DE2039469B2

DE2039469B2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Hochspannung

Info

Publication number: DE2039469B2
Application number: DE2039469A
Authority: DE
Inventors: Harald Anton Winchester Mass. Enge (V.St.A.)
Original assignee: Deltaray Corp Winchester Mass (vsta)
Current assignee: Deltaray Corp Winchester Mass (vsta)
Priority date: 1969-08-14
Filing date: 1970-08-08
Publication date: 1979-09-06
Also published as: US3596167A; DE2039469A1; CH516255A; JPS4823727B1; NL163914C; FR2058269A1; DE2039469C3; GB1321896A; NL7011364A; FR2058269B1; NL163914B

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Hochspannung, die aus mehreren in Kaskade geschalteten Transformatoren besteht, deren Sekundärwicklungen jeweils mit der Primärwicklung des nächsten Transformators verbunden sind, während die Eingangsprimärwicklung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, wobei jeder Transformator mit einer Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, deren Ausgänge zum Addieren der Gleichspannungen der einzelnen Stufen in Reihe geschaltet sind.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-PS 5 48 802 sowie aus der DE-PS 5 91689 bekanngeworden. Ferner wurde in US 32 42 412 ein Hochspannungsgleichrichter beschrieben, der eine hohe Spannung auf in Reihe liegende Gleichrichterzellen verteilt Weiter ist aus US 33 34 289 eine Schaltungsanordnung zum Ausgleich der Spannung an einer Vielzahl von in Reihe liegenden Gleichrichtern beschrieben. Diese Schaltungsanordnung dient zu einer besseren Spannungsteilung.

Schaltungsanordnungen zum Erzeugen von Spannungen, die in einer Größenordnung von einigen Hundert bis einigen Tausend kV liegen können, finden auf den verschiedensten Gebieten der Technik eine stets zunehmende Zahl von Anwendungen. Beispielsweise stellen der Bedarf zur Verwendung von Hochspannungsquellen beim Erzeugen von Strahlungsenergie, wie beispielsweise Kathodenstrahlen und Röntgenstrahlen, und in der Kerntechnik, beispielsweise für Teilchenbeschleuniger, einige typische Anwendungen dar. Dabei werden neben hohen Spannungen auch höhere Ausgangsstromstärken gefordert. Bisher verwendete übliche Hochspannungsquellen, wie beispielsweise Bandgeneratoren, liefern nur begrenzte Ausgangsstromstärken und sind nicht immer einem höheren Leistungsbedarf anpaßbar. Es wurden auch andere elektromechanische Vorrichtungen elektromagnetischer Art bekannt, bei welchen man eine Vielzahl von Ständern zusammen mit einer Vielzahl von Läufern oder eine gemeinsame isolierende Welle verwendetn kann.

Mit weiteren Arten von Hochspannungsgeneratoren, bei welchen man entweder einen Transformator mit Luftkern oder einen Transformator mit Eisenmagnetkern verwendet, der eine gemeinsame Primärwicklungs-

einheit und eine Vielzahl von Sekundärwicklungseinheiten besitzt, die den gemeinsamen Magnetfluß koppeln, lassen sich kaum viel mehr als 3000 kV erzeugen.

Der Anmelder hat Entwicklungen betrieben (US 35 05 608), bei denen ein elektromagnetischer Generator verwendet wird, bsi welchem die Energie mittels einer Wanderwelle über eine Hochspannungssäule auf höhere Spannung umgeformt wird. Hierbei sind besondere Maßnahmen notwendig, daß die Schaltung mit ihrem Wellenwiderstand abschließt, um stehende Wellen zu vermeiden, die normalerweise in der Hochspannungssäule ein ungleichmäßiges Spannungsgefälle erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung gleichgerichteter Hochspannung zu schaffen, die mit hohem Wirkungsgrad arbeitet

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen oder mehrere auf Reihenresonanz abgestimmte Kondensatoren in Reihe mit den Transformatorwicklungen und einen oder mehrere auf Parallelresonanz abgestimmte Kondensatoren parallel i\i den Transformatorwicklungen.

