DE10030566C2

DE10030566C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung positiver und negativer pulsförmiger Magnetfelder

Info

Publication number: DE10030566C2
Application number: DE2000130566
Authority: DE
Inventors: Hans Krug; Dieter Eckert
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV; Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: WO2001098792A1; DE10030566A1; EP1292841A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung positiver und negativer pulsförmiger sehr hoher Magnetfelder, wie sie in Technik, Physik, Biologie und Chemie eingesetzt werden.

In Pulsschaltungen zur Erzeugung von positiven Feldimpulsen werden Kondensatoren durch Hochspannungsnetzgeräte aufgeladen und über in Reihe geschaltete Thyristorschalter und ebenfalls in Reihe geschaltete Schutzdrosseln auf Hochfeldspulen geschaltet, wobei sowohl die Innenseite der Hochfeldspulen, als auch ein Terminal der Kondensatoren starr geerdet werden. Außerdem wird zur Variation der Pulsform parallel zu den Kondensatoren eine Crowbardiode mit einem in Reihe liegenden veränderlichen Crowbarwiderstand geschaltet (G. S. Boebinger et al, Seventy-two tesla non-destructive pulsed magnetic fields at AT Beil Laboratories Physika B 201 (1994), 560-564).

Es ist bereits allgemein bekannt, dass diese Schaltung zur Erzeugung von negativen Pulsen folgendermaßen erweitert werden kann: Die Kondensatoren werden durch zusätzliche Netzteile bei gleichen Erdungsverhältnissen mit umgekehrter Polarität aufgeladen. Außerdem müssen sowohl die Thyristorschalter als auch die Crowbardioden durch je 4 Schalter umgepolt werden. Eine solche Schaltung zur Erzeugung negativer Pulse wurde in der im Aufbau befindlichen 14,4 Mjoule-Kondensatoranlage noch folgendermaßen verbessert: Jeder Thyristorschalter und jede Crowbardiode wurden, um den Schalteraufwand zu reduzieren, durch je zwei antiparallele Thyristorschalter und je zwei antiparallele Crowbardioden ersetzt (The Toulouse 14 MJ capacitor bank pulse generator, http:/www.magniel.com/sncmp/14mjb.html).

Im Vergleich zum Betrieb mit nur einer Polarität sind zwei getrennte Ladegeräte erforderlich. Die Kondensatoren müssen wahlweise positiv oder negativ aufgeladen werden können. Diese Kondensatoren sind groß und teuer.

Aus DE 34 21 575 A1 ist bekannt, dass positive und negative Stromimpulse mit einer Antiparallelschaltung aus zwei Hochstromschaltern erzeugt werden können. Nachteilig ist dabei, dass zur Erzeugung negativer Stromimpulse entweder die Ladespannung des Kondensators oder die Induktivität umgepolt werden muss. Zur erstgenannten Lösung sind preiswerte Impulskondensatoren mit metallisierter Elektrode und hoher Energiedichte, die nur mit einer Polarität aufgeladen werden können, nicht anwendbar. Nach der zweiten Lösung ist keine feste Erdung der Spule an ihrer Innenseite möglich, in deren Nähe sich die Messeinrichtung und das Experiment befinden. Die Nutzung eines umgekehrt gepolten Impulses, der sich aus dem Umschwingen des Schwingkreises ergibt, ist durch die große Dämpfung nachteilig.

Weiterhin ist aus US 47 83 715 bekannt, dass mit einem Schwingkreis in Verbindung mit einem Thyristorschalter mit antiparalleler Diode abklingend positive und negative Stromimpulse erzeugt werden können, wie sie z. B. zur Entmagnetisierung von Bildschirmterminals eingesetzt werden. Auch hier ist die starke Dämpfung festzustellen.

Es ist auch bekannt, dass mit zwei Hochstromschaltern zusammen mit diversen Dioden und zwei Kondensatorbänken in einer Induktivität eine Folge von positiven und negativen Magnetfeldern erzeugt werden können (DD 272 398 A2). Nachteilig ist die Notwendigkeit von zwei Kondensatorbänken und die Unmöglichkeit der Spulenerdung an der Innenseite.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere große Anlagen für positive und negative pulsförmige Magnetfelder mit deutlich geringerem Aufwand herstellen zu können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.

