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Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator zum Betreiben einer dielektrischen Gasentladungsstrecke. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung eines Hochspannungstransformators und einer dielektrischen Gasentladungsstrecke.
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Gasentladungsstrecken und insbesondere dielektrische Gasentladungsstrecken, bei denen zwei leitfähige Elektroden durch ein zwischenliegendes Dielektrikum getrennt sind, werden beispielsweise eingesetzt, um technisch nutzbare angeregte Gase zu erzeugen. Dabei ist u.U. ein weiteres Dielektrikum auf die Elektroden vorhanden, z.B. in Form einer oxidierten Oberfläche der meist metallischen Elektroden. Zwischen den Elektroden wird ein ionisierendes Hochspannungswechselfeld ausgebildet, das in der Regel von einem Generator mit einem nachgeschalteten Hochspannungstransformator erzeugt wird. Der Hochspannungstransformator dient dem Hochsetzen der Ausgangsspannung des Generators. Daneben hat er aufgrund seiner bauartbedingten Eigenschaften, insbesondere seiner Streuinduktivität, seiner bauartbedingten Induktivitäten, seiner magnetischen Trägheit und/oder seiner parasitären Kapazität, Auswirkungen auf den Hochspannungsverlauf und die Störspannungscharakteristik im Zusammenwirken mit einer Gasentladungsstrecke.
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Als Generatoren können Wechselstromgeneratoren eingesetzt werden, üblicher ist jedoch die Verwendung von Pulsgeneratoren mit schnell arbeitenden Ladekondensatoren, die anstelle einer Wechselspannung eine gepulste Gleichspannung erzeugen. Typische Frequenzen liegen im Bereich von einigen 10 Kilohertz (kHz), wobei in der Regel mindestens eine Frequenz von 18 kHz gewählt wird, die jenseits der Hörgrenze liegt.
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Bei einem Einsatz von Pulsgeneratoren kann neben der Frequenz die Pulsdauer bzw. das Pulstaktverhältnis Einfluss auf Entladeeigenschaften haben. In der Regel werden Pulse eingesetzt, die deutlich kürzer als die halbe Periodendauer sind.
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Als Hochspannungstransformatoren werden üblicherweise Transformatoren mit geschlossenen Kernen, ggf. mit einem Luftspalt, eingesetzt. Wenn ein Luftspalt verwendet wird, weist dieser eine Breite von höchstens einigen Millimetern (mm) auf, beispielsweise maximal 5 Millimetern (mm). Nicht geschlossene Kerne oder Kerne mit größerem Luftspalt zeigen hohe Streuverluste und sind mit der Emission von großen Störsignalen auf Grund von Störspannungen nach unsystematischen Unterbrechungen der Entladung in der Entladungsstrecke verbunden, was EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) -Probleme zur Folge hat.
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Bekannte Hochspannungstransformatoren weisen eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf, die entweder jeweils separat den Kern umschließen oder die übereinander auf einer Kernseite angeordnet sind. Bei übereinander angeordneten Wicklungen ist die Sekundärwicklung auf der Primärwicklung angeordnet, wodurch eine höhere Hochspannungsfestigkeit erzielt wird.
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Um eine kontinuierlich brennende Entladung zu erzeugen, ist sicherzustellen, dass eine Spannung zwischen den Elektroden innerhalb einer Amplitude nicht oder nur kurz, beispielsweise in einem Nulldurchgang, auf null abfällt. Sekundärseitig muss dazu der Hochspannungstransformator über im Wesentlichen den gesamten Verlauf einer Periode Energie bereitstellen, d.h. es muss ein Strom fließen, um die Entladung kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Dieses wird beispielsweise durch ein Nachliefern von Energie aus dem magnetischen Feld oder aus parasitären Kapazitäten des Hochspannungstransformators selbst erreicht. Ggf. wird dem Hochspannungstransformator primärseitig eine Ladespeicherdrossel vorgeschaltet, die primärseitige Stromanstiegs- bzw. Abfallraten verringert und damit auch sekundärseitig zu einem zwar langsameren Spannungsanstieg, aber auch einem langsameren Spannungsabfall führt, so dass über die gesamte Periodendauer Energie zum Aufrechterhalten der Entladung zur Verfügung steht. Auch ist bekannt, sekundärseitige Kondensatoren der Entladungsstrecke parallel zu schalten, um Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeiten zu verringern. Auch können Eigenschwingungseigenschaften des Hochspannungstransformators ggf. mit parasitären oder hinzugefügten Kapazitäten eingesetzt werden, um (abgesehen von einem Nulldurchgang) Spannung und damit Energie über die gesamte Periodendauer bereit zu stellen.
