DE2039469A1

DE2039469A1 - Kaskadentransformator zum Erzeugen von Hochspannung

Info

Publication number: DE2039469A1
Application number: DE19702039469
Authority: DE
Inventors: Enge Harald Anton
Original assignee: Deltaray Corp
Current assignee: Deltaray Corp
Priority date: 1969-08-14
Filing date: 1970-08-08
Publication date: 1971-02-25
Also published as: NL7011364A; CH516255A; DE2039469C3; NL163914C; FR2058269A1; GB1321896A; DE2039469B2; NL163914B; US3596167A; JPS4823727B1; FR2058269B1

Description

5. August 1970 - JB/Ru

Anmelder: DELTARAY CORPORATION
95 Cross Street
Winchester, Mass., USA

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Kaskadentransformator zum Erzeugen — von Hochspannung

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Hochspannung und betrifft insbesondere eine Vorrichtung (Schaltung), bei welcher zu diesem Zweck eine einzigartige Kaskadentransformatorbauweise verwendet wird.

Hochspannungsgeneratoren, d.h. Vorrichtungen zum Erzeugen von Spannungen, die in einer Größenordnung von einigen Hunderten bis einigen Tausenden kV liegen können, finden auf den verschiedensten Gebieten der Technik eine stets zunehmende Zahl von Anwendungen. Beispielsweise stellt der Bedarf zur Verwendung von Hochspannungsquellen beim Erzeugen von Strahlungsenergie, wie beispielsweise Kathodenstrahlen und Röntgenstrahlen, und in der Kerntechnik, beispielsweise für Teilchenbeschleu-

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niger, einige typische Anwendungen dar. Außerdem wird der Bedarf sowohl an höheren Spannungen als auch au höheren Stromausgangsleistungen inner offensichtlicher.

Die bisher verwendeten üblichen Hochspannungsquellen, wie beispielsweise Bandgeneratoren vom Van de Graaff-Typ, liefern nur begrenzte Stromausgangsleistungen und sind nicht immer einen höheren Leistungsbedarf anpaßbar. Es wurden auch andere elektro-mechanische Vorrichtungen elektromagnetischer Art vorgeschlagen, bei welchen man eine Vielzahl von-Ständern zusamnen mit einer Vielzahl von Läufern oder eine gemeinsame isolierende Welle verwenden kann, jedoch haben sie alle mehrere schwerwiegende Nachteile und Mängel.

Noch weitere Arten von Hochspannungsgeneratoren, bei welchen nan entweder einen Transformator mit Luftkern oder einen Transformator mit Eisenmagnetkern verwendet, der eine gemeinsame Primärwicklungseinheit und eine Vielzahl von Sekundärwicklungseinheiten besitzt, die den geneinsamen Magnetfluß koppeln, lassen sich nicht leicht der Erzeugung von viel mehr als 3000 kV betragenden Spannungen anpassen.

Der Anmelder hat Entwicklungen betrieben (USA-Patent 3 505 608), bei denen ein elektromagnetischer Generator verwendet wird, bei welchen die Energie mittels einer Wanderwelle über eine Hochspannungssäule hochtransformiert wird. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß sie mit ihrem Wellenwiderstand so abschließen nuß, daß stehende Wellen vermieden werden, die normalerweise in der Hochspannungssäule ein ungleichmäßiges Gefälle erzeugen. Dieses Problem kann durch Maßnahmen gelöst werden, die in der an 21· Januar 1969 auf den Namen des Anmelders hinterlegten USA-Patentanneldung, Ser.No. 792 306, offenbart sind.

Erf indungsgenäß wird eine Vorrichtung sun Erzeugen von hohen Gleichspannungen und von gewünschter hoher Energie nit einen großen und gleichmäßigen Spannungsgefälle entlang der Säule in Vorschlag gebracht. Die Vorrichtung nach der Erfindung hat

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nicht den Nachteil des Wandervellengenerators und benötigt Kondensatoren mit einem niedrigeren Volt-Ampere-Verhältnis als der Wanderwellengenerator. Folglich werden die Kosten pro Energieeinheit gegenüber den Kosten der'Tieutigen Vorrichtungen erheblich gesenkt.

Die Erzeugung solcher Hochspannungen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man einen Kaskadentransformator von einzigartiger Bauweise und insbesondere eine bevorzugte Version dieses Transformators benutzt, bei welcher ein nachstehend im einzelnen näher beschriebener Kaskadentransformatoraufbau mit nichtmagnetischen Kernen verwendet wird.

Gewöhnliche Kaskadentransformatoren nach dem bisherigen Stande der Technik sind zu diesem Zveck nicht verwendbar, da die Streuinduktivität und die Magnetisierungsinduktivität solcher üblichen Kaskadentransforraatoren bei Verwendung einer langen Kette aus solchen Transformatoren eine starke Spannungsdämpfung bewirken. Um die Unzulänglichkeiten des gewöhnlichen Kaskadentransformatorbetriebes in verhältnismäßig langen Ketten zu beheben, sind bei der Kaskadenbauweise nach der Erfindung aneinander angrenzende Transformatoren über einen passenden Kapazitätskreis miteinander gekoppelt, der Resonanzbedingungen erzeugt, so daß die Gesamtdämpfung erheblich verringert wird. Obwohl nicht unbedingt darauf begrenzt, hat sich bei einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen kapazitätsgekoppelten Kaskadentransformatoraufbaus ein nichtmagnetischer Kern im Gegensatz zu einem Kern aus magnetischem Material als am vorteilhaftesten erwiesen, wobei er zu der bedeutendsten Verbesserung im Spannungsgefälle pro Längeneinheit einer solchen kaskadenartig aufgebauten Säule (Kaskadensäule) führt.

