Ausschalten (Reduzieren des Feldes) großer Induktivitäten

Bei einer völlig unabhängigen Suche nach etwas, nach dem ich gesucht habe, stieß ich auf einen Artikel der EPA, in dem die Untersuchung der Bodeneigenschaften durch einen großen Induktor für die Geophysik beschrieben wird.

https://archive.epa.gov/esd/archive-geophysics/web/html/time-domain_electromagnetic_methods.html

Was mich beeindruckt hat, ist, dass die Prämisse des Projekts ist, dass Sie ein Feld mit einer großen induktiven Schleife in die Erde einbringen und dann die Ergebnisse lesen. Es hängt jedoch vollständig von der Tatsache ab, dass Sie ein Feld sofort reduzieren können (Abbildung 4 im obigen Link, der jetzt unten angehängt ist).

Wie würde man in der Praxis tatsächlich ein großes Feld schnell zusammenbrechen lassen? Ich suche nach den Nuancen des Zusammenbruchs einer induktiven Last, die groß ist und möglicherweise einen Rückschlag von 1 kV + aufweist.

Ich fand einen vagen Hinweis auf 10 Windungen in einem Quadrat von 10 mx 10 m für 6-Gauge-Kabel für 100 V bei 100 A für ein System, das mit 120 Hz läuft. Wenn ich einen Widerstand über den Induktor lege, um ihn schnell zu kollabieren, würde er im Grunde eine Million Volt über den Widerstand legen. Es muss etwas Eleganteres geben, um das Feld in einem Induktor aufgrund dieser Spannungsspitze schnell zu entfernen. Es kann jedoch so einfach wie ein Widerstand sein.

Update: Ich erwähnte "sofort", wie die Abbildung zeigt. Mir ist bewusst, dass dies unrealistisch ist.

Update 2: Da ich mehr Systeminformationen gefunden habe, ist mir nicht einmal klar, dass die Spule in einen stabilen Zustand gelangen könnte (was ich damit meine, ist, dass der Fluss bereits in der Erde ist und die Spule dadurch 100 V bei 100 A erreicht hat ). Ich fange an zu denken, dass die Systemspezifikationen eher theoretisch als pragmatisch sind.

Wie würde man in der Praxis tatsächlich ein großes Feld schnell zusammenbrechen lassen? Ich suche nach den Nuancen des Zusammenbruchs einer induktiven Last, die groß ist und möglicherweise einen Rückschlag von 1 kV + aufweist.

Wie Sie in Ihrer ersten Aktualisierung Ihrer Frage bestätigt haben, ist es unrealistisch, den sofortigen Zusammenbruch des Magnetfelds zu erwarten, das durch den "aufregenden" Induktor erzeugt wird. Unter Berücksichtigung einiger unvermeidbarer Nichtidealitäten der Schaltung können Sie jedoch die Abfallzeit in der Induktivität innerhalb angemessener bis recht niedriger Werte steuern und auch den induktiven Rückschlag (oder möglicherweise einen Vorteil daraus) und eine übermäßige Verlustleistung vermeiden.

Vor einiger Zeit hatte ich das gleiche Problem beim Antrieb einiger Magnetventile: Wir mussten den elektrischen Teil der Ausschaltverzögerung gegenüber dem mechanischen Teil vernachlässigbar machen (die Zeit, die die "Feder" zum Schließen der Düse benötigt). Dies impliziert die Notwendigkeit, die Energie schnell zu übertragen$E$ im Induktor gespeichert $L$ des Solenoids (+ etwas mechanische Energie aufgrund des elastischen Potentials der "Feder", aber dies ist im aktuellen Kontext nicht relevant, so dass ich es hier nur der Vollständigkeit halber und nicht mehr im folgenden Text zitiere), dh

$$E=\frac{1}{2}LI_o^2\label{1}\tag{1}$$ wo $I_o$ ist der Induktionsstrom im eingeschalteten Zustand, und dies impliziert wiederum die Notwendigkeit, große Leistungen zu entsorgen.

Der Kern der von uns entwickelten Schaltung wird hier mit der offensichtlichen Bedeutung der Induktivität gezeigt $L$ und von seinem Streuserienwiderstand $R_s$::

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Es handelt sich um einen Halbbrückentreiber, der den von Jack Creasey und Laptop2d vorgeschlagenen Vollbrückenschaltungen ähnelt, mit einem wesentlichen Unterschied: den Freilaufdioden $D_1$ und $D_2$ sind nicht an dieselbe Stromversorgung angeschlossen, die die MOSFETs speist, sondern an eine andere mit einem höheren Spannungspegel, d. h $V_{DD}\ll V_{sto}$. Dies führt zu einem Abschaltverhalten, das analytisch vorhersehbar ist (zumindest soweit wir die Anodenspannung einer Diode als nahezu konstant betrachten können) und durch das Verhältnis gesteuert wird$V_{sto}/V_{DD}$: mal sehen wie.

