DE1914000C3 - Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannung - Google Patents

Description

I 914 000

/wischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen keine besonders dicke Isolierung vorne- *.i>ht»n werden lcinn liip «Ir,;,,.. uu> i.\,- ι -ι. i

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die Große der zu erzeugenden Hochspannung begrenzt isi.

Das gleiche Problem tritt b;i einer anderen bekannten Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannung auf (vgl. deutsche Patentschrift 534 702) wo alle Primärwicklungen im wesentlichen auf dem gleichen Gleichspannungspotential liegen, weshalb es sehr schwierig ist, die Primärwicklung von der Sekundärwicklung derjenigen Teilgleichrichterzelle zu isolieren, die die höchste Potentialdifferenz aufweist.

Es ist auch bereits eine Reihenschaltung von Gleichnchlerzellen mit den zugehörigen Sekundärwicklungen eines Cileichrichlertransformators beschrieben worden r>gl. deutsche Auslegeschrift 1253 808), ohne daß dessen Primärwicklung dargestellt ist, so daß der Aufbau der Primärwicklung und deren Stromversorgung offengelassen sind.

Schließlich ist eine Einrichtung zum Erzeugen hoher Gleichspannungen der eingangs genannten Art bekannt (vgl. schweizerische Patentschiift 257 872). Jedoch speist bei dieser bekannten Einrichtung die Wechselspannungsquelle eine Primärwicklung, die auf einen Kern aufgewickelt ist, der also zu einem über Luft geschlossenen Magnetkreis gehört. Die Sekundärwicklungen jeder Teilgleichrichterzelle sind von .ier einzigen Primärwicklung und vom Kern durch ■:inen Isolierzylinder getrennt. Obwohl dort nicht ausdrücklich angegeben, dürften sich der Kern und die Primärwicklung auf einem mittleren Erdpotential befinden und dürfte die Primärwicklung um den Kern unterhalb der Sekundärwicklungen angeordnet sein, /war kann der Isolierzylinder ziemlich dick gewählt werden, um ein Überschlagen von der Primärwicklung über den Kern auf die Sekundärwicklungen zu vermeiden, doch hat diese bekannte Einrichtung den großen Nachteil, daß bei ihr der Magnetkreis zur Kopplung der Primärwicklung und der Sekundärwicklungen (Kern) nicht geschlossen ist, so daß die magnetischen Verluste hoch sind.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrund:?, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei niedrig gehaltenen magnetischen Verlusten die Isolierung zwischen den Sekundärspulen und der Übertragungswicklung verstärkt wird, damit die Einrichtung eine höhere Gleichspannung erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, d-ß die Übertragungswicklung aus einer einzigen, in sich geschlossenen Windung besteht, die jeweils nur einmal einen geschlossenen Magnetkreis zur Kopplung mit jeder Sekundärspule und einen geschlossenen Magnetkreis zur Ankopplung an die Wechselspannungsquelle durchsetzt und auf ein Potential gebracht ist, das einem Bruchteil der Ausgangsgleichspannung entspricht.

Eine davon unabhängige Lösung besteht darin, daß die Übertragungswicklung aus einer einzigen Windung besteht, die jeweils nur einmal einen geschlossenen Magnetkreis zur Kopplung mit jeder Sekundärspule durchsetzt, und daß diese Windung durch eine Kopplungswicklung zur induktiven Kopplung an die Wechselspannungsquelle angeschlossen und auf deren Gleichspannungspotential gebracht ist.

Da also bei beiden Lösungen die Übertragungswicklung eine einzige Windung ist und deshalb einen geringen Krümmungsradius aufweist, bereite! es keine Schwierigkeiten, die Isolier; hüllung der Ü beriragungswickiuiig sehr dick zu m, icn. ϊγπ Gegensatz dazu weisen die bekannten Übertragungswicklungen. wie bereits erwähnt, einen großen Krümmungsradius auf.

Im übrigen kann man, ausgehend von der gleichen Übertragungswicklung, nicht nur das jeweils ge wünschte Gleichspannungspotential erhalten, sondern ίο auch eine Leistung an einen oder mehrere Verbr.iui.herkreise übertragen, indem man diese Kreise ebenfalls induktiv mit der Übertragungswicklung koppelt: man kann dann auch diese Stromkreise auf ein mittleres Gleichspannungspotential legen oder bringen, das gleich irgendeinem der Potentiale längs der Kette der Teilgleichrichterzellen ist, indem man den Stromkreis an den Ausgang der geeigneten Teilgleichrichterzelle anschließt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden ίο nunmehr Ausführungsbeispif'. der erfindungsgemäßen Einrichtung ausführlich beschrieben. In der Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge.jiäßen Einrichtung nach einem ersten Lösungsprinzip,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Teilgleichrichters, mit dem jede von Zellen der Einrichtung nach Fig. 1 versehen sein kann,

