DE1916045A1 - Hochspannungs-Kondensator und -Generator - Google Patents

Description

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Patentanwälte

Dipl. - inc. L γ ! η ty e b 8 Γ

Dip!,inr.7 ■ .-·: :·.·,τ,3ηη 2 8, März 1969

München 2, \^Μ 7
Tel. 251389

COMPAGNIE GENERALE D'ELEGTRTGITB 54, rue La Boe*tie,. Paris (8), Frankreich

HOGHSPANNUNGS-KGNIiENSATOR UND -GENERATOR

Die Erfindung betrifft insbesondere einen elektrischen Generator, der eine sehr hohe Gleichspannung durch Vervielfachung einer Wechselspannung erzeugt, die an in Kaskade geschalteten Kondensatoren und Gleichrichtern liegt. Solche Generatoren, deren Anordnung unterschiedlich sein kann, nennt man im allgemeinen Gockroft-Walton-Generatoren.

Es sind derartige Generatoren bekannt, die eine erste sogenannte Spannungsabgabe-Säule aufweisen, die aus in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht und zwischen zwei so-

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genannten Spannungszufuhr-Säulen angeordnet ist, die ebenfalls jeweils aus in Reihe geschalteten Kondensatoren bestehen, wobei jede Stufe ausserdem vier Gleichrichter aufweist, die einerseits zwischen der gemeinsamen Klemme beider Kondensatoren der Spannungsabgabe-Säule und andererseits den Elektroden beider den beiden Spannungszufuhrsäulen entsprechenden Kondensatoren angeschlossen sind.

Eine Wechselspannung ,vird an den Sockel dieser Anordnung über einen Transformator mit einer Sekundärwicklung gelegt, deren beide Endklemmen zwischen den Sockeln der beiden Spannungs zufuhrsäulen und deren Mittelanzapfung am Sockel der Spannungsabgabesäule und an Masse liegt. Die gewünschte Gleichspannung wird an der Spitze der Spannungsabgabesäule abgegriffen.

In diesem Zusammenhang ist es nicht notwendig, im einzelnen die Arbeitsweise dieser dem Fachmann bekannten Vorrichtung zu beschreiben. Ss sei nur erwähnt, dass die Kondensatoren der Spannungs zufuhr säulen die Kondensatoren der Spannungsabgabesäule nacheinander speisen, wobei in jeder Stufe an den Klemmen der letzteren eine konstante Gleichspannung liegt (vyenn man das Vorhandensein von Welligkeit vernachlässigt).

Die Potentiale der aufeinderfolgenden Stufen der Spannungsabgabesäule sind Gleichspannungen; diese sind von Stufe zu Stufe regelmässig gestaffelt, und z^var in erster Annäherung vom Wert Hull für die Stufe am Sockel der Säule

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bis zu einem Höchstwert für die oberste Stufe der Säule.

Die Spannungen an den Klemmen der Kondensatoren der Spannungszufuhrsäulen aller Stufen sind auch Gleichspannungen mit gleichem Wert, jedoch sind die Potentiale am Sockel dieser Säulen gleich den Yfechselstrompotentialen der Sekundarvicklungsklemmen des Transformators; die Potentiale der Spannungszufuhrsäulen haben daher eine von Stufe zu Stufe regelmässig gestaffelte Gleichstromkomponente, und ihnen ist eine Wechselspannung überlagert, deren konstante Amplitude gleich derjenigen an den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators ist.

Es ist ebenfalls bekannt, an der Spitze der Spannungsabgabesäule eine Gleichspannung abzugreifen, die theoretisch der Scheitelspannung des Speisewechselstroms multipliziert mit der Stufenzahl der Vorrichtung gleich väre, gäbe es keine Streukapazxtäten, üie hauptsächlich z.visclien den Spannungszufuhrsäulen und der Spannungsabgabesäule auftreten.