Es liegt eine Schaltung vor, mit der für beide Polaritäten der Kondensator positiv aufgeladen werden kann. Um die Schaltung betreiben zu können, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um Spannungssprünge am Kondensator und vor allem am Thyristorschalter während der Umgruppierung für das negative Feld zu verhindern. Durch Spannungssprünge können u. a. die Thyristorschalter über die Anoden-Katodenstrecke unkontrolliert durchzünden. Die zusätzlichen Maßnahmen sollen außerdem Oszillationen beim Einschalten der Umgruppierungsschalter oder beim Zünden der Thyristorschalter vermeiden.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind:
Der zusätzliche Aufwand durch Netzteile für beide Polaritäten und die doppelte Ausführung der Thyristorschalter und Crowbardioden wird vermieden. Es können die etwa um den Faktor 3 preiswerteren Impulskondensatoren mit metallisierten Elektroden eingesetzt werden, die bei den bekannten Schaltungen nur mit einer Polarität aufgeladen werden können. Diese Kondensatoren haben weiterhin Vorteile in Volumen und Gewicht. Für den Betrieb großer Kondensatorbänke ist wesentlich, dass sie den so genannten selbstheilenden Effekt haben. Sie werden nicht plötzlich defekt mit allen negativen Folgen für die Bank, sondern erreichen das Ende Ihrer Lebensdauer mit einem allmählichen und nachweisbaren Kapazitätsverlust.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die zugehörige Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild.

Das geerdete Ladegerät I1 ist über die Schalter U7 und U8 zweiphasig auf die Diode D1 geschaltet. Nach der Aufladung wird das Ladegerät abgeschaltet.

Die Schaltung für positives Feld wird durch drei Trennkontakte U1, U2 und U3 und für negatives Feld durch drei Trennkontakte U4, U5 und U6 hergestellt. Die Trennkontakte U1 bis U3 und U4 bis U6 können in vorteilhafter Weise jeweils durch einen industriellen dreipoligen Trennschalter realisiert werden. Bei einem negativen Schuss erfolgt der Potenzialausgleich durch einen hochohmigen Widerstand (zum Potenzialausgleich) RX, der das positive Terminal der Kondensatorbatterie C1 mit der Erde verbindet.

Durch die Widerstände RY1 und RY2 wird der Thyristorschalter X1 zur Vermeidung von Spannungssprüngen an der Kondensatorspannung gehalten. Die Widerstände RY1 und RY2 werden mit den Schaltern UY1 und UY2 vor der Zündung des Thyristorschalters X1 abgeschaltet.

Zwischen dem Trennkontakt U1 und dem Thyristorschalter X1 ist eine Schutzdrossel L2 geschaltet und parallel zum Thyristorschalter X1 kann eine Diode D2 angeordnet werden. Die Diode D1 parallel zum Ladegerät I1 dient zusammen mit dem Widerstand R1 zur Erzeugung verschiedener Feldpulsformen. Sie schützt gleichzeitig das Netzteil I1 vor negativen Spannungen. Der Widerstand R1 zwischen positivem Terminal der Kondensatorbatterie C1 und Diode D1 ist wegen der erforderlichen Variation der Abfallflanke des Feldpulses angebracht. Die Hochfeldspule L1 ist ebenso wie das Ladegerät I1 geerdet. Die Kondensatorbatterie C1 ist nur am Gehäuse geerdet. Der Kondensator C2 symbolisiert die Kapazität zwischen den Terminals der Kondensatoren und dem geerdeten Gehäuse.

Es wird eine Umpolschaltung für Kondensatoren, Thyristoren und Crowbardioden realisiert. Es wird nur die Hochfeldspule an der Innenseite fest geerdet. Die Kondensatoren sind nur am Gehäuse geerdet. Die Kondensatoren werden sowohl für positives Feld als auch für negatives Feld durch dasselbe Netzteil positiv aufgeladen. Die Erzeugung positiver Feldpulse wird wie bekannt durchgeführt. Um negative Pulse zu erzeugen, werden zuerst die Kondensatoren positiv aufgeladen. Dann wird das Netzteil mit den Schaltern U7 und U8 abgeschaltet. Danach beginnt automatisch der Potenzialausgleich durch den Widerstand RX, der das Erdpotenzial an das positive Terminal der Kondensatorbatterie C1 legt. Am Ende dieses Ausgleichsvorgangs liegt das Erdpotenzial am positiven Terminal und das negative Terminal hat negatives Potenzial gegen Erde, während die Spannung zwischen den Terminals unverändert ist. Nach kurzer Pause zum Potenzialausgleich wird die Schaltung dann durch die Trennschalter U4, U5 und U6 für negative Pulse umgruppiert. Der Thyristorschalter X1 liegt dabei immer über die Widerstände RY1 und RY2 an Spannung. Die Widerstände RY1 und RY2 werden nach der Umgruppierung der Schaltung und vor dem Zünden des Thyristorschalters X1 durch die Schalter UY1 und UY2 abgeschaltet. Danach ist die Schaltung betriebsbereit und der Thyristorschalter X1 kann wieder angesteuert werden.

