: Do 16. Jun 2022, 05:05 Du scheinst die Anforderungen, die ich in diesem Gedankenexperiment gegeben habe, nicht verstanden zu haben.
Wenn man einige 100 kV erzeugen will, funktioniert deine Schaltung. Wenn man es steigern will, muss man den HF Trafo aus Isolationsgründen vergrößern, was nur bin zu einem gewissen Grad geht, da ich laut Voraussetzung davon ausgegangen bin, dass beliebig große Trafokerne nicht verfügbar sind. Wenn du die Kaskade erweiterst, bekommst du zwar mehr Spannung, aber immer weniger Ausgangsleistung.
Einfach mehr Kapazität rein dann kommt auch die Leistung.
Schau mal hier was mit einem 40kVp Trafo geht: viewtopic.php?t=64544
Zitzewitz hat geschrieben: Do 16. Jun 2022, 05:05 Für die Gate-Ansteuerung gibt es existierende Schaltungen.
Die auch bei Isolationsspannungen von vielen kV zuverlässig funktionieren?
Klar eine Batterie und ein LWL geht sicherlich aber sonst wird es da schon eng.
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

Alexander470815 hat geschrieben: Do 16. Jun 2022, 10:44 Einfach mehr Kapazität rein dann kommt auch die Leistung.
Schau mal hier was mit einem 40kVp Trafo geht: viewtopic.php?t=64544
Bei deinen Kaskaden darfst du gerne, wenn du die doppelte Ausgangspannung haben willst, die (alten und neuen) Kapazitäten verdoppeln, also die vierfachen Kosten aufbringen, um die Leistung konstant zu halten. Oder du darfst die alten und neuen Kapazitäten vervierfachen, also die Kosten verachtfachen, um den entnehmbaren Strom konstant zu halten und auch die Leistung zu verdoppeln.
Aber wenn du in diesem Thread antwortest, solltest du dich auch daran orientieren, worum es hier geht:
Zitzewitz hat geschrieben: Mi 15. Jun 2022, 20:42 Ich sage mir jedoch: Wenn ich schon doppelten Aufwand an Bauteilen und Kosten habe, möchte ich nicht nur eine höhere Spannung (die doppelte oder mehr), sondern auch KEINE kleinere Leistung haben - idealerweise sogar die doppelte Leistung und somit die gleiche Stromstärke.
Daher scheidet die Cockroft-Walton-Kaskade mit beliebig erhöhbarer Anzahl der Stufen aus (eine begrenzte Anzahl an Stufen ist aber erlaubt).
Du hast nicht den doppelten, sondern den vier- oder achtfachen Aufwand - je nachdem ob die Leistung konstant oder auch verdoppelt werden soll.

Die Schaltungen bzw. Trafos von kilovolt und Matse sind sehr beeindruckend, und ich würde es auch gerne bauen.

Aber: In diesem Thread geht es nicht darum, welche Schaltung für eine bestimmte Spannung am einfachsten bzw. kostengünstigsten ist, sondern dass die Schaltung skalierbar sein soll - zu den gegannten Bedingungen (doppelter Aufwand ==> doppelte Spannung und am besten auch doppelte Leistung).
Alexander470815 hat geschrieben: Do 16. Jun 2022, 10:44 Die auch bei Isolationsspannungen von vielen kV zuverlässig funktionieren?
Klar eine Batterie und ein LWL geht sicherlich aber sonst wird es da schon eng.
Bei mäßigen Spannungen im Marx-Teil gehen ausreichend große GDT, ansonsten der von dir genannte LWL.

Ansonsten gibt es Schaltungen, die ohne Trafos bzw. LWL als Mittel zur galvanischen Trennung auskommen:
Im Artikel "An 8kV Series-Connected MOSFETs Module that Requires One Single Gate Driver" https://indico.cern.ch/event/677656/pap ... Driver.pdf
wird nur der "unterste" Mosfet am Gate an- oder ausgeschaltet, und die anderen schalten dann "automatisch".

Ähnlich auch im Artikel "Stacking power MOSFETs for use in high speed instrumentation" http://cmosedu.com/jbaker/papers/1992/RSI631992.pdf
Benutzeravatar

Norbi
Beiträge: 1049
Registriert: So 4. Jul 2010, 10:57
Hat sich bedankt: 31 Mal
Danksagung erhalten: 84 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Norbi »

Also ich find ja ein stück Ferrit mit Draht drum erfüllt die Anforderung "doppelter Aufwand ==> doppelte Spannung und am besten auch doppelte Leistung" exzellent. Die wird sogar übererfüllt.