Die ius-iirkungen dieser Steukapazitäten verringern die Leistung des Generators weitgehend. Sie sind um so grosser, je höher der Wert dieser Kapazitäten im Vergleich zu demjenigen der Kapazitäten der Speisekondensatoren ist.

xluch hat die Kapazität der Speisekondensatoren Einfluss auf die von dem Generator gelieferte Stromstärke. Dieser Strom ist dem Produkt der Kapazität "C" multipliziert mit der Frequenz "f" der an den Generator gelegten Wechselspannung sowie der Amplitude der letzteren proportional.

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!Das gleiche Produkt "fC" bestimmt den Welligkeitsgrad des von dem Generator gelieferten Stroms; bei einem bestimmten Abgabewert ist der Welligkeitsgrad um so niedriger, je grosser das Produkt ist. Um einen annehmbaren Wert für das Produkt "fC" zu erreichen, erhöht man bekanntlich die Frequenz "f" •mittels eines Hilfswechselspannungsgenerators von genügend hoher Frequenz. Gewöhnlich ist dieser Wert "f" gleich 10 000 Hz. ^v/ird dagegen die Netzfrequenz beibehalten, müssen d-i e Kondensatoren erhöhte Werte haben. Um das gleiche Ergebnis zu erhalten, müsste ein Kondensator mit einem z,veihundertfach grösseren Wert verwendet werden.

Durch Verwendung des Hilfswechselspannungsgenerators sind die Kosten höher und der Platzbedarf grosser. Die Verwendung von Kondensatoren mit einem z-Aieihundertfach grdsseren Wert führt ebenfalls zu grösserem Platzbedarf. Letzterer vird jedoch vor allem von den Faktoren der Durchschlagspannung, aber auch von der Kapazität bestimmt. Unter diesen Faktoren sind vor allem die Dicke und die Oberflächen des Dielektrikums zu nennen, die zur Verhinderung von Eundfeuer-Durchschlägen bestimmt sind, sowie die Abstände zwischen den Verbindungsteilen.

Die Cockroft-Walton-Generatoren können anstatt drei Säulen, zvei Säulen von in Reihe geschalteten Kondensatoren aufweisen, .vobei die genannten Bedingungen die gleichen bleiben. Ungeachtet des Typs haben sie zur Zeit den grossen Nachteil, sehr viel Platz zu beanspruchen, wenn man Gleichspannungen von z.B. 100 000 V erhalten will. Der Platzbedarf hängt

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insbesondere von den Abmessungen der Bauteile dieser Generatoren ab, d.h. vor allem der Kondensatoren, und von der Notwendigkeit eines genügenden Abstandes z-.vischen den Bauteilen, um elektrische Durchschlage zu vermeiden.

Die Erfindung hilft diesen Nachteilen ab.

Sie hat einen elektrischen Hochspannungsgenerator vom Typ Cockroft-Walton zum Gegenstand, der in einem mit einer Flüssigkeit von grosser dielektrischer Festigkeit gefüllten Behälter Gleichrichter und mindestens drei Gruppen von mit ''Wechselstrom bei Netzfrequenz gespeiste Kondensatoren aufweist, wobei jeder Kondensator aus langen, biegsamen, abwechselnd isolierenden und leitenden, zu Flachspulen gewickelten Folien und jede der Kondensatorgruppen saia einem Paket solcher Spulen besteht, wobei der Generator dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flachspulen eine rechteckige Oberfläche und das Spulenpaket die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds hat und in ein organisches Hochpolymer von grosser dielektrischer Festigkeit eingebettet ist; jede dieser im Inneren miteinander verbundenen Spulen ist mit Anschlussklemmen versehen, die an der gleichen Aussenflache jedes einzelnen Spulenpaketes herausgeführt sind; letztere sind so angeordnet, dass sie ein Vieleck bilden, wobei drei Seiten von den die Anschlussklemmen tragenden Flächen und die vierte Seite von einem Eingangatransformator gebildet werden. Die Gleichrichter sind in dem durch das Vieleck begrenzten Raum angeordnet und bestehen aus Siliziumdioden mit gesteuertem

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lawineneffekt, welche die Anschlussklemmen miteinander verbinden.

