DE1563146A1

DE1563146A1 - Kaskadengenerator mit mindestens einer Querinduktivitaet

Info

Publication number: DE1563146A1
Application number: DE19661563146
Authority: DE
Inventors: Goebel Dipl-Phys Dr Walter
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1966-11-09
Filing date: 1966-11-09
Publication date: 1970-01-08
Also published as: US3539903A; CH460932A

Description

BROWN, BOVERI & CIE AG
MANNHEIM

Mannheim, den 25.10.1966 Pat.Ki/Mi

Mp.-Nr. .670/66

Kaskadengenerator mit mindestens einer Querinduktivität

Die Erfindung betrifft einen Kaskadengenerator mit mindestens einer Querinduktivität.

Hochspannungsgeneratoren für Gleichspannung werden u.a. zur Erzeugung energiereicher Elektronen und Ionen verwendet. Gegenüber den anderen bekannten Anordnungen für diesen Zweck zeichnet sich der Kaskadengenerator dadurch aus, daß er neben einer hohen Spannung auch noch hohe Dauerströme bei gutem Wirkungsgrad liefern kann.

Bezeichnet bei einem Kaskadengenerator U den Scheitelwert der eingespeisten Wechselspannung, N die Zahl der Stufen, so ergibt 'sich als Grenzspannung im Leerlauf des idealen und verlustfreien Generators

ir_GL = 2 Nu₀ (D

Die Spannung kann jedoch durch Hinzunahme weiterer Stufen nicht beliebig erhöht werden. Infolge der stets vorhandenen Querkapazitäten, welche sich aus den Kapazitäten der Gleichrichterventile, den Kapazitäten zwischen den Kondensatorsäulen und der Kapazität des Generators zu seiner Umgebung, z.B. einem Drucktank, zusammensetzen, fließen erhebliche Blindströme, welche ebenso wie die Lastströme an den Schubkondensatoren Spannungsabfälle hervorrufen. Diese -verringern die Querspannung in den einzelnen Stufen und haben zur Folge, daß bereits die Leerlaufspannung den Wert U_GL in Formel (1) nicht erreicht (E. Everhardt, P. Lorrain: "Rev. Sci.Instr.", Vol. 24, 1953, 3, S. 221-226). Erst recht kann unter Belastung durch Vergrößern der Stufenzahl ein bestimmter Wert der Gesamtspannung nicht mehr überschrittten werden.

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Um die Greinacher-Kaskade trotzdem auch für höhere Stufenzahlen un& damit für höhere Spannung bei gutem Wirkungsgrad und einem erträglichen Aufwand an Bauelementen benutzen zu können, wurden bereits folgende Maßnahmen ergriffen:

a) Erhöhung der Speisewechselspannung. Dem sind durch die begrenzte Spannungsfestigkeit aller beteiligten Bauelemente Grenzen gesetzt. Auch sind zu hohe Querspannungen innerhalb der Kaskade unvorteilhaft.

b) Erhöhung der Betriebsfrequenz (Mittelfrequenz-bzw. Hochfrequenz-Kaskadengenerator). Auf diese Weise wird zwar der lastabhängige Spannungsabfall reduziert, jedoch nicht derjenige, der von Blindströmen verursacht wird.

ο·) Vergrößerung der Kapazität der Schubkondensatoren. Dem steht das Bestreben entgegen, den Energieinhalt der Kondensatorsäulen so klein wie möglich zu halten, da bei einem Überschlag, welcher in Hochspannungsanlagen nahezu unvermeidlich ist, schwere Beschädigungen, z.B. in einem Strahlrohr, angerichtet werden können.

d) Verwendung mehrerer auf die Kaskadenstufen verteilter Hochspannungstransformatoren, deren magnetischer Pluß entweder mittels mehrerer Trenntransformatoren, mittels geschichteter Isolierkerne oder mittels auf dein entsprechenden potential^ betriebenen, durch Isolierwellen angetriebenen Generatoren erzeugt wird. Derartige Kaskadengeneratoren sind jedoch sehr aufwendig und beanspruchen außerdem viel Raum (Pig. Ib).

β) Erdung des Transformatormittelpunktes und Hinzunahme einer separaten Glättungssäule. Dies verringert die Welligkeit der Gleichspannung und läßt außerdem eine Verdopplung der Transformatorspannung zu, ohne daß dieser eine höhere Spannung gegen den geerdeten Kern aufweist (symmetrische Einwegkaskade Pig. 1c).

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f) Zweiweggleichrichtung durch Verwendung der doppelten Anzahl von Gleichrichterventilen. Es verringert sich der last abhängig© Spannungsabfall und die Welligkeit (symmetrische Doppelwegkaskade Fig. 1d).

g) Einfügen von Hochspannungsdrosseln zwischen den von den Schubkondensatoren gebildeten Schubsäulen. Diese Drosseln sind zur Kompensation der Querkapazitäten mit diesen auf Parallelresonanz abgestimmt. Anordnung wie in Pig. Ie.

h) Ausbildung des Kaskadengenerators als Hochpaß-LC-Filter (Pig. ie) oder als Kettenleiter (Fig. If), wobei der Generator an seinem Hochspannungsende mit einem Anpassungswiderstand (Journal Nuclear Energy, Vol. 4, 1962, S. 65-67) oder einer entsprechend bemessenen Induktivität (E. Everhardt P. Lorrain: Eev .Sci.Instr., Vol. 24, 1953, 3, S. 221-226) abgeschlossen ist.