Aber so ein IGBT-Marx ist wirklich ein nettes Projekt das praktisch ausgeführt ziemlich interessant wäre. Ist sicherlich eine Herausforderung die Idee dauerbetriebsfest zu bekommen.
Benutzeravatar

kilovolt
Beiträge: 13295
Registriert: So 25. Feb 2007, 09:50
Hat sich bedankt: 623 Mal
Danksagung erhalten: 400 Mal
Kontaktdaten:

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von kilovolt »

Hallo Zitzewitz

Leider muss ich da Alexander in jeder Hinsicht Recht geben. Sobald eine gemeinsame Ansteuerung von Schaltelementen auf unterschiedlichen Potentialen gefordert ist, ist dies das absolute Killerkriterium. Kann und sollte man ganz schnell vergessen. Eine Kaskade mit viel Material ist der einzige Ansatz, um sehr hohe Gleichspannungen zu erzeugen. Aber selbst da sind die Grenzen bei weitem nicht nur mit der Leistung gegeben, als vielmehr mit der Feldformung.

Zudem möchte ich noch was weiteres zu bedenken geben: Meistens ist die Leistungsbegrenzung in der Praxis schon alleine durch die elektrisch verfügbare Grenze eines privaten Gebäudes ziemlich schnell gegeben. Zwei meiner Kaskadenaufbauten hätten hinsichtlich Leistung noch mehr liefern können, aber da kommt zum einen die Grenze des Hausanschlusses, zum anderen die Grenze der IGBTs in den beiden Vollbrücken.

Die Quintessenz ist die, dass es immer Grenzen geben wird, und man sollte immer diejenigen Limits zuerst berücksichtigen, welche aktuell am meisten ins Gewicht fallen.

EDIT: In Anlehnung an Thunderbolts Vorschlag, kann man auch mit Trafos, welche HV-Mittelpunkte haben, arbeiten, das geht dann so:
http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/obit/obit_ser.png

Bild von Jochen Kronjäger.

Das Problem der Leistungsminderung ist hier aber immer auch gegeben, da es eine Kaskadierung passiver Komponenten ist. Mit jeder Stufe mehr wird man eine Menge Verluste tragen müssen. Und der Materialaufwand dürfte schnell grösser werden als der eines Cockroft-Walton-Generators.

Gruss kilovolt
Alle Angaben meinerseits ohne Gewähr! Ich lehne jegliche Haftung für Personen- und/oder Sachschäden ab. Jeder ist für seine Sicherheit selber verantwortlich.

http://www.kilovolt.ch
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

Zunächst habe ich die Bitte an alle Beteiligten, bei diesen Diskussionen Emotionen so gut es geht beiseite zu lassen und sich
auf sachliche Argumente zu beschränken. Es ist immer eine gute Idee, wenn man versucht, seine Meinung auch so gut es geht zu begründen.
Ich möchte hier niemanden persönlich angreifen - und falls sich jemand angegriffen gefühlt hat, bitte ich das zu entschuldigen.
Und bitte euch, es auch gegenüber mir so zu handhaben.

Ich komme sicherlich nicht auf die Idee, zu glauben, ich könnte im privaten Haushalt 10 MV bei einer Dauerleistung von 10 kW erzeugen.
Und ebenso wenig glaube ich, ich könnte 100 A aus dem 230V-Netzanschluss ziehen.
Zitzewitz hat geschrieben: Mi 15. Jun 2022, 20:42 Mehr als Gedankenexperiment als unter der Annahme, dass ich es realisieren werde, interessiert mich die Frage, ob es irgendeine Schaltung gibt, mit der man "theoretisch" immer noch mehr Spannung dadurch erzeugen kann, indem man eine frühere Version der Schaltung einfach erweitert. Es soll aber auch „praktisch“ gehen, wobei es dann irgendwann Grenzen wegen Platz und Kosten gibt.
Da ich aber trotzdem von "immer noch mehr Spannung" spreche, sollte für den aufmerksamen Leser klar sein, dass es ab einer bestimmten Spannung oder Leistung eben nicht mehr im privaten Haushalt geht - und ich eben nicht die Voraussetzung mache, dass es im privaten Haushalt realisierbar sein soll.