Es können parallel mehrere solcher Anlagen betrieben werden. Dabei ist zu beachten:
Die Umgruppierung der Kondensatorbatterien, Thyristorschalter und Crowbardioden erfolgt in der Weise, dass die Thyristorschalter immer am spannungsführenden (nicht geerdetem) Pol der Kondensatorbatterien liegen. Die Netzteile werden nach dem Aufladen abgeschaltet

Durch den Widerstand RX erfolgt vor dem Zuschalten des Umschalters für negatives Feld ein Potenzialausgleich. Das Erdpotenzial wird an das positive Terminal der Kondensatorbatterie geführt und die Erdkapazitäten damit langsam ohne Schwingungen umgeladen.

Der Thyristorschalter X1 wird über die Widerstände RY1 und RY2 immer an den spannungsführenden Pol der Kondensatorbatterie gelegt. Durch die Schalter UY1 und UY2 werden vor dem Betätigen des Thyristorschalters X1 die vorgenannten Widerstände RY1 und RY2 abgeschaltet, nachdem die Umgruppierung der Schaltung abgeschlossen ist.. Es werden damit positive Spannungssprünge vermieden und der Thyristorschalter X1 ist schaltbereit. Beim Zünden des Thyristorschalters entstehen ebenfalls keine Schwingungen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung positiver und negativer pulsförmiger Magnetfelder, im Wesentlichen bestehend aus einer Kondensatorbatterie, einer Hochfeldspule, einer Schutzdrossel, einem Thyristorschalter, einer Crowbardiode, einem Crowbarwiderstand und mehreren Trennkontakten, dadurch gekennzeichnet,
dass sechs Trennkontakte (U) vorgesehen sind, wobei der Trennkontakt
U1 das positive Terminal der Kondensatorbatterie (C1), den Crowbarwiderstand (R1), den Widerstand (RY2), den Trennkontakt (U4) und den Widerstand zum Potenzialausgleich (RX) mit der Schutzdrossel (L2) und dem Trennkontakt (U6),
U2 die Katode des Thyristorschalters (X1) und eine Diode (D2) sowie den Widerstand (RY1) und den Trennkontakt (U5) mit der Außenseite der Hochfeldspule (L1) und dem Trennkontakt (U6),
U3 das negative Terminal der Kondensatorbatterie (C1), den Widerstand (RY1), den Trennkontakt (U5) und die Crowbardiode (D1) mit der geerdeten Innenseite der Hochfeldspule (L1), dem Widerstand zum Potenzialausgleich (RX) und dem Trennkontakt (U4),
U4 das positive Terminal der Kondensatorbatterie (C1), den Crowbarwiderstand (R1), den Widerstand zum Potenzialausgleich (RX), den Trennkontakt (U1) und den Widerstand (RY2) mit der geerdeten Innenseite der Hochfeldspule (L1), dem Widerstand zum Potenzialausgleich (RX) und dem Trennkontakt (U3),
U5 das negative Terminal der Kondensatorbatterie (C1), die Crowbardiode (D1), den Widerstand (RY1) und den Trennkontakt (U3) mit der Katode des Thyristorschalters (X1), der Diode (D2), dem Schalter (UY1) und dem Trennkontakt (U2) sowie
U6 den Trennkontakt (U1) und die Schutzdrossel (L2) mit der Außenseite der Hochfeldspule (L1) und dem Trennkontakt (U2)
verbindet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkontakte (U1 bis U3) und (U4 bis U6) jeweils gemeinsam betätigbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode des Thyristorschalters (X1) über einen Widerstand (RY2) mit dem positiven Terminal der Kondensatorbatterie (C1) und die Katode des Thyristorschalters (X1) über einen Widerstand (RY1) mit dem negativen Terminal der Kondensatorbatterie (C1) verbunden ist, wobei die Widerstände von gleicher Größe sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schalter (UY2, UY1) eingesetzt sind, die in Reihe mit den Widerständen (RY2, RY1) und zwischen dem Thyristorschalter (X1) und der Kondensatorbatterie (C1) angeordnet sind.