Comment nous avons fabriqué la plus grande bobine Tesla en Russie

Contexte historique

Le XIXe siècle était une sorte d'ère de l'Occident sauvage dans la physique expérimentale de l'électromagnétisme. Robert Van de Graaff, Lord Kelvin, Nikola Tesla et de nombreux autres scientifiques, chercheurs et ingénieurs ont découvert de plus en plus de nouveaux phénomènes, puis ont dimensionné leurs installations à des tailles énormes. Certaines de leurs créations fonctionnent toujours - par exemple, le générateur géant Van de Graaff de six mètres au Boston Museum of Science , et d'autres, comme la célèbre tour Wordencliff, ne sont jamais nés.



Au fil du temps et du développement de la science et de la technologie, l'attention des scientifiques s'est déplacée vers d'autres directions, mais les passionnés individuels ont continué à collecter, étudier et améliorer les développements classiques dans le domaine des hautes tensions, de l'électrostatique, de la physique des plasmas - quelqu'un en raison d'une croyance inébranlable en la théorie de l'éther et de l'énergie gratuite, qui Quelque chose par curiosité, ou pour résoudre des problèmes appliqués hautement spécialisés, quelqu'un simplement parce que cela lui a livré.

Récemment, depuis la fin des années 90 environ, cette branche de l'ingénierie a connu une renaissance liée à l'intérêt du show-business et de l'industrie du divertissement pour attirer l'attention sur les catégories de bobines Tesla , intensifiées au cours de la dernière décennie après l'invention du DRSSTC , qui représente actuellement le plus forme techniquement parfaite de bobine Tesla, utilisant des transistors de puissance au lieu de l'éclateur classique, qui vous permet de changer rapidement - pendant plusieurs périodes d'oscillation - la fréquence de la décharge ( BPS ) et, par conséquent, jouer de la musique directement à l'aide de la foudre émergente. Un exemple est le modèle de production bien connu de OneTesla, qui, avec tout le constructeur mal conçu proposé par les auteurs, est tout à fait fonctionnel avec une certaine application manuelle.

À l'heure actuelle, les transformateurs et appareils connexes de Tesla (escaliers de Jacob, générateurs Marx et Cockroft-Walton, colonnes à plasma, générateurs Van de Graaff, etc.) de différentes tailles et divertissements sont utilisés de manière continue dans un certain nombre de projets de spectacles organisés autour d'eux. Les États-Unis (Arc Attack), la Russie (TeslaFX), la Grande-Bretagne (Lords of Lightning), la Chine (hélas, les hiéroglyphes non formés) et d'autres pays brillent périodiquement dans le show business (effets spéciaux dans Harry Potter, l'apprenti sorcier, concerts Metallica, etc. ), et sont également présents en tant qu'exposition Chaque musée des sciences qui se respecte.

La taille compte

En bref, à un moment donné, un groupe d'ingénieurs amateurs, longtemps et fermement engagés dans le collectif tesstroeniya, a décidé qu'ils s'ennuyaient déjà à jouer dans le bac à sable, fabriquant de petites bobines intérieures (et même de taille moyenne en plein air), et a décidé de faire quelque chose de spécial. À cette époque, nous avions déjà (comme il nous a semblé) suffisamment d'expérience dans le développement de bobines Tesla de différentes topologies et le modèle mathématique disponible a permis plusieurs fois la mise à l'échelle de la conception typique. En fait, les seules limites clairement perceptibles étaient la taille de la salle disponible, la puissance de la prise de courant et les finances (bien que, ce qui est là, en fin de compte, tout se résume aux finances). Après avoir estimé le budget, les heures de travail et autres bagatelles ennuyeuses, il a été décidé de limiter l'installation à environ trois mètres de hauteur, avec une puissance estimée à environ 30-40 kW. Pour ceux qui connaissent bien la question:





La technologie, bien sûr, a été choisie spécifiquement par le DRSSTC, car avec la bonne approche et l'absence d'erreurs, son coût (ainsi que le poids et les dimensions) est beaucoup plus bas que celui d'autres options (éclateur ou tube radio) avec les mêmes paramètres finaux. Et bien sûr, vous pouvez jouer de la musique dessus.