Durch Verwendung eines Kaskadentransformators mit nichtmagnetischem Kern, der durch die Kopplungskapazität, die Selbstinduktivität jeder Wicklung und die Gegeninduktivität zwischen zwei aneinander angrenzenden Wicklungen bestimmte geeignete

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Resonanzbedingungen aufweist, läßt sich eine höchste Steigerung der einer Last gelieferten Energie erreichen, vobei die Ströme in dem System nur durch die in dem Transformator entstehenden Heizeffekte begrenzt sind.

Der in der folgenden Beschreibung, aus der veitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen, näher erläuterte Kaskadentransformator kann in kurzer Form vie folgt beschrieben verden:

Ein Kaskadentransformator zum Erzeugen von hohen Gleichspannungen, bei velchem man für eine bevorzugte Ausführungsform Transformatoreinheiten mit nichtmagnetischem Kern verwendet, deren'Sekundärwicklungen mit den Primärwicklungen der angrenzenden Einheiten kapazitiv gekoppelt sind. Die Kapazitäts verte sind so gewählt, daß Resonanzbedingungen entstehen, so daß an jedes Paar kapazitiv gekoppelter Wicklungen angeschlos sene Gleichrichter-Vervielfacher-Ketten bei geringstem Energieverlust Gleichspannungen erzeugen. Jedes Paar kapazitiv gekoppelter Wicklungen kann als eine ein zusammenhängendes Ganzes bildende Deckeinheit ausgebildet sein, wobei diese Deckeinheiten mit ihren gleichgerichteten Spannungen in Reihe geschaltet in einer Säule aufeinandergestapelt sind, um eine entlang der Säule ein gleichmäßiges Gleicisparinungsgefalle aufweisende hohe Gleichspannungsausgangsleistung zu erzeugen.

Einige Ausführungsbeispiele von Kaskadentransformatoren nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden folgenden näher beschrieben. Es zeigern

Fig. 1 und 1A eine schematische Ansicht eines gewöhnlichen

Kaskaden transformator bei Verwendung von Magnetkernen bzw. sein sinngemäßes Schaltbild,

Pig. 2 und 2A eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Kaskadentransformators nach der Erfindung unter Verwendung von Magnetkernen bzw· sein sinngemäßes Schaltbild,

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Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Variante des Kaskadentransformators nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Kaskadentransformators nach der Erfindung bei Vervendung eines nichtmagnetischen Kerns,

Fig. 5 ein Schaltbild eines "Decks" der Ausführungsform nach Fig. 4,

Fig. 6 ein zum Beschreiben der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 verwendetes Vektordiagramm,

Fig. 7 einen teilweise aufgebrochenen Querschnitt durch einen Aufbau aus in Fig. 5 schematisch dargestellten "Decks" nach der Linie 7-7 in Fig. 8,

Fig. & einen Schnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 7 durch ein solches "Deck" der Hochspannungssäule "nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform des Kapazität skopplungskreises und des Gleichrichterkreises nach Fig. 2, 3 und 4,

Fig.10 ein Schaltbild einer weiteren abgeänderten Ausführungsform eines solchen KapazitatsJcopplungskreises und Gleichrichterkreises und

Fig.11 ein Schaltbild einer noch anderen Ausführungsform eines solchen Kapazitätskopplungskreises und Gleichrichterkreises·

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung und zu ihrem Vergleich mit einem Kaskadentransformator nach den bisherigen Stande der Technik zeigt Fig. 1 einen üblichen Kas-

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kadentransformator, der eine Vielzahl von Transformatoren 10 besitzt, die je einen gesonderten Eisenkern 11, eine Primärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung 13 besitzen. Obwohl nur drei Stufen dargestellt sind, können selbstverständlich nach Bedarf mehr Stufen hinzugefügt werden. Die Sekundärwicklung jedes Transformators ist, wie gezeigt, an die Primärwicklung des nachfolgenden angrenzenden Transformators unmittelbar angeschlossen. Die Eingangsprimärwicklung ist an eine Wechselstromquelle 14 angeschlossen, während gemäß, der Darstellung die Ausgangsanschlüsse aus dem letzten Transformator der Kette in geeigneter Weise, beispielsweise an eine Last 15, angeschlossen sind.

Bei Verwendung der Vorrichtung (Schaltung) zum Erzeugen hoher Gleichspannungen kann an die Sekundärwicklung jedes Transformators ein Gleichrichterkreis der als Beispiel in der Zeichnung dargestellten und nachstehend noch näher erörterten allgemeinen Bauart angeschlossen werden. Dabei wird dann die Last entlang der Kette aus Transformatoren verteilt, was zu einem weniger starken Spannungsabfall führt als im Falle eines einzigen gleichwertigen, in Fig. 1 dargestellten Lastwiders tandes 15 am Ende der Kette.