Uie Richtungen, in welchen die Gleichspannungen von einem Einzelkondensator zum anderen ansteigen, sind im Inneren eines jeden der genannten Blocke gleich und gelten als senkrecht verlaufend,- diejenigen Anschlussklemmen der genannten Blöcke, die an derselben Gleichspannung liegen,, sind vorteilhafterweise etwa in der gleichen Horizontale'öene angeordnet, so dass der Abstand ζ vischen z./ei Horizontalebenen unmittelbar der !Differenz zwischen den betreffenden Gleichspannungen proportional ist.

Der Haum, in dem sich die Gleichrichter befinden^ kann die J'orm eines senkrechten Prismas mit rechteckigem Querschnitt haben, wobei dessen Längsseiten die Anschlussflachen zweier der genannten Blöcke bile en, velche die Spannungszufuhrsäule darstellen; eine der kurzen Seiten des Quer= schnittes bildet die Anschlussfläche eines dieser Blöcke«, der als Spannungsabgabesäule dient« Auf der vierten Seite des Querschnittes ist ein Transformator angebracht, dessen Primärwicklung mit dem Netz durch die Wand des Behälters verbunden ist und dessen Sekundärwicklung am Sockel der Spanmmgs<=> zufuhrsäulen liegt.

Die Erfindung beruht ebenfalls auf technologisohen Überlegungen, besonders hinsichtlich der Möglichkeiten des Yergiessens von Stoffen grosser elektrischer Ib.s'eliSieialags·=- featigkeit und des geringen Platzbedarfs der gegenwärtig verfügbaren Gleichrichter.

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Der erfindungsgemässe Kondensator "besteht aus langen, "biegsamen, abvechselnd leitenden und Isolierenden, zu Spulen gewickelten Folien.

D"^! ese Folien sind flach ge.viekelt, und die Spulen ha"ben etwa die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds, dessen Dicke "bei weitem geringer ist als die "beiden anderen Abmessungen der gleichen Grössenordnung und deren eine der Breite der Folien entspricht.

Die beiden anderen Abmessungen können hierzu in einem Verhältnis von weniger als z;vei und vorteilhafterjeise in einem Verhältnis von etva eins stehen, und die Höhe liegt vorteilhaftervveise zwischen einem Viertel und einem Dreissigstel einer dieser Abmessungen.

Die Folien können zieharmonikaförmig flach auf dem gröasten Teil ihrer Oberfläche gewickelt werden und ihre Ebene liegt senkrecht zur Dicke der Spule, d.h. parallel zu den beiden anderen Abmessungen.

Mehrere Einzelspulen wie die vorstehend beschriebenen sind so übereinanäergelegt, dass sich Ihre Durchmesser addieren.

Eine bestimmte Anzahl vierecki ger Einzelspulen sind derart aufeinandergelegt, dass sie einen Würfel bilden.

Dieser Würfel ist von einem organischen, polymerisierbaren Stoff umgeben, und jede Einzelspule ist mit einer herausgeführten Anschlussklemme versehen, wobei sämtliche

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Spulen im Inneren in Reihe geschaltet sind.

Die Anschlussklemmen sind auf einer den Flächen des . Wurfeis gruppiert angeordnet und darauf genauso gestaffelt wie die Einzelspulen im Inneren des Würfels.

Die Anschlussklemmen sind gleichabständig gegeneinander versetzt in z.vei senkrechten Säulen angeordnet, wobei jede Spule z.vischen zwei Klemmen elektrisch verbunden ist, von denen sich die eine in der einen und die andere in der anderen der beiden Säulen befindet, und 3ie nimmt im Inneren des •7ürfels den grössten Teil des Raumes zwischen den Horizontalebenen der Anschlussklemmen ein.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 wird nachstehend

ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne jede Einschränkung

beschrieben. Die dargestellten Teile haben die gleichen Bezugszeichen.