Principe modulaire

Dans la conception initiale d'une bobine Tesla suffisamment grande, le projet peut être divisé en plusieurs modules (enroulement primaire, enroulement secondaire, tore, boîtier, onduleur, pilote, panneau de commande, électricité auxiliaire, etc.), chacun étant inventé et fabriqué séparément, après quoi ils se réunissent, sont séquentiellement réglés et débogués dans le processus, et en conséquence ils explosent, commencent à émettre des éclairs. En règle générale, la plupart des transformateurs Tesla sont assemblés par des passionnés seuls du début à la fin, mais, premièrement, nous avions déjà une équipe plus ou moins bien coordonnée avec une distribution de fonctions (chef de projet, concepteur, développeur (alias testeur), et plusieurs personnes en attente) - un installateur, un serrurier, etc.), et, d'autre part, la tâche elle-même était assez ambitieuse, et je voulais le faire sans dépenses inutiles, mais en même temps plus ou moins qualitativement, autant que possible pour un prototype et un design unique. Par conséquent, tout le monde pourrait faire sa propre chose, tout en communiquant simultanément pour synchroniser les modules les uns avec les autres, et en tant que chef de projet, je peux parler de chacun des modules séparément, et également montrer ce qui s'est finalement passé.

Préparation et manutention du matériel

Après discussion, réflexion et verbiage divers sur le sujet, le concept général a été approuvé par une décision collective et j'ai représenté un croquis primitif en 3ds max. Le croquis était nécessaire pour comprendre l'ampleur de la tâche, pour comprendre les proportions mutuelles de base des modules, comme point de départ pour la conception et pour remonter le moral de l'équipe. Sur la base de l'esquisse, le concepteur a assemblé le projet dans Creo Elements (alors toujours Pro / Engineer), observant déjà des tailles spécifiques, des façons de connecter des pièces entre elles et d'autres nuances. Selon les résultats de ce projet, des dessins ont été créés: pièces de boîtier, base d'enroulement primaire, tore, boîtier d'automatisation et électrique, ainsi qu'un bloc de condensateurs de circuit primaire ( MMC ).









Comme matériaux de construction, nous avons utilisé de la fibre de verre de 18 mm d'épaisseur, traitée par découpe au jet d'eau (en raison de sa stabilité structurelle et thermique élevée, d'autres méthodes de traitement se sont avérées non rentables), du contreplaqué épais pour le boîtier et un composite aluminium-plastique pour l'unité d'automatisation (pour le blindage d'une bobine puissante face aux interférences électromagnétiques, affectant négativement ses propres circuits de commande), ainsi que le polycarbonate à plusieurs endroits. Le contreplaqué et le plastique ont été traités sur une fraiseuse CNC, qui appartenait à un voisin de l'usine, où notre équipe était engagée dans toute cette indécence. Creo Elements vous permet de créer des programmes de contrôle immédiatement prêts à l'emploi pour la CNC, ce qui a grandement aidé dans le processus - nous avons simplement, en fait, loué une machine et fait ce dont nous avions besoin en cas de besoin.

Primaire et secondaire

L'enroulement secondaire était enroulé sur un cadre classique - un grand tuyau d'égout en PVC orange (sérieusement, c'est la meilleure des options disponibles pour les bobines Tesla de toute taille en termes de prix, de disponibilité et d'adéquation). Le fil émaillé (diamètre 1,06 mm) enroulé de ronde en ronde, puis recouvert d'époxy, a transformé le tuyau en un inducteur énorme, impatient de son moment de gloire - le secondaire de la bobine géante de Tesla. Les dimensions totales du tuyau se sont avérées 310x1800 mm.







L'enroulement primaire - également un classique - nous a enroulé un tube de cuivre pour les climatiseurs, avec un diamètre de 22 mm (7/8 pouces). Les spires s'intègrent parfaitement dans les rainures découpées en fibre de verre avec un jet d'eau avec un abrasif sous une pression de milliers d'atmosphères, et maintenant deux modules, un primaire et un secondaire - le squelette de n'importe quelle bobine Tesla - ont été connectés l'un à l'autre. Le projet prend progressivement forme et couleur.