Fig. 1A zeigt die entsprechende elektrische Schaltung entsprechend einem Teil des Kaskadentransformators nach Fig. 1. Die reihengeschalteten Induktivitäten 16 stellen die Streuinduktivitäten "L₃" und die parallelgeschalteten Induktivitäten 17 die Magnetisierungsinduktivitäten "Ir_n" dar. Das Vorhandensein solcher Induktivitäten bewirkt eine starke Spannungsdämpfung, insbesondere bei Verwendung einer verhältnismäßig langen Kette aus solchen Transformatoren, so daß der Ausgangsspannungswert stark begrenzt-ist. Zum Beheben solcher Dämpfungsprobleme können im Gegensatz zu dem üblichen System nach Fig. 1 die anhand von Fig. 2 bis 8 erörterten Ausftthrungsformen der Erfindung verwendet werden.

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Gemäß Fig. 2 kann eine Vielzahl von gesonderten Eisenkerneinheiten 20 einer bei üblichen Magnetkerntransformatoren verwendeten Bauart in einer geeigneten Kette aneinander angrenzend angeordnet sein. Einer solchen Kerneinheit ist jeweils eine Primärwicklung 21 und eine Sekundärwicklung 22 zugeordnet. Jedoch ist im Gegensatz zu den üblichen Kaskadentransformatoren die Sekundärwicklung jeder Transformatoreinheit, wie gezeigt, durch einen passenden Kapazitätskreis mit der Primärwicklung der nachfolgenden angrenzenden Einheit kapazitiv gekoppelt. Beispielsweise ist die Sekundärwicklung 22a der ersten Transformatoreinheit 20a mit ihren Ausgangsanschlüssen an die Eingangsanschlüsse der Primärwicklung 21b der Transformatoreinheit 20b über Reihenkapazitäten 23 und 24 angeschlossen, die je eine durch das Glied "C_g" darstellbare Kapazität aufweisen. Eine Kapazität ist der Sekundärwicklung 22a und eine Kapazität 26 der Primärwicklung 21b parallelgeschaltet, wobei sie je eine durch das Glied "C " darstellbare Kapazität haben.

Eine Eingangsprimärwicklung 21 a der ersten Kerneinheit 20a ist an eine Eingangswechselspannungsquelle 27 über einen Kapazitätskreis angeschlossen, der aus zwei Reihenkondensatoren 28 und 29» die je einen Wert "2C_S" haben, und aus einer der Primärwicklung 21 a parallelgeschalteten Kapazität 30 mit einem Wert "C" besteht. Als Alternative kann an die Stelle der Reihenkapazitäten 28 und 29 ein einziger Reihenkondensator mit einem Wert "C_s" treten. Eine Ausgangswechselstromlast 31 ist gemäß der Darstellung in Fig. 2 an die Ausgangsanschlüsse der Sekundärwicklung 22c der letzten Transformatoreinheit 20c der Kette über einen Kapazitätskreis angeschlossen, der dem am Eingang der Kette entspricht und die Reihenkondensatoren 32 und 33, die je einen Wert "2C₃" haben, und einen Parallelkondensator 34 enthält, der einen Wert ^HC_" hat.

Der Symmetriepunkt 35 in dem Kapazitätskopplungskreis und die

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gemeinsam angeschlossenen Endpunkte der so miteinander gekoppelten Sekundär- und Primärwicklungen sind in geeigneter Weise je an einen Gleichrichterkreis 36 angeschlossen, deren Ausgänge, vie gezeigt, jeweils in Reihe addiert verden, um eine hohe Gleichspannungsausgangsleistung zu liefern. Die Gleichrichter mit ihrer Gleichstromlast 37 stellen eine auf den Wechselstromkreis verteilte Last dar. Bei einfachen Berechnungen kann die Gesamtlast als R, dargestellt verden»

Fig. 2A zeigt eine Schaltung, die elektrisch einem Teil des kapazitätsgekoppelten Eisenkern-Kaskadentransformators nach Fig. 2 mit den in Fig. 2 gezeigten Kapazitäten entsprechenden Kapazitäten und Induktivitäten in Form von die Streuinduktivitäten "L₃" bzw. die Magnetisierungsinduktivitäten ⁿL_m" darstellenden reihengeschalteten Induktivitäten 38 und parallelgeschalteten Induktivitäten 39 gleichvertig ist.

Eine andere Form eines Eisen- oder Ferritkem-Kaskadentransformators nach der Erfindung ist in Fig. 3 schemfttisch dargestellt. Der hier gezeigte Aufbau veicht von dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau darin ab, daß die Eisen- oder Ferritkernelemente 39a geteilt sind, so daß sie gesonderte Teile und 41 mit einem zvischen ihnen vorhandenen Luftspalt bilden, die der Primär- bzw. der Sekundärwicklung jeder Transformatoreinheit zugeordnet sind. In Fig. 3 der Deutlichkeit halber nicht dargestellte Gleichrichtereinheiten können an die AusfUhrungsform nach Fig. 3 in im wesentlichen der gleichen Weise wie gemäß Fig. 2 angeschlossen sein.