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Gemäß dem Stand der Technik wird somit versucht, im Betriebszustand eine ununterbrochene Entladungscharakteristik zu erzielen, wobei zum Aufbau der Entladungsstrecke (d.h. zum Durchzünden) der Luftspalt zum schnellen Nachführen von Energie genutzt wird. Solche Anordnungen sind nach dem Durchzünden (also im Betriebszustand) sehr gut zu regeln und besitzen im Betriebszustand moderate Sekundärspannungen, die sich wiederum günstig auf die Lebenddauer des Trafo auswirken.
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Es ist aber ein Kompromiss einzugehen, da eine solche Anordnung beim Aufbau einer ununterbrochenen Entladung bzw. dem Durchzünden einen sehr hohen Spannungsbedarf besitzt. Dieser wird durch Verwendung eines angepassten Luftspaltes bzw. ein angepasstes Herabsetzen der Induktivität begrenzt, um den Trafo und den Generator zu schonen.
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Nach dem Durchzünden wird bei derartigen Anordnungen Energie in die Gasentladung durch sogenannte „kapazitive Nachglimmprozesse“, bei denen es sich um phasenversetzte Blindströme handelt, geliefert. Diese sorgen dafür, dass der Entladungsbogen nahezu durchgängig leitfähig bleibt.
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Unter Gleichdruckbedingungen schnüren sich Entladungsbögen zusammen, was auch als „Streamerbildung“ bezeichnet wird. Sie besitzen dann am Ansatzpunkt auf den Elektroden sehr hohe Leistungsdichten. Nachteilig an einem solchen Betrieb ist, dass sich der Entladungsbogenansatz zumeist als Glühkathode ausbildet und die Elektrodenoberflächen stark oxidieren, weil die Elektroden sich am Ansatzpunkt punktförmig stark aufheizen. Die Elektroden unterliegen daher einem starken Verschleiß, was - je nach Elektrodenzustand - zu einem nicht konstanten Brennverhalten führt.
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Hohe sekundärseitige Blindströme ziehen auch hohe primärseitige Blindströme nach sich. Diese führen zu einer großen Belastung der Schaltorgane.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Hochspannungstransformator bereit zu stellen, mit dem eine Gasentladungsstrecke schnell und sicher innerhalb einer Periodendauer zündet, die Entladung aber nicht über die gesamte Periodendauer aufrecht erhalten bleibt, um die nachteiligen Effekte ausgeprägter kapazitiver Nachglimmeffekte zu verringern. Gleichzeitig sollen dabei primärseitige Schaltorgane im Generator, der den Hochspannungstransformator primärseitig versorgt, möglichst wenig belastet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hochspannungstransformator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Hochspannungstransformator weist einen Kern auf, auf dem beabstandet voneinander mindestens zwei Primärwicklungen gegensinnig zueinander angeordnet sind, und eine Sekundärwicklung, die auf oder unter einer der Primärwicklungen auf dem Kern angeordnet ist.
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Die gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche gegensinnig gewickelte mindestens eine weitere Primärwicklung führt zu einer Verzerrung des primären Stromverlaufs. Konkret verzögert sich anfänglich, d.h. nach Beaufschlagen der Primärseite mit einem Spannungspuls, die Stromanstiegsrate im primären Stromverlauf verglichen mit einer einfachen Primärwicklung. Durch das anfängliche Verzögern stellt sich danach eine umso größere primärseitige Anstiegsrate ein, die sekundärseitig zu einer zum sicheren Zünden ausreichenden Hochspannung führt. Nach dem Zünden wird dann die im Kern bzw. Streufeld gespeicherte magnetische Leistung über die Sekundärwicklung und die Gasentladungsstrecke abgeführt, so dass die eingebrachte Energie nicht wieder zurück in einen primärseitigen Generator gelangt. Dadurch tritt nur eine geringe Belastung des Generators durch Blindleitung auf und entsprechend werden elektronische Halbleiter-Schaltelemente im Generator weniger belastet.