F i g. 3 und 4 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung nach einem zweiten Lösungspiinzip,

F i g. 5 eine Abwandlung der Einrichtungen von F i g. 3 und 4,

F i g. 6 ein Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem eine dreiphasige Speisung vorgesehen ist,

F i g. 7 einen waagerechten Schnitt längs der Linie VII-VIl durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6,

F i g. 8 eine schematische Darstellung der Kopplung zwischen der dreiphasigen Speisung und den Wicklungen der Einrichtung nach F i g. 6,

F i g. 9 und 10 schematische Darstellungen, einerseits im Längsschnitt und andererseits im Querschnitt, längs der Linie X-X der F i g. 9, eines Beschleunigers für geladene Teilchen, bei dem die Erfindung angewendet wird,

Fig. 11 ähnlich F i g. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung soll eine hohe Gleichspannung liefern, wobei von einer einphasigen Niederspannungs- Weciis-lspannungsquelle ausgegangen wird. Die Einrichtung umfaßt eine Übertragungswicklung 10, die hier aus einer einzigen langgestreckten Windung eines elektrischen Leiters besteht. Diese Windung ist beispielsweise ein Kabel oder ein voller oder hohler Kupferstab, der mit einer elektrischen Isolierung 12 umgeber, ist, von der nur ein Teil schematisch dargestellt ist. Die Isolierung 12 kann aus einem Polyäthylenrohr oder einem Quarzrohr bestehen, das in Berührung mit der Windung steht oder von dieser durch eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Vakuum getrennt ist.

Bei dem in F i g. 1 schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiel speist die Wechselspannungsquelle 14 einen Frequenzwandler 16, der seinerseits induktiv mit der Übertragungswicklung 10 gekoppelt

ist. Die Aufgabe des Frequenzwandler besteht darin, bekannter Art benutzen, an die sich ein Filter an-

die Frequenz der Wechsclspannungsquellc (im allge- schließt.

meinen die Frequenz des Netzes, d. h. 50 oder 60 Hz) Die prinzipielle Ausführung entsprechend der

auf eine wesentlich höhere Frequenz (beispielsweise F i g. 1 kann in unterschiedlicher Weise abgewandeil

500 Hz) umzusetzen und den cos 7 des Stromkreises 5 werden. Man kann insbesondere abwechselnd »Halb-

ZU erhöhen. Derartige Frequenzwandler sind bekannt, zellen« auf der einen und der anderen Seite der lang-

sic verwenden beispielsweise Thyristoren und haben gestreckten einzigen Windung anordnen, welche die

einen guten Wirkungsgrad. Es dürfte selbstverständ- Übertragungswicklung 10„ bildet, wie dies die F i g. .1

lieh sein, daß man bei Verwendung von sehr hohen zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel hat mehrere Vor-

Frcqucnzcn, beispielsweise von 2000 Hz, die Magnet- 10 teile: es gestattet, die Spannung jeder Zelle zwischen

kreise der Geräte aus einem Material mit kleinen zwei Sekundärspulen aufzuteilen, von denen jede nur

Verlusten, wie etwa aus Ferrilcn, aufbauen muß. mit der Hälfte der Gleichspannung 1/ beansprucht

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fi g. 1 ist der wird. Bei einer gegebenen Leistung erhält man so eine Frequenzwandler 16 induktiv mit der Übertragungs- wesentliche Verringerung des Raumbedarfs. Schließwicklung 10 über einen geschlossenen Magnelkreis 18 15 lieh ist die übertragungswicklung besser mit sämtgckoppelt, der die Übertragungswicklung 10 voll- liehen Magnetkreisen gekoppelt, wodurch sich noch ständig umgibt und auf den eine Primärspule 20 auf- die Streuverluste verringern.

gewickelt ist, die von dem Frequenzwandler 16 ge- Die in F i g. 3 dargestellte Einrichtung unterspeist wird. Man kann auch andere Möglichkeiten scheidet sich außerdem noch von der Einrichtung nach für die Speisung der Übertragungswicklung 10 an- 20 F i g. 1 durch die Art der Kopplung der Übertragungswenden. So ist es insbesondere möglich, die Wechsel- wicklung mit der Wechselspannungsquellc. Die Überspannungsqucllc 14 unmittelbar an die Enden A und B tragungswicklung 10 nach F i g. 1 ist in sich geder aufzuschneidenden Übertragungswicklung anzu- schlossen und vollständig von dem Magnetkreis 18 schließen, die dann also nicht mehr in sich geschlossen umscb'ossen. Diese Anordnung macht es in der ist. ^a5 Praxis nötig, für den Querschnitt des Magne'.kreises 18

