DE102013207329A1

DE102013207329A1 - Induktive Isolation von Spannungsquellen eines IVA mittels einzelner gekoppelter Spulen

Info

Publication number: DE102013207329A1
Application number: DE102013207329.1A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Martin Hergt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-10-23
Also published as: WO2014173553A1; BR112015026624A2; JP6257747B2; EP2957032A1; US20160226470A1; KR20160003010A; US9887690B2; JP2016517181A; KR101743135B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere mittels eines induktiven Spannungsaddierers IVA, wobei eine Einkopplungsinduktivität (L) je Stufe (13) als eine Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen (21), ausgebildet ist, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich die magnetischen Flüsse entlang einer zu einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und addieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren.
In der Elektrotechnik werden auf dem Gebiet der Leistungsimpulstechnik (Pulsed Power) Hochspannungs- und Hochleistungspulse von einigen kW bis zu mehreren Hundert TW Amplitude für wissenschaftliche und industrielle Zwecke genutzt, wobei Impulsdauern im ps- bis ms-Bereich liegen.
Für die sogenannte Elektroporation, die hier als ein Beispiel für eine industrielle Anwendung genannt ist, ist ein Pulsgenerator erforderlich, der beispielsweise Spannungen von 250 kV, Ströme von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1 µs bis 2 µs erzeugen kann.
Eine mögliche Topologie zur Realisierung eines derartigen Pulsgenerators ist ein sogenannter „inductive voltage adder“ der mit IVA abgekürzt wird. Ein derartiger Generator ermöglicht einen kompakten Aufbau, da dieser sich während einer Pulsgenerierung als eine Serienschaltung von n diskreten Spannungsquellen zusammensetzt.
Die Spannungsquellen sind im stationären Zustand miteinander parallel verdrahtet, während der Impulsphase werden diese nach dem Stand der Technik über eine Induktivität entkoppelt und, bedingt durch die Topologie des IVA zu einer Reihenschaltung zusammengesetzt.
„Pulsed Power Systems Principles and Applications", Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2006 offenbart insbesondere in Kapitel 7, S. 192–201, Aufbau und Wirkungsweisen von IVAs.
Dabei wird der Wert der Induktivität über die Geometrie und die Suszeptibilität des Kernmaterials definiert. Die Induktivität muss für den Impuls eine ausreichend hohe Reaktion aufweisen, um eine Serienschaltung von Spannungsquellen untereinander zu realisieren, ohne dass große Verluste durch masseseitig über die Induktivitäten abfließende Ströme auftreten.
Daher bestimmt für Impulsdauern beispielsweise von 0,1 bis 50 µs die Induktivität zur Serienschaltung der Spannungsquellen im Wesentlichen das Volumen und die Kosten des IVA.
Mit einem IVA können die Welleneigenschaften, bedingt durch die Reflexionsfaktoren, während des Einschaltvorgangs und im stationären Zustand zur Erhöhung der Stromamplitude verwendet werden. 1 zeigt das herkömmliche Prinzip eines IVA. 1 zeigt das Grundprinzip des IVA am Beispiel von vier Stufen. Ähnlich wie bei einer seriellen Anordnung von Spannungsquellen, die in 1 auf der linken Seite dargestellt sind, lassen sich Impulsleitungen, wie sie auf der rechten Seite der 1 dargestellt sind, als Spannungsvervielfacherschaltungen realisieren, indem man den positiven Leiter der einen Leitung mit dem negativen Leiter der anderen verbindet. Damit bei dieser alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. Dies lässt sich herkömmlicher Weise mit Hilfe von ausreichend langen Übertragungsleitungen, in Form eines Kabeltransformators, oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten, entsprechend der Ausführungsform eines IVA, erreichen. Ein kompakterer Aufbau ist möglich, wenn an Stelle der Laufzeit eine induktive Einspeisung bei der Addition der Impulsleitungen einzelner Stufen verwendet wird. Das Prinzip der Spannungsaddition mittels magnetischer Einspeisung, gemäß dem IVA, ist in 2 dargestellt.