Alle diese Verfahren haben mit dem Kaskadengenerator nach Greinacher gemeinsam,.da3 die erreichbare Spannung höchstens dent in Formel (T) beschriebenen Leerlaufwert U_n^ entspricht. Ein gemeinsamer Nachteil ist, daß die einzelnen Stufenspannungen uneinheitlich sind und in der Regel von Stufe zu Stufe abnehmen, so daß der Potentialverlauf der Kaskade nicht linear ist. Da die Kichtlinearität belastungsabhängig ist, sind die einzelnen Stufen spannungsmäßig für den ungünstigsten Fall auszulegen, was einen zusätzlichen Volunen-und Kostenaufwand bedeutet.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen und durch eine geeignete Auslegung des eingangs geschilderten Kaskadengenerators eine Hochspannung zu erzeugen, deren Betrag bei vorgegebener Stufenzahl weit über den nach Gleichung (1) gegebenen Wert U_ßL liegt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querinduktivität mit der Gesamtkapazität der vorgeschalteten Kondensatoren einen Serienschwingkreis "bildet, dessen Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der Speisewechselspannung ist.

Dadurch wird erreicht, daß der Potentialverlauf mit guter Näherung linear und unabhängig von der Belastung ist. Durch die Verwendungsmöglichkeit kleinerer Kapazitäten ist die in den Kondensatorsäulen gespeicherte Energie weit geringer - weniger als ein Zehntel - als bei anderen vergleichbaren Anordnungen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind anstelle der einen Querinduktivität mehrere Teilinduktivitäten derart vorge sehen, daß diese mit den ihnen zugeordneten Kondensatoren ein System gekoppelter Schwingkreise bilden.

Nach einer v/eiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die eigentliche Kaskade mittels Kondensatoren vom Transformator entkoppelt. Dadurch wird die Linearität des Potentialverlaufes nochmals verbessert.

Die Pig. 2 gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Stufen wieder.

lie Tig. 5 zeigt in einen; Ausführungsbeispiel mit acht otufen den gesessenen Potentialverlauf als Verhältnis der 3pannun^· z*x der in Gleichung (i) definierten Große. Lie eingezeichneten Kurven entsprechen Lastwiderstänien R_p von 1000 ΙΊΓ; V.zw. IOC .·"■;,..

Ir. Pig. 4- wurde durch Variation cer Speisespannung H₀ f"ir beide Lastwiderstände der gliio?.e V/ert der Kocnsprin-

nung eingestellt und rr.it 1OC $> bezeicr.net. Die Kurven gebor, den jeweiligen gemessenen Pctentialverlauf an, die gestrichelte Kurve zeigt den streng linearen Verlauf.

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Der Kaskadengenerator nach Pig* 2 besteht aus zwei Schubsäulen, deren Kondensatoren C bzw. 2C bezeichnet sind. Die Leistung wird mittels des !Transformators, dessen Mittelpunkt sekundärseitig geerdet ist, über zwei Kondensatoren C_K zugeführt, deren Kapazität erfindungsgemäß kleiner ist als die der Schubkondensatoren. Die Gleichrichtung führen in bekannter Weise die zwischen den Schubsäulen angeordneten Gleichrichterventile D durch, deren · Kapazitäten CT mit den übrigen Querkapazitäten jeweils,gestrichelt eingezeichnet ist. Die Gesamtspannung U wird an der mit C bezeichneten Glättungssäule abgegriffen und liegt am Lastwiderstand R .

a ·

*ßer Transformator arbeitet in diesen Anordnungen gemäß der Erfindung als Stromwandler, der den*Strom für den Serienschwingkreis liefert.

Die in der Mitte der Kaskade angeordnete Querinduktivität L bildet erfindungsgemäß mit der Kapazität der vorgeschalteten Schubkon, densatoren, der Sekundärwicklung des Transformators und den ohmschen Ersatzwiderständen einen bei Resonanzfrequenz betriebenen Serienschwingkreis. Die Strombegrenzung dieses Kreises erfolgt durch die obenerwähnten ohmschen Ersatzwiderstände, welche durch die Verlustfaktoren der Bauelemente, durch zusätzliche Dämpfungswiderstände, aber auch durch die Dämpfung, welcher der Resonanzkreis durch den Laststrom unterliegt, gebildet werden. Die Querinduktivität hat somit die Wirkung eines Wechselspannungsgenerators, der den Stufen die Querspannung zuführt.

Statt einer Querinduktivität können auch mehrere angeordnet sein, z.B. in der dritten und achten eines aus zehn Stufen bestehenden KaBkadengenerators. Auf diese Weise sind also mehrere "Wechselspannungsgeneratoren" vorgesehen. *

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Transformator als Resonanztransformator betrieben, so daß der cos φ der Gesamtanlage gleich 1 ist. Zu diesem Zwecke ist auf der Primärseite oder auf der Sekundärseite des Transformators im Falle einer induktiven Phase eine zusätzliche Kapazität oder im Falle einer kapazitiven Phaee eine Induktivität angeordnet, die in Fig. 2 mit A bezeichnet sind. 909882/094 0

Claims

Patentansprüche:

/1.jKaskadengenerator mit mindestens eine-r ^uerinduktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die Querinduktivität mit der Gesamtkapazität der vorgeschalteten Kondensatoren einen Serienschwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequneζ gleich der Frequenz der Speisewechselspannung ist.
2. Kaskadengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der einen Querinduktivität mehrere Teilquerinduktivitäten vorgesehen sind.
3. Kaskadengenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stctkSMMSilixiJtält mittels Kondensatoren vom Transformator entkoppelt ist.
4. Kaskadengenerator nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator als Resonanztransformator betrieben ist, der entweder primärseitig oder sekundärseitig mit einer Kapazität bei induktiver Phase oder mit einer Induktivität bei kapazitiver Phase kompensiert ist.

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