Das Ausschaltverhalten der Schaltung
Wenn die MOSFETs$M_1$ und $M_2$ ausgeschaltet sind, entspricht die obige Schaltung der folgenden:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Der Anfangsstrom $i(0_+)$ entspricht $I_o=V_{DD}/R_s$, da der Induktor dazu neigt, die darin gespeicherte magnetische Energie konstant zu halten: daher die beiden Dioden $D_1$ und $D_2$ beginnen zu leiten und kann als zwei Spannungsgeneratoren mit gesehen werden $V_{A_{D_1}} = V_{A_{D_2}} = V_\gamma$. Schreiben Sie die Netzgleichung auf, die wir haben

$$\begin{split} V_{sto}+V_{A_{D_1}} + V_{A_{D_2}} + R_s i(t) + L\frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t} &=0 \\ \Updownarrow \qquad\qquad\qquad &\\ V_{sto}+2V_\gamma + R_s i(t) + L\frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t} &=0\\ \end{split}$$ Anwenden der Laplace-Transformation auf die Gleichung, die wir erhalten $$\frac{V_{sto}+2V_\gamma}{p} + R_s I(p) + pL I(p)-Li(0_+)=0$$ und nach dem Lösen nach $I(p)$ und Anwenden der inversen Laplace-Transformation, die wir haben $$i(t)=\frac{V_{DD}}{R_s}e^{-\frac{R_s}{L}t}-\frac{V_{sto}+2V_\gamma}{R_s}\left[1-e^{-\frac{R_s}{L}t}\right]\label{2}\tag{2}$$ Diese Gleichung ist (fast) nur für Werte von $t$ für welche $i(t)\ge 0$: Auf der anderen Seite wollen wir die Kollapszeit wissen $t_c$dh die benötigte Zeit für $i(t)$ gehen von $I_o$ zu $0$, da dies genau die Zeit ist, die das Magnetfeld benötigt, um zusammenzubrechen, dh um den magnetischen Energiezustand Null in zu erreichen $\eqref{1}$:: $$\begin{align} i(t_c)=0\iff &\frac{V_{DD}+V_{sto}+2V_\gamma}{R_s}e^{-\frac{R_s}{L}t_c}-\frac{V_{sto}+2V_\gamma}{R_s}=0\\ \\ \iff & e^{-\frac{R_s}{L}t_c}=\frac{V_{sto}+2V_\gamma}{V_{DD}+V_{sto}+2V_\gamma} = \left[1 + \frac{V_{DD}}{V_{sto}+2V_\gamma}\right]^{-1} \\ \\ \iff & \color{blue}{t_c = \frac{L}{ R_s } \ln \left(1 + \frac{V_{DD}}{V_{sto}+2V_\gamma}\right)} \label{3}\tag{3} \end{align}$$ Wie oben angegeben, ist das Verhältnis umso größer $V_{sto}/V_{DD}$ Je kleiner die Kollapszeit $t_c$Idealerweise so nahe wie nötig an Null. Beachten Sie auch, dass abgesehen von der Dissipation auf$D_1$, $D_2$ und $R_s$der größte Teil der Energie$\eqref{1}$ wird an die Stromversorgung zurückgemeldet $V_{sto}$, was die Effizienz enorm steigert $\eta$ des Stromkreises: Somit wird der induktive Kick verwendet, um die gespeicherte Energie des Induktors in eine Stromversorgung zurückzuführen (Hinweis: Die Stromversorgung muss in der Lage sein, den Strom abzusenken), wobei sowohl die übermäßige Verlustleistung eines Dämpfungskreises als auch der Ausfall des Stromkreises vermieden werden MOSFET $M_2$.

