Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder
Hauptkondensatorbank
| 1.Das
Lademodul 2.Kondensatoren der Hauptenergiebank 3.Gespeicherte Energie 4.Der Hochspannungsschalter 5.Steuerung und Elektronik der Hauptkondensatorbank |
weitere Verwendung in folgenden Projekten: |
Um
Versuche zur
Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder nach dem hier
beschriebenen Prinzip durchführen zu können wurde eine sog.
Haupt- Kondensatorbank (KB1) konzipiert.
Sie
hat die Aufgabe die enthaltenen Kondensatoren langsam aufzuladen und schlagartig
durch entsprechende Spulen zu entladen. Ein unter dem Schütz angebrachtes
Entladesystem gewährleistet eine sichere Entladung von
Restspannungen nach einem „Schuss“. Zusätzlich wird die Gefahr
vor Restspannung akustisch und optisch signalisiert, wodurch eine hohe Sicherheit
bei der Durchführung von Versuchen gegeben ist.
Die Hauptkondensatorbank wurde aus Tischlerplatten zusammengebaut
und spannnungsführende Teile durch Plexiglas isoliert. Das Gerät
beinhaltet verschiedene Bauteile die, in Folgendem beschrieben werden sollen.
1.Das
Lademodul
Die
Transformatorversorgung wurde mit Hilfe von einem Ölbrennerzündtransformator
konzipiert. Diese Trafotypen (englische Abkürzung
OBIT = Oil Burner Ignition Transformer) werden, wie der Name schon
sagt, in Brennern von Ölheizkesseln verwendet. Dort erzeugen sie einen
Lichtbogen, der die Flamme zündet. Ölbrennertrafos werden primär
direkt ans Netz angeschlossen und liefern normalerweise sekundär zwischen
den beiden Hochspannungsanschlüssen 7 bis 15 kVeff bei einem Kurzschlussstrom
von etwa 25mA. Die Sekundärwicklung besitzt eine Mittelanzapfung, die
geerdet ist, so dass zwischen jedem Anschluss und Erde nur ca.5 kV eff. liegen
[1]. Jedoch weicht die tatsächliche Ausgangsspannung von OBITs in der
Praxis sehr stark von den Datenblattangaben ab.
Für das Lademodul wurden verschiedene OBITs bezüglich ihrer Ausgangsspannung
untersucht. Schließlich fand ein Transformator mit einer Leistung von
275 W Verwendung. Um die Leistung effizient umzusetzen wurden beide Hochspannungszweige
mit jeweils zwei Hochspannungsdioden (HVR-1X40; Belastbarkeit 9 kV,
320 mA) ausgestattet. Durch das Zusammenführen der beiden Zweige steht
somit eine pulsierende Gleichspannungsquelle zum Aufladen der Kondensatorbank
zur Verfügung.
Die
gesamte Transformatorversorgung ist in einem Holzkasten (Maße 15 cm
* 13 cm* 16 cm) untergebracht und in diesem mit Plexiglasplatten isoliert
und stabilisiert.
2.Kondensatoren
der
Hauptenergiebank
Hierfür
kamen spezielle Hochspannungs-Impulskondensatoren der Firma CSI-Capacitors
zum Einsatz. Normalerweise liegt der Preis solcher Kondensatoren im 1000 €
-Bereich. In diesem Fall konnten jedoch 2 Stück der Kategorie WM gebraucht
relativ günstig erworben werden.
Während „normale Kondensatoren“ Kurzschlusskreisen nicht
sehr lange unbeschadet standhalten, sind diese Kondensatoren speziell für
derartige Anwendungen konzipiert. In Literatur [2] heißt es:
“The WM series of capacitors is designed for general purpose pulse applications in power supplies for lasers, flash tubes and other capacitor discharge circuits where moderate to long life is required. These designs have a proven record for outstanding performance in a wide variety of applications.”
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Nach
den Datenblattangaben besitzen die Kondensatoren eine Kapazität von 100
µF bei einer maximalen Ladespannung von 3,5 kV DC.
Bei Messungen mit einem LCR Meter ergeben sich jedoch Werte von 98,0 µF
und 98,9 µF.
Diese Abweichungen scheinen sich sowohl mit der Temperatur als auch nach einem
Auf- und Entladevorgang zu verändern, was vermutlich auf ein Variieren
der Abstände der Metallfolien zueinander innerhalb der Kondensatoren
zurückzuführen ist.
3.Gespeicherte
Energie
Zur Schonung und um übermäßige Belastung der Kondensatoren
zu vermeiden sollte die gesamte Ladespannung der beiden Kondensatoren 6000
V nicht überschreiten, so dass an jedem Kondensator nur max.3000 V anliegen.