Die Übertragungswicklung IO ist induktiv mit einer einen Wert in der gleichen Größenordnung zu wählen größeren Zahl von einander gleichen Zellen 22,. 22₂ wie für die Summe der Querschnitte der Magnetbis 22„ gekoppelt. Die 7elle 22, ist mit der Über- kreise 24,. 24, bis 24„. wenn man einen hohen Werl tragungswickiung 10 über einen geschlossenen Magnei- für die ausnutzbare Wechselspannung an den Klemmen kreis 24, gekoppelt, der die Übertragungswicklung 3° der Sekundärspulen 26„ 26₂ bis 26„ erreichen will, vollständig umgibt, um die magnetischen Verluste Im Gegensatz hierzu ist die Übertragungswicklung 10„ klein zu hallen. Dieser Magnetkreis trägt eine Sckun- der F i g. 3 über eine Kopplungswicklung 39 derarl därspulc 26,, die einen glättungsfilternden Teilgleich- geschlossen, daß der Magnetkreis 18₀ nicht mehr der richtcr 28, speist. Dieser kann beispielsweise eine An- obengenannten Bedingung entsprechen muß. Anordnung sein, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist und die 35 dcrerseits muß aber die Wicklung auf das Gleichcinc Glcichrichtcrbrückenschaltung mit vier Dioden 30 Spannungspotential der Wechselspannungsquelle I4„ aufweist, an die sich ein Glättungsfilter aus zwei gebracht werden, was bedeutet, daß die Isolierung 12₀ Kondensatoren 32 und einer Sclbstinduktionsspule 34 die Spannung U aushalten muß. Die Kopplungsanschlicßt. wicklung 39 kann nämlich nur aus einem biegsamen

Der negative Ausgang 38, der Zelle 22, ist mit 40 Leiter hergestellt werden, also mit einer schwachen

Masse verbunden, während der positive Ausgang 36, Isolierung, die nicht in der Lage ist, die Spannung L

an den negativen Auscanc 38₂ der folecnden Zelle 22» , ., V ...

angeschlossen ist. Die Zellen 22₂. 22₃. 22₄ bis 22,! °^{der Sdbst} 2 ^zuhalten.

sind sämtlich in der gleichen Weise ausgebildet, so Die in F i g. 4 dargestellte Einrichtung (wobei

daß zwischen Masse und dem Ausgang 36„ der 45 Einzelteile, welche bereits beschriebenen Einzelteilen

letzten Zelle eine Gleichspannung U η · u besteht, entsprechen, das gleiche Bezugszeichen »κ vorher,

wenn 1/ die Gleichspannung zwischen den beiden aber mit dem Index b tragen) ist dazu bestimmt, eine

Ausgängen einer Zelle ist. besonders hohe Gleichspannung zu liefern, beispicls-

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird weise eine Gleichspannung in der Größenordnung die Übertragungswicklung 10 auf ein Gleichspannungs- 50 Megavolt. Man benutzt dabei zwei Einrichtungen dei potential gegenüber Masse gebracht, das gleich -f 2w Art nach Fig. 1. die in Kaskade geschaltet wcrder ist, da diese Wicklung an den positiven Ausgang der (gegebenenfalls kann man auch mehr als zwei AnZelle 22, angeschlossen ist. Ordnungen in Reihe schalten). In der F i g. 4 erkennl

Im allgemeinen hat man ein Interesse daran, die man wieder bei jeder Einrichtung eine erste Windunc

Übertragungswicklung mit dem Ausgang einer Zelle 55 die eine Übertragungswicklung 10» darstellt und au<

zu verbinden, welche derart gewählt wird, daß das einer Wechselspannungsqucllc 14h gespeist wird

Potential an dieser Stelle möglichst nahe bei dem welche über einen Magnetkreis 18n mit der Über-

Wert " liegt; die Isolierung 12 der Übertragung- ^agungswicklung gekoppelt ist. Der Übertragungs 2 ^fc - wicklung 10b sind Zellen 22,„. ... 22_M zugeordnet

V.:cL!^~g !C ~;..7Δ J^r.r, r.üT ΓΛ.'. «Cr .!ü..tC ^.Cr .U- "" «J«··«-'· Ausgange in Rciiic gvst-iiuuct Mirti. SO Oai

samten Gleichspannung der Einrichtung beansprucht. zwischen dem Ausgang 23_mt, und der Masse eine

Wenn beispielsweise die Einrichtung für die Lieferung Potentialdifferenz V — η · ι/ vorhanden ist.

einer Gleichspannung von 500 kV ausgelegt ist, wird Die Übertragungswicklung 10», in Form cinci

die Übertragungswicklung 7*aeckrr.äBigerweise an Windung ist induktiv über einen geschlossener eine Gleichspannung von 250 kV gelegt. 65 Magnetkreis 4'J mit einer zweiten Obcrtrngungswick-

An Stelle eines Tcilglcichrichtcrs der in F i g. 1 lung 42 gekoppelt, die der ersten vollkommen glcicl

und 2 dargestellten Art kann man natürlich in jeder sein kann. Dieter Übertragungswicklung sind /cllci