Toroid

Avec un tore, un élément nécessaire de toute bobine Tesla puissante, cependant, tout s'est avéré plus compliqué. Initialement, il était également prévu de suivre une route éprouvée et d'utiliser des ondulations en aluminium pour la ventilation. En pratique, il s'est avéré qu'il s'agit d'une solution extrêmement ponctuelle - l'ondulation se plie instantanément de tout mouvement imprudent, et avec les dimensions prévues, elle devra être remplacée à chaque transport de l'appareil.



Par conséquent, après quelques recherches sur le problème, j'ai volé l'idée que je suis tombé sur une option intéressante sur le Web, et le concepteur l'a modélisée en tenant compte de notre échelle et a publié un projet d'assemblage. Le fait est que la principale exigence d'un toroïde à bobine Tesla est sa «régularité» du point de vue des champs électromagnétiques, car tout effilement ou irrégularité représente les points de formation d'une décharge corona qui provoque une panne d'air avant d'atteindre la puissance maximale, et, en outre enlever une partie de la longueur utile de la fermeture éclair. Mais ici, il y a une mise en garde liée au fait que les lignes de champ du champ semblent entourer le tore de zones équipotentielles, ce qui permet de l'assembler à partir de composants qui, lorsqu'ils sont correctement assemblés, forment un champ suffisamment lisse pour empêcher la bobine Tesla de fonctionner décharge là où cela n'est pas nécessaire.



En général, le résultat s'est avéré très inhabituel en apparence, relativement simple à fabriquer, fiable en fonctionnement et étonnamment efficace par rapport à d'autres versions bien connues de cette partie importante de la bobine Tesla. Le diamètre du tuyau en aluminium est de 50 mm, et la taille totale de l'ensemble qui ressemble à un OVNI est d'environ deux mètres de diamètre. Des cercles-entretoises pour tubes ont été découpés dans du contreplaqué sur la même fraise CNC, et j'ai soudé le cadre central à partir d'un coin en acier.







Sur ce, en principe, la partie structurelle a été achevée.

Partie puissance

Dans un onduleur pour les grandes bobines Tesla, des modules IGBT sont souvent utilisés - ce sont des briques noires (ou blanches) avec deux à trois (parfois jusqu'à 10) bornes d'alimentation et plusieurs bornes de commande, normalement utilisées dans les onduleurs de puissance - unités de charge puissantes, postes de transformation, convertisseurs de fréquence pour moteurs, véhicules électriques, etc. En raison de la grande taille du cristal, ces modules sont capables de résister à une surcharge importante à court terme sur le courant de fonctionnement (jusqu'à 10 fois la valeur nominale), ce qui est extrêmement ygodno pulsé onduleur bobine Tesla selon DRSSTC-technologie, puisque le rapport cyclique (le temps pendant lequel les vibrations se produisent dans le circuit et le courant circule à travers les transistors, le réchauffement de cristaux), il est typiquement d'environ 5 à 10%. Mais, d'autre part, la grande majorité de ces modules IGBT sont conçus pour des fréquences de fonctionnement de l'ordre des unités, au moins des dizaines de kilohertz (cependant, récemment, la situation s'est améliorée et les modules modernes peuvent fonctionner jusqu'à 100 kHz). Leur utilisation à une fréquence plus élevée entraîne souvent des problèmes de contrôle de l'obturateur, une surchauffe et des explosions (où sans explosions).



Le coût d'un module, même utilisé, peut être relativement élevé (des unités à des centaines de milliers de roubles), nous avons donc décidé de jouer en toute sécurité et de fournir deux modules CM600DU-24NFH avec une réserve de courant de surtension (600 ampères de courant continu, 1200 volts, deux transistors en commutation demi-pont) selon le schéma du «pont complet» (comme vous le savez, un pont complet est composé de deux demi-ponts - K. O.), ou simplement «pont». Placés sur un radiateur correspondant à leurs dimensions à travers quelques cuillères à café de pâte thermique KPT-8, ils étaient reliés par des pneus en cuivre et équipés du kit de carrosserie nécessaire - électrolytique de puissance et condensateurs à film.