Da theoretisch eine Ladespannung von 3,5 kV DC pro Kondensator möglich
wäre, beträgt die letztendliche Ladespannung rund 86% von dem vorgegebenen
Wert, so dass jeder Kondensator also ca.73 % an Energie speichert.
Bei einer gesamten Kapazität von ca. 50 µF steht bei einer Ladespannung
von 6 kV also ein Energiepotential von 900 Ws zur Verfügung:
4.Der
Hochspannungsschalter
Das Schalten und Regeln von hohen Strömen ist eine in
der Starkstromtechnik vielfach gestellte Problematik. So werden in verschiedensten
technischen Geräten (z.B. Schaltwerke, Radaranlagen, Blitzlampen, Zyklotronen,
Laser, Defibrillatoren...) Schaltvorrichtungen benötigt, die innerhalb
kürzester Zeit Ströme im kA –Bereich zuverlässig regeln
[3]. Der im vorgestellten Projekt verwendete Schalter musste 3 Bedingungen
erfüllen:
1.) für 6 kV ausreichende Isolationsfestigkeit
zwischen den beiden Kontaktflächen
2.) extrem hohe Strombelastbarkeit bis über 20 kA
3.) sehr kurzer, niederohmiger Schaltvorgang
Da leider kein geeignetes industrielles Schaltsystem erworben werden konnte, musste auf die weniger effektive aber kostengünstige Alternative eines selbstkonzipierten Schützes ausgewichen werden.
Wie
auf der Abb.links zu erkennen ist besteht es aus einem frei drehbaren Hebelarm,
der die eine Kontaktfläche darstellt. Zur Gewährleistung einer niederohmigen
Verbindung ist der Hebelarm durch ein flexibles Kupferband mit der Kondensatorbank
verbunden. Links von der Hebelachse befindet sich eine rotierbare Welle, die
durch einen 12V-Motor angedreht werden kann. Zwischen den beiden Kugellagern
ist auf der Welle ein großes Lüsterklemmenstück montiert,
das bei Wellenrotation durch seine unsymmetrischen Maße den Schalthebelarm
bis in die Vertikale und schließlich zum Überklappen bringt. Zur
Erleichterung dieses Vorgangs wurde an den Hebelarm ein gebogenes „Auffahrtsblech“
angeschweißt. In der rechten Abb. befindet sich die Aufschlagselektrode.
Bei dieser Applikation gilt es wie bei allen Schützen zu berücksichtigen,
dass sich aufgrund der Hochspannung bereits vor dem Aufschlag des Hebelarms
ein Lichtbogen bildet. Man kann also derartige Schaltsyste-me als eine Kombination
einer primitiven Funkenstrecke und Schütz interpretieren.
Geht man beispielsweise davon aus, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des rotierenden
Hebelarms auf Höhe der Aufschlagsstelle ca. 1m/s beträgt, so ergibt
sich bei einer Spannungsdifferenz von 6kV bereits bei einem Abstand d von
3mm zwischen den Elektroden ein Überschlag. Berechnet man nun die Zeitspanne
tZündung;tAufschlag so ergibt
sich:
Vergleicht man diese Zeitspanne von ca. 3 ms mit den Entladungszeiten der
Kondensatorbank (ca.T=0,5 ms), so stellt man fest, dass der Entladungsimpuls
schon abgeschlossen ist bevor sich die beiden Kontaktflächen berühren!
Somit stellt der Starkstromschalter also eine Funkenstrecke dar, bei der sich
der Elektrodenabstand während der Zündung stetig verringert. Da
der ohmsche Widerstand einer Funkenstrecke von Elektrodenabstand, Spannung
sowie Stromstärke abhängt (und die Stromstärke ihrerseits wieder
vom Widerstand), ergeben sich bei einem noch dazu variablem Elektrodenabstand
hochkomplexe physikalische Zusammenhänge auf die jedoch nicht weiter
eingegangen werden kann. Es sei hier jedoch die Formel von August
Toepler (Wikipedia) erwähnt,
der den Zusammenhang des Widerstands von Funkenstrecken analysiert hat:
Nimmt man nun z.B.
eine Kapazität und eine bestimmte Lastkreisinduktivität an, so ergibt
sich bei optimaler Anpassung des Widerstands für den aperiodischen Grenzfall
der Stromstärkeverlauf
Im Spannungsbereich
von 6000V hat k einen Wert von ca. 0,075*10^-3, so dass der Widerstandsverlauf
relativ leicht abgeschätzt werden kann.
