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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektroporation landwirtschaftlicher
Produkte unter Einsatz intensiver Hochspannungsimpulse. Daneben
bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Schaltungsanordnung zur
Durchführung
des Verfahrens.
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Zur
Verbesserung der Saftausbeute, Verringerung des Energieaufwandes,
und Erhöhung
der Saftqualität
bei der Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte, wie z. B. Zuckerrüben, Früchten, Kartoffeln,
Möhren,
Weintrauben, etc. ist ein Zellaufschluss mit hohen gepulsten elektrischen
Feldern möglich, der
zu einer erhöhten
Durchlässigkeit
pflanzlicher Zellen für
den Zellinhalt führt.
Typischerweise werden Impulsamplituden von über 200 kV bei Stromstärken von
einigen 10 kA benötigt;
um eine Erntekampagne von typisch 100 Tagen bei Impulswiederholraten
von 10...20 Hz zu beherrschen, ist eine wartungsfreie Anlagenlebensdauer
von über
100 Mio. Impulsen notwendig.
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Letztere
Anwendungen werden im Einzelnen in Veröffentlichungen von Schultheiss
et al. "INDUSTRIAL-SCALE
ELECTROPORATION OF PLANT MATERIAL USING HIGH REPETITION RATE MARX GENERATORS", Proceedings IEEE
Pulsed Power Conference, 2002 und "OPERATION OF 20 HZ MARX GENERATORS ON
A COMMON ELECTROLYTIC LOAD IN AN ELECTROPORATION CHAMBER", Proceedings IEEE
Power Modulator Symposium, 2003 beschrieben.
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Zur
Generierung der notwendigen hohen Feldstärken werden, dem Stand der
Technik entsprechend, Hochspannungs-Impulsgeneratoren nach dem Marx-Prinzip
eingesetzt, bei dem Kondensatoren parallel aufgeladen, zur Pulserzeugung
jedoch durch geeignete Schalter in Serie geschalten werden.
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Der
Schaltungsaufbau eines bekannten Marx-Generators ist in 1 gezeigt und wird weiter unten
im Einzelnen beschrieben.
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Hauptproblem
bei der Impulserzeugung bei Marx-Generatoren sind die Schalter – meist
gasgefüllte
Funkenstrecken – und
deren gezielte Auslösung
mit hoher Genauigkeit über
die gesamte Lebensdauer.
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Bei
bekannten Problemlösungen
derartiger Generatoren werden für
die Schalter Funkenstrecken eingesetzt, welche so ausgelegt sind,
dass sie eine Lebensdauer von über
100 Mio. Impulsen erreichen. Daneben existieren auch Vorschläge für Marx-Generatoren mit elektronischen
Schaltelementen, beispielsweise entsprechend der Veröffentlichung
von Kirbie et al. "All-Solid-State Marx
Modulator with DigitalPulse-Shape Synthesis", Bericht Nr. LA-UR-05-0631, Los Alamos
National Laboratory, Los Alamos, NM, USA 2005.
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Letztere
Problemlösungen
erreichen aber noch keine ausreichend hohen Ströme für den industriellen Einsatz.
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Die
bisher für
Marx-Generatoren eingesetzten Gasentladungsschalter werden gemäß der Veröffentlichung
von Schultheiss et al. "Wear-less
Trigger Method for Marx Generators in Repetitive Operation", Proceedings IEEE
Power Modulator Symposium, 2003 im repetierenden Betrieb meist ungetriggert eingesetzt
und zwar dergestalt, dass der Abstand der Funkenstreckenelektroden
der ersten Marx-Generatorstufe einen etwas geringeren Abstand aufweisen als
die der anderen Stufen. Dadurch ist die Durchbruchspannung solcher
Funkenstrecken etwas geringer als die der folgenden und die erste
Stufe zündet als
erste durch. An der zweiten Funkenstrecke wird dann eine Überspannung
von knapp 100% der Ladespannung erzeugt, wodurch die zweite Stufe
ebenfalls durchzündet.