Il y a beaucoup de savoir-faire empirique astucieux dans l'invention de la manière réelle de connecter ces pièces ensemble, conçues pour réduire les risques et maximiser la fiabilité de telles structures, mais les champs de cette entrée sont trop étroits pour que je vous en parle si vous savez ce que je veux dire. Il n'y avait aucune garantie que la chose qui en résulterait n'exploserait pas à la première tentative pour l'allumer, mais à ce moment-là, cela semblait un risque acceptable.

Automatisation et électricité

L'électricien de contrôle ne contenait rien de particulièrement intéressant. Il était nécessaire d'assurer une charge en douceur des électrolytes (afin qu'ils ne cassent pas les machines dans le bouclier au moment où l'appareil était allumé) - un démarreur automatique (en fait, un gros relais de puissance) et plusieurs résistances de puissance qui y faisaient face.



Un pont de diodes de 150 ampères a redressé le réseau (au fait, toute la conception a été créée, bien sûr, pour une alimentation triphasée, qui a été associée à de nombreuses découvertes intéressantes - avant de ne rien faire pour trois phases, en particulier d'une telle puissance), les ventilateurs ont fait sauter le pont de diodes et en même temps, le radiateur de l'unité de puissance et les lampes sur le panneau avant représentaient un feu de circulation, informant avec bonté quand il est possible de toucher des parties de la bobine avec vos mains, quand il est préférable de ne pas l'être, et quand il est souhaitable de s'en éloigner le plus possible afin de ne pas attraper la décharge dans la couronne.

Chauffeur

Le pilote de contrôle est un sujet distinct, et peut-être qu'un jour je pourrai vous en dire plus. Son objectif principal est d'appliquer, aux bons moments, un signal de commande aux grilles des transistors, en les activant et les désactivant de manière à maintenir et à amplifier les oscillations se produisant dans le circuit primaire, tout en les modulant avec la fréquence qui lui est fournie par le panneau de commande (c'est exactement ce qui est nécessaire pour la lecture Moulinets Tesla). Eh bien, il existe également une multitude de fonctions diverses qui optimisent ce processus et gèrent toutes les exceptions (telles que le dépassement du courant maximal autorisé pour les transistors - OCD , protection contre la surchauffe, etc.), un détecteur de phase, appelé. un prédicteur qui fournit la commutation des transistors à courant nul, et d'autres choses absolument nécessaires au fonctionnement de l'onduleur à bobine Tesla. Ses circuits actuels (ainsi que la disposition de la carte, les photos de la carte, les informations sur les composants utilisés et le fait de l'existence de cette carte) sont la propriété intellectuelle du développeur, et donc je ne peux pas la partager, mais même si je le pouvais, je crains de ne pas avoir suffisamment de compréhension et professionnalisme pour en parler clairement. La bobine Tesla est très facile à décrire en utilisant des analogies sur les doigts, mais le modèle mathématique qui est correct du point de vue du développement électronique est extrêmement complexe et contient beaucoup de subtilités non évidentes (ainsi qu'avec la partie puissance), de sorte que la plupart des teslostroiteley utilisent simplement un ensemble de règles empiriques et des solutions prêtes à l'emploi pour la construction de leurs bobines, qui dans notre cas n'était pas applicable. Il existe de nombreux articles sur le réseau sur les principes de fonctionnement du DRSSTC, ainsi que des projets de pilotes ouverts (et fermés, mais disponibles à l'achat), par exemple, du collègue chinois Loneoceans - tout le monde peut en savoir plus ici.