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Es zeigt sich weiter, dass sekundärseitig die Spannung nach dem Zünden der Gasentladung schnell auf 0 zusammenbricht und nur gering nachschwingt. Die Gasentladungsstrecke ist dann spannungsfrei und stabilisiert die Gasentladung nicht mehr. Dadurch wird die Gasentladung nicht über die gesamte Periodendauer aufrechterhalten, wodurch sich die Elektroden nicht stark aufheizen und ihre Lebensdauer verlängert wird. Da mit dem nächsten Puls die Gasentladung wieder sicher gezündet wird, bildet sich dennoch zuverlässig eine quasikontinuierlich brennende Gasentladung aus.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird dabei als ein Hochspannungstransformator ein Transformator verstanden, der für sekundärseitige Spannungen über 900 Volt (V) ausgelegt ist und der gesonderte Vorkehrungen aufweist, um sekundärseitige (Teil-) Entladungen am Transformator zu vermeiden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochspannungstransformators ist der Kern geschlossen. Bevorzugt weist er einen Mittelsteg auf, der weiter bevorzugt frei von den Primärwicklungen und der Sekundärwicklung ist. Weiter bevorzugt sind Wicklungsverhältnisse zwischen einer der Primärwicklungen und der Sekundärwicklung von etwa 1:30 bis 1:100 vorgesehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Hochspannungstransformators weist der Kern unter mindestens einer der Primärwicklungen mindestens einen Luftspalt auf. Dieser hat bevorzugt eine Breite im Bereich von Millimetern. Es kann dabei unter den mindestens zwei Primärwicklungen jeweils einen Luftspalt vorgesehen sein, wobei diese auch unterschiedlich breit sein können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Hochspannungstransformators ist die Sekundärwicklung über eine der Primärwicklungen gewickelt. Es wird so ein besonders großer Isolationsabstand zum Kern erreicht, der hohe Sekundärspannungen möglich macht. Bevorzugt wird die Sekundärwicklung dabei auf einem Kammerwickelkörper angeordnet, wodurch eine hohe parasitäre Kapazität erzielt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung eines Hochspannungstransformators und einer Gasentladungsstrecke, zeichnet sich durch einen derartigen Hochspannungstransformator aus, wobei die Gasentladungsstrecke mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Hochspannungstransformator genannten Vorteile.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Anordnung weiter einen Generator auf, der mit einer Reihenschaltung der mindestens zwei Primärwicklungen verbunden ist. Bevorzugt ist der Generator dazu ausgebildet und eingerichtet, eine gepulste Gleichspannung abzugeben. Die gepulste Gleichspannung kann beispielsweise eine Frequenz zwischen 8 kHz und 100 kHz. Bevorzugt weist die gepulste Gleichspannung des Generators ein Pulsweitenverhältnis zwischen 1 % und 50 % und insbesondere zwischen 1 % und 15 % auf. Insbesondere wird eine Frequenz zwischen 20 kHz und 24 kHz und ein Pulsweitenverhältnis von 1 % bis 9 % bei Luft als Gas in der Gasentladungsstrecke gewählt. Bei Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases, z.B. eines Formiergases, in der Gasentladungsstrecke liegt die Frequenz bevorzugt zwischen 28 kHz und 35 kHz und das Pulsweitenverhältnis zwischen 5 % und 15 %. Als „gepulste Gleichspannung“ ist dabei im Rahmen der Anmeldung jede pulsförmige Spannung einer Polarität zu verstehen, unabhängig von der Form des Pulses. Dieser kann rechteckförmig sein, kann aber auch andere Formen, insbesondere mit geringerer Flankensteilheit aufweisen, also z.B. die Form einer Sinus-Halbwelle.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist die Gasentladungsstrecke eine Entladungsstrecke mit angeregten Gasen. Durch den erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator können auch längere Gasentladungsstrecken sicher gezündet werden. Längere Entladungsstrecken sind bei einer technischen Nutzung von Entladungen vorteilhaft, um Gasentladungsstrecken mit größerer Leistung für eine technische Nutzung bereitstellen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein schematischer Aufbau einer Anordnung zum Erzeugen einer Gasentladung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines sekundären Spannungsverlaufs und eines primären Stromverlaufs während einer Gasentladung.