Analog zünden
darauf auch die folgenden Stufen durch, bis der gesamte Marx-Generator
aufgerichtet ist und einen entsprechenden Impuls am Ausgang erzeugt.
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Um
einen größeren Gesamtstromstrom
und damit eine höhere
Gesamtleistung zu erzielen, ist es notwendig, mehrere solcher Anlagen
parallel zu betreiben. Beim Parallelbetrieb ist es aber erforderlich, den
Zeitpunkt der Impulserzeugung der einzelnen Marx-Generatoren mit
hoher Genauigkeit zeitlich zu synchronisieren. Diese Synchronisation
ist auch für eine
Einzelanlage notwendig, wenn eine gute Kontrolle der Betriebsparameter
für den
gewünschten Prozess
erforderlich ist.
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Eine
Synchronisation erfolgt i. A. dadurch, dass die Funkenstrecke der
ersten Stufe nicht durch Überschreiten
der Zündspannung
während
des Aufladevorganges erfolgt, sondern diese Funkenstrecke gezielt
gezündet
wird. Für
die Zündung
stehen mehrere Möglichkeiten
zur Verfügung
und zwar:
- – Plasmaquertriggerung
(Trigatron)
- – Plasmalängstriggerung
- – Überspannungslängstriggerung
- – Lasertriggerung
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Sowohl
die Plasmaquertriggerung als auch die Plasmalängstriggerung weisen bisher
keine ausreichend langen Lebensdauern auf. Eine Lasertriggerung
erfordert dagegen einen sehr hohen apparativen Aufwand und Kosten
bei begrenzter Lebensdauer der Funkenstrecke und wird daher meist
nur für
Einzelimpulsbetrieb bei sehr großen Forschungsanlagen eingesetzt.
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Die Überspannungslängstriggerung
ist die am Besten geeignete Methode. Allerdings existiert bisher
keine praxisgerechte Einrichtung mit ausreichend guten Eigenschaften
und ausreichender Lebensdauer.
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Spezifische
Schaltungen sind aus der
DE 103
20 425 A1 bzw. der WO 2004/100371 A1 bekannt. Die dort
beschriebenen Problemlösungen
liefern bisher weder eine ausreichend hohe Triggerqualität noch eine
ausreichende Lebensdauer. Sie beruht darauf, in die erdseitige Ladeinduktivität der ersten Marxstufe
induktiv einen Spannungsimpuls einzukoppeln (Impuls transformator),
der in einer Hilfswicklung (Primärwicklung)
durch das elektronische Unterbrechen eines Stromes mit Hilfe von
Halbleiterschaltern erzeugt wird. Dabei muss die zur Überspannungserzeugung
und Zündung
der Funkenstrecke notwendige Energie in der primärseitigen Wicklung des Impulstransformators
zwischengespeichert werden, was zu sehr ungünstigen Auslegungskriterien dieser
Anordnung führt.
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Weiterhin
ist das öffnende
elektronische Schaltelement, meist ein IGBT, im Moment der Impulserzeugung
im geöffneten
Zustand, wodurch es sehr empfindlich gegenüber Rückwirkungen aus dem Marx-Generator
ist, insbesondere gegenüber Überspannungen.
Dies führt
im Allgemeinen dazu, dass eine solche Schaltung eine begrenzte,
für den
industriellen Einsatz nicht ausreichende Lebensdauer aufweist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren für den Einsatz intensiver Hochspannungsimpulse
mittels eines Marx-Generators
anzugeben und einen geeigneten Marx-Generator zu schaffen. Insbesondere
soll ein triggerbarer Marx-Generator mit einer Vorrichtung zur Erzeugung
und Einkopplung von Hochspannungsimpulsen in die erste Stufe des Marx-Generators
geschaffen werden, welche zu einer sicheren Überspannungslängstriggerung
der ersten Funkenstrecke des Marx-Generators mit geringer statistischer
Schwankung des Zündzeitpunktes
(Jitter) führt
bei einer Lebensdauer der Anordnung von über 200 Mio. Impulsen.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
Ein geeigneter Marx-Generator ist Gegenstand des Patentanspruches
5. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Einrichtung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der Erfindung wird erfindungsgemäß in die
masseseitige Zuleitung der erdseitigen Ladeinduktivität der ersten
Stufe eines Marx-Generators die Sekundärseite eines Impulstransformators
T eingefügt,
welcher auf seiner Primärseite
mit einer Schaltung zur Impulserzeugung verbunden ist. Der Transformator
T hat bei der Erfindung ein Übersetzungsverhältnis Ü (sekundärseitige/primärseitige
Windungszahl) im Bereich 8:1 bis 20:1, vorzugsweise im Bereich 15:1.