2 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines IVA mit magnetischer Isolation. 2 zeigt sechs Stufen, die koaxial angeordnet sind. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Vakuumschnittstelle, Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Vakuum, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine ringförmige Lücke, Bezugszeichen 7 bezeichnet einen magnetischen Kern, Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Teilchenstrahl-Spalt zur Erzeugung von Elektronen- oder Ionenstrahlen in Vakuum und Bezugszeichen 11 bezeichnet Öl. Die zylindrischen Kavitäten bilden einen inneren Leiter des IVA und werden radial von herkömmlichen, koaxial angeordneten Spannungsquellen Ux gespeist. Im Falle der beschriebenen Anwendungen liefert jede der einzelnen Kavitäten einen Impuls von beispielsweise 0,1 bis 50 µs Dauer mit einer Spannungsamplitude U₀ von einigen kV, beispielsweise im
Bereich von 3 bis 10 kV, und einer maximalen Stromamplitude I₀ von einigen kA bis > 10 kA. Um die Addition der Spannungs
amplituden zu bewirken, wird die Vektoraddition der elektromagnetischen Felder im Übergangsbereich zur koaxialen Transmissionsleitung ausgenutzt. Damit generiert der IVA einen Spannungsimpuls, der sich aus der Summe der n (n: Anzahl der Stufen) einzelnen Spannungsquellen überlagert. Entsprechend erzeugt eine Anordnung gemäß 2 einen sechsfachen Spannungsimpuls bezogen auf die Spannungsquellen Ux. Um die Addition der Spannungsamplituden zu bewirken, wird der positive Leiter der einen Spannungsquelle mit der negativen der Folgenden verbunden. Dadurch wird in jeder Kavität zwangsläufig eine leitende Verbindung zwischen Mittelelektrode und der stromabgelegenen Außenelektrode hergestellt. Um zu verhindern, dass auf diese Weise ein Kurzschluss im Ausgang der Leitung entsteht, wird die Impedanz der Verbindung durch Erhöhung der relativen Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert. Dazu wird ein Teilvolumen der Spannungsquelle mit Ringbandkernen aus ferromagnetischem Material gefüllt.
Diese Technik ist in der Literatur auch als magnetische Schalter bekannt. Dabei sind die Eigenschaften des magnetischen Schalters von dem ferromagnetischen Kern und der Impulsdauer abhängig. Es gelten folgende Formeln: u(t) = dϕ(t) / dt = A dB(t) / dt ∫u(t)dt = U₀τ = A(B_r + B_r)
Die Dauer, für die der magnetische Kern als ungesättigt angesehen werden kann, insbesondere ein Vs(Volt·Sekunden)-Produkt, ist durch den Querschnitt des Ringkernes sowie die Summe von remanenter und Sättigungsinduktivität gegeben. Ein geeignetes ferromagnetisches Material muss eine hohe Sättigungsinduktivität sowie eine steile Hysteresekurve besitzen. Da in den bekannten Ausführungsformen die Leitergeometrie nur eine einzige Windung aufspannt, muss deren Querschnittsfläche A ausreichend groß sein, um mit Hilfe dieser einen Windung eine ausreichend große Induktivität zu erzeugen, die die gewünschte Impedanz im betrachteten Frequenzbereich aufweist. Als weitere Bedingung wird gefordert, dass der magnetische Kern nicht in Sättigung geht, da ansonsten die Induktivität schlagartig auf niedrige Werte absinken würde. Aus diesen Gründen ergibt sich, dass große Volumina mit ferromagnetischem Material zu füllen sind, das zu erheblichen Materialkosten, großen Bauvolumen und großkonstruktivem Aufwand zur Beherrschung der großen Massen führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen, bei denen ein zum Stand der Technik kompakterer und kostengünstigerer Pulsgenerator erzeugt wird. Ein konstruktiver Aufwand für magnetischen Schalter und IVA soll zum Stand der Technik verkleinert sein.