Und dreht mir bitte keinen Strick daraus, dass ich von "immer mehr Spannung", also quasi unendlich gesprochen habe.
Ich würde auch unter industriellen Bedingungen nicht auf die Idee kommen, 1 GV zu erzeugen. Aber in der Größenordnung 10 MV schon.

Und noch mal, obwohl es eigentlich inzwischen klar sein sollte: Ich habe niemals behauptet, dass die Methode "HF-HV-Trafo + Kaskade" für eine Ausgangsspannung von z.B. 500 kV schlecht sei. Wahrscheinlich ist sie FÜR DIESE SPANNUNG sogar die beste. Aber darum geht es in diesem Thread nicht. Nebenbei merke ich allerdings an, dass es noch vor gar nicht allzu langer Zeit schwer war, große Ferritkerne zu bekommen. Und ferrite.de wollte für einen Ferritstab 300x28x16 mm satte 300 Euro haben. Bei Blinzlinger Electronic bekam ich ähnliche allerdings für 60 Euro pro Stück. Aus diesen Gründen kann es meiner Meinung nach das Forum nur bereichern, wenn verschiedene Konzepte zur HV-Erzeugung diskutiert werden.

@kilovolt: Du hast recht, so funktioniert die Schaltung (noch) nicht. Aber mit einer kleinen Modifikation meiner Meinung nach schon.
Ich habe im Anhang das neue Schaltbild: Es wurde nur die Reihenschaltung eines Kondensators C96 mit 200 pF und eines Widerstands R3 mit 100 Ohm
hinzugefügt (eher rechts unten im Bild).

Einerseits gibt es den Schalter S5, und andererseits die Schalter in den einzelnen Stufen des Marx-Gennerators. Diese müssen so geschaltet werden, dass S5 niemals gleichzeitig mit den anderen Schaltern eingeschaltet ist. Ich plane eine kurze Zeit von 2 µs nach dem Ausschalten von S5 ein, bis die anderen Schalter zusammen eingeschaltet werden. Ebenso wird nach dem Ausschalten letzterer Schalter 2 µs gewartet, bis S5 wieder eingeschaltet wird.

@kilovolt: Ich kann verstehen, dass du Bedenken mit der Schaltung hast, und ich musste gestern auch noch einmal intensiv darüber nachdenken
und es auch simulieren. Es gibt zwei Induktivitäten (L1 und L2), die potenziell beim Abschalten von Schaltern hohe Spannungen erzeugen
können.

Ich kann allerdings erklären, warum die neue Schaltung meiner Meinung nach funktioniert:

Zunächst einmal verwende ich bei jedem IGBT oder ggf. Mosfet, den ich in den Marx-Stufen oder im IGBT- bzw. Mosfet-Stack (Schalter S5) verwende,
eine Crowbar-Schaltung, d.h. der IGBT oder Mosfet wird automatisch in den leitenden Zustand gebracht, wenn die Kollector-Emitter-Spannung
(bzw. Drain-Source-Spannung) einen Wert erreicht, der nahe an, aber doch noch ausreichend unter der maximal zulässigen Spannung liegt.
Somit werden alle Schalter vor der Zerstörung durch Überspannung geschützt. Wenn die IGBTs keine Reverse-Dioden haben, schalte ich eine
ausreichend schnelle parallel zwischen Emitter und Kollektor.

Einen solchen IGBT (oder Mosfet) mit Crowbar-Schutz nenne ich nun "Modul".
Es ist gar kein Problem, eine Serienschaltung mehrere Module vom nichtleitenden in den leitenden Zustand zu bringen:
Über GDT oder Lichtwellenleiter bekommen alle gleichzeitig ein Signal zum Einschalten. Da einige bedingt durch Bauteil-Toleranzen früher als
andere einschalten werden, bekommen die langsameren zunächst eine gefährlich hohe Spannung. Bei denen greift aber zusätzlich der Crowbar-Mechanismus. Man kann zudem durch kleine Kapazitäten und hochohmige Widerstände parallel zwischen Emitter und Kollektor nicht nur die gleichmäßige Spannungsaufteilung im hochohmigen Fall sicherstellen, sondern auch die Spannungsänderungsgeschweindigkeit beim Einschalten begrenzen.