Primärseitig
werden vorteilhafterweise nur wenige Windungen eingesetzt, vorzugsweise
nur eine oder zwei Windungen, um die Induktivität der Anordnung gering zu halten
und damit Impulse mit ausreichend kurzer Dauer zu erzeugen.
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Die
Ladeinduktivität
kann im Bereich von 100 μH
bis 2 mH dimensioniert werden, ohne die Funktionsfähigkeit
der Schaltung negativ zu beeinflussen. Es kann die gleiche Ladeinduktivität wie für alle anderen
Stufen verwendet werden.
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Für den Impulstransformator
T wird vorzugsweise ein Ferritringkern oder ein amorpher, ringförmiger Schnittbandkern
mit Kernabmessungen im Bereich von einigen cm2 Querschnitt
eingesetzt. Die Wicklungen können
sowohl mit hochspannungsisoliertem Kabel direkt auf dem Kern aufgebracht
werden als auch auf einem isolierendem Wickelkörper oder separaten Wickelkörpern; auch
das direkte Aufbringen der Primärwicklung
auf dem Kern und das Aufbringen der Sekundärwicklung auf einem isolierendem
Wickelkörper
ist möglich.
Die Anordnung kann sowohl in isolierender Gasatmosphäre als auch in
isolierender Flüssigkeit
(Öl, Silikonöl, etc.)
isoliert werden. Auch ein Verguss mit geeigneten Harzen oder anderen
Polymeren ist möglich.
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Die
primärseitige
Schaltung zur Erzeugung des Hochspannungsimpulses wird vorzugsweise
so ausgeführt,
dass ein auf eine vorgegebene Spannung aufgeladener Kondensator
Cp mit Hilfe eines schließenden Halbleiterschalters
in die Primärwicklung
des Impulstransformators entladen wird (3). Die
Kapazität
des Kondensators Cp wird mindestens so groß gewählt, dass
die Beziehung Cp = Ü2·Cs (1) erfüllt wird,
wobei Cs die gesamte Streukapazität des Knotens
A* in 3, d.h. am erdnahen Ende der Funkenstrecke der
ersten Stufe des Marx-Generators, ist. Vorzugsweise wird die Kapazität etwa 3-
bis 4-mal so groß gewählt, um
ausreichende Energiereserven für
die Auslösung
eines Zündfunkens
in der Funkenstrecke FS1 bereitzustellen. Typische Streukapazitäten liegen
im Bereich von einigen 100 pF, typischerweise ca. 200 pF, so dass
bei einem Übersetzungsverhältnis von Ü = 15 eine
primärseitige
Kapazität
von mindestens Cp = Ü2·Cs = 225·200
pF = 45 nF (2)gefordert
wird, besser jedoch Cp = 150...200 nF.
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Die
Ladespannung des Kondensators wird mindestens so groß gewählt, dass
die Beziehung UCp = UL/Ü (3)erfüllt wird;
dadurch wird eine Längsüberspannung von
ca. 100 % der Marxladespannung UL an der
Funkenstrecke FS1 erzeugt, so dass diese mit kurzer Verzugszeit
(Delay) und geringem Jitter zündet.
Bei einer Stufenspannung UL des Marx-Generators von 60
kV wird somit eine Ladespannung für Cp von UCp =
UL/Ü =
60 kV/15 = 4 kV (4)benötigt.
