DE2312540B2 - Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die US-PS 28 75 394 ist eine Einrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmalen bekannt Bei der bekannten Einrichtung sind mehrere Kondensatoren vorgesehen, die beabstandet und miteinander ausgerichtet angeordnet sind. Die inneren Ringelektrode!: sind über Gleichrichter miteinander verbunden. Die zylinderförmigen Außenelektroden sind nacheinander abwechselnd an entgegengesetzte Polaritäten der Wechselspannungsquelle gelegt

Diese bekannte Einrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Da die äußeren zylindrischen Elektroden benachbarter Kondensatoren an entgegengesetzte Phasen der Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, haben auch die inneren zylindrischen Elektroden entgegengesetzte Polaritäten, so daß ein starkes elektrostatisches Feld zwischen den Enden benachbar ter innerer Zylinder aufgebaut wird. Hierdurch ergibt sich eine gegenseitige nachteilig? Beeinflussung der Potentialverhältnisse. Die Kupplung zwischen den äußeren zylindrischen Elektroden und den inneren -, zylindrischen Elektroden an den Endabschnitten ist schlecht, wodurch sich ein erheblicher Kapazitätsverlust ergibt, der sich durch einen Abfall der Ausgangsgleichspannung relativ zur Eingangswechselspannung äußert. Der Wirkungsgrad der bekannten Einrichtung ist daher

in als Echelcht anzusehen. Will man sehr hohe Gleichspannungen erzielen, ergibt sich mit der bekannten Einrichtung eine erhebliche Baulänge, die einen Einsatz im kommerziellen Bereich sehr erschwert Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht

ι i deshalb darin, eine Einrichtung gemäß Oberbegriff des

Anspruchs 1 so auszubilden, daß der Wirkungsgrad

erhöht wird bei gleichzeitiger Verringerung der Baulänge.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

jo Anspruchs 1 angegebenen Gestaltungsmerkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung werden wesentliche Vorteile erzielt. Eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter durch die Innenzylinder (inneren Elektroden) und Außenzylinder gebildeten Kondensa-

r> toren ist durch die Aufteilung der Polaritäten auf die einzelnen Innenzylinder vermieden, so daß sich eine Erhöhung· des Wirkungsgrades ergibt Da die inneren Elektroden sozusagen durch einstückige lange Zylinder gebildet sind, die von mehreren beabstandeten zylinder-

jo förmigen Elementen (Außenelektroden) umgeben sind, ist eine Reduzierung der Baulänge möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung entstehen Kondensatoranordnungen mit sehr hoher Kapazität, wodurch vorteilhafterweise Festkörpergleichrichter eingesetzt

j-, werden können, die bei der Erzeugung von hohen Gleichspannungen aus Wechselspannungen wirtschaftlich einsetzbar sind bei Wechselspannungsfrequenzen zwischen 5 und 50 kHz. Festkörpergleichrichter haben gegenüber Röhrengleichrichtern außerdem den Vorteil ener größeren Lebensdauer. Die Schwierigkeit bei der Verwendung von Festkörpergleichrichtern gegenüber der Verwendung gasgefüllter Röhrengleichrichter oder Vakuumröhren-Gleichrichter besteht darin, daß die Kosten bei der Verwendung in einer Einrichtung gemäß der genannten Druckschrift, US-PS 28 75 394, die bei Frequenzen in der Größenordnung von 00 bis 300 kHz arbeitet, untragbar hoch werden. Ein Betrieb bei Frequenzen, bei denen mit Festkörpergleichrichtern wirtschaftlich gearbeitet werden kann, nämlich bei 5 bis

so 50 kHz, wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, als Ergebnis der weiter unten dargestellten Kondensator-Elektroden-Anordnung, die die notwendige Kapazität schafft, um Ausgangsspannungsverluste zu kompensieren, die sich aus der Verwendung von Eingangsspannungen mit niedrigerer Frequenz ergeben. Die Gleichung, die die Beziehung zwischen der Eingangswechselspannung und der Ausgangsgleichspannung bei der erfindungsgemäßen Einrichtung definiert, lautet:

nl

wobei η die Zahl der Gleichrichterstufen, C die Koppelkapazität pro Stufe, / der Ausgangsstrom und f die Frequenz der Eingangswechselspannung bedeuten. Man erkennt, daß der zweite Ausdruck in der Gleichung beispielsweise um einen Faktor 8 größer wird, wenn die Frequenz f der Eingangswechselspannung beispielswei-