Es ist daher insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine Gestaltung der notwendigen Induktivität anzugeben, welche die im Stand der Technik genannten Nachteile überwindet. Es soll eine neuartige Ausführung zur Serienschaltung der Spannungsquellen bereitgestellt werden. Ziel ist es, ein Pulsgenerator so kompakt und kostengünstig wie möglich zu gestalten. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch Addition der elektromagnetischen Felder in IVA die Bauform minimiert werden kann. Es ist weiterhin erkannt worden, dass bei der bisher bekannten koaxialen Bauform eines IVA der Innenraum des Innenleiters und somit ein erhebliches Potential an Bauvolumenminimierung nicht genutzt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und einem Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver Spannungsaddierer, beansprucht, wobei während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich elektromagnetische Wellen jeweils entlang einer koaxialen Transmissionsleitung ausbreiten, wobei die elektromagnetischen Wellen je Stufe in die koaxiale Transmissionsleitung mittels Impulsströme durch eine eine Einkopplungsinduktivität erzeugende Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen, eingekoppelt werden, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich deren magnetische Flüsse entlang einer zu der Wellenausbreitungshauptachse rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und addieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver Spannungsaddierer, beansprucht, wobei während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich elektromagnetische Wellen jeweils entlang einer koaxialen Transmissionsleitung ausbreiten, wobei die elektromagnetischen Wellen je Stufe in die koaxiale Transmissionsleitung mittels Impulsströme durch eine eine Einkopplungsinduktivität erzeugenden Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen, eingekoppelt werden, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich deren magnetische Flüsse entlang einer zu der Wellenausbreitungshauptachse rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und addieren.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass ein geeignetes Design der Induktivität in Form einer Anzahl von diskreten Spulen Pulsdauer, Volumen und Kosten des IVA wirksam verringern kann.
Gegenstand der Erfindung ist, dass eine Einkopplung ausschließlich über insbesondere toroidale Spulen erfolgt und dadurch eine herkömmliche externe Induktivität mit einem großen Eisenkern hinfällig wird. Die Energieeinkopplung erfolgt dann nicht mehr über radiale Transmissionsleitungen, sondern ausschließlich über die Einkopplung von Impulsströmen in derartige toroidale Spulen innerhalb einer koaxialen Anordnung.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen diskrete Induktivitäten, insbesondere in Form von diskreten Spulen, eingesetzt werden können, die räumlich so angeordnet sind, dass sich ihre Flüsse in einer Umfangsrichtung einer IVA-Anordnung überlagern bzw. addieren, so dass auch ohne die Verwendung von gemeinsamen, ringförmigen Eisenkernen eine Anordnung erhalten wird, die die magnetische Streufelder wirksam minimiert, die herkömmlicher Weise zu starken Störungen führen würden. Insbesondere wird dies dann ermöglicht, wenn die einzelnen Stufenspannungen des IVA im Bereich einiger kV bis zu wenigen 10 kV liegen, so dass die diskreten Induktivitäten bzw. die diskreten Spulen mit geringem Aufwand elektrisch für diese Spannungen zu isolieren sind. Ebenso ist in diesem Spannungsbereich der notwendige Luftspalt vergleichsweise einfach elektrisch zu isolieren. Erfindungsgemäße Vorteile sind eine Massereduktion eines Eisenkerns durch den Einsatz von diskreten gekoppelten Induktivitäten bzw. von diskreten gekoppelten Spulen, eine kostengünstigere, kompaktere Bauform und somit eine Verringerung der Verluste, insbesondere bei langen Impulsdauern sowie eine Realisierbarkeit langer Impulsdauern beispielsweise > 1 µs (Mikrosekunde).
In jeder Stufe können sich Wellen jeweils in eine koaxiale Transmissionsleitung ausbreiten, wobei alle koaxialen Transmissionsleitungen des IVA entlang einer Wellenausbreitungshauptachse aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Induktivitäten einer Stufe entlang einer zur Wellenausbreitungshauptachse rotationssymmetrischen Raumerstreckung um die koaxiale Transmissionsleitung herum angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die rotationssymmetrische Raumerstreckung als eine die Wellenausbreitungshauptachse umlaufende Querschnittsfläche geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die umlaufende Querschnittsfläche eine Kreisfläche und die rotationssymmetrische Raumerstreckung ein Torus sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Induktivitäten einer Stufe diskrete Spulen sein, die die umlaufende Querschnittsfläche umwinden bzw. umfassen. Die Vorteile dieser Form der induktiven Entkopplung sind, dass der Wert der Induktivität bedingt durch die Wicklungszahl N mittels N² massiv erhöht werden kann. Herkömmlicher Weise wird ein Eisenkern für eine Wicklungszahl N = 1 ausgelegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen entlang des Umlaufs der Querschnittsfläche nebeneinander angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen jeweils, insbesondere zwei, zueinander bifilare Wicklungen aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen an einer der koaxialen Transmissionsleitung zugewandten Seite oder an einer radial verlaufenden Seite oder in dieser angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen als diskrete entlang der rotationssymmetrischen Raumerstreckung angeordnete Luftspulen erzeugt sein.