Durch die Schaltungsanordnung nach der Erfindung können hohe Gleichspannungen mit hohem Energieinhait bei einem großen und gleichmäßigen Spannungsgefälle entlang der Hochspannungssäule erzeugt werden. Die Kondensatoren können gegenüber herkömmlichen Hochspannungsgeneratoren ein niedrigeres Verhältnis von Strom zu Spannung haben. Folglich ist der Herstellungsaufwand erheblich geringer.

Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Durch die Verwendung eines Kaskadentransformators mit nichtmagnetischem Kern, der durch die Kopplungskapazität, die Selbstinduktivität jeder Wicklung und die Gegeninduktivität zwischen zwei aneinander angrenzenden Wicklungen bestimmte geeignete Resonanzbedingungen aufweist, läßt sich eine höchste Steigerung der an eine Last gelieferten Energie erreichen, wobei die Ströme in dem System nur durch die in dem Transformator entstehenden Wärmeverluste begrenzt sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung des Kaskadentransformators hervor.

Für den Kaskadentransformator zum Erzeugen einer gleichgerichteten Hochspannung, bei welchem man als bevorzugte Ausführungsform Transformatoreinheiten mit nichtmagnetischem Kern verwendet, sind die Sekundärwicklungen jeweils mit den Primärwicklungen kapazitiv gekoppelt Die K.apazitätswerte sind so gewählt, daß Resonanzbedingungen entstehen. Gleichrichter-Vervielfacher-Ketten, die an jedes Paar der kapazitiv gekoppelten Wicklungen angeschlossen sind, erzeugen bei geringstem Energieverlust Gleichspannungen. Jedes Paar der kapazitiv gekoppelten Wicklungen kann als eine Stufe ausgebildet sein. Diese Stufen sind mit ihren gleichgerichteten Spannungen in Reihe geschaltet und in einer Säule aufeinandergestapelt, um eine hohe Gleiehspannungsausgangsleistung zu erzeugen, die entlang der Säule ein gleichmäßiges Gleichspannungsgefälle aufweist.

Einige Ausführungsbeispiele von Kaskadentransformatoren nach der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und IA ein Schema eines gewöhnlichen Kaskadentransformators bei Verwendung von Magnetkernen, sein Prinzipschaltbild,

Fig.2 und 2A ein Schema einer Ausführungsform eines Kaskadentransformators nach der Erfindung unter Verwendung von Magnetkernen, sein Prinzipschaltbild,

ι F i g. 3 ein Schema einer Variante des Kaskadentransformators nach F i g. 2,

F i g. 4 ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform des Kaskadentransformators nach der Erfindung bei Verwendung eines nichtmagnetischen Kerns,

ίο F i g. 5 ein Schaltbild einer Stufe der Ausführungsform nach F i g. 4,

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

F i g. 7 einen teilweise gebrochenen Schnitt durch einen Aufbau aus in Fig.5 schematisch dargestellten Stufen entsprechend der Linie 7-7 in F i g. 8,

F i g. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 in F i g. 7 durch eine solche Stufe der HochspannungssäeV; nach F i g. 7, F i g. 9 ein Schaltbild einer anderen Atröühningsfonn des Kapazitätskopplungskreises und des Greichrichterkreises nach den F i g. 2,3 und 4,

Fig. 10 ein Schaltbild einer weiteren abgeänderten Ausführungsform eines solchen Kapazitätskopplungs kreises uno Gleichrichterkreises und

F i g. 11 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines solchen Kapazitätskopplungskreises und Gleichrichterkreises. Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung und zu ihrem Vergleich mit einem Kaskadentransformator nach dem bisherigen Stand der Technik zeigt F i g. 1 das Schema eines üblichen Kaskadentransformators, der eine Vielzahl von Transformatoren 10 besitzt, die je einen besonderen 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 Schaltung zum Erzeugen hoher Gleichspannungen kann an die Sekundärwicklung jedes Transformators ein Gleichrichterkreis der als Beispiel in

so der Zeichnung dargestellten und nachstehend noch näher erörterten allgemeinen Bauart angeschlossen werden. Dabei wird dann die Last entlang der Tranjformatorenkette verteilt, was zu einem weniger starken Spannungsabfall führt als im Falle eines einzigen gleichwertigen, in F i g. t dargestellten Widerstandes als Last 15 am Ende der Kette.