Die Kombination einer Sekundärwicklung eines Kernelements und der Primärwicklung des nächstfolgenden Kernelements zusammen mit dem zvischen ihnen vorhandenen Kapazitätskopplung skre is und der ihnen zugeordneten Gleichrichtereinheit wird von nun an der Bequemlichkeit halber als "Deck" oder "Deckeinheit" bezeichnet, wie sie beispielsweise in Fig. 3 von der strichpunktierten Linie 42 umgeben dargestellt ist.

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In der Praxis kann für die nachstehend beschriebene Ausführungsform nach Fig. 3 und 4, wie nachstehend noch näher erörtert, ein Deck als eine einzelne, ein zusammenhängendes Ganzes bildende Einheit mit nur zvei ihren positiven bzv. ihren negativen Anschluß darstellenden äußeren Anschlüssen gebaut werden. Dadurch lassen sich die Decks übereinander» stapeln, um in dem Übereinanderstapeln von Blitzlichtbatterien analoger Weise höhere Gleichspannungen aufzubauen. Der Luftspalt zwischen zwei Hälften eines Eisenkerns in zwei aneinander angrenzenden Decks kann somit aus festem Isoliermaterial, wie beispielsweise Epoxy- oder sonstigen passenden Verbindungen, gebildet werden.

Nun hat sich herausgestellt, daß eine kapazitätsgekoppelte Kaskadentransformatorbauweise nach der Erfindung, bei welcher, wie anhand von Fig. 2 und 3 beschrieben, Eisen- oder Ferritkerne verwendet werden, ungeeignet sein kann, wenn hohe Leistung (Energie) und gleichzeitig verhältnismäßig hohe Spannungsgefälle pro Längeneinheit verlangt werden. Außerdem kann ein Eisen- oder Ferritkerntransformator auf Grund der Kernverluste nicht leicht bei einer so hohen Frequenz betrieben werden wie ein Transformator mit nichtmagnetischem Kern. Da für eine gegebene Geometrie die transportierbare Energie mit der Frequenz linear zunimmt, ergibt das, daß bei manchen Anwendungen durch Verwendung von Eisenoder Ferritkernen nur wenig oder nichts gewonnen werden kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird eine kapazitätsgekoppelte Kaskadentransformatorbauweise mit nichtmagnetischen Kernen benutzt. Ein solches Kaskadentransformator sys tem mit nichtmagnetischen Kernen ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von kaskadenartig angeordneten Transformatoren, die Wicklungen enthalten, die sich entlang einer gemeinsamen Achse aneinander angrenzend anbringen lassen, und deren Aufbau in Fig. und 8 in seinen Einzelheiten dargestellt ist. In Fig. 4 hat

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jeder Transformator eine Primärwicklung 44 und eine Sekundärvicklung 45.

Jeder Wicklung ist eine Selbstinduktivität "L" zugeordnet, wobei zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jedes Transformators eine Gegeninduktivität "M" besteht. Seine Sekundärwicklung ist mit der Primärwicklung der nachfolgenden angrenzenden Einheit kapazitiv gekoppelt Über einen Kapazitätskopplungskreis von im wesentlichen dem gleichen Aufbau wie anhand von Pig. 2 und 3 beschrieben, bei welchem zwischen diesen Wicklungen zwei Reihenkapazitäten 46 und mit je einem durch "C₃" dargestellten Wert angeschlossen sind, eine Parallelkapazität 48 mit einem durch "C " dargestellten Wert der Sekundärwicklung eines Transformators parallelgeschaltet und eine Parallelkapazität 49 mit ebenfalls einem durch "C_p" dargestellten Wert der Primärwicklung eines angrenzenden Transformators parallelgeschaltet ist.

Der Symmetriepunkt 50 des Eapazitätskopplungskreises und die gemeinsam angeschlossenen Endpunkte <W so gekoppelten Sekundär- und Primärwicklung sind in geeigneter Weise an Gleichrichter 51 angeschlossen, deren Ausgänge, wie gezeigt, zum Liefern einer hohen Gleichspannungsausgangsleistung für eine geeignete Gleichstromlast 67 in Reihe addiert-werden. Die Kombination der Sekundärwicklung einer Einheit und der Primärwicklung der nächstfolgenden Einheit zusammen mit dem ihnen zugeordneten lapazitätskopplungskreis und dem Gleichrichter wird der Bequemlichkeit halber, wie vorstehend erörtert, als durch die strichpunktierte Linie 52 dargestelltes "Deck" oder "Deckeinheit" bezeichnet.

Vie vorher «mhand von Pig. 2 und 3 beschrieben, ist eine EingangswechselSpannungsquelle 43 an die Eingangsprimärwicklung 44a der ersten Transformatoreinheit der Kette über zwei Reihenkapazitäten 54 und 55, die je einen durch "2C₉" dargestellten Wert haben, und über eine der Eingangsprimär-

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vicklung 44 a parallelgeschaltete Kapazität 56 rait einem durch ^WC_O" dargestellten Wert angeschlossen. Vie vorstehend erwähnt, können die Reihenkapazitäten 54 und 55 durch eine einzige Kapazität mit einem durch "C₈" dargestellten Wert ersetzt werden.