Auf diese Weise kann eine Luftspule mit entsprechender Wicklungszahl insbesondere für kurze Impulse ausreichend sein, so dass herkömmliche Einschränkungen wie Sättigbarkeit eines Kernmaterials, Grenzfrequenz, Hochfrequenzverluste in Folge von Wirbelströmen und dergleichen vermieden werden. Auf diese Weise kann auf einen Eisenkern und die damit verbundenen Nachteile teilweise oder vollständig verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die rotationssymmetrische Raumerstreckung von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenring oder Ferritring, zumindest teilweise aufgefüllt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Zwischenraum zwischen zwei nebeneinander angeordneten diskreten Spulen von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenringabschnitt, zumindest teilweise aufgefüllt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen mittels Litze, Runddraht oder Flachdraht erzeugte Drahtwicklungen aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die diskreten Spulen zwei Wicklungen aufweisen, wobei in diese eine symmetrische Einspeisung von Außenseiten einer Stromzuführung und aus diesen eine symmetrische Stromentnahme in einer Mitte der Zuführung auf einer anderen Seite eines Luftspalts geschaffen sein.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines IVA;
2 ein weiteres herkömmliches Ausführungsbeispiel eines IVA;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel zweiter erfindungsgemäßer Spulen;
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen diskreten Spule;
7 eine Darstellung eines IVA mit Gleich- und Gegentaktsignalen;
8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung;
9 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung. Erfindungsgemäß wird gemäß 3 eine entsprechende Ausführung einer induktiven Isolation von einzelnen Stufen in einem IVA dargestellt. Die Isolation ist mittels diskreter Induktivitäten realisiert, die magnetisch untereinander gekoppelt sind. 3 zeigt eine schematische Darstellung derartig gekoppelter Spulen. 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung. Gemäß diesem Ausschnitt sind zwei Spulen 21 entlang eines Eisenringes 23 hintereinander angeordnet. Die magnetischen Flüsse Φ₁ und Φ₂ werden aufaddiert, sodass ein Gesamtfluss Φ_Gesamt erhalten wird. Eine entsprechende Induktivität = Φ_Gesamt/i_Gesamt. 3 zeigt jeweilige eingehende Ströme I_in sowie ausgehende Ströme I_out. Diese zwei Spulen 21 sind gemäß der vorliegenden Erfindung gekoppelt, sodass sich der resultierende magnetische Gesamtfluss ergibt.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines IVA mit gekoppelten Spulen. Bezugszeichen 21 kennzeichnet eine Anordnung von Spulen 21. Auf der rechten Seite der 4 ist ein Ersatzschaltbild zur Beschreibung der magnetischen Isolation einer Stufe 13 dargestellt. 4 zeigt ein schematisches Schnittbild eines IVA mit diskreten, in Umfangsrichtung des IVA magnetisch gekoppelten Spulenelementen beziehungsweise Spulen 21. Die Spulen 21 sind in jeder einzelnen Stufe 13 toroidal angeordnet. Die Spulen können ebenso auf einer anderen Seite des Induktivitätsbereichs L eingefügt sein. Alternativ können die Spulen 21 auf einer dem Innenleiter der koaxialen Transmissionsleitung 27 zugewandten Stirnseite des Induktivitätsbereichs L eingefügt sein.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung. Dabei zeigt 5 eine Draufsicht auf den IVA mit gekoppelten diskreten Spulen. Entlang einer Wellenausbreitungshauptachse HA sind die Stufen 13 des IVA hintereinander angeordnet. Bezugszeichen 15 kennzeichnet die erste Stufe. Bezugszeichen 17 kennzeichnet eine rotationssymmetrische Raumerstreckung, die hier als Torus 19 ausgebildet ist. Um diesen Torus sind umlaufend Spulen 21 angeordnet. Die Spulen 21 sind hier als Luftspulen ausgebildet. Das heißt die rotationssymmetrische Raumerstreckung 17 um und entlang der die Spulen 21 ausgebildet sind, enthalten lediglich Luft. Gemäß dieser Ausführungsform ist kein Eisenring 23 geschaffen. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines IVA mit den erfindungsgemäß gekoppelten Spulen, wobei Anschlüsse zur Einspeisung und zur Entnahme von Strom gemäß 3 nicht dargestellt sind.