Fig. IA zeigt ein Prinzipschaltbild zum Kaskadentransformator nach Fig. 1. Die reihengeschalteten Induktivitäten 16 stellen die Streuinduktivitäten L₁ und

to die pärällelgeschälteten induktivitäten 17 die Mägnetisierungsinduktivitäten L_m dar. Das Vorhandensein solcher Induktivitäten bewirkt eine starke Spannungsdämpfung, insbesondere bei Verwendung einer verhältnismäßig langen Kette lolcher Transformatoren, so daß der Ausgangsspannungswert stark begrenzt ist Zum Beheben solcher Dämpfungsprobleme können im Gegensatz zu dem üblichen System nach F i g. I die anhand von F i g. 2 bis 8 erläuterten Ausfuhrungsformen

der Erfindung verwendet werden.

Gemäß F i g. 2 kann eine Vielzahl von gesonderten Eisenkerneinheiten 20a, 206, 20c einer bei üblichen Magnetkerntransformatoren verwendeten Bauart in einer Kette aneinander angrenzend angeordnet sein. Einer solchen Eisenkerneinheit ist jeweils eine Primär wicklung 21a, 2ib, 21c und eine Sekundärwicklung 22a, 22b, 22c der insgesamt mit Ziffer 21, 22 bezeichneten Transformatorwicklungen zugeordnet, jedoch ist im Gegensatz zu den üblichen Kaskaclentransformatoren die Sekundärwicklung jeder Transformatoreinheit, wie gezeigt, durch einen passenden Kapazitätskreis mit der Primärwicklung der nachfolgenden angrenzenden Einheit kapazititv gekoppelt. Beispielsweise ist die Sekundärwicklung 22a der ersten Eisenkerneinheit 20a mit ihren Ausgangsanschlüssen an die FJngangsanschlüsse der Primärwicklung 21 b der Transformatoreinheit 206 über Reihenkondensatoren 23 und 24. angeschlossen, deren jeweiliger Kapazitätswert C, genannt sei. Ein Kondensator 25 ist der Sekundärwicklung 22a und ein Kondensator 26 der Primärwicklung 21 b parallelgeschaltet, deren Wert jeweils C_p sei.

Eine Primärwicklung 21 a der ersten Eisenkerneinheit 20a ist an eine Eingangswechselspannungsquelle 27 über einen Kapazitätskreis angeschlossen, der aus zwei Reihenkondensatoren 28 und 29, die je einen Wert 2 C, haben, und aus einem der Primärwicklung 21a parallelgeschalteten Kondensator 30 mit einem Wert C_n besteht Als Alternative kann an die Stelle der Reihenkondensatoren 28 und 29 ein einziger Reihenkondensator mit einem Wert C₅ treten. Eine Ausgangswechselstromlast 31 ist gemäß der Darstellung in F i g. 2 an die Ausgangsanschlüsse der Sekundärwicklung 22c der letzten Eisenkerneinheit 20c der Kette über einen Kapazitätskreis angeschlossen, der dem am Eingang der Kette entspricht und die Reihenkondensatoren 32 und 33, die je einen Wert 2 C₅ haben, und einen Parallelkondensator 34 enthält, der einen Wert C„ hat.

Der Symmetriepunkt 35 in dem kapazitätskopplungskreis und die gemeinsam angeschlossenen Endpunkte der so miteinander gekoppelten Sekundär- und Primärwicklungen sind je an einen Gleichrichterkreis 36 angeschlossen, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind, so daß sich eine hohe Gleichspannungsausgangsleistung ergibt. Die Gleichrichter mit ihrer Gleichstromlast 37 stellen eine auf den Wechselstromkreis verteilte Last dar. Bei einfachen Berechnungen kann die Gesamtlast mit Rl bezeichnet werden.