Im Gegensatz zu den kapazitätsgekoppelten Kaskadentransforntatoren nach Fig. 2 und 3 ist das System nacn Pig. 4 zusätzlich kompliziert, da jede Primärwicklung magnetisch nicht nur mit ihrer Sekundärwicklung, sonder·* aulerdem mit j »der der an deren Wicklungen der Kette koppelt, obwohl -Me Grüße dieser Kopplung mit dem Abstand zwischen den Wicklungen rasch abnimmt. Zum Berechnen der Werte der bei dieser AusfUhrungsform benutzten gewünschten Kapazitäten muß diese wechselseitige Kopplung, auch wenn sie rasch abnimmt, berücksichtigt werden. Eine detailierte Berechnung der erforderlichen Werte für solche Kapazitäten, die zum Schaffen von Resonanzbedingungen in einem typischen Fall ausgewählt werden, kann nach den nach stehend aufgeführten Gleichungen erfolgent

^cp - L-M (1)

^cs * 4M (2)

ω*(ΐ/ - μ²)

worin L die .Selbstinduktivität einer beliebigen Vicklung und M die Gegeninduktivität zwischen zwei benachbarten Wicklungen bedeutet und ω « 2Wf, worin f die verwendete Frequenz ist. Durch Ableiten dieser und der nachfolgenden Formeln ist die Vermutung entstanden, daß die Gegeninduktivität zwischen einer beliebigen einen vicklung und einer beliebigen anderen Vicklung in dem Aufbau mit dem Abstand zwischen den Mittelpunkten dieser einen Vic lung und dieser anderen Wicklung exponentiell abnimmt. Wenn ein maximal erzielbarer Vicklungsstrom als I₁ bezeichnet wird (vobei selbstverständlich angenommen wird, daß auftretende Spits«*·

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ströme in dem Transformator durch die Heizeffekte, vie bei jedem Transformator, begrenzt sind), läßt sich die maximale Energie, die zu der durch das Glied "R_L ^M dargestellten Wech selstromlast 53 und Gleichstromlast 67 transportiert verden kann, vie folgt ausdrücken!

₍₃₎

Der kombinierte äquivalente Lastviderstand R. vird dann ausgedrückt alst ,
ω (L + M)^J

T₄ ⁼ 4M^L - M)

IM die erforderliche Gesamtausgangsgleichspannung zu erzeugen* vird ein Teil der an dem Symmetriepunkt 50 jedes Decks 52 erzielbaren Leistung über einen geeigneten Gleichrichterkreis abgezapft, von velchen ein als Gleichrichter 51a bezeichneter in Fig. 5 in seinen Einzelheiten im Zusammenhang mit Deck 52 a dargestellt ist, das die Sekundärwicklung 45a einer ersten Transformatoreinheit 43 a und die Primärvicklung 44b einer zveiten Transformatoreinheit in der kaskadenartigen Kette nach Fig. 4 enthält.

In Fig. 5 ist der Symmetriepunkt 50 des Kapazitätskopplungskreises Über zvei Kondensatoren 61 und 62 an eine Gleichrichter-Vervielfacher-lette angeschlossen, die den durch den bekannten"Cockcroff-Walton-Kreis" dargestellten Aufbau hat, der sich von dem Symmetriepunkt aus in einander entgegengesetzten Richtungen erstreckt. An jedem Ende der Gesamtgleichrichterkette sind auf beiden Seiten des Symmetriepunktes Gleichrichter 80 bzv. 81 in geeigneter Weise über Ausgangsviderstände 82 bzv. 63 an Anschlüsse 84 bzv. 8f> angeschlossen, die den positiven bzv. den negativen Ausgangsanschluß des Decks 52a darstellen, um aus ihr einen Glcichspannungsausgang zu liefern·

Die aus jedem der Decks erhaltenen Spannungen sind, vie in Fig. 4 gezeigt, in Reihe geschaltet, um zvischen den Ausgangsanschlüssen 84 und 86 die hohe Gleichspannungsausgangsleistung ,«erzeugen. ,„„,,,