In diesem Fall wird sowohl das Ein- als auch das Ausschalten von S5 dadurch vereinfacht, dass in den Schaltzeitpunkten nur eine Spannung von ca. 1200 V bis 1500 V anliegt. Denn die Schalter in den Marx-Stufen sind zu diesen Zeitpunkten geöffnet, so dass die Marx-Kondensatoren parallel liegen.

Der neue Kondensator C96 stellt sicher, dass während des Abschaltens des Schalters S5 (IGBT-Stack) keine zu hohen Spannungen wegen der Induktivität L2 auftreten. Die Induktivität L1 hat vor dem Abschalten nur wenig Strom, weil die Marx-Kondensatoren bei geeigneter Dimensionierung schon geladen sind. Falls noch ein kleiner Strom in L1 ist, führt er im Abschaltzeitpunkt zu einer (ausreichend kleinen) Spannung am Widerstand R8.

Es bleibt nun noch zu klären, wie die Schalter in den Marx-Stufen sicher abgeschaltet werden können. Auch hier wird bedingt durch Bauteil-Toleranzen ein Schalter etwas früher hochohmig als die anderen werden. Aufgrund des Kondensators C96 braucht man sich wegen der Induktivität L2 keine Sorgen zu machen. Aber hier würde es selbst ohne C96 funktionieren (beim Abschalten von S5 aber nicht).

Da es ja auch immer kleine Leitungsinduktivitäten gibt, nehme ich jetzt einfach mal an, dass C96 nicht vorhanden wäre und L2 die Rolle von Leitungsinduktivitäten spielt. In der Regel werden beim Abschaltzeitpunkt die Marx-Kondensatoren nicht vollständig entladen sein. Angenommen der Schalter S3 wird 10 ns (oder auch 100 ns) vor den anderen Schaltern hochohmig. Dem will L2 entgegenwirken, so dass das Potenzial an der unteren Schiene des Marx beim Anschlussknoten von S3 und rechts davon ansteigt. Der Anstieg kann aber nur so groß werden wie die Restspannung des Kondensators C1, da die (ausreichend schnelle) Diode D2 leitend wird.

Da nun aber C96 (200 pF) in Reihe mit R3 (100 Ohm) vorhanden sind, gibt es prinzipiell ein anderes Problem: Wenn die Marx-Schalter öffnen, muss die Spannung an C96 in kurzer Zeit von der Restspannung der Reihenschaltung der Marx-Kondensatoren auf einen Wert zwischen 0 und 1200 V (Parallelschaltung der Marx-Kondensatoren) umgeladen werden, was einen hohen Stromimpuls ergibt. Ebenso gibt es hohe Stromimpulse in allen anderen Elementen des Marx. Im RMS-Mittelwert sollte es aber machbar sein, und IGBTs können ja auch höhere kurze Impulse vertragen. Man könnte aber die Stromimpulse verringern, indem man die Marx-Schalter nicht gleichzeitig, sondern nacheinander mit geringer zeitlicher Verzögerung öffnet.

Theoretisch könnte man auch die Marx-Kondensatoren, bevor man die Marx-Schalter öffnet, über eine Reihenschaltung eines Widerstands und eines weiteren IGBT-Stacks (HV-Schalter) entladen. Ich nutze das hier aber nicht wegen der schlechteren Energiebilanz.

Dass man bei hohen Spannungen Maßnahmen zur Feldformung (z.B. abgerundete Kanten) ergreifen muss, setze ich voraus.

Abschließend erwähne ich noch eine andere Möglichkeit, wie die Firma Zitzewitz-HV auf ihrem Industriegelände sehr hohe Spannungen erzeugen könnte: Ich hole mir einen fetten Dieselmotor mit ausreichend Leistung. Wenn Diesel-Gestank unerwünscht ist und ausreichend Power aus dem (Industrie)-Drehstromnetz zur Verfügung steht, auch einen E-Motor. Seine Drehbewegung wird über einen oder mehrere elektrisch hoch isolierende Riemen auf mehrere Generatoren übertragen, die in ausreichend Abstand zueinander und zunehmender Höhe über der Erde aufgestellt werden. Jeder Generator erzeugt z.B. 230 V, welche dann über einen 50 Hz-Trafo auf 500 kV (Spitzenwert) transformiert werden. Anschließend wird es gleichgerichtet und geglättet. Der erste Generator hat eine Verbinung zur Erde und ein "heißes" Ende mit 500 kV. Die übrigen Generatoren werden jeweils auf immer höheren Türmen isoliert von der Erde aufgestellt. Auf diese Weise kann ich die DC-Ausgangsspannungen der Module in Reihe schalten, um eine sehr hohe Spannung zu erhalten. Es ist allerdings nur mit einer Ausnahme skalierbar: Mit jeder weiteren Stufe muss ich es auf einen höheren elektrisch isolierenden Turm stellen. Sobald die Kosten für die Türme die Generator- und Gleichrichterkosten übersteigen, gilt nicht mehr "Doppelter Aufwand ==> doppelte Spannung und Leistung", sondern der Aufwand steigt quadratisch mit der Spannung an.
Dateianhänge
Skalierbarer-HV-Generator-mit-Ellipse-11.png
Benutzeravatar