Die Spulen 21 können sowohl als reine Luftspulen, als auch als Luftspulen 21 mit einem Eisenkern 23 ausgebildet sein. „Luftspulen“ bedeutet hier, dass lediglich Wicklungen in Umgebungsluft ausgebildet sind. Reine Luftspulen 21 sind lediglich um einen luftaufweisenden Raum gewickelt. Im Allgemeinen werden lange Spulen, bei denen die Spulenlänge deutlich größer ist als der Spulendurchmesser, zur Minimierung der Streufelder eingesetzt. Es können aber ebenso kurze Spulen verwendet werden, insbesondere in Kombination von mehreren Spulen zur Reduzieren von Streufeldern. Dabei muss ein eventuell vorhandener Eisenkern 23 nicht das gesamte Spuleninnenvolumen ausfüllen, sondern kann ebenso lediglich einen Teil des Spulenvolumens darstellen. Beispielsweise ist ein Spuleninnenvolumen der Gesamtheit der Spulen einer Stufe als rotationssymmetrische Raumerstreckung, beispielsweise als ein Torus 19 ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der ein Zwischenraum zwischen zwei Spulen 21 in Umfangsrichtung der IVA-Anordnung ganz oder teilweise mit Eisen gefüllt wird, um den Fluss auf den Spulenquerschnitt zu konzentrieren und damit Streufelder zu minimieren. Da hierbei nur kleine räumliche Bereiche zwischen den Einzelmodulen mit Eisen gefüllt werden, ist die Gesamteisenmenge gegenüber dem Stand der Technik wirksam verringert. Die Spulen 21 können entsprechend dem Stand der Technik beispielsweise als Drahtspulen bestehend aus Litzen, Runddraht oder Flachdraht ausgeführt werden. Ebenso sind zu Spulen 21 gewickelte Bandleiter eine mögliche Ausführungsform. Die Spulen 21 können alternativ als bifilar gewickelte Spulen 21 eingesetzt werden. Ebenso sind Spulen 21 denkbar, die aus zwei Spulen derart zusammengesetzt sind, dass eine symmetrische Einspeisung zu den beiden Spulen jeweils von den Außenseiten der Zuführung erfolgt und ein gemeinsamer Abgang ebenfalls symmetrisch in der Mitte der Zuführung auf einer anderen Seite des Luftspaltes erfolgt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform erfindungsgemäßer Spulen. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Spule 21 in Form einer bifilaren Wicklung realisiert worden. Dabei nutzt eine bifilare Wicklung die Eigenschaften von Gleich- und Gegentaktsignalen. Die Gegentaktsignale bewirken eine Induktivität L mittels der Addition der magnetischen Flusslinien. Bei Gleichtaktsignalen heben sich im idealen Fall die magnetischen Flusslinien in der Summe auf, sodass die zugehörige Induktivität L = 0 ist. Dies ist in schematisch dargestellt. Bezugszeichen 23 kennzeichnet einen Eisenring um den zur Erzeugung einer Spule 21 zwei zueinander bifilare Wicklungen ausgebildet sind. In 6 oben ist der resultierende magnetische Fluss für Gegentaktsignale dargestellt, wobei sich die Einzelflüsse zu einem Φ_Gesamt aufaddieren und die sich ergebende Induktivität L = Φ_Gesamt/i_Gesamt ergibt. 6 stellt unten die bifilare Spule 21 bei Eingang von Gleichtaktsignalen dar. Der resultierende magnetische Fluss Φ_Gesamt für Gleichtaktsignale ergibt sich aus der Differenz der Einzelflüsse, sodass bei gleichen Wicklungen der Gesamtfluss Φ_Gesamt auf 0 verkleinert wird. Entsprechend ist die Gesamtinduktivität L = 0 × H. In 6 sind die eingehenden Ströme mit I_in und die ausgehenden Ströme mit I_out und den entsprechenden Pfeilrichtungen dargestellt.