Fig. 7 und 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des physikalischen Aufbaus einer Deckeinheit der in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellten Kaskadentransformatorsäule mit nichtmagnetischen Kernen« Fig· 7 zeigt einen Teil eines Querschnitts nach der Linie 7-7 in Fig. 8, vährend Fig. 8 «inen axialen Längsschnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 7 zeigt. Eine solche Deckeinheit kann, vie nachstehend noch näher beschrieben, als einzelne, ein zusammenhängendes Ganzes bildende Einheit gebaut werden. Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, sind die Primärwicklung 44 und die Sekundärwicklung 45 im vesentlichen aneinander angrenzend auf einer gemeinsamen Achse 90 angebracht. Bei dem dargestellten Aufbau sind diese Wicklungen mit Hilfe geeigneter Bindemittel an einer isolierten Platte angebracht, die beispielsweise aus "Bakelit" oder einem sonstigen geeigneten Material hergestellt sein kann. Konzentrisch zu jeder Wicklung sind Abschirmspulen 93, beispielsweise in Form von einzelnen Kupferringen, in geeigneter Weise auf isolierenden Distanzstücken 97 so angebracht, daß jeder Abschirmring in einem passenden Abstand von der ihm zugeordneten Wicklung angeordnet ist, um die Wicklungen gegen jegliche äußere Magnetfeldeffekte abzuschirmen und andererseits die an oder nahe dem Umfang der Säule angebrachten Elemente gegen jegliche Magneteffekte der Wicklungen abzuschirmen. Eine solche Anordnung ist im allgemeinen für eine verhältnismäßig kleine Wicklungen vervendende Vorrichtung (Schaltung) mit niedriger Leistung zufriedenstellend· Bei einer Vorrichtung (schaltung) mit hoher Leistung können die Abschirmringe durch Abschirmspulen ersetzt verden, die entweder einzeln kurzgeschlossen oder mit der entsprechenden Hauptwicklung in Reihe, jedoch in entgegengesetzter Sichtung geschaltet sind·

Der Gesamtaufbau ist in passender Weise in ein geeignetes Einbettungsmaterial 99 eingebettet, die bauliche Starrheit der darin eingebetteten Elemente erhält und eine bequem zu handhabende, ein zusammenhängendes Ganzes bildende Einheit entstehen läßt zum übereinanderstapeln mit entsprechenden Einheiten, um so die verlangte Gesamtgleichspannungsaus-

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gangsleistung aufzubauen. Die Ausgangsleitunsen jeder Einheit, beispielsweise aus den Widerständen 82 und 83 nach Fig. 4, werden an Ausgangsanschlüsse, beispielsweise an den Anschluß bzw. 85'herangeführt. Die letztgenannten Anschlüsse können beispielsweise, wie aus Fig. 8 ersichtlich, aus auf die Außenfläche der Einbettungsverbindung 99 aufgebrachter leitfähiger Farbe gebildet sein. Somit berührt beim übereinanderstapeln der Deckeinheiten in einem (nicht dargestellten) isolierenden Rohr jeder positive Anschluß einer Einheit den negativen Anschluß der darüberliegenden Einheit und jeder.negative Anschluß den positiven Anschluß der darunterliegenden Einheit.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist jede Wicklung, beispielsweise eine Sekundärwicklung 44, ü^at {«ach in ζ\ιζ^ime.'-.au-.g mit der Wicklung 44b nach Fig. 4 und ζ rtar«5est«i.li~e, Ltiv.ungcn 94 und 95 an die Kopplungskapazitäten und an die am Umfang um die jedem betreffenden Deck zugeordneten Abschirmspulen 93 herum angebrachte londensator-Gleichrichter-Iette 51 angeschlossen. Diese Elemente sind natürlich in geeigneter Weise in Einbettungsmaterial 99 eingeschlossen. Der Deutlichkeit halber sind sie in Fig. 8 nicht dargestellt, in Fig. 7 jedoch zum Teil angedeutet ·

Ein Beispiel der Abmessungen einer besonderen Ausführungsform der Erfindung und typische Werte für die in ihr enthaltenen elektrischen Elemente ist nachstehend insbesondere anhand des Vektordiagramms nach Fig. 6 beschrieben, um eine typische Darstellung einer praktischen Anwendung der Erfindung bei der Schaffung einer Hochspannungsquelle zu geben, die in diesem Falle für eine verhältnismäßig leichte Stromlast bestimmt ist. Diese Abmessungen und andere Werte sind nicht als den Bereich der Erfindung begrenzend anzusehen und werden nur benutzt» um zu zeigen, wie die Erfindung typisch verwendet werden könnte.

Gemäß Fig. 7 und 8 ist beispielsweise jede Wicklung so aufgebai daß ihr Außendurchmesser etwa 63,5 mm (2*5 Zoll) und ihr Innendurchmesser etwa 31·75 mm (1,25 Zoll) beträgt, während die Brei te (Höhe) jeder Wicklung etwa 15,875 mm (0,625 Zoll) betrügt und jede Wicklung 160 Windungen hat. Bei einem in Fig. 8 als

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das Maß "d" bezeichneten Mittenabstand von etva 19,05 mm (0,75 Zoll) hat jede Wicklung eine Selbstinduktivität L gleich 1,08 χ 1CT³ Henry, vährend die Gegeninduktivität M zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines

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einzelnen Decks 0,486 χ 10 Henry beträgt.

Für eine Frequenz von 100 kHz ist der Wert der in den Kapazitätskopplungskreisen jedes Decks verwendeten Kapazitäten gemäß den Gleichungen (1) und (2) als C * 890 pF und C « 5?8O pF berechnet. FUr einen Spitzenstrom von etwa υ, 75 A beträgt die maximale WechselSpannungsausgangsleistung fUr jedes Deck gemäß der Gleichung (3) etwa 216 Watt.