kilovolt
Beiträge: 13295
Registriert: So 25. Feb 2007, 09:50
Hat sich bedankt: 623 Mal
Danksagung erhalten: 400 Mal
Kontaktdaten:

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von kilovolt »

Hallo Zitzewitz

ich habe nicht den Eindruck, dass da irgendein Post emotionsgeladen daherkam. Da wurden lediglich Fakten genannt, warum dieses Vorhaben bei sehr hohen Spannungen zum Scheitern verurteilt ist.

Das Problem an den IGBT-Ansteuerungen ist folgendes: Eine optische Ansteuerung ist nur mit aktiven Komponenten möglich. Das heisst, diese brauchen ebenfalls eine Speisung. Diese Speisungen wiederum müssten dann alle isoliert für ein paar hundert kV oder gar MV gegen Erde sein, wie soll so etwas mit vernünftigem Aufwand realisiert werden? Das ist das, was ich mit Killerkriterium meinte. Oder mit GDTs, da müsste jeder GDT gegen die volle Spannung isolieren, da ja die Ansteuerung Erdpotential aufweist.

Wobei da auch einige andere Probleme kommen werden. Was Du beispielsweise ebenfalls vergisst, ist die Tatsache, dass bei sehr hohen Spannungen alles gegen Erde sprüht. Bei passiven Komponenten ist das kein allzu grosses Problem, aber Halbleiter werden so etwas nicht verzeihen, erst recht nicht, wenn sie hochohmig sind an den Gates.

Theoretische Gedankenspiele sind schon ok, aber wenn sie offensichtlich in eine Sackgasse führen, dann werden sie uninteressant, es sei denn, derjenige, der sie verfolgt, testet zumindest mal im Kleinen, ob dies überhaupt irgendwie ansatzweise funktionieren könnte. Da dürfte dann wohl ziemlich schnell eine gewisse Ernüchterung kommen.

Gruss kilovolt
Alle Angaben meinerseits ohne Gewähr! Ich lehne jegliche Haftung für Personen- und/oder Sachschäden ab. Jeder ist für seine Sicherheit selber verantwortlich.