/eile auch eine Spannungsvcrviclfachungsschallung 44, bis 44„ in g'cichcr Anzahl und gleichem Aufbni

7 8

zugeordnet wie die Zellen 22,_α bis 22_nn. Sämtliche unter einem Druck von einigen bar verwenden. Das Zellen sind mit ihren Ausgängen in Reihe geschaltet, Haubengehäuse 60 aus Metall wird an Masse angeder Ausgang 23n6 ist mit dem Eingang 46, der Zelle 44, schlossen und stellt einen Rückstromleiter für die verbunden; man erhält auf diese Weise eine gesamte leitenden Übertragungswicklungen dar. Diese ÜberGleichspannung von 2U. 5 tragungswicklungen umfassen im Fall des in Fig. 6

Als Beispiel kann angegeben werden, daß jede gezeigten dreiphasigen Ausführungsbeispiels zwei

einzelne Zelle für die Lieferung einer Gleichspannung leitende Stäbe 62 und 64, die beispielsweise aus Kupfer

in der Größenordnung von 60 kV ausgelegt v/erden sind. Das obere Ende der Stäbe ist an dem oberen

kann. Es ist natürlich möglich, wesentlich niedrigere Teil des Haubengehäuses 60 befestigt, also an Masse

Werte anzuwenden, beispielsweise etwa 5 kV, man io angeschlossen. Die unteren Enden der leitenden Stäbe

muß aber dann die Anzahl der Zellen vergrößern, um 62 und 64 führen durch den Boden 66 des Hauben-

eine gegebene gesamte Gleichspannung U zu erhalten. gehäuses 60 mit Isolatordurchführungen 68 und 70

Man kann auch eine Einrichtung gemäß K i g. 5 hindurch, welche lediglich die Wechselspannungs-

verwenden, bei der jede einzelne Zelle, anstatt direkt amplitude auszuhaken haben, die zwischen der Über-

mit der Übertragungswicklung 10_r gekoppelt zu sein, 15 tragungswicklung und dem Haubengehäuse durch

über einen Zwischenkreis gespeist wird, wie einen die entsprechende Speisung erzeugt wird. Die Stäbe

Übertragerkreis 48, für die Zelle 22, _e. " 62 und 64 sind induktiv mit der Speisestrom-

Dieses Ausführungsbeispiel hat einen Vorteil; quelle verbunden, wobei diese Kopplung Zweckes führt zu Magnetkreisen, deren Gesamtgewicht mäßigerweise aus einem Transformator 80 mit verkleiner als das Gesamtgewicht der Magnetkreise nach 20 änderbarem Übersetzungsverhältnis besteht. Die Kopp-F i g. 3 ist. So kann der Magnetkreis 50 auf einen lung erfolgt über drei Koppelwicklungen 72, 74 und Ring beschränkt werden, der aus einem spiralig auf- 76, die jeweils einige Windungen eines dicken isogewickelten Blechband besieht; dies stellt eine ins- lierten Drahtes umfassen, die auf die Schenkel eines besondere in bezug auf die Verluste sehr günstige dreiphasigen Magnetkreises aufgewickelt sind. Man Ausführungsform dar. Die Spule 52 verkleinert sich 25 kann insbesondere die schematisch in F i g. 8 verdann auf etwa 10 Windungen aus isoliertem Draht. anschaulichte Ausführung verwenden, bei der die Das Fehlen eines Luftspaltes verringert die Verluste Schenkel des Magnetkreises 78 die Primärspulen 72', des magnetischen Flusses auf einen sehr kleinen Wert. 74' und 76' tragen, die von dem Transformator 80 übertragerkreis 48, kann mit dem Verbraucherkreis gespeist werden. In dem Haubengehäuse 60 sind in über einen. Transformator helcannier Rauari gekoppelt 30 gleichmäßigen Abständen Äquipotentialplatten horiwerden, der billig ist. Bei einem ausgeführten Ver- zontal angeordnet, von denen nur drei mittlere — mit suchsmodell der Einrichtung hat man einen Trans- den Bezugszeichen 82, 84 und 86 — dargestellt sind, formator verwendet, der dazu bestimmt war -- aus- Man kann beispielsweise im Fall eines Generators, gehend von einer effektiven Spannung von 100 V der eine hohe Gleichspannung von 300 kV liefern auf der Primärseite —,auf der Sekundärseite eine 35 soll, 12 Platten verwenden; die Gleichspannung effektive Wechselspannung von 10 kV zu liefern. Das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten ist dann Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 gestattet es ferner, 25 kV.

die Zelle (beispielsweise die Zelle 22,_r) von der Über- _ Die leitenden Stäbe 62 und 64 durchsetzen die

tragungswicklung 10_e durch eine einfache Verlange- Äquipotentialplatten und sind mit Isolierhüllen 88

rung der Verbindungsleiter zwischen den Spulen 52 4° und 90 versehen, welche der Beanspruchung durch die

und 54 auf einen größeren Abstand zu bringen. Die Differenz der Spannung zwischen den Stäben 62 und