7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines IVA. Hierbei sind die Spulen 21 mit jeweiligen bifilaren Wicklungen ausgebildet. Entsprechend zeigt 7 eine schematische Darstellung eines IVA mit verteilten Gleich- und Gegentaktsignalen. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine jeweilige Stufe des IVA, wobei eine Stufe 13 ebenso als Kavität bezeichnet werden kann. Die Stufen 13 sind mit Leitungen 25 geschaffen, die achsensymmetrisch um eine koaxiale Transmissionsleitung 27 ausgebildet sind. 7 zeigt die jeweiligen Richtungen der jeweiligen Ströme I, die als Gleichtaktstrom I_Gleichtakt oder als Gegentaktstrom I_Gegentakt geschaffen sein können. Dabei stellt das Gleichtaktsignal den Pulsstrom dar, der über die n Stufen addiert wird. Das Gegentaktsignal ist der Strom, der über die jeweilige Induktivität L fließt. 7 zeigt die entsprechende Verteilung der Gleich- und Gegentaktsignale.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung. Gemäß dieser Anordnung ist eine jeweilige Spule 21 als bifilare Spule 21 ausgebildet. 8 zeigt die Stufen 13, die entlang einer Wellenausbreitungshauptachse HA angeordnet sind. Auf der linken Hälfte sind Leitungen 25 dargestellt, die sich entlang der koaxialen Transmissionsleitung 27 erstrecken. Auf der rechten Seite der 8 ist ein Ersatzschaltbild zur Beschreibung der magnetischen Isolation einer jeweiligen Stufe 13 dargestellt. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines entsprechenden IVA mit dem Ort der diskreten bifilaren Spulen 21. Dabei sind die diskreten Spulen 21 in einer Leitung 25 angeordnet. Die bifilaren Spulen 21 sind erfindungsgemäß in jeder einzelnen Stufe 13 toroidal verteilt, wobei im Allgemeinen eine Stufe aus einer parallelen Anordnung mehrerer Submodule besteht. Unter Submodulen versteht man herkömmlicherweise die Summe aller aktiven elektrischen Bauteile beziehungsweise die Spannungsquellen einer Stufe 13. Die Submodule zur Impulserzeugung sind dabei in einer Ebene des IVA kreisförmig um den inneren Koaxialleiter, der die koaxiale Transmissionsleitung 27 bereitstellt, angeordnet. Die Anordnung der bifilaren Spulen 21 hat den Vorteil, dass die jeweiligen Induktivitäten L für den Stromimpuls wesentlich geringer beziehungsweise für kürzere Impulsdauern geeignet sind.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß diesem Verfahren werden Hochspannungsimpulse, insbesondere mittels eines induktiven Spannungsaddierers IVA erzeugt. Mit einem ersten Schritt S1 werden während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serien-Schaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert. Mit einem zweiten Schritt S2 sind Einkopplungsinduktivitäten je Stufe als eine Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen, ausgebildet, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich deren magnetische Flüsse entlang einer rotationssymmetrischen Kreislinie um die Wellenausbreitungshauptachse überlagern und addieren. Die Wellenausbreitungshauptachse entspricht dabei der Symmetrieachse der koaxialen Transmissionsleitung 27 beziehungsweise der Symmetrieachse deren Innenleiters. Die Richtung der Wellenausbreitungshauptachse HA ist die Richtung in der sich die elektromagnetischen Wellen beginnend von der ersten Stufe bis zu letzten Stufe hauptsächlich ausbreiten.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere mittels eines induktiven Spannungsaddierers IVA, wobei eine Entkopplungsinduktivität L je Stufe 13 als eine Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen 21, ausgebildet ist, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich die magnetischen Flüsse entlang einer zu einer Wellenausbreitungshauptachse HA rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und/oder addieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Pulsed Power Systems Principles and Applications“, Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2006 offenbart insbesondere in Kapitel 7, S. 192–201 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver Spannungsaddierer (IVA), wobei während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich elektromagnetische Wellen jeweils entlang einer koaxialen Transmissionsleitung (27) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen je Stufe (13) in die koaxiale Transmissionsleitung (27) mittels Impulsströme durch eine eine Einkopplungsinduktivität (L) erzeugenden Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen (21), eingekoppelt werden, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich deren magnetische Flüsse entlang einer zu der Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und addieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Induktivitäten