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Zwischenkreisspannungen
von ca. 4 kV bei Impulsströmen
von typ. 500 A Amplitude können
mit verfügbaren
Leistungshalbleitern als Schaltelement S problemlos verarbeitet
werden. Geeignet sind z. B. Thyristor-Bauelemente wie GTOs oder
IGCTs sowie Transistorschalter wie IGBTs mit Sperrspannungen oberhalb
von 5 kV
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In
einer weiteren vorteilhaften Anordnung wird der zur Funkenstreckenzündung notwendige Hochspannungsimpuls
nicht induktiv in Serie mit der Ladeinduktivität eingekoppelt, son dern mit
einer seriellen Kapazität
CK zur Entkopplung gegen Gleichstrom- und
langsame Wechselstromanteile (4). Um den
Spannungsverlust durch kapazitive Spannungsteilung an CK gering
zu halten, sollte die Bedingung CK >> Cs, mindestens
jedoch CK =
(5...10)·Cs (5)erfüllt werden.
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Bei
der Erfindung ist besonders vorteilhaft, dass durch den Einsatz
kommerzieller Halbleiterbauelemente eine hohe Lebensdauer und eine
geringe Empfindlichkeit gegen Rückwirkung
aus dem Marx-Generator gegeben ist, da das Halbleiterschaltelement
während
des Hauptpulses im geschlossenen Zustand verbleibt. Die Verwendung
der in den höheren
Marxstufen eingesetzten Ladeinduktivität ist auch in der ersten Stufe
möglich,
und es ist durch die erdseitige Auslegung der Impulserzeugung der
Einsatz einer geerdeten Stromversorgung beliebiger Leistung möglich.
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Bei
der Erfindung ergibt sich somit eine ausgezeichnete Skalierbarkeit
mit allen notwendigen Freiheitsgraden, wobei keine Einschränkungen
für den
Betrieb in Hinsicht auf Impulsamplitude, Impulsenergie, oder Impulswiederholrate
sowie Lebensdauer vorliegen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigen
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Marx-Generators gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein
Ersatzschaltbild eines Marx-Generators mit einer induktiv-seriellen
Einkopplung des Triggerimpulses in der ersten Stufe,
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3 ein
Ersatzschaltbild der Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen
für die
Triggerung des Marx-Generators
nach 2 und
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4 ein
Ersatzschaltbild eines Marx-Generators mit kapazitiver Einkopplung
des Triggerimpulses in der ersten Stufe.
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In
der 1 ist das Prinzip eines bekannten Marx-Generators
dargestellt, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Der Marx-Generator 1 besteht
im Einzelnen aus einer Spannungsquelle 2, beispielsweise
einer Quelle mit einer Gleichspannung von 50 kV, der eine Ladeinduktivität 3 und
ein ohmscher Ladewiderstand 4 vorgeschaltet sind. Weiterhin
ist eine Erdung 5 vorhanden.
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In
bekannter Weise besitzt ein derartiger Marx-Generator 1 weiterhin
kapazitive Speicher mit Hochspannungsschaltern aufgeteilt in einzelne
Stufen, beispielsweise sechs Stufen entsprechend 1.
Jede Stufe i beinhaltet einen Schalter Si,
eine erste Induktivität
Lik, eine weitere Induktivität Lik+1 und eine Kapazität Ci,
wobei i und k laufende Indices darstellen. In anderen Ausführungsformen
können
statt der Induktivitäten
Lik Widerstände oder Hochspannungsgleichrichter
eingesetzt werden. Im Folgenden wird jedoch nur von Induktivitäten Lik gesprochen. Beispielsweise hat die dritte
Stufe des Marx-Generators einen Schalter S3 ausgeführt als
Funkenstrecke, einen Kondensator C3, eine
erste Induktivität
L31 und eine zweite Induktivität L32.
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In
der 1 ist eine direkte Triggerung der einzelnen Funkenstrecken
entsprechend den Pfeilen angedeutet. Diese Triggerung kann aber
nur bei geringen Lebensdauern der Schalter und im Allgemeinen auch
nicht in allen Stufen eingesetzt werden.