F i g. 2A zeigt eine Prinzipschaltung, für einen Teil des Transformators nach F i g. 2. Die Induktivitäten werden Streuinduktivitäten L, bzw. Magnetisierungsinduktivitäten L_n, genannt und durch die reihengeschalteten Induktivitäten 38 und parallelgeschalteten Induktivitäten 39 dargestellt

Eine andere Form eines Transformators nach der Erfindung ist in F i g. 3 schematisch dargestellt Der hier gezeigte Aufbau weicht von dem in F i g. 2 dargestellten Aufbau darin ab, daß die Eisenkerneinheiten 39a geteilt sind, so daß sie gesonderte Abschnitte 40 und 41 mit einem zwischen 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 Ausführurrgsform nach F i g. 3 wie nach F i g. 2 angeschlossen sein.

Die Kombination einer Sekundärwicklung einer Eisenkerneinheit und der Primärwicklung der nächstfol genden Eisenkerneinheit mit dem zwischen ihnen

vorhandenen Kapazitätskopplungskreis und der ihnen zugeordneten Gleichrichtereinheit wird Stufe bezeichnet, wie sie beispielsweise in Fig.3 strichpunktiert umfaßt und mit 42 beziffert ist. Für die Verwendung der Stufen kann bei den Ausführungsformen nach Fig.3 und 4 eine Stufe als eine einzelne, ein zusammenhängendes Ganzes bildende Einheit mit nur zwei ihren positiven bzw. ihren negativen Anschluß darstellenden äußeren Anschlüssen gebaut werden. Dadurch lassen sich die Stufen übereinanderstapeln, wie das von Blitzlichtbatterien zur Darstellung höherer Gleichspan nungen bekannt ist. Der Luftspalt zwischen zwei Hälften eines Eisenkerns in zwei aneinander angrenzen den Stufen kann aus festem Isoliermaterial, wie beispielsweise Epoxidharz gebildet werden.

Nun hat sich herausgestellt, daß eine kapazitätsgekoppelte Bauweise nach der Erfindung, bei welcher entsprechend F i g. 2 und 3 F.isrnkprnp vprwpnrjpt werden, ungeeignet sein kann, wenn hohe Leistung und gleichzeitig verhältnismäßig hohe Spannungen verlangt werden. Außerdem kann ein Eisenkerntransformator aufgrund der Kernverluste nicht einfach bei einer so hohen Frequenz betrieben werden wie ein Transformator mit nichtmagnetischem Kern.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird eine kapazitätsgekoppelte Bauweise mit nichtm~gnetischen Kernen benutzt. Fig. 4 zeigt dazu eine Vielzahl von kaskadenartig angeordneten Tranformatoren, die Wicklungen enthalten, die sich entlang einer gemeinsamen Achse aneinander angrenzend anbringen lassen, und deren Aufbau in F i g. 7 und 8 in konstruktiven Einzelheiten dargestellt ist. In Fig. 4 hat jeder Transformator eine Primärwicklung 44 und eine Sekundärwicklung 45.

Jeder Wicklung ist eine Selbstinduktivität L zugeord net. wobei zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jedes Transformators eine Gegenin duktivität M besteht. Die Sekundärwicklung eines Transformators ist mit der Primärwicklung der nachfolgenden angrenzender, Einheit kapazitiv gekoppelt über einen Kapazitätskopplungskreis von im wesentlichen dem gleichen Aufbau wie nach Fig. 2 und 3. Zwischen den Wicklungen sind zwei Reihenkondensatoren 46 und

47 vom Wert Q angeschlossen. Ein Parallelkondensator

48 vom Wert C_p ist der Sekundärwicklung eines Transformators parallelgeschaltet. Ein Parallelkondensator 49 vom Wert C_P ist der Primärwicklung eines angrenzenden Transformators parallelgeschaltet.

Eine Anschlußstelle 50 als Symmetriepunkt des Kapazitätskoppiungskreises und die gemeinsam .ngeschlossenen Endpunkte der so gekoppelten Sekundär- und Primärwicklung sind in geeigneter Weise an Gleichrichtereinrichtungen 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 Kapazitätskopplungskreis und dem Gleichrichter wird ebenfalls strichpunktiert umfaßt und mit Stufe 52 bezeichnet

Wie anhand Fig.2 und 3 beschrieben, ist eine Eingangs-Wechselspannungsquelle 43 an die Eingangsprimärwicklung 44a der ersten Transformatoreinheit der Kette über zwei Reihenkapazitäien als Eingangskondensatoren 54 und 55 jeweils vom Wert 2 C₁ und über eine der Eingangsprimärwickhmg 44a parallelgeschaltete Kapazität als Eingangskondensator 56 vom