Anmerkungen

• Einige Notizen:
  • das $D_1$ und $D_2$ muss schnell sein $I_o$Nenndioden. In diesem Fall$I_o\simeq 100\mathrm{A}$: Jedoch sind Schottky-Dioden mit sehr hohem Strom in Si- oder SiC-Technologie leicht verfügbar, und daher ist dies kein Problem.
  • Der MOSFET sollte in der Lage sein, sehr großen Drain-Source-Spannungen standzuhalten, d. H. $V_{DS}\simeq V_{sto}$: Auch dies ist kein Problem, da wir Totempfahlanordnungen und SiC-Bauelemente verwenden können, um die erforderliche Leistung zu erzielen. Neue Bearbeitung : Wie Jack Creasey in seinen Kommentaren bemerkte, können Sie in Anwendungen, in denen eine Feldinversion erforderlich ist (wie es scheint, der Fall ist), dasselbe Konzept auf einen Vollbrigadentreiber anwenden, vorausgesetzt, Sie vermeiden die Auswirkungen des Körpers. Drain-Diode der oberen MOSFETs, dh der Kurzschluss der Anschlüsse der Schleifeninduktivität zu$V_{DD}$während des induktiven Kicks. Dies kann grundsätzlich auf zwei Arten erreicht werden
    1. Setzen Sie eine Diode mit den gleichen Eigenschaften von $D_1$ in Reihe zu jedem oberen MOSFET geschaltet und parallel zu dieser Anordnung eine Freilaufdiode angeordnet: dies erhöht jedoch die Verlustleistung der Schaltung.
    2. Platzieren Sie zwei MOSFETs in Antiserien anstelle jedes oberen MOSFETs und setzen Sie erneut eine Freilaufdiode parallel zu dieser Anordnung: Dies erhöht möglicherweise die Komplexität der Treiberschaltungen.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

• Anfangs haben wir diese Schaltung mit ausprobiert $V_{DD}=24\mathrm{V}$ und mit verschiedenen Zenerdioden: Wir haben das Gesuchte erreicht $t_c$Wert zum Preis einer großen Verlustleistung. Danach haben wir ein Netzteil verwendet und das Problem gelöst.
• Die Tatsache, dass wir in der Lage sind, immer niedrigere Werte von zu erhalten $t_c$impliziert kein unphysikalisches Verhalten der Schaltung: Schließlich handelt es sich um elektromagnetische Felder, die ein "Schock" -Verhalten zulassen, dh extrem schnelle Änderungen ihrer Intensität. Was eine unrealistische augenblickliche Variation der Felder ausmacht, sind die realen Eigenschaften der Mittel, mit denen sie erzeugt werden, nicht beschränkt auf, sondern einschließlich Schaltungen.

Ich möchte auf eine Sache hinweisen, die die anderen Antworten ignorieren oder zumindest beschönigen.

Bei dieser Messung stoppen wir den Stromfluss in unserer Induktivität, und dies führt dazu, dass Strom in der Erde darunter fließt. Das heißt, wir nutzen die Erde selbst effektiv als Sekundärspule eines Flyback-Transformators .

In einem Flyback-Transformator kann der Primärstrom tatsächlich sehr schnell abgeschaltet werden, gerade weil der Magnetfluss in der Lage ist, sich mit dem Sekundärstrom zu koppeln und dort einen Strom zu erzeugen, und wir die gespeicherte magnetische Energie auf der Primärseite nicht absorbieren müssen Schaltung zum Löschen des Stroms.

Die typischen Wellenformen für einen typischen Flyback-Transformator (mit einem Kupferdraht anstelle von Erde) sehen folgendermaßen aus

( Bildquelle )

In dem Maße, in dem das Experiment funktioniert und wir einen Strom in der Erde erzeugen, benötigen wir keine Spannungsbegrenzungsvorrichtung an der Primärwicklung, um sicherzustellen, dass wir den Strom löschen können. Der Widerstand der Erde wird schließlich die Energie absorbieren, die im Magnetfeld gespeichert wurde.

Es kann eine gute Idee sein, eine Funkenstrecke oder eine andere Spannungsbegrenzungsvorrichtung einzubauen, um den primärseitigen Stromkreis vor Beschädigungen zu schützen, falls der Erdungswiderstand sehr hoch ist oder die Vorrichtung versehentlich in Luft anstatt in Bodennähe betrieben wird. Wenn dieser Spannungsbegrenzer jedoch tatsächlich funktioniert, wird er wahrscheinlich die Messung stören, so dass wir kein Ergebnis erhalten, das zur Bestimmung der Eigenschaften der untersuchten Erde verwendet werden kann.