Magnetkreise 50 und 56 können je nach der Frequenz 64 (deren Potential nahe bei dem Massenpotential

der Speisespannung für die Übertragungswicklung 10c liegt) und der Platte mit der maximalen Spannung

aus einem elektrisch leitenden Material (beispielsweise gewachsen sein müssen. In dem Fall eines Generators

Ferrosiliziumblech) oder einem isolierenden Material 45 von 300 kV, dessen Haubengehäuse 60 mit Schwefel-

(wie Ferriten) bestehen. hcxafluorid unter einem Druck von 5 bar gefüllt ist,

Die in den F i g. 1 bis 5 veranschaulichten Ein- muß man cinenAbsland von zumindest 3 cm zwischen richtungen verwenden eine Einphasen-Wechselspan- dem Rand der Äquipotentialplatten und dem Haubennungsquelle. Damit der Welligkeitsanteil der Gleich- gehäuse 60 vorsehen und^ic Isolierung auf zumindest spannung, welche diese Einrichtungen liefern, in ver- 5° 25 cm von der oberen Äquipotentialplatte aus vertretbaren Grenzen bleibt, ist es wünschenswert, die längern, um eine Ausbildung von Kriechfunken dei Teilgleichrichter mit Filtern auszustatten, die aber hohen Generatorspannung bis zum Überschlag zu höhere Kosten mit sich bringen, insbesondere wegen vermeiden,
der Kondensatoren, die in ihnen vorgesehen sind. Es sei darauf aufmerksam gemacht, daß im allge-

Andererseits weiß man, daß bei zahlreichen indu- 55 meinen Stäbe 62 und 64 großen Querschnitts notstriellen Anwendungen noch ein durchaus nicht ver- wendig sind, da diese Windungen die notwendige nachlässigbarer Welligkeitsgrad zugelassen werden Leistung mit einer sehr kleinen Wechselspannung kann; die in den F i g. 6 und 7 veranschaulichte Ein- übertragen; bei einem Generator von 20 mA und richtung verwendet eine dreiphasige Wechselspan- einer Spannung von 300 kV, bei dem die Koppelnungsquelle und Teilgleichrichter mit zwei Gleich- 60 wicklungen 72, 74 und 76 einige Windungen haben, fiVhtpr<5frnm7»v<»i<w»n «o HoR «in onfsnrpohend pe- mfi"!sen Hie Stiihe 62 und A4 einen Strom vnn m»W™· ringer Welligkeitsgrad auch ohne Verwendung von 100 A führen.
Filtern erzielbar ist. Die zur Erzeugung der Gleichspannung zwischen

Die schematisch in F i g. 6 veranschaulichte Ein- den aufeinanderfolgenden Äquipotcntiu!platten berichtung umfaßt ein Hauhengehäuse 60. das elektrisch 65 stimmten Zellen sind einander gleich. um! infolgeleitend ist. Das Haubcngehfui.se 60 ist vollkommen dessen wird nur die zwischen den Platten 84 und 86 dicht und mil isolierendem Gas unter Überdruck eingebaute Zelle beschrieben. Diese /eile umfaßt gerülii. Man kann insbesondere Schwefelhexafluorid einen magnetischen Kopplungskreis 92, der (wie

9 10

schematisch in F i g. 7 angegeben) aus einem Rahmen bereits ot.-n beschrieben wurde, durch deren Magnet ferromagnetische!! Materials mit drei Schenkeln be- kreise die Übertragungswicklung 110 hindurchgeht stellen kann. Die Stäbe 62 und 64 gehen jeweils Eine Wechselspannungsquelle 118 kann ein Wechselzwischen zwei Schenkeln des Rahmens hindurch. stromgenerator sein, der von einem Elektromotoi Auf diesen Schenkeln sind drei Spulen 94, 96 und 98 5 angetrieben wird, oder eine Spannungsquelle ohne aufgewickelt, welche einen dreiphasigen Tcilgleich- bewegliche Teile, die ihre Energie aus dem Netz mil richter speisen. Man kann insbesondere als Teilgleich- 50 oder 60 Hz bezieht. Die Frequenz der Wechselrichter einen Gleichrichter in Graetz-Brückenschaltung spannungsquelle 118 liegt zwischen einigen Hz unc verwenden. Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß man einigen 1000 Hz.

diesem Teilgleichrichter einen Filter zuordnen kann, io Je nachdem, ob die von dem Beschleuniger verlangte der in Fig. 6 durch einen Kondensator 99 angedeutet Leistung klein oder groß ist, ändert sich die Wechselist. Dieser Aufwand ist im allgemeinen aber nicht spannung, die von der Übertragungswicklung 1 IC notwendig, da die gelieferte Hochspannung nur eine benötigt wird, von einem Bruchteil eines Volt bis zt relativ geringe Welligkeit hat. einigen 10 Volt; der Strom in der Übertragungswick-