Wert Cp angeschlossen. Die Eingangskondensatoren 54 und 55 können durch einen einzigen Kondensator vom Wert Cg ersetzt werden.

im Gegensatz zu den kapazitätsgekoppelten Transformatoren nach Fig.2 und 3 ist beim System nach F i g. 4 jede Primärwicklung magnetisch nicht nur mit ihrer Sekundärwicklung, sondern außerdem mit jeder der anderen Wicklungen der Kette gekoppelt, obwohl die Größe dieser Kopplung mit dem Abstand zwischen den Wicklungen rasch abnimmt. Zum Berechnen der Werte der bei dieser Ausführungsform 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 nachstehend aufgeführten Gleichungen erfolgen:

L - M ¹L(L + M)

4M

M¹

worin L die Selbstinduktivität einer beliebigen Wicklung und M die Gegeninduktivität zwischen zwei benachbarten Wicklungen bedeutet. Es ist ω = 2 nf, mit f als verwendete Frequenz. Wenn ein maximal erzielbarer Wic''lungsstrom mit I, bezeichnet wird, (wobei selbstverständlich angenommen wird, daß auftretende Spitzenströme in dem Tranformator durch die Wärmeverluste, wie bei jedem Transformator, begrenzt sind), läßt sich die maximale Energie P, die der durch den Ausdruck R_L dargestellten Wechselstromlast 53 und Gleichstromlast 67 zugeführt werden kann, wie folgt ausdrücken:

P =

.,ML²I] lJ - M²

Der Ausdruck R,Tür den kombinierten äquivalenten Lastwidcrstand lautet dann:

v, [L + Mf 4M (L~^M~)

Um die erforderliche Gesamtausgangsgleichspannung zu erzeugen, wird ein Teil der an dem Symmetriepunkt in Form der Anschlußstelle 50 jeder Stufe 52 erzielbaren Leistung über eine Gleichrichtereinrichtung 51 abgenommen, von welchen ein als Gleichrichter 51a bezeichneter in Fig.5 in seinen Einzelheiten im Zusammenhang mit Stufe 52a dargestellt ist, die die Sekundärwicklung 45a einer ersten Transformatoreinheit 43a und die Primärwicklung 446 einer zweiten Transformatoreinheit in der kaskadenartigen Kette nach F i g. 4 enthält

In Fig.5 ist der Symmetriepunkt in Form der Anschlußstelle 50 des Kapazitätskopplungskreises über zwei Kondensatoren 61 und 62 an eine Gleichrichter-Vervielfacher-Kette angeschlossen, die den aus der Figur entnehmbaren 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 bzw. 81 in geeigneter Weise über Ausgangswiderstände 82 bzw. S3 an Anschlösse 84 bzw. 85 angeschlossen, die den positiven bzw. den negativen Ausgangsanschluß der Stufe 52a darstellen, um aus ihr einen Gleichspannungsausgang zu liefern.

Die aus jeder Stufe erhaltenen Spannungen sind, wie in FI g, 4 gezeigt, in Reihe geschaltet, um zwischen den Ausgangs-AnschlQssen 14 und 86 die hohe Gleichspannungsausgangsleistung zu erzeugen. Fig.7 und 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungs- η form des mechanischen Aufbaus einer Stufe des in F i g. 4 und 5 schematisch dargestellten Kaskadentransformators mit nichtmagnetischen Kernen. F i g. 7 zeigt einen Teil eines Querschnitts entlang der Linie 7-7 nach Fig.8, während Fig.8 einen axialen Längsschnitt

ι > entlang der Linie 8-8 in F i g. 7 zeigt Eine solche Stufe kann, wie nachstehend noch näher beschrieben, als einzelne geschlossene Einheit gebaut werden. Wie aus

F i g. 7 und R ersichtlich, sind dip Primfirwirkliing AA und

die Sekundärwicklung 45 im wesentlichen aneinander

it) angrenzend auf einer gemeinsamen Achse 90 angebracht. Bei dem dargestellten Aufbau sind diese Wicklungen mit Hilfe geeigneter Bindemittel an einer Platte 92 aus Isolierstoff angebracht Konzentrisch zu jeder Wicklung sind Spulen als Abschirmungen 93,