Sie sollten diesen Absatz auch auf der Seite beachten, auf die Sie verwiesen haben:

In 4 und in dieser Diskussion wurde angenommen, dass der Senderstrom sofort ausgeschaltet wird. Dies tatsächlich mit einer großen Schleife aus Senderkabel zu erreichen, ist unmöglich, und moderne Sender schalten den Strom mit einer sehr schnellen linearen Rampe ab. Die Dauer dieser Rampe wird so kurz wie möglich gehalten (es kann gezeigt werden, dass sie einen ähnlichen Effekt wie die Verbreiterung der Messgatterbreiten hat), insbesondere bei flachem Klang, bei dem der Übergang zu frühen Zeiten sehr schnell abfällt. Die Dauer der Senderabschaltrampe (die auch in modernen Inversionsprogrammen enthalten sein kann) wird normalerweise durch die Größe der Senderschleife und / oder den Schleifenstrom gesteuert.

Können Sie ein Induktivitätsmagnetfeld sofort kollabieren lassen?

NEIN ... Sie können ein Magnetfeld weder sofort erzeugen noch kollabieren, da immer eine L- und R-Zeitkonstante beteiligt ist.
Sie können die Spannung an einem Induktor auch NICHT umkehren (zumindest nicht in einem praktischen Stromkreis) und erhalten niedrigere Entladezeiten.

Vielleicht kann ein einfaches Beispiel helfen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

In der obigen Schaltung ist der Induktor ein sehr niedriger Wert und kann typisch für das sein, was Sie in einer großen Luftkernschleife haben könnten, obwohl der Wert nicht wirklich wichtig ist.

Hier habe ich gezeigt, dass der Induktor einen Widerstand von etwa 0,5 Ohm hat und von einem Widerstand von 0,5 Ohm von 12 V gespeist wird. Es gibt eine L- und R-Zeitkonstante, um das Magnetfeld aufzubauen, und wenn Sie den M1-Antrieb ausschalten, habe ich einen Zener-Gate-Rückkopplungsantrieb gezeigt, um die Energie so schnell wie möglich abzuleiten.
In dem obigen Schema und den obigen Werten dauert es ungefähr 500 us, um den L1-Strom auf 10 A zu erhöhen, und ungefähr 20 us, um ihn auf Null zu verringern.

Die praktische Grenze ist hier die Spannung, die Sie über M1 entwickeln können. Durch Erhöhen der Spannung wird die Zeit zum Entladen von L1 verringert.

Update: Wenn Sie in die Mathematik bei der Charakterisierung und Auswahl von Komponenten beteiligt vertiefen wollen, Versorgungsspannung usw., diese ST-Anwendungshinweis möglicherweise lesenswert.

Es ist nichts wert:

1. Die Verwendung einer Funkenstrecke jeglicher Form ist eine unwahrscheinliche Methode zum Entladen eines Induktors, da dieser eine Triggerspannung und eine Aufrechterhaltungsspannung aufweist (was die Kollapszeit tatsächlich verlängern würde). Selbst mit einer professionellen Vakuum- / Gasfunkenstrecke benötigen sie Zeit für den Betrieb, normalerweise im 1us-Bereich für kleine Einheiten. Einmal ausgelöst, halten sie jedoch eine viel niedrigere Spannung (normalerweise 70-100 V) aufrecht, bieten also nicht die erforderlichen Funktionen (halten Sie eine hohe Spannung aufrecht).

2. Die Ausbreitung eines EM-Feldes ist immer geringer als die Licht- und Mediumgeschwindigkeit (siehe Maxwells-Gleichungen). Ein konstantes Feld unterliegt keiner Ausbreitungsverzögerung, sondern nur einem sich ändernden Feld. Daher muss sich der Strom tatsächlich kontinuierlich ändern, um EM-Wellenfronten zu erzeugen.

Update: Da der Kommentar, dass die Spannung an einem Induktor umgekehrt werden kann, einige Aufregung verursacht hat, möchte ich Folgendes hinzufügen:

Sie können natürlich zum Beispiel eine H-Brücke verwenden, um einen Induktor zu speisen, und dies kehrt die Spannung um, bietet jedoch in keinem praktischen Schaltkreis eine kürzere Entladezeit, und der Punkt der OP-Frage bestand darin, das Feld zu kollabieren schnell.

Hier ist ein Schema für eine H-Brücke mit 100 V, aber nur 10 A (aufgrund der zu simulierenden FETs):

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Die Wellenformen sehen folgendermaßen aus:

Beachten Sie, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten des Induktorstroms gleich sind und es nicht möglich ist, sie zu ändern, ohne die angelegte Spannung zu ändern.
In meiner ursprünglichen Schaltung betrug die Abfallzeit 0,1 der Anstiegszeit und konnte durch Ändern der Klemmspannung noch weiter gesenkt werden.