Fig. 1 zoj.gt eine perspektivische Ansicht eines eine Gruppe von Kondensatoren gemäss der vorliegenden Erfindung bildenden Blocks.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines Cockroft-7alton-Generators gemäss der Erfindung.

Der Block in Fig. 1 ist etwa würfelförmig und besteht aus einem Paket von zehn quadratischen Spulen von etwa 10 cm Seitenlänge und 1 cm Höhe. Jede Spule bildet einen Einzelkondensator mit einer Kapazität von einem Zehntel Microfarad.

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Die Spulen liegen in Reihe; die gesamte Vorrichtung ist in einem unter der Handelsbezeichnung Araldit bekannten Epoxidharz vergossen und bildet einen ^Türfel 2 von ungefähr 11 cm Seltenlänge, Dieser Würfel weist auf der Anschlusseite elf Aussenklemmen 6 und 7 auf, die jeweils eine gemeinsame Klemme für zwei aufeinanderfolgende Kondensatoren der Gruppe darstellen, ausser den beiden äusseren Klemmen 8 und 10, welche die Endpunkte der Gruppe bilden.

Die Anschlussklemmen liegen in zwei senkrecht und gleichabständig gegeneinander versetzt angeordneten Säulen. Jede einen Kondensator bildende üinzelspule ist elektrisch zwischen zwei Klemmen 6 und 7 in jeweils einer der beiden Säulen angeschlossen. Tm Inneren des Blocks 2 nimmt die Spule den gro'ssten Teil des Saumes zwischen den Horizontalebenen beider Anschlussklemmen ein.

Jede Einzelspule entsteht durch Wickeln von biegsamen flachen Folien, die abwechselnd wie folgt übereinandergewickelt sind :

- Aluminiumfolie,

- Papierfolie,

- Folie aus organischem Polymer von grosser elektrischer Durchschlagsfestigkeit wie unter der Handelsbezeichnung Mylar bekanntem Äthylenglycol-Polyterephthalat.

Im Cockroft-Walton-Generator gemäss der Erfindung (Fig. 2 und 3) befinden sich in einem mit 01 grosser elektrischer Durchschlagsfestigkeit gefüllten Behälter drei

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würfelförmige Blöcke 202, 204 und 206.

Die Anschlussflächen der drei Blöcke "bilden in Fig. 3 die Seiten eines Rechteckes, in dem die zum Betrieb des Generators nötigen Gleichrichter untergebracht sind. Diese Gleichrichter werden von den Metalldrähten getragen, welche die Verbindungen zwischen den einzelnen Stufen des Generators herstellen. Zur besseren Übersicht wurden lediglich ein Draht und ein Gleichrichter dargestellt.

Die Gleichrichter 14 bestehen aus acht Siliziumdioden mit gesteuertem Lawineneffekt, die im Inneren eines Gehäuses von ungefähr 8 mm Lange und 3 mm Durchmesser in Reihe geschaltet sind. Der dargestellte Gleichrichter 14 liegt zwischen der Klemme 2023 des Eondensatorenblocks 202 und der Klemme 2064 des Kondensatorenblocks 206.

Die vierte Sexte des in Fig. 3 von den Blöcken 202₅ 204 und 206 begrenzten Rechtecks wird ;durch den Transformator abgeschlossen ,dessen Primärwicklung durch die Wandung des Behälters 12 vom 220 V, 50 Hz-Stromversorgungsrietz gespeist wird.

Ein regelbarer Spartransfbrmator 18, der ausserhalb des Behälters 12 angeordnet ist, erlaubt die Regelung der an den Transformator 16 gelegten Spannung zwischen 0 und 220 Y₀

Die Klemmen 161 und 162 der Sekundärwicklung des Transformators 16 sind nicht nur mit den Blöcken 202 und 204 verbunden, sondern auch mit den ¹¹U "-f örmigen Abschirmungen

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302 und 304, die die Blöcke 202 und 204 teilweise umgeben. Die Abschirmungen verringern den Einfluss der Streukapazitäten..