2> beispielsweise in Form einzelner Kupferringe, 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 verwendende Schaltung mit niedriger Leistung ausreichend. Bei einer Schaltung mit hoher Leistung können die Abschirmringe durch solche Spulen ersetzt werden, die entweder einzeln kurzgeschlossen oder mit der entsprechenden (3) Hauptwicklung in Reihe, jedoch in entgegengesetzter

Richtung geschaltet sind.

Der Gesamtaufbau ist in passender Weise in ein geeignetes Einbettungsmaterial 99 eingebracht, das die bauliche Starrheit der darin eingebetteten Elemente erhält und eine geschlossene Einheit entstehen läßt.

Durch das Übereinanderstapeln entsprechender Einheiten ist die verlangte Gleichspa&RURgs-Ausgar.gsleistung aufzubauen. Die Ausgangsleitung jeder Einheit, beispielsweise aus den Ausgangswiderständen 82 und 83 nach F i g. 4, werden an die Anschlüsse 84, 85 geführt.

Diese Anschlüsse können beispielsweise, wie aus F i g. 8 ersichtlich, aus auf die Außenfläche des Einbettungsmaterials 99 aufgebrachter leitfähiger Farbe gebildet sein. Somit berühren sich beim Obereinanderstapeln von Einheiten in einem (nicht dargestellten) isolierenden

Rohr die Anschlüsse der Einheit gegenseitig.

Wie aus Fig.7 ersichtlich, ist jede Wicklung, beispielsweise eine Primärwicklung 44, fiber (auch im Zusammenhang mit der Primärwicklung 446 nach F i g. 4 und 5 dargestellte) Leitungen 94 und 95 an die Kopplungskapazitäten und an die am Umfang um die jeder betreffenden Stufe zugeordneten Abschirmungen 93 herum angebrachte Kondensator-Gleichrichtereinrichtungen 51 angeschlossen. Diese Bauelemente sind in Einbettungsmaterial 99 eingeschlossen. Der Deutlich keit halber sind sie in F i g. 8 nicht dargestellt, in F i g. 7 jedoch zum Teil angedeutet

Ein Beispiel der Abmessungen einer besonderen Ausffihrungsform der Erfindung und typische Werte für

die in ihr enthaltenen elektrischen Bauelemente ist anhand des Vektordiagramms nach F i g. 6 beschrieben. Diese Hochspannungsquelle ist für geringe Strombelastung bestimmt

Gemäß F i g. 7 und 8 ist jede Wicklung so aufgebaut, daß ihr Außendurchmesser etwa 634 mm und ihir Innendurchmesser etwa 31,75 mm betragt, während die Höhe jeder Wicklung etwa 15375 mm betragt und jede Wicklung 160 Windungen hat, Bei einem in F i g. 8 mit d bezeichneten Mittenabstand von etwa 19,05 mm hat jede Wicklung eine Selbstinduktivität L von 1,08 χ 10 ^! Henry, während die Gegeninduktivität Mzwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung einer einzelnen Stufe 0,486 χ 10-³ Henry beträgt

Für eine Frequenz von 100 kHz ist der Wert der in den Kapazitätskopplungskreisen jeder Stufe verwendeten Kapazitäten gemäß den Gleichungen (1) und (2) als

Spitzenstrom von etwa 0,75 A beträgt die maximale Wechselspannungsausgangsleistung für jede Stufe gemäß der Gleichung (3) etwa 216 Watt