Die einzige Möglichkeit, die Zeit bis zum Erreichen des maximalen Stroms zu verkürzen, besteht darin, die Klemmspannung zu erhöhen oder den Widerstand (des Induktors) zu verringern. Wenn Sie die Spannungspolarität auf L1 schalten, sind die Anstiegs- und Abfallzeiten immer gleich.
Nur wenn Sie die Gegen-EMK des kollabierenden Feldes auf eine viel größere Spannung als die Versorgung klemmen, können Sie die Abfallzeit reduzieren.

Eine andere Möglichkeit, das Feld zu kollabieren - schließen Sie es an einen Kondensator an. Warten Sie, bis die Kondensatorspannung auf einen Spitzenwert ansteigt, und trennen Sie sie dann. Die Spannung kann aus der Energie des Induktors berechnet werden, z

$$LI^2 = CV^2.$$ Die Abfallzeit wird als die Hälfte einer Sinuswelle bestimmt, deren Frequenz ist $$f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$$ Sie können auch den größten Teil der Energie für den nächsten Zyklus sparen.

1. Sie kollabieren kein Feld sofort. Bestenfalls ist es durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt; In Wirklichkeit erzeugen sie eine Hochspannungsentladung oder die Energie des Feldes wird in den Boden abgeleitet.
2. Im Freien entladen Sie die Spule in eine Funkenstrecke. "Sofort" ist buchstäblich falsch, aber im übertragenen Sinne ist es "sofort genug", wenn Sie die Spulenstärke in kürzerer Zeit auf Null senken, als Sie benötigen, um interessante Modi in dem zu testenden Objekt anzuregen.

Hier ist ein Schema von anderen, die TDEMs für Forschungszwecke verwenden. Hierbei handelt es sich um eine H-Brücke mit TVS-Dioden, um die hohen Spannungen kurzzuschließen, die beim Trennen des Induktors auftreten können:

Quelle: https://www.researchgate.net/post/How_to_evaluate_the_performance_of_a_time_domain_electromagnetic_TDEM_or_TEM_system

Dies wäre ein Ausgangspunkt für eine Schaltung, aber für die hohen Ströme und hohen Spannungen eines 100V 100A-Designs müssten einige Modifikationen vorgenommen werden.

Dies sind einige Empfehlungen (ich habe noch nie einen so hohen Spannungskreis entworfen, 60 V sind mein Maximum bei H-Brücken, aber die Prinzipien sind dieselben):

• Das erste ist der Gate-Antrieb, nmos eignen sich am besten für die Anpassung und die häufigsten Mosfets. Das Gate muss eine höhere Spannung als die Quelle des Mosfets haben, sonst wird es nicht eingeschaltet.

• Die Schaltzeit ist wichtig, Mosfets können von einigen mΩ Widerstand auf mehr als 10 ^ 9Ω steigen. Das Problem liegt zwischen diesen beiden Werten. Der Widerstand des Fet kann erhebliche Wärmemengen abführen. Sie möchten also, dass der Fet vollständig ausgeschaltet oder vollständig eingeschaltet ist, jedoch nicht dazwischen. Gate-Treiber können dieses Problem beheben.

• Stellen Sie sicher, dass die Drain-Source-Spannung höher als 100 V ist. In Ihrem Fall möchten Sie eine deutlich höhere Spannung, wenn die Spannung des Induktors ansteigt.

• Wählen Sie FETs aus , die einen Strom von mehr als 100 A verarbeiten können, oder parallel zu diesen (wenn Sie kleinere wie 50 A haben, können Sie zwei oder drei davon verwenden, um 100 A oder 150 A zu erhalten. Ich würde wahrscheinlich eine höhere Stromstärke als wählen Bei Bedarf mit parallelen Fets sind die 100A-Fets teuer.

• Die Schalter in der h-Brücke (vertikales Paar) dürfen niemals gleichzeitig eingeschaltet werden. Verwenden Sie daher Treiber, in die Logik integriert ist, oder in die integrierte Logik des Controllers, um dies sicherzustellen. Dies umfasst das Ein- und Ausschalten des Systems (manchmal kann die Logik beim Ausschalten oder Hochfahren die Gates einschalten). Verwenden Sie Pull-Up oder Pull-Downs, um sicherzustellen, dass dies nicht geschieht.

Wenn Sie noch nie eine H-Brücke gebaut haben, kann dies zu einer Herausforderung werden. Dies sind die Grundlagen des H-Bridge-Designs. Es gibt Geräte wie Schweißer und Wechselrichter, die mit h-Brücken höhere Ströme und höhere Spannungen schalten.