Eine Einrichtung entsprechend den obigen An- 15 lung 110 kann einen Wert von 100 A übersteigen,

gaben ist ausgeführt worden, sie war in einer Glocken- Die Übertragungswicklung kann voll oder höh

haube von 1 m Höhe und 300 mm Durchmesser ein- ausgebildet sein. Im letzteren Falle kann sie von einei

gebaut. Die Hochspannungsausführung bestand aus Flüssigkeit durchströmt werden oder von Gas, urr

einem isolierten Kabel, das an der oberen Stirnfläche die Kühlung zu verbessern (die Flüssigkeit kann eine

des Glockengehäuses durch einen Durchführungs- 20 sehr tiefe Temperatur haben, um gegebenenfalls dei

isolator großer Länge herausgeführt wurde. Übertragungswicklung 110 Supraleitungs-Eigenschafi

Man erkennt, daß die soeben beschriebene Einrich- zu verleihen).

tung eine Hochspannung mit kleinem Oberwellen- Der durch die Übertragungswicklung 110 fließende

oder Welligkeitsgrad liefert, ohne daß es notwendig Wechselstrom bildet den Primärstrom für jede Zelle

ist, die Teilgleichrichter mit Filtern auszustatten. Die 25 116, bis 116,₂ und induziert in dem geschlossener

maximale Gleichspannung, die zwischen zwei Platten Magnetkreis, weicher jeder Zelle zugeordnet ist, einer

vorgesehen werden kann, ist nicht mehr durch die magnetischen Fluß gleicher Frequenz, der eine Sekun-

Eigenschaften der Kondensatoren begrenzt, mit denen därspule durchsetzt, die aus einigen 100 bis einiger

Filter ausgestattet sein müßten. 1000 Drahtwindungen besteht, um an ihren Klemmer

Man kann also die An?ihl der 7ellen gegenüber 30 bei normalen Ausnutzungsbedingungen eine Wechsel

der Anzahl, die in den ,Ausführungsformen nach spannung von einigen 1000 bis einigen 10 000 V zt

F i g. 1 bis 5 notwendig ist, wesentlich verringern. Man liefern, entsprechend dem Ausführungsbeispiel, wie

erhält so eine doppelte Ersparnis, einerseits durch es in F i g. 1 dargestellt ist.

Verringerung der Anzahl der Zellen und andererseits An die Ausgangsklemmen der Zellen 116, bis 116,, durch Vereinfachen dieser Zellen wegen des Wegfalls 35 können hochohmige Spannungsteiler-Widerstände ander Filter. geschlossen sein (in den Figuren nicht dargestellt)

Das zuletzt beschriebene Ausführungsbeispiel wird welche eine Widerstandskette zwischen der sehr hoher

stets dann zu verwenden sein, wenn ein nicht vernach- Spannung und Masse bilden.

lässigbarer Oberwel'rnteil noch zugelassen werden Wenn die Beschleunigungs-Hochspannung und die

kann. 40 Maßnahmen zur Verteilung des Potentials längs dei

Als Beispiel einer besonders wichtigen Anwendungs- in Reihe liegenden Elektroden in der oben beschrie-

weise der Erfindung wird nunmehr ein Beschleuniger benen Weise geschaffen sind, können die zum Betrieb

für negativ geladene Teilchen (Elektronen) beschrieben, der Elektronenkanone notwendigen Niederspannunger

der eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung unter Verwendung eines besonderen zusätzlicher

hoher Gleichspannung aufweist. 45 Magnetkreises erzeugt werden, der im Bereich de;

Der in F i g. 9 und 10 veranschaulichte Elektronen- Hochspannungskopfes 114 die einzige Induktions-Beschleuniger umfaßt ein luftleeres Rohr, das aus windung umschlingt; es ist dann aber nicht möglich aneinandergesetzten isolierenden Rohrschüssen be- unabhängige Regelungen vorzusehen. Es erweist sich steht, die dichtend miteinander verbunden und als zweckmäßiger, einen Isoliertransformator zu ver zwischen denen Äquipotentialplatten 102 angeordnet 50 wenden.

sind, welche mit ringförmigen Elektroden 104,, 104₂ Als Variante können bei den Ausführungsheispieler

bis 104,, verbunden sind. Das Rohr trägt an einem nach den F i g. 9 und 10 die Zellen 116, bis 116,_:

Ende ein Elektronen-Austrittsfenster 106, das an innerhalb der Masse der dann plattenartig ausge

Masse angeschlossen ist, und am anderen Ende eine bildeten Rohrschüsse 102 in einem Epoxydharz ein