Das Vektordiagramm nach F i g. 6 gibt die Amplituden- und Phasenverhältnisse zwischen den zu jeder Stufe gehörenden verschiedenen Spannungen und Strömen an. Im Beispiel nach F i g. 5 ist die Spannung an der Primärwicklung 44b als die'durch den Vektor 100 dargestellte Spannung £Ί bezeichnet, während die Spannung ah der Sekundärwicklung 45a als die durch den Vektor 101 dargestellte Spannung E₂ bezeichnet ist. Die Wechselspannungsausgangsleistung aus der Stufe, d. h. die Spannung zwischen dem Symmetriepunkt 50 und dem gemeinsamen Punkt 66 der Wicklungen (gemäß F i g. 5) ist als die in F i g. 6 durch den Vektor 102 dargestellte Spannung V bezeichnet Die Spannung an jedem Reihenkondensator 46 und 47 ist durch die Vektoren 104 und 105 dargestellt so daß die Spannung V zuzüglich der Spannung am Reihenkondensator 47 die Spannung an der Primärwicklung 44b dargestellt, während die Spannung V zuzüglich der Spannung am Reihenkondensator 46 die Spannung an der Sekundär wicklung 45a darsteiit. Dit aber jede Wicklungen in der betreffenden Stufe fließenden Spitzenströme sind durch die Vektoren 105a und 106 dargestellt Die Vektoren 107 und 108 stellen die Ströme in jedem Parallelkapazitätszweig dar, während der Strom über den Reihenkapazitätszweig durch den Vektor 109 dargestellt ist

Der jeder Stufe zugeordnete Gleichrichterkreis kann so aufgebaut sein, daß er jede beliebige Anzahl von Gleichrichter-Vervielfacher-Stufen hat wie sie zum Erzeugen der Gleichspannungsausgangsleistung aus jeder Stufe 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 F i g. 5 eine Gleichspannungsausgangsleistung von etwa 37,5 kV liefern.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung

kann die Säule des Kaskadentransformators beispielsweise 8 Stufen enthalten. Dabei würde eine Ausgangsspannung von 300 KV bei einer Stapellänge von 30,48 cm geliefert, wobei jede zwei Wicklungen umfassende Stufe eine Länge von etwa 38,1 mm aufweist.

Obwohl der Kapazitätskopplungskreis zwischen den Wicklungen in jeder Stufe mit der besonderen symmetrischen Bauweise nach F i g. 3 und 4 dargestellt

ίο ist, können beispielsweise auch andere Bauarten von Kopplungskreisen 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

ι ι den betreffenden Gleichrichterkreisen für eine einzelne Stufe oder, wenn passend, für zwei aneinander angrenzende Stufen zeigen.

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sator HO zwischen jeweils einem Ende der Primärwicklung 44 und Sekundärwicklung 45 und ein zweiter Reihenkondensator 111 zwischen den anderen Enden dieser Wicklungen angeschlossen. Kondensatoren 112 und 113 sind in ähnlicher Weise wie in den vorhergehenden Figuren angeschlossen. Da bei einer

2^r> solchen Ausführung kein verfügbarer Symmetriepunkt vorhanden ist, sind zwei Gleichrichtereinrichtungen 114 und 115 jeweils an eine der Wicklungen angeschlossen, wobei die Gleichrichtereinrichtungen zueinander selbst in Reihe liegen.

to Bei einer anderen Ausführung, die in F i g. 10 anhand von zwei aneinander angrenzenden Stufen dargestellt ist, verwendet man einen einzelnen Reihenkondensator 116, der zwischen den Endpunkten 117 und 118 der Primärwicklung 44, hier 446,44c und der Sekundärwick-

j-, lung 45, hier 45a, 45b angeschlossen ist, deren andere Endpunkte an einem gemeinsamen Anschluß 119 liegen. Bei einer solchen Ausführung ist, da es keinen Symmetriepunkt gibt eine Gleichrichtereinrichtung 120 für eine Stufe zwischen dem Fndpunkt 117 und dem gemeinsamen Anschluß 119 angeschlossen, während eine Gieichrichtereinrichtung 120 für die angrenzende Stufeneinheit zwischen dem Endpunkt 118 und dem gemeinsamen Anschluß 119 angeschlossen ist. Auf diese Weise sind die Gleichrichtereinrichtungen entlang der

4') gesamten Kette aus Stufen abwechselnd an den einen oder den anderen Endpunkt angeschlossen.