Télécommande MIDI

Le panneau de contrôle (également connu sous le nom d'inter-évaluateur) était un simple synthétiseur MIDI avec plusieurs paramètres primitifs, qui recevait des fichiers MIDI (ou des données des boutons rotatifs) et émettait un signal de contrôle pour le pilote via le câble optique. Avec lui, en principe, tout était simple et compréhensible, car nous avons décidé de ne pas perdre de temps à développer ce que nous pouvons acheter, et nous l'avons fait - nous avons acheté le produit fini. Bien sûr, il s'est avéré être un produit semi-fini buggy, mais il a économisé des centaines d'heures de travail en étudiant le protocole MIDI, en fabriquant une carte, en déboguant le microcontrôleur et en attrapant les bogues inévitables. L'essentiel est qu'à ce moment-là, il a parfaitement rempli sa tâche. La télécommande a été achetée auprès d'un collègue américain-teslostroitel, et à l'époque c'était la seule télécommande à vendre avec prise en charge d'une carte SD, c'est-à-dire capable de jouer de la musique sans appareil MIDI externe ni ordinateur portable. C'était critique, car il y avait des craintes légitimes que les interférences dues au fonctionnement d'une bobine aussi grosse accrochent étroitement tous les appareils électroniques dans un certain rayon, et la suspension de certains claviers MIDI, dont les développeurs dans un cauchemar ne pouvaient pas fournir un tel niveau de signaux parasites, si ceux-ci le clavier contrôle la bobine même de Tesla, ce qui provoque des interférences, est lourd de rétroaction positive incontrôlée et, par conséquent ... correctement, d'explosions. Nous ne voulions pas d'explosions.



Comme la télécommande était vendue sous la forme d'une carte soudée et cousue avec une dispersion de pièces à distance, nous avons dû développer un boîtier pour elle, où la carte elle-même, l'alimentation, quatre encodeurs, quatre boutons, un écran et de nombreux connecteurs (quatre émetteurs optiques, entrée MIDI, entrée USB, slot pour carte SD). Au cours du processus, de nombreux types de défauts de l'auteur ont été révélés, en particulier l'absence de tout type de contrôle nutritionnel (à fournir par Krona? Lithium-ion? Je ne l'ai pas entendu), qui devait être corrigé et complété afin qu'il puisse être utilisé conformément à sa destination. La chimère qui en résulte, malgré une série de problèmes dégoûtants dans certaines conditions infructueuses, réussit à faire face à la tâche principale à ce jour.Je n'ai en quelque sorte pas trouvé sa photo, mais elle peut être vue dans l'un des cadres ci-dessous, dans la section «inspection initiale» - une boîte noire à côté du câble d'alimentation sur le côté droit de l'image. Il y a encore une image de la vidéo de l'auteur du circuit et du firmware - la voici.

Banque de condensateurs

En tant que condensateur résonnant, nous avons choisi les condensateurs à film de puissance de l'un des fabricants nationaux, spécialement développés (selon le catalogue du fabricant) pour un fonctionnement pulsé. Cinq pièces d'une capacité totale d'environ 1,2 microfarads et d'une tension maximale de 20 kilovolts, reliées par un bus en cuivre avec des vis en laiton. Soit dit en passant, une quantité importante de fixations en laiton a été dépensée sur l'ensemble du projet - en raison des énormes courants en kiloampères, combinés à un puissant champ magnétique provenant de l'enroulement primaire, les fixations en acier galvanisé et en acier inoxydable chauffent instantanément à chaud, ce qui peut finalement conduire à des effets spéciaux imprévus (oui Oui, explosions). Par conséquent, dans le jeu de barres des condensateurs, et en général dans toutes les connexions d'alimentation du circuit primaire, il était nécessaire d'utiliser uniquement du cuivre et du laiton.Les premiers tests ont montré la naïveté d'essayer d'y mettre quelque chose de ferromagnétique et / ou de ne pas transmettre assez bien le courant électrique.

L'étape suivante consistait à configurer le pilote. Pour ce faire, il suffit d'assembler le circuit primaire (batterie de condensateurs, primaire et pont) dans son ensemble, de connecter le pilote aux transistors du pont et de commencer à appliquer en douceur la tension, en suivant les formes d'onde sur l'oscilloscope dans différentes parties du circuit. Si tout est fait correctement, la génération automatique se produit à la fréquence calculée dans le circuit primaire (dans notre cas, environ 50 kHz). Dans le même temps, un secondaire n'est pas nécessaire et aucune décharge ne se produit, mais les données collectées sont suffisantes pour définir le prédicteur, l'OCD et remarquer les erreurs dans l'installation ou les paramètres sélectionnés des pièces. Cette partie s'est avérée simple et facile (à propos, dans ce mode, l'enroulement primaire peut bien fonctionner comme une cuisinière à induction pour la cuisson - il y a des précédents pour faire frire des œufs dans une casserole sur le dessus du primaire),et nous sommes allés avec une progéniture presque née dans une grande usine à moitié abandonnée de l'usine pour enfin vérifier notre création in vivo.