Das Vektordiagramm nach Fig. 6 gibt die Amplituden- und Phasenverhältnisse zwischen den zu jedem Deck gehörenden verschiedenen Spannungen und Strumen an. Im Beispiel nach Fig. 5 ist die Spannung an der Primärwicklung 44b als die durch den Vektor dargestellte Spannung E₁ bezeichnet, während die Spannung an der Sekundärwicklung 45a als die durch den Vektor 101 dargestellte Spannung E₂ bezeichnet ist. Die Wechselspannungsausgangsleistung aus dem Deck, d.h. die Spannung zwischen dem Symmetriepunkt 50 und dem gemeinsamen Punkt 66 der Wicklungen (gemäß Fig. 5) ist als die in Fig. 6 durch den Vektor 102 dargestellte Spannung V bezeichnet. Die Spannung an jeden Reihenkor.uensator 46 und 47 ist durch die Vektoren 104 und 105 dargestellt, so daß die Spannung V plus die Spannung am Kondensator 4'. die Spannung an der Primärwicklung 44b darstellt, während die Spannung V plus die Spannung am Kondensator 46 die Spannung an der Sekundärwicklung 44a darstellt. Die über jede der Wicklungen in dem (betreffenden) Deck fließenden Spitzenströme sind durch die Vektoren 105a und 106 dargestellt« Die Vektoren 107 und 106 stellen die Ströme in jedem Parallelkapazitätszweig dar, während der Strom über den Reihenkapazitätszweig durch den Vektor 109 dargestellt ist.

Der jedem Deck zugeordnete Gleichrichterkreis kann so aufgebaut sein, daß er jede beliebige Anzahl von Gleichrichter-

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Vervielfacher-Stufen hat, vie sie zum Erzeugen der« Gleichspannungsausgangsleistung aus jedem Deck verlangt wird. In einem besonderen Beispiel kann der Gleichrichterkreis im Zusammenhang mit den vorstehenden Berechnungen eine Gesamtzahl von 40 Gleichrichterstufen (je 20 auf jeder Seite des Symmetriepunktes) enthalten, die gemäß den vorstehenden Berechnungen an den Anschlüssen 84 und 85 nach Fig. 5 eine Gleichspannungsaus» gangsleistung von etva 37,5 kV liefern vürden.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung kann die gesamte Kaskadentransformatorsäule beispielsweise 8 Decks enthalten zum Liefern einer 300 kV-Gleichspannungsausgangsleistung für eine Gesamtstapellänge von nur 30,48 cm (12 Zoll), vobei jedes zvei Wicklungen umfassende Deck eine Länge von etwa 38,1 mm (1,5 Zoll) aufweist.

Obwohl der Kapazitätskopplungskreis zwischen den Wicklungen in jeder Deckeinheit mit der besonderen symmetrischen Eauweise nach Fig. 3 und 4 dargestellt ist, können beispielsweise auch andere Kopplungskreisbauarten benutzt werden. Beispiele solcher anderen Ausführungsformen sind in Fig. 9, 10 und 11 dargestellt, die der Deutlichkeit halber den Kapazitätskopplungskreis und die geeigneten Verbindungen mit den betreffenden Gleichrichterkreisen für eine einzelne Deckeinheit oder, wenn passend, für zwei aneinander angrenzende Deckeinheiten zeigen.

In Fig. 9 ist beispielsweise eine erste Reihenkapazität 110 zwischen einem ersten Paar Endpunkte der Wicklungen 45 und und eine zweite reihengeschaltete Kapazität 111 zwischen den entgegengesetzten Endpunkten dieser wicklungen angeschlossen. Geeignete Parallelkapazitäten 112 und 113 sind in ähnlicher Veise angeschlossen wie in den vorgehenden Figuren. Da bei einer solchen Ausführung kein verfügbarer Eymmetriepunkt vorhanden ist, sind, wie gezeigt, zwei Gleichrichtereinheiten 114 und 115 jeweils an eine der Wicklungen angeschlossen, wobei die Gleichrichtereinheiten selbst zueinander in Reihe liegen.

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Bei einer anderen Kapazitätsausführung, die in Fig. 10 anhand von zwei aneinander angrenzenden Deckeinheiten dargestellt ist, vervendet man eine einzelne Reihenkapazität 116, die zwischen den Endpunkten 117 und 118 der Wicklungen 45 und 44 angeschlossen ist, deren andere Endpunkte an einem gemeinsamen Anschluß 119 liegen. Bei einer solchen Ausführung ist, da es keinen Symmetriepunkfc gibt, eine Gleichrichtereinheit 120 für eine Deckeinheit zwischen dem Punkt 117 und dem gemeinsamen Anschluß 119 angeschlossen, während eine Gleichrichtereinheit 120 für die angrenzende Deckeinheit zvischen dem Punkt 118 und dem gemeinsamen Anschluß 119 angeschlossen ist. Auf diese Weise sind die Gleichrichtereinheiten entlang der gesamten Kette aus Deckeinheiten abwechselnd an den einen oder den anderen Endpunkt angeschlossen.

Eine noch andere Ausführungsform eines solchen Kapazitätskopplungskreises ist in Fig. 11 dargestellt, in welcher die jeder Wicklung zugeordneten parallelgeschalteten Kapazitäten durch eine einzelne parallelgeschaltete Kapazität 121 ersetzt sind, die von einem gemeinsamen Punkt 122 der beiden reihengeschalteten Kapazitäten 123 und 124 aus an einen gemeinsamen Endpunkt 125 der Wicklungen 45 und 44 angeschlossen ist. Dabei ist eine Gleichrichtereinheit 126, wie gezeigt, an die Symmetriepunkte 122 und 125 angeschlossen.