Aufgrund
von Erfahrungswerten kann davon ausgegangen werden, dass sich der ohmsche
Widerstand des Schalters in der Größenordnung von 0,01-0,05
Ohm bewegt. Eine genaue Beschreibung der Widerstandskurve ist
jedoch sehr schwierig theoretisch zu behandeln, da viele Einflüsse wie
Metalldampf der Elektroden, Oxidationsschicht auf der Elektrodenoberfläche,
die Plasmacharakteristiken des Lichtbogens stark beeinflussen.
5.Steuerung
und Elektronik der Hauptkondensatorbank
Um ein gefahrloses und zuverlässiges Experimentieren mit der Kondensatorbank
zu gewährleisten wurde eine spezielle Steuerungselektronik entworfen.
Da eine genaue Beschreibung der Schaltungen den Rahmen dieser Website sprengen
würde, soll hier nur kurz der Zweck und die Bedienung der Kondensatorbank
beschrieben werden. Die Steuerungselektronik umfasst vier verschiedene Aufgabenbereiche,
die für die Funktionsfähigkeit der gesamten Versuchsapparaturen
essentiell sind:
-
Freischaltung des Ladevorgangs
- Schussfreigabe
- Akustische Signalisierung von potentiellen Restspannungen
- Sicherheitsentladung
Ein
Versuchszyklus verläuft im Allgemeinen immer nach folgendem Prinzip:
Nach einer sorgfältigen Überprüfung aller Kabelanschlüsse
sowie des Pneumatikschlauchs wird der Starkstromschalter auf Schussposition
gestellt. Anschließend wird der „rote Hauptschalter“ aktiviert,
wodurch die Steuerungselektronik mit Spannung aus einem 12 V-Bleiakku versorgt
wird. Nun erfolgt aus sicherer Entfernung am Steuerpult die Betätigung
des „grünen Ladeschalters“, der die Stromspeisung des Lademoduls
mit Hilfe eines Regeltrafos ermöglicht. Dieses selbstgebaute Gerät
besteht aus einem in einen Holzkasten integrierten Stelltransformator . Durch
Stellung des Steuerungsschalters auf die Position „aufladen“ wird
jetzt das Laderelais geschlossen, wodurch die Kondensatoren mit dem Ladetransformator
elektrisch verbunden werden. Der eigentliche Ladevorgang erfolgt nun durch
langsame Spannungserhöhung des Regeltrafos . Da sich die Eingangsspannung
des Lademoduls proportional zur gleichgerichteten Ausgangsspannung verhält,
ist somit eine exakte Einstellung der Ladespannung möglich. Um die momentane
Ladespannung der Kondensatoren jederzeit kontrollieren zu können wurde
seitlich der Hauptkondensatorbank ein Hochspannungstastkopf mit einem Teilerverhältnis
von 1000/1 installiert. Die Spitze des Tastkopfes ist direkt an einem äußeren
Hochspannungsanschluss befestigt. Das Ausgangskabel des Tastkopfes führt
mit einer ungefährlichen Teilspannung zu einem herkömmlichen Multimeter,
mit dem die Kondensatorspannung auf ca. 10 V genau abgelesen werden kann.
Aufgrund der exponentiellen Ladekurve ergeben sich anfänglich sehr rasch
ansteigende Spannungswerte, die sich jedoch mit zunehmender Zeit immer langsamer
einer Spannung von 6 kV annähern. Wenn schließlich nach etwa 80
s eine Spannung von 6 kV erreicht ist, wird die Spannung noch einmal auf etwa
6200 V nachgeregelt. Dies hat den Grund, dass die Spannung wegen der Entladewiderstände
ständig abfällt. Durch diese leichte „Überladung“
besteht somit nach Abschluss des Ladevorgangs genügend Zeit sich von
der Kondensatorbank zu entfernen und den Schuss nach ein paar Sekunden (wenn
die Spannung dann auf ca. 6 kV abgefallen ist) auszulösen. Dieser Auslösevorgang
wird aus Sicherheitsgründen nicht elektrisch, sondern pneumatisch aktiviert.
Nachtrag:
Für die Wettbewerbsrunde bei Jugend
forscht 2006 wurde das Steuerungssystem aus Sicherheitsgründen
nocheinmal verbessert und so umgebaut, dass sämtliche Steuerung der Kondensatorbank
aus einer Entfernung von ca. 7m möglich ist.
Quellen
und weiterführende Literatur:
[1]
Kronjäger, Jochen: "Experimente mit Hochspannung", Franzis`
Verlag GmbH, Poing 2002