Per Einfluss der Streukapazitäten wird im übrigen · durch den Kapazitäts^ert der einzelnen Kondensatoren abgeschwächt und richtet sich nach dem Verhältnis des 7ertes der Streukapazität je Stufe zum Wert der Kapazität der Einzelkondensatoren.

Die Anschlussklemmen der Blöcke 202, 204 und 206 sowie des Transformators 16 sind so angeordnet, dass mindestens in dem Raum zwischen ihnen die äquipotentialen Flächen etwa Horizontalebenen darstellen und das Potential etwa der Entfernung dieser Ebsnen vom Boden des Behälters proportional ist.

Aufgrund des Fehlens eines Wechselspannungsgenerators und dank der Kompaktheit der erfindungsgemässen Kondensatorgruppen in Anbetracht der Kapazität sc-vie aufgrund der allgemeinen Anordnung beansprucht der erfindungsgemässe Gleichstrom-Hochspannungsgenerator, verglichen mit seiner Leistung, ausserordentlich .vonig Platz. Tm beschriebenen Beispiel kann der mit 01 gefüllte und die Hauptteile des Generators enthaltende Behälter einen Durchmesser von etwas mehr als 30 cm und eine Höhe von etvjas mehr als 11 cm haben. Damit kann eine elektrische Spannung von 100 000 V erzielt werden.

Diese Spannung kann gleichzeitig mit der Behälterhöhe erhöht werden. Das beachtliche Verhältnis von 10 000 V pro 1 cm Höhe wird jedoch ungefähr erreicht.

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Wenn eier erfindungsgemässe Generator allein verwendet wird, d.h. ohne Teil einer grösseren, unter Ol gesetzten Anlage zu sein unc z.B. lediglich auf einem Laboratoriumstisch montiert i.st, muss er mit einem dickwandigen Deckel versehen sein, denn die Krümmung der Eeckeloberflache, insbesondere an den Hanclern, darf nicht unter einem Wert liegen, der G-Iimmentladungen in der Luft hervorruft. In diesem Fall ist der Platzbedarf natürlich grosser.

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Claims (1)

1. Fi tin tsDiprüoäi t

   Elektrischer Hochspannungsgenerator insbesondere Coekroft-Vfal ton-Generator, der «it tinoa »it einer Flüssigkeit groBer Durchschlagsfestigkeit gefüllten Behälter Gleiehriohter und mindestens drei Gruppen von sit fietsfrequens-Wechselstrom gespeiste Kondensatoren aufweist» von denen jeder aus langen» biegsamen, abwechselnd isolierenden und leitenden Folien besteht, die iu Flachspulen gewickelt sind, die su Paketen susammengefaBt die Kondensatorgruppen bilden· dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspulen eine rechtwinklige Oberfläche und das Spulenpaket (2) die Fora eines rechtwinkligen Parallelepipeds hat und das in ein organisches Hochpolymere von großer Durchschlagfestigkeit eingebettet ist« daß jede aw la Innern des Spulenpakete miteinander verbundenen Spulen mit AnschiuBklemmen (6, 7) versehen ist, dl« alle an dar gleichen Außenfläche (4) aua dam jeweiligen Spulenpaket (2) herauageführt sind, daß die Spuleapakete in Form eines Vielecks angeordnet eiad, von dem mindestens drei Saiten durch dl· die Aneohlußklemmen traget» den Flächen und s&mindeat ein· Salt· durch einen £imgaiigB-transformator/getlldat ist, und d*& die Gleichrichter (14) die AnscihluSkltmmen miteinander verbindend in dam durch das Vieleck begremstan Baum angeordnet sind und aus Siliiiumdioden mit gesteuert«* Lawineneffekt bestehen·

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   2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» a&ä die flaeh gewickelten Folien sieharaonikafönaig gefaltet sind«

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine ebene, rechteckige Fläche aufwei« senden Spulen etwa quadratisch sind und das Spulenpaket etwa würfelförmig ist.

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