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In 2 ist
der ersten Stufe 10 des Marx-Generators gemäß 1 ein
Triggerimpulsgenerator 100 zugeordnet. Der Triggerimpulsgenerator 100 koppelt über einen
Transformator 110 einen Triggerimpuls in die erste Stufe 10 des
Marx-Generators ein. Dabei erfolgt die Einkopplung induktiv-seriell
an der Induktivität
L12.
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Anhand 3 wird
verdeutlicht, wie der Triggerpuls eingekoppelt wird. Entsprechend 2 ist der
Transformator 110 dargestellt, der beispielsweise ein Übertragungsverhältnis 1:15
hat. Es ist eine Spannungsquelle 102 für beispielsweise 4000 V vorhanden,
der eine Induktivität 103 und
ein ohmscher Widerstand 104 vorgeschaltet sind. Die Induktivität 103 hat
einen Wert von beispielsweise LCH = 1 mH und
der ohmsche Widerstand 104 einen Wert von beispielsweise
RCH = 200 Ω. Es ist weiterhin eine Kapazität 106 mit
einem Wert CP = 0,2 μF, eine weitere Kapazität 108 mit
einem Wert von Cs = 0,2 nF, welche der Streukapazität an Punkt
A* der ersten Stufe entspricht, und eine weitere Induktivität 107 mit
einem Wert Ls = 500 μH vorhanden.
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Mit 115 ist
ein Schalter S bezeichnet. Der Schalter 115 ist den hier
zur Elektroporation verwendeten Einrichtungen als schließenden Halbleiterschalter
ausgebildet, beispielsweise als IGCT mit einer Sperrspannung von über 5 kV.
Solche Halbleiterschalter sind kommerziell erhältlich.
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Durch
den Einsatz kommerzieller Halbleiterbauelemente eine hohe Lebensdauer
und eine geringe Empfindlichkeit gegen Rückwirkung aus dem Marx-Generator
gegeben ist, da das Halbleiterschaltelement während des Hauptpulses im geschlossenen
Zustand verbleibt
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Mit
der beschriebenen Schaltung wird über den Impulstransformator 110 ein
Impuls auf die Ladeinduktivität
Ls und die Streukapazität Cs gekoppelt, und
zwar an den zwischen Ls und Cs liegenden
Punkt A*.
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Die
vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung hat gegenüber anderen,
insbesondere den in der
DE
103 20 425 A1 bzw. in der WO 2004/100371 A1 mit zugehöriger Sekundärliteratur genannten
Problemlösungen
den Vorteil, dass das an der Funkenstrecke zu erzeugende Überspannungsniveau
sowie dessen Steilheit mit kommerziell verfügbaren Komponenten langer Lebensdauer
zuverlässig
und skalierbar erzeugt werden kann.
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In 4 ist
eine Alternative zu 2 dargestellt. In diesem Fall
erfolgt ausgehend vom Triggerimpulsgenerator 100 und den
vorgeschalteten Transformator 110 über eine Koppelkapazität 109 eine
kapazitive Einkopplung des Triggerimpulses auf die Induktivität L12 der ersten Stufe 10 des Marx-Generators 1.
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Bei
der beschriebenen Schaltung wird durch den Einsatz kommerzieller
Halbleiterbauelemente für den
Schalter 105 eine hohe Lebensdauer gewährleistet. Es ergibt sich eine
geringe Empfindlichkeit gegen die Rückwirkung aus dem Marx-Generator,
da das Halbleiterschaltelement während
des Hauptpulses im geschlossenen Zustand verbleibt.
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Die
beschriebenen Einrichtungen lassen sich in besonderer Weise für die Verarbeitung
landwirtschaftlicher Produkte, wie insbesondere Zuckerrüben, einsetzen.
Durch die Stabilität
der Schaltung lässt
sich für
eine Erntekampagne von typischerweise 100 Tagen ein ständiger Einsatz
mit Impulswiderholraten von 10 bis 20 Hz beherrschen und es ist
eine wartungsfreie Anlagenlebensdauer von über 100 Millionen Impulsen
erreicht.