Elektronenkanone 108, die in bekannter Weise aus- 55 gebettet werden, wobei die Auslegung derart erfolgt

geführt sein kann. daß beim Aufeinanderstapeln unter Einschichten dei

Der Beschleuniger enthält eine Übertragungs- leitenden Elektroden diese Einbettungsplatten da;

wicklung 110 in Form einer einzigen Windung, die hohe Beschleunigungsrohr bilden, in dem das höh«

mit einer Isolierhülle 112 versehen ist, von der aber Vakuum vorhanden ist (vgl. Fig. 11).

nur ein Teil dargestellt wurde. Die Isolierhülle 112 60 Bei einer solchen Ausführung haben die einzelnei

ist rur die maximale spannung ausgelegt, die zwischen plattenartigen Rohrschüsse ein zentrales Loch 12^

der Speisespannung der Übertragungswicklung 110 mit großem Durchmesser für das Hindurchtreten de

und dem Verbraucherstromkreis vorhanden sein kann. Elektronenstrahles und zwei seitlicht Löcher 126 voi

Die Elektroden 104i bis 104i₂ werden mit stufenweise wesentlich kleinerem Durchmesser, durch die dii

zunehmender Gleichspannung gespeist, ausgehend von 65 Übertragungswicklung 110 hindurchgeht (Fig. 11)

der Spannung an Masse bis zu der Hochspannung an Man kann eine Zelle um jedes der seitb'chen Loche

einem oberseitigen Hochspannungskopf 114. Hierzu anordnen und so zwri Zellen je Rohrschußplatte ii

dienen die Zellen Ho₁ bis 116₂₁ der Bauart, wie sie Reihe anordnen.

Wie bereits gesagt wurde, sind die Verluste des Magnetflusses vernachlässigbar, und man braucht infolgedessen kein störendes Magnetfeld im Bereich des Elektronenstrahles zu fürchten. Man kann darm hinweisen, daß selbst dann, wenn derartige Felder vorhanden wären, ihre Summe im Bereich der Achse Null sein würde (die beiden Seiten der durch die beiden seitlichen Löcher gehenden Übertragungswicklung werden von Strömen mit einander entgegengesetzter Richtung durchflossen), wenn die Einrichtung zwei symmetrische Serien von Magnetkreisen aufweist, jeweils eine an jeder Spulenseite.

Um Änderungen des Wertes der Hochspannung zu ■vermeiden, die durch Änderungen der Belastung (beispielsweise durch zufälline Änderungen oder durch den Strom beschleunigter Teilchen gegebene Änderungen) bedingt sein könnten, wirkt eine Regeleinrichtung 128 auf die Leistung aus der Wechselspunnungsquelle 118 oder über den Speisetransformator, der diese Wechselspannungsquelle ersetzen kann. Diese Regelung wird von einer Niederspannung gespeist, die aus der Kette der mit den Ausgangsklemmen der Zellen verbundenen Widerstände als Bruchteil ίο der gesamten Hochspannung abgenommen wird. Lueses Abnehmen erfolgt an den Klemmen eines Widerstandes 130, dem gegebenenfalls ein Kondensator 132 parallel geschaltet oder als Überbrückung zugeschaltet ist (Fi g. 9).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

3443

Claims (8)

Schüssen aus elektrisch isolierendem Material Pa„„,.„t„„Vh,. beSteht· VOn dene" Jeder °5Cr ^v"','1." df'' „..-r. Teilgleichnchter (fib, ms ιιο,,ι emiiä» u'ig- >, 10).

1. Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleich- 5
spannung aus einer Wechselspannungsquelle mil

einer Übertragungswicklung, die aus dei Wechsel-

spannungsquelle gespeist wird und induktiv mit
einer Mehrzahl von Sekundärspulen gekoppelt ist,

die jeweils einen Teilgleichrichter speisen und io Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung ausgaiigsseitig in Reihe geschaltet sind, da- zum Erzeugen eine: hohen Gleichspannung aus einer durch gekennzeichnet, daß die Über- Wechselspannungsquelle mit einer Übertragungstragungswicklung (10) aus einer einzigen, in sich wicklung, die aus d^r Wechselspannungsquelle gegeschlossenen Windung besteht, die jeweils nur speist wird und induktiv mit einer Mehrzahl von einmal einen geschlossenen Magnetkreis (24,, 24₂ 15 .Sekundärspulen gekoppelt ist, die jeweils einen Teilhis 24„) zur Kopplung mit jeder Sekundärspulc gleichrichter speisen und ausgangsseitig in Reihe (26,, 26o bis 26„) und einen geschlossenen Magnet- geschaltet sind.

kreis (18) zur Ankopplung an die Wechselspan- Die hohe Gleichspannung kann dabei mehrere

nungsquelle 'M) durchsetzt und auf ein Potential 100 kV überschreiten.

gebracht ist, das einem Bruchteil der Ausgangs- 20 Das Problem der Erzeugung von hohen Gleichgleichspannung entspricht (Fig. 1). spannungen stellt sich in zahlreichen Arbeitsgebieten,