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1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Anordnung zur Erzeugung einer Entladung 6, die sich zwischen zwei Elektroden 5 aufbaut. Die Elektroden 5 können sich dabei als metallische Elektroden in einem dielektrischen Medium, bevorzugt ein Gas und insbesondere einem strömenden Gas befinden. Mindestens eine der Elektroden 5 kann auch in sich als dielektrische Elektrode aufgebaut sein, dahingehend, dass ein leitfähiger, zumeist metallischer Kern von einem nicht leitenden Dielektrikum umgeben ist. Das Dielektrikum kann z.B. durch ein Metalloxid an der Oberfläche der Elektroden gebildet sein. Als Elektrodenmaterial kann auch ein Halbleitermaterial eingesetzt werden.
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Die Elektroden 5 sind über Hochspannungsleitungen 4 mit einem Hochspannungstransformator 10 verbunden. Dessen Aufbau wird nachfolgend gesondert erläutert. Der Hochspannungstransformator 10 wiederum ist mit einem Pulsausgang 2 eines Generators 1 verbunden. An dem Pulsausgang 2 gibt der Generator 1 eine schematisch auf dem Symbol des Generators 1 in der 1 dargestellte Pulsfolge 3 ab. Diese Pulsfolge weist eine Periodendauer T auf, die einer Frequenz im Bereich von einigen 10 kHz entspricht, insbesondere im Bereich von 18 kHz (Hörgrenze) und 100 kHz liegt.
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Der Hochspannungstransformator 10 weist einen Kern 11 auf, der bevorzugt aus einem Ferritmaterial gefertigt ist.
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Im dargestellten Beispiel weist der Kern die Form einer „8“ auf, ist also ein geschlossener Kern mit zwei äußeren Schenkeln 12 und einem Mittelsteg 13. Auf beiden Schenkeln 12 sind Wicklungen angeordnet, wie nachfolgend noch detaillierter erläutert wird. Der Mittelsteg 13 wirkt in Art eines magnetischen Nebenschlusses bei einem ansonsten ringförmigen Kern 11. Alternativ sind auch Anordnungen ohne Mittelsteg 13 möglich.
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Auf beiden Schenkeln 12 sind in Kernabschnitten 14a bzw. 14b jeweils Wicklungen angeordnet, und zwar eine erste Primärwicklung 16a im Bereich des Kernabschnitts 14a und eine zweite Primärwicklung 16b im Bereich des Kernabschnitts 14b. Innerhalb der Kernabschnitte 14a und 14b befinden sind optionale Luftspalte 15a bzw. 15b, deren Breite (Luftstrecke) im Bereich von mm liegt und für beide Kernabschnitte 14a, b unterschiedlich groß sein kann.
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Die beiden Primärwicklungen 16a und 16b sind elektrisch in Serie geschaltet, wobei der Wickelsinn derart ist, dass die im Kern 11 hervorgerufenen Flüsse der beiden Primärwicklungen 16a, b gegensinnig verlaufen.
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Über eine der Primärwicklungen, vorliegend die erste Primärwicklung 16a, ist eine Sekundärwicklung 17 gewickelt, die mit den Hochspannungsleitungen 4 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 17 hat eine um ein Vielfaches größere Windungszahl als die erste Primärwicklung 16a, so dass der Hochspannungstransformator 10 spannungshochstellend arbeitet.
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Die zum Betreiben der Entladungsstrecke für die Entladung 6 vorteilhaften Eigenschaften des Hochspannungstransformators 10 resultieren aus der Wirkung der Serienverschaltung der ersten und der zweiten Primärwicklung 16a, 16b. Die Wirkungsweise der Serienverschaltung der beiden Primärwicklungen 16a, 16b wird anhand des Diagramms 20 der 2 verdeutlicht.