http://www.kilovolt.ch
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

kilovolt hat geschrieben: Sa 18. Jun 2022, 07:54 Hallo Zitzewitz

Das Problem an den IGBT-Ansteuerungen ist folgendes: Eine optische Ansteuerung ist nur mit aktiven Komponenten möglich. Das heisst, diese brauchen ebenfalls eine Speisung. Diese Speisungen wiederum müssten dann alle isoliert für ein paar hundert kV oder gar MV gegen Erde sein, wie soll so etwas mit vernünftigem Aufwand realisiert werden? Das ist das, was ich mit Killerkriterium meinte.
Du beziehst dich wahrscheinlich auf die "Auswertung" (statt der Erzeugung) des optischen Signals mit aktiven Komponenten.
Dass dazu Energie benötigt wird, sehe ich als das geringste Problem. Schlimmstenfalls nimmt man Batterien bzw. Akkus für die Umwandlung des optischen in ein elektrisches Signal und das Schalten der IGBTs bzw. Mosfets. Aber man kann es wahrscheinlich auch self-powered machen, wie es im Netz genannt wird. Z.B. kann man, während die Schalter offen sind, einen Kondensator laden, der dann die Energie für die An- und Abschaltvorgänge liefert. Oder: Man nimmt zwei optische Eingänge: Einen für die Ein- und Ausschalt-Befehle und einen anderen, der dauerhaft kräftig Lichtenergie liefert, die im jeweiligen "Modul" mittels einer Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt wird.
kilovolt hat geschrieben: Sa 18. Jun 2022, 07:54 Oder mit GDTs, da müsste jeder GDT gegen die volle Spannung isolieren, da ja die Ansteuerung Erdpotential aufweist.
Ich habe ja ausdrücklich geschrieben, dass GDT nur in Frage kommen, wenn die Spannung irgendeinen Grenzwert nicht überschreitet (der noch genauer zu bestimmen wäre). Im Anhang habe ich eine Abbildung aus dem Artikel "A High Frequency 110kV Output-voltage, 8kW Output-power High Voltage
Generator with Silicon Carbide Power Semiconductor Devices", die ich - nebenbei bemerkt - trotz Copyright unter Angabe der Quelle hier posten darf. Die Autoren sind: "Saijun Mao, Member, IEEE, Zhilei Yao, Senior Member, IEEE, Deming Zhu, Jelena Popovic, Member, IEEE, and Jan Abraham Ferreira, Fellow, IEEE". Hier werden nicht GDT verwendet, sondern über diese Ringkern-Trafos wird richtig fett Leistung rübergebracht - bei einer Frequenz von 300 - 500 kHz (Zitat aus dem Artikel). Wenn man sich den Artikel durchliest, sieht man, dass die Windungen auf den Ringkern-Trafos an den beiden Enden jeweils ca. 55 kV gegen die axial durchgeführten Leitungen aushalten müssen. Und hier werden nur Ringkerne mit den lächerlichen Abmessungen R41.8×26.2×12.5 verwendet. Allerdings wird es anscheinend in Öl gelegt.
Daher gehe ich mal davon aus, dass ich, so lange der Marx-Generator nicht mehr als ca. 30 kV liefert, es auch mit GDT machen kann. Wenn ich noch größere Ringkerne als in dem Artikel nehme, kann ich eine noch dickere Isolationsschicht um den axialen Leiter bringen und mir wahrscheinlich das Öl sparen.
Dateianhänge
HV-Tank.png
HV-Tank.png (176.27 KiB) 248 mal betrachtet
Benutzeravatar

Norbi
Beiträge: 1049
Registriert: So 4. Jul 2010, 10:57
Hat sich bedankt: 31 Mal
Danksagung erhalten: 84 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Norbi »

Ich denke hier zweifelt niemand an dass sowas realisierbar ist. Warum auch nicht? HGÜ-Wechselrichter für +/- 300kV gibt es doch auch und die laufen zuverlässig im Dauerbetrieb.

Nur bin zB. ich etwas skeptisch was die praktische Umsetzung als Hobbyprojekt angeht. Hohe Spannungen mit Halbleitern zu schalten ist nicht trivial und man ist halt nicht das Entwicklungsteam von Siemens Energy. Deswegen schrieb ich ja dass es mal interessant zu sehen wäre. Ich denke da denkt hier jeder ähnlich.

Die reale Umsetzung so mit Bauteilstreuung, parasitärer Induktivität und Kapazität wird recht aufwendig. Snubberschaltungen anpassen, Überspannungsableiter, Schutzwiderstände etc. pp da fällt die Dimensionierung nicht vom Himmel. Das Forum hat ja hier nicht um sonst so einen komischen Namen uns so ein Projekt erfordert sicherlich einiges an Lehrgeld sollte man wirklich mal irgendeinen Bereich um 100kV anpeilen (was ja mit einem Trafo und und einer Delon-Schaltung zur Spannungsvervierfachung auch sehr einfach realisiert wäre)

P.S.

Sehe gerade dass Infineon sich dem Problem mit der Isolation angenommen hat, gibt tatsächlich Thyristoren die per Lichtimpuls getriggert werden anstatt elektrisch.
https://www.infineon.com/cms/de/product ... n80toh-pr/
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

Norbi hat geschrieben: Sa 18. Jun 2022, 15:44 Sehe gerade dass Infineon sich dem Problem mit der Isolation angenommen hat, gibt tatsächlich Thyristoren die per Lichtimpuls getriggert werden anstatt elektrisch.
https://www.infineon.com/cms/de/product ... n80toh-pr/
Ja, die habe ich auch schon gesehen. Irgendwo habe ich gesehen, dass der "günstigste" "Direct-Light-Triggered Thyristor" für ca. 1000 Euro zu haben ist - ich finden den Link gerade nicht mehr.