einer Stufe (13) entlang einer zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischen Raumerstreckung (17) um die koaxiale Transmissionsleitung (3) herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) als eine die Wellenausbreitungshauptachse (HA) umlaufende Querschnittfläche geschaffen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Querschnittsfläche eine Kreisfläche und die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) ein Torus (19) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Induktivitäten einer Stufe (13) diskrete Spulen (21) sind, die die umlaufende Querschnittsfläche umwinden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) entlang des Umlaufs der Querschnittsfläche nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) jeweils, insbesondere zwei, zueinander bifilare Wicklungen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) an einer der koaxialen Transmissionsleitung (27) zugewandten Seite oder an einer radial verlaufenden Seite oder in dieser angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) als diskrete Luftspulen erzeugt sind, die insbesondere entlang der rotationssymmetrischen Raumerstreckung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenring (23), zumindest teilweise aufgefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Zwischenraum zwischen zwei nebeneinander angeordneten diskreten Spulen von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenringabschnitt, zumindest teilweise aufgefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) mittels Litze, Runddraht oder Flachdraht erzeugte Drahtwicklungen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) zwei Wicklungen aufweisen, wobei in diese eine symmetrische Einspeisung von Außenseiten einer Stromzuführung und aus diesen eine symmetrische Stromentnahme in einer Mitte der Stromzuführung auf einer anderen Seite eines Luftspalts geschaffen ist.
Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver Spannungsaddierer (IVA), wobei während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich elektromagnetische Wellen jeweils entlang einer koaxialen Transmissionsleitung (27) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen je Stufe (13) in die koaxiale Transmissionsleitung (27) mittels Impulsströme durch eine eine Einkopplungsinduktivität (L) erzeugenden Anzahl von diskreten Induktivitäten, insbesondere diskreten Spulen (21), eingekoppelt werden, die derart magnetisch untereinander gekoppelt sind, dass sich deren magnetische Flüsse entlang einer zu der Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischen Kreislinie überlagern und addieren.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten einer Stufe (13) entlang einer zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischen Raumerstreckung (17) um die koaxiale Transmissionsleitung (3) herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) als eine die Wellenausbreitungshauptachse (HA) umlaufende Querschnittfläche geschaffen ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Querschnittsfläche eine Kreisfläche und die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) ein Torus (19) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten einer Stufe (13) diskrete Spulen (21) sind, die insbesondere die umlaufende Querschnittsfläche umwinden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) entlang des Umlaufs der Querschnittsfläche nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) jeweils, insbesondere zwei, zueinander bifilare Wicklungen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) an einer der koaxialen Transmissionsleitung (27) zugewandten Seite oder an einer radial verlaufenden Seite oder in dieser angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) als diskrete Luftspulen erzeugt sind, die insbesondere entlang der rotationssymmetrischen Raumerstreckung angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrische Raumerstreckung (17) von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenring (23), zumindest teilweise aufgefüllt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen zwei nebeneinander angeordneten diskreten Spulen von einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem Eisenringabschnitt, zumindest teilweise aufgefüllt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) mittels Litze, Runddraht oder Flachdraht erzeugte Drahtwicklungen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Spulen (21) zwei Wicklungen aufweisen, wobei in diese eine symmetrische Einspeisung von Außenseiten einer Stromzuführung und aus dieser eine symmetrische Stromentnahme und in einer Mitte der Stromzuführung auf einer anderen Seite eines Luftspalts geschaffen ist.