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In dem Diagramm 20 ist im oberen Teil ein Strom Ip in den Primärwicklungen 16a, 16b in Abhängigkeit einer Zeit t in Form eines primären Stromverlaufs 21 dargestellt. Im unteren Teil ist eine Spannung Us an der Sekundärwicklung 17 in Abhängigkeit der Zeit t in Form eines sekundären Spannungsverlaufs 22 dargestellt. Die horizontale Achse, auf der die Zeit aufgetragen ist, gilt für beide Diagrammteile.
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Der primäre Stromverlauf 21 gibt den durch die erste bzw. zweite Primärwicklung 16a, 16b fließenden Strom wieder. Der sekundäre Spannungsverlauf stellt die an den Elektroden 5 anliegende Spannung, also die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 17 dar. Dargestellt ist der Zeitverlauf über eine Periodendauer T, wobei vom Pulsgenerator 1 die Anordnung der Primärwicklungen 16a, 16b für eine Einschaltdauer tP mit einer Spannungsquelle verbunden wird und danach für eine Ausschaltdauer tovon der Spannungsquelle getrennt wird. Bei einem Anschluss einer ohmschen Last an den Generator 1 würde sich also die schematisch in 1 dargestellte Pulsfolge 3 am Ausgang des Generators einstellen. Aufgrund der induktiven Last, die der Hochspannungstransformator 10 darstellt, stellt sich statt eines rechteckförmigen Stromverlaufs der in der Kurve 21 dargestellte Stromverlauf ein. Insbesondere ist zu erkennen, dass der Strom langsam ansteigt, was durch die zunächst als Gegentaktdrossel arbeitende zweite Primärwicklung 16b hervorgerufen wird.
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Mit weiter ansteigendem Strom erfolgt eine Sättigungsmagnetisierung des Kerns 11 durch die Primärwicklungen 16a, 16b, wodurch Blindstrom produziert wird.
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Durch den zwar langsamer, aber dennoch ansteigenden Strom wird in der Sekundärwicklung 17 Spannung induziert, die zu einem Zünden der Entladung 6 führt. Die gezündete Entladung 6 ist anhand der absinkenden Spannung im sekundären Spannungsverlauf 22 zu erkennen.
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Die besonders guten Zündeigenschaften des dargestellten Hochspannungstransformators 10 beruhen auf einer Verzerrung des Stromverlaufs, konkret einem anfänglichen Verzögern der Stromanstiegsrate im primären Stromverlauf 21, wobei durch das anfängliche Verzögern sich danach eine umso größere primärseitige Anstiegsrate einstellt, die sekundärseitig zu einer zum Zünden ausreichenden Hochspannung führt. Aufgrund des Zündens wird dann die im Kern bzw. Streufeld gespeicherte magnetische Leistung über die Sekundärwicklung 17 und die Entladung 6 abgeführt, so dass die eingebrachte Energie nicht wieder zurück in den Generator 1 gelangt. Dadurch tritt nur eine geringe Belastung des Generators 1 durch Blindleitung auf und entsprechend werden die elektronischen Halbleiter-Schaltelemente im Generator 1 weniger belastet. Der sekundäre Spannungsverlauf 22 in 2 zeigt, dass die Spannung nach dem Zünden der Entladung 6 schnell auf 0 zusammenbricht und nur gering nachschwingt. Diese ist dann spannungsfrei und stabilisiert den Entladungsbogen nicht mehr. Die Entladung 6 wird somit nicht über die gesamte Periodendauer T aufrechterhalten, sondern in der nächsten Periode erneut gezündet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- Pulsausgang
- 3
- Pulsfolge
- 4
- Hochspannungsleitung
- 5
- Elektrode
- 6
- Entladung
- 10
- Hochspannungstransformator
- 11
- Kern
- 12
- Schenkel
- 13
- Mittelsteg
- 14a, b
- Kernabschnitt
- 15a, b
- Luftspalt
- 16a
- erste Primärwicklung
- 16b
- zweite Primärwicklung
- 17
- Sekundärwicklung
- 20
- Diagramm
- 21
- Primärer Stromverlauf
- 22
- Sekundärer Spannungsverlauf
- T
- Periodendauer
- tP
- Einschaltdauer (Pulsdauer)
- to
- Ausschaltdauer
- IP
- Strom in den Primärwicklungen
- Us
- Spannung an der Sekundärwicklung