Ich habe auch schon darüber nachgedacht, Thyristoren zu verwenden, allerdings wird es mit dem Ausschalten wohl schwierig. Nach dem Unterschreiten des Haltestroms brauchen die ja eine gewisse Ruhezeit - ich weiß nicht, ob das mit der Schaltung erreicht werden kann.

Zugegeben verstehe ich (noch) nicht so viel von der Physik, die bei Teilentladungen (Korona, ...) im Spiel ist - und ich habe von euch daher schon wichtige Hinweise erhalten. Es gibt irgendwo Veröffentlichungen, wo z.B. untersucht wird, wie sich eine kleine Luftblase in einem Isolator auf die Spannung und Frequenz auswirkt, ab der Teilentladungen stattfinden. Mal schauen, vielleicht finde ich ja noch weitere nützliche Infos.

Notfalls müsste man eben die Frequenz reduzieren. Aber man kann bei der Schaltung immerhin (im industriellen Umfeld) große Abstände zwischen den Stufen des Marx, den in Serie geschalteten IGBTs für den Schalter S5 sowie für die Kaskade wählen. Und natürlich Ecken und Spitzen vermeiden und es abrunden.

Da ja anscheinend mit steigender Frequenz die "Zündspannung" für Teilentladungen sinkt, ist es sicherlich auch schlecht, "harte" Schaltvorgänge zu haben, denn das entspricht im Spektrum einem hohen Anteil an höheren Frequenzen. Wenigstens an der Kaskade kommen aufgrund der Induktivität L2 nicht die ganz "harten" Schaltvorgänge an. Aber der Marx-Generator stellt nicht so strenge Anforderungen an die Schaltvorgänge der verschiedenen Schalter: Die Schalter müssen nicht genau gleichzeitig an- oder ausschalten, und man kann wahrscheinlich sogar "weiche" Schaltvorgänge benutzen, d.h. man schaltet absichtlich nicht möglichst schnell um, sondern allmählich während einer Zeitdauer von z.B. 1 µs. Man müsste ggf. die Induktivität L2 noch etwas größer machen - jedenfalls verzögert sie den Stromanstieg während eines "weichen" Einschaltens der Marx-Schalter, so dass nicht zu viel Energie in den IGBTs verbraten wird. Das weiche Ein- und Ausschalten hätte den Vorteil, dass nicht so starke Stromimpulse beim Umladen des Kondensators C96 entstehen. Außerdem entstehen weniger höhere Frequenzen (Oberschwingungen) im Spannungssignal an den Knotenpunkten VH und VL.
Benutzeravatar

VDX
Beiträge: 1543
Registriert: Fr 13. Jul 2018, 18:23
Spezialgebiet: Laser und Mikro-/Nanotechnik
Hat sich bedankt: 1 Mal
Danksagung erhalten: 176 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von VDX »

... bei den 100kV-Aufbauten in meiner Uni-Zeit haben wir viel mit Kunststoff-Lichtleifasern und (potentialfreien) batteriebetriebenen "Inseln" gemacht - beliebige I/O-Signale oder auch Analog-Signale über VCO/OCV-Paare, die ebenfalls über Lichtlteiter über viele Zentimeter bis Meter auseinander waren.

Die Kosten dafür lagen typisch im "Taschengeld"-bereich ;)

Viktor
Aufruf zum Projekt "Müll-freie Meere" - https://reprap.org/forum/list.php?426 -- Facebook-Gruppe - https://www.facebook.com/groups/383822522290730
Call for the project "garbage-free seas" - https://reprap.org/forum/list.php?425
Benutzeravatar

Thread-Ersteller
Zitzewitz
Beiträge: 24
Registriert: Sa 21. Mai 2022, 20:20
Danksagung erhalten: 2 Mal

Re: Skalierbarer Hochspannungsgenerator

Beitrag von Zitzewitz »

VDX hat geschrieben: So 19. Jun 2022, 10:54 Die Kosten dafür lagen typisch im "Taschengeld"-bereich ;)
Da ja der Absatzmarkt riesig ist (ich gehe davon aus, dass jeder, der über einen ausreichend großen Garten verfügt, dort mindestens einen Ultra-HV-Generator reinstellen will :mrgreen: ), könnte man die Kosten durch Massenproduktion sicher etwas reduzieren.
Antworten