Eine noch andere Ausführungsform eines solchen Kanazitätskopplungskreises ist in F i g. 11 dargestellt in welcher die jeder Wicklung zugeordneten parallelgeschalteten Kapazitäten durch einen einzelnen parallelgeschalteten Kondensator 121 ersetzt sind, der von einem gemeinsamen Punkt als Anschlußstelle 122 der beiden Reihen-Kondensatoren 123 und 124 aus an einen gemeinsamen Endpunkt 125 der Primärwicklung 44 und Sekundärwicklung angeschlossen ist Dabei ist eine Gleichrichtereinrichtung 126, wie gezeigt, an die Anschlußstelle 122 und den Endpunkt 125 angeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Hochspannung, die aus mehreren in Kaskade geschalteten Transformatoren besteht deren Sekundärwicklungen jeweils mit der Primärwicklung des nächsten Transformators verbunden sind, während die Eingangsprimärwicklung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, wobei jeder Transformator mit einer Gleichrichtereinrichtung verbunden ist, deren Ausgänge zum Addieren der Gleichspannungen der einzelnen Stufen in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch einen oder mehrere auf Reihenresonanz abgestimmte Kondensatoren (23,24,28,29,46,47,54,55,110, 111,116,123,124) in Reihe mit den Transformatorwicklungen (21, 22,44, 45) und einen oder mehren: auf Parallelresonanz abgestimmte Kondensatoren (25, 26,30,48_; 48,56,112,113,121) parallel zu den Transformaiorwickhingen (21,22,44,45).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorwicklungen (45,44) einen nichtmagnetischen Kern haben.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, min Eisenkernen für die Transformatoren, dadurciii gekennzeichnet, daß die Eisenkerne je zwei durch einen nichtmagnetischen Spalt (Luftspalt) voneinander getrennte Abschnitte (40,41) aufweisen (F i g. 3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch x> gekennzeichnet, daß je Stufe zwei Kondensatoren (46, 47) in Reihe mit den Transfrrmatorwicklungen (44, 45) vorgesehen sind und die Gleichrichtereinrichtung (51) einerseits an die * itneinsame Anschlußstelle (50) der Reihenkondensatoren (46, 47), andererseits an die gemeinsam angeschlossenen Endpunkte (66) der Transformatorwicklungen (45,, 44) angeschlossen ist (F i g. 4).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelkondensatoren (48, 49) im wesentlichen gleiche Kapazitätswerte und die Reihenkondensatoren (46, 47) im wesentlichen gleiche Kapazitätswerte haben.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stufen aneinan- « dergrenzend aufeinandergestapelt sind, so daß die Transformatorwicklungen (45,44) auf einer gemeinsamen Achse (90) liegen, die Gleichrichterelemente am Außenumfang um die Transformatorwicklungen herum angebracht und zwischen den Transformator- so wicklungen und den Gleichrichterelementen Abschirmungen (93) angebracht sind (F i g. 7 und 8).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen zwei Endpunkten der Transformatorwicklungen (45,44) angeschlossener erster Reihenkondensator (110) und ein zwischen den beiden entgegengesetzten Endpunkten der Transformatorwicklungen angeschlossener zweiter Reihenkondensator (111) vorgesehen sind, und daß eine Gleichrichtereinrichtung (114) zur w Sekundärwicklung (45) und eine weitere Gleichrichtereinrichtung (115) zur Primärwicklung (44) parallelgeschaltet ist (F i g. 9).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Stufe nur ein Reihenkonden- *5 sator (116) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichtereinrichtungen (120) in den aufeinanderfolgenden Stufen abwechselnd der Sekundärwicklung (45a) oder der Primärwicklung (44c) parallelgeschaltet sind (F ig. 10).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je Stufe nur ein Parallelkondensator (121) vorgesehen ist, der einerseits an die gemeinsame Anschlußstelle (122) der Reihenkondensatoren (123, 124) und andererseits an die gemeinsam angeschlossenen Endpunkte (12Γ) der Transformatorwicklungen (44,45) angeschlossen ist (Fig. 11).

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsprimärwicklung (44a) mit der Wech ;elspannungsquelle (43) über einen Eingangskapazitätskreis gekoppelt ist, der einen der Eingangsprimärwicklung (44a) parallelgeschalteten Eingangskondensator (56) und mit der Eingangsprimärwicklung (44a) in Reihe geschaltete weitere Eingangskondensatoren (54,55) enthält.