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Claims

Ansprüche

1.)Hochspannungsgenerator, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von aneinander angrenzend angebrachten Einheiten (42;52), die je eine erste Wicklung (45)» eine an die erste Wicklung angrenzend angebrachte zveite Wicklung (44), einen die erste Wicklung mit der zweiten Wicklung koppelnden Kapazitätskreis enthalten, der den Wicklungen (45 bzv. 44) parallelgeschaltete Parallelkapazitäten (48 bzw. 49)» ferner mit den Wicklungen (45 bzv. 44) in Reihe geschaltete weitere Kapazitäten (46 bzv. 47) enthält, wobei die Werte der Parallelkapazitäten und der weiteren Kapazitäten so gewählt sind, dafi Resonanzbedingungen entstehen, und wobei jede Wicklung jeder Einheit mit einer Wicklung (44 bzw. 45) einer an sie angrenzenden Einheit gekoppelt ist, durch an an den Kapazitätskopplungskreis angeschlossene Gleichrichtermittel (51) zum Erzeugen einer gleichgerichteten Spannung, eine Wechselspannungsquelle (43), eine an die erste Wicklung (45a) einer der Einheiten (52) angrenzende und mit der Wechselspannungsquelle gekoppelte Eingangswicklung (44a) und durch Mittel zum Addieren der gleichgerichteten Spannungen aus jedem der Gleichrichtermittel (51) zum Erzeugen einer gleichgerichteten Ausgangsspannung·

2. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wicklungen (45,44) einen nichtmagnetischen Kern hat.

3. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswicklung und die eine Wicklung der einen Einheit einen gemeinsamen Eisenmagnetkern und eine Wicklung jeder der Einheiten und eine Wicklung einer angrenzenden Einheit einen gemeinsamen Eisenmagnetkern haben.

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4. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenmagnetkerne je zwei durch einen nichtmagnetisehen Spalt (Luftspalt) voneinander getrennte Abschnitte (40,41) enthalten.

5. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (45,44) zwei geneinsam angeschlossene Endpunkte haben, die veiteren Kapazitäten aus einen ersten (46) und einen zielten Kondensator (47) mit einer gemein* ai.itn Anschluß«;teils (50) bestehen und die Gleichrichtermittex \j>) von der geneinsamen Anschlußstelle aus an die gemeinsam (66) angeschlossenen Endpunkte angeschlossen sind.

6. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelkapasitüten (48,49) Kapazitätsverte haben, die einander im vesentlichen gleich sind, vährend der erste (46) und der zveite Kondensator (47) der veiteren Kapazitätsmittel einander in vesentlichen gleich Kapazitäts- . verte haben.

7. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsvicklung (44a) mit der Vechselspannungs· quelle (43) Über einen Eingangskapazitätskreis (54,55*56) gekoppelt ist«

8. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskapazitätskreis einen der Eingangsvicklung (44a) parallelgeschalteten Eingangskondensator (56) und mit der Eingangsvicklung in Reihe geschaltete veitere Eingangskapazitäten (54,55) enthält.

9. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (42 bzv. 52) als ein zusammenhängendes Ganzes bildende Decks ausgebildet sind, die aneinander angrenzend aufeinandergestapelt sind, so dal die Wicklungen (45,44) auf einer gemeinsamen Achse (90) liegen, die Sie-

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mente der Gleichrichtermittel am Außenumfang um die Wicklungen herum angebracht und zwischen den Wicklungen und den Elementen der Gleichrichtermittel Abschirmungen (93) angebracht sind. (Fig. 7 und 8)

10.Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veiteren Kapazitätsmittel einen ζvischen zvei Endpunkten der Wicklungen (45,44) angeschlossenen ersten Kondensator (110), einen zwischen den beiden entgegengesetzten Endpunkten der Wicklungen angeschlossenen zweiten Kondensator (111) enthalten und daß die Gleichrichtermittel aus zvei Gleichrichterkreisen (114,115) bestehen, von welchen einer (114) der ersten Wicklung (45) und der andere

(115) der zweiten Wicklung(44) parallelgeschaltet ist (Fig. 9).

11.Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Kapazitätsmittel eine mit den Wicklungen (45a, 44b) in Seihe geschaltete einzelne Kapazität

(116) enthalten und eine erste Vielzahl von Gleichrichterkreisen in abwechselnden Einheiten jeweils der ersten Wicklung der Einheit parallelgeschaltet ist, während eine zweite Vielzahl von Gleichrichterkreisen in den dazwischenliegenden Einheiten jeweils der zweiten Wicklung der Einheit parallelgeschaltet ist. (Pig. 10)

12.Hochspannungsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelkapazitäten eine einzelne Kapazität (121) enthalten, die von der gemeinsamen Anschlußstelle (122) aus an die gemeinsam (125) angeschlossenen Endpunkte angeschlossen ist. (Fig. 11)

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