Magnetumformung 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:

--> Hochenergieplasmen


Kondensatorbank -SeiteUm 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.

Kondensatorbank -schräg Kondensatorbank -oben

 

 

 

 

 

 

Ladetransformator

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

Hochspannungskondensatoren


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.”

 

CSI - capacitor 2CSI - capacitor 1Nach 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

Energiediagramm 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.


A
ufgrund 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

© Max Bigelmayr