Le test s'est avéré rapide, dynamique et un peu prévisible: après avoir émis plusieurs décharges de quatre mètres, la bobine Tesla a déclaré: "Je suis fatigué de vous, je pars" et a cessé de travailler avec un bruit fort quelque part à l'intérieur du boîtier. Une étude ultérieure de ce phénomène a montré que dans le processus de sélection de la fréquence optimale, nous avons fait une erreur sur un tour de l'enroulement primaire, et le décalage résultant lors de la commutation des transistors était suffisant pour qu'ils, comme on dit dans teslostroitelnoy argo professionnel, aient été violés, c'est-à-dire qu'ils sont devenus complètement inutilisables en raison de la transition silicium contenu en eux à l'état gazeux (comme dans la blague que les transistors fonctionnent, disent-ils, sur la fumée magique - quand elle sort, ils arrêtent de fonctionner). Un kit de transistor de rechange est resté dans le laboratoire,et le reste du temps alloué, nous nous sommes querellés langoureusement et avons lancé d'autres bobines Tesla que nous avons prises avec nous dans le cadre d'une répétition pour le festival GEEK PICNIC (en vertu duquel la sortie du projet était chronométrée).

C'était pour quoi tout ça?

Eh bien, il y a eu un peu de travail sur les bugs, les frais effrénés, en arrivant sur l'île d'Elagin, où le GEEK PICNIC susmentionné a traditionnellement lieu à Saint-Pétersbourg, des tests nocturnes avant le jour de notre festival de la bobine, déjà avec un nouveau tore tubulaire et au maximum (désolé pour la tautologie intentionnelle). Le lendemain, c'était l'heure X (pendant laquelle pendant une quinzaine de minutes, nous avons sauté dans la foule qui ne voulait pas démarrer un chef-d'œuvre jusqu'à ce que nous trouvions un jambage d'installation - le transformateur de courant a été connecté dans le mauvais phasage), Vivaldi, la Marche impériale et Mario avec un éclair le dépouillant. tous les quadrocoptères avec des caméras, cinquante mille spectateurs qui ont regardé ce qui se passait, certains avec admiration, certains avec surprise, certains indifféremment incompréhensibles, certains à travers les écrans de leurs smartphones et tablettes, plusieurs lancements encore en plein jour, où la décharge était à peine perceptible (s il pourrait être entendu bien) et - après la fin du festival, mais avant la fermeture du parc - quelques minutes des plus grandes bobines Tesla musique en Russie dans le crépuscule d'été, qui se dressent encore parfois devant mes yeux.















Tenir la télécommande à partir d'une telle chose et regarder un éclair presque réel de six mètres frappant l'air avec des tentacules menaçants, se levant et changeant dans le mouvement de vos doigts - c'est toujours l'un de mes meilleurs souvenirs de neuf ans de travail sur les bobines Tesla et les effets spéciaux de la haute tension. Mais, hélas, rien ne dure éternellement, et indigné de ce qui se passe (ils disent que les gens ne veulent pas partir pendant que vous vous amusez ici), le garde du parc a exigé que le magasin soit plié et déployé, ce qui a été fait.





Malheureusement, depuis lors, nous n'avons plus réussi à lancer cette bobine Tesla. Nous avons repensé le projet d'unité de puissance, mis à niveau le pilote, fait des progrès significatifs dans la compréhension des principes de l'ensemble, mais le manque d'une plate-forme adaptée à de telles expériences, hélas, reste un obstacle insurmontable et coûteux. La bobine se trouve sous la forme de composants dans ma maison et attend dans les ailes. Un jour, je le rallumerai. Ou peut-être pas elle, mais une nouvelle, deux ou trois fois plus. Qui sait.

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