2. Einrichtung zum Erzeugen einer hohen insbesondere bei Beschleunigern für geladene Teilchen Gleichspannung aus einer Wechselspannungs- und Strahlungserzeugern, die das Aufprallen derquelle mit einer Übertragungswicklung, die aus der artiger Teilchen auf ein geeignetes Objekt ausnutzen. Wechselspannungsquelle gespeist wird und in- 25 Bisher hat man im allgemeinen zur Erzeugung der duktiv mit einer Mehrzahl von Sekundärspulen notwendigen hohen Gleichspannungen entweder vangekoppelt ist. die jeweils einen Teilgleichrichter de-Graaf-Generatoren benutzt oder Einrichtungen, speisen und ausgangsseitig in Reihe geschaltet die einen Hochspannungstransformator mit einem sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Über- Gleichrichter derjenigen Bauart enthalten, der eine tragungswicklcfig (10a; 10Λ; lOi·) aus einer 30 Spannungsvervielfachung ergibt.

einzigen Windung besieht, dl· jeweils nur einmal Die erste Art von Generatoren, wenn sie auch

einen geschlossenen Magnetkreis zur Kopplung zufriedenstellend arbeiten, haben unterschiedliche

mit jeder Sekundärspule durch.· tzt, und daß diese Nachteile, insbesondere denjenigen, daß sie einen

Windung durch eine Koppliingswickiung (39; 40) großen Raum beanspruchen und nur sehr kleine

zur induktiven Kopplung an die Wechselspan- 35 Leistungen (höchstens einige 100 μΑ) abgeben, und

nungsquelle (14σ; 14Λ) angeschlossen und auf daß sie sich schließlich schlecht zum Aufbau von

deren Gleichspannungspotential gebracht ist Einrichtungen eignen, die in Stufen unterteilte Gleich-

(F ig. 3, 4, 5). spannungen unter Verwendung von Standard-Zellen

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- mit je einem Teilgleichrichter liefern. Die zweite kennzeichnet, daß die Übertragungswicklung (Ift) 4" Bauart ist von kompliziertem Aufbau, wenn es notpotentialmäßig an den Ausgang eines der Teil- wendig wird, eine größere Anzahl von Stufen der gleichrichter (28₂) angeschlossen ist (Fig. 1). Spannungsvervielfachung in Kaskade auszunutzen,

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder überall dort, wo die Betriebsbedingungen für gekennzeichnet durch einen Frequenzwandler (16) den Hochspannungstransformator sehr schwierig sind, zwischen der Wechselspannungsquelle (14) und 45 weil eine hohe Gleichspannung mit einer kleinen der Übertragungswicklung (10 in Fig. 1). Anzahl von Spannungsvervielfachungsstufen in Kas-

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 kade erzielt werden soll.

bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilgleich- Es ist bereits eine Gleichrichteranordnung bekannt

richter (28, bis 28„) mit Glätlungsfiltern (32, 34) (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 129 610), die mehrere

ausgestattet sind (Fig. 1, 2). 50 in Reihe geschaltete Teilgleichrichterzellen hat, die

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 durch ein und denselben Transformator gespeist bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel- werden, der über eine einzige Primärwicklung und spannungsquelle (80) mehrphasig ist und daß eine Sekundärwicklung für jede Teilgleichrichterzelle jeder Teilgleichrichter an mehrere, den unter- verfügt. Diese bekannte Gleichrichteranordnung hat schiedlichen Phasen zugeordnete Übertragungs- 55 den Nachteil, daß die Primärwicklung sehr aufwendig wicklungen (62, 64) angekoppelt ist (F i g. 6, 7, 8). ist, weil sie mit allen Sekundärwicklungen zusammen-

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 wirkt.

bis 6 zur Speisung eines Beschleunigers für ge- Es ist ferner eine Einrichtung zur Erzeugung von ladene Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die hochgespanntem Gleichstrom aus Wechselstrom beisolierte Übertragungswicklung (110) im Inneren 60 kannt (vgl. deutsche Patentschrift 316 106), die aus eines isolierenden Gehäuses angeordnet ist und mehreren Teilgleichrichterzellen besteht, die in Reihe die Magnetkreise durchsetzt, und daß die Teil- geschaltet sind und die jeweils durch eine Sekundärgleichrichter (116, bis 116_I2) zwischen einem Hoch- wicklung versorgt werden. Insbesondere (vgl. die spannungskopf (114) des Beschleunigers und der dortige F i g. 2) sind alle Sekundärwicklungen der Masse die hohe Spannung liefern (F i g. 9, 10). 65 gleichen Primärwicklung zugeordnet. Wegen des

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- beträchtlichen Krümmungsradius der Wicklungen ist kennzeichnet, daß das Gehäuse des Beschleunigers aber die Isolierumhüllung der einzelnen Wicklungsaus einer Übereinanderschichtung von Rohr- windungen Beschränkungen unterworfen, so daß