se um einen Faktor 8 abnimmt, und daß die Ausgangsspannung Uavs dadurch erheblich verringert wird. Da es nicht erwünscht ist, den Ausgangsstrom /zu reduzieren, können als einzige Faktoren die Zahl π der Gleichrichterstufen und die Koppelkupazität pro Stufe variiert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Effekt der reduzierten Frequenz auf die Ausgangsspat-nung kompensiert durch die Verwendung eines Kondensatoraufbaus, air eine große effektive Kapazität liefert, die beispielsweise ein Vielfaches derjenigen beträgt, die durch die durch die US-PS 28 75 394 bekannte Einrichtung erhalten wird. Wenn beispielsweise die Kapazität um einen Faktor 2 erhöht wird, wirkt sich eine Reduzierung der Frequenz auf 1/8 im zweiten Ausdruck der obigen Gleichung nur um einen Faktor 4 aus.

Die erfindungsgemäSe Ausbildung ermöglicht unter Aufrechterhaltung der Gesamtkapazität eine Reduzierung der Zahl der Gleichrichterstufen. Hierdurch wird eine weitere Kompensation der Auswirkung der niedrigen Frequenz erzielt, was ohne weiteres dem zweiten Ausdruck der Gleichung entnommen werden kann. Zusätzlich erlaubt die Verringerung der Zahl der Stufen die Verwendung einheitlicher Kondensatoren größerer Länge, wodurch eine weitere Kompensierung des Effekts der Frequenzreduzierung erreichbar ist Dies macht jedoch eine Erhöhung der Eingang »wechselspannung Uein erforderlich, um den ersten Ausdruck der Gleichung auf seinem ursprünglichen Wert zu halten. Ein anderer Vorteil, der sich aus der Verringerung der Zahl der Stufen ergibt, ist der, daß die Zahl der Gleichrichter-Sperrschichten pro Stufe erhöht werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine Reduzierung der Spitzensperrspannung. Wenn eine einzige Gleichrichter-Sperrschicht pro Stufe verwendet wird, müssen die Gleichrichtereinrichtungen so ausgelegt sein, daß sie der maximalen Stoßspannung, beispielsweise ! 000 000 Volt, angepaßt sind. Wenn die Zahl der Gleichrichtersperrschichten pro Stufe erhöht wird auf beispielsweise 4, beträgt die Spitzensperrspannung pro Gleichrichtersperrschicht nur noch 250 000 Volt.

Die Möglichkeit der Reduzierung der Spitzenspannung läßt einen äußerst störungsfreien Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zu. Auch bei Verwendung einer relativ großen Zahl von Gleichrichter-Sperrschichten pro Stufe kann der Kondensatoraufbau bei der erfindungsgemäßen Einrichtung klein gehalten werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Hervorzuheben ist die weitere Ausbildung gemäß Anspruch 4. Das Abrunden der Enden kann durch Umbördeln nach außen erfolgen. Hierdurch können nachteilige Beanspruchungen durch elektrische Kanteneffekte vermieden werden. Ein solches Umbördeln ist bei der durch die US-PS 28 75 394 bekannten Einrichtung nicht möglich, da hierdurch eine Verringerung des Abstandes im Randbereich zwischen den Außen- und Innenelektroden auftreten würde, was eine Kapazitätsverringerung und entsprechende Erhöhung der Spannungsbeanspruchung zwischen den Elektroden zur Folge hätte.

Durch die Ausbildung nach den Ansprüchen 5 oder 6 wird zwischen den Zylindern (Kondensatoren) ein relativ großer zentraler Raum geschaffen, in dem vorteilhaft die Gleichrichter angeordnet werden können. Dies kann, wie in Anspruch 7 gekennzeichnet vermittels einer Haltevorrichtung erfolgen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Wärmeableitung erleichtert wird und die erforderliche Zahl von Gleichrichter-Sperrschichten pro Gleichrichterstufe leicht untergebracht werden kann, ί Die Erfindung soll nun anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansich; einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, κι F i g. 2 eine schematische Darteilung der Einrichtung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Rückansicht der Einrichtung nach F i g. 1, Fig.4 ein schematisches elektrisches Schaltbild der Einrichtung nach den F i g. 1 bis 3,

Fig.5 ein elektrisches Schaltbild eines Halbwellen-Spannungsverdopplers,

F i g. 6 eine schematische Darstellung des Spannungsverdopplers nach F i g. 5,

F i g. 7 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Einphasen-Ganzwellen-Spannungsverdopplers unter Verwendung der Einrichtung nach F i g. 1,

F i g. 8 eine schematische Darstellung eines Dreiphasen-Halbwellen-Spannungsverdopplers gemäß der vorliegenden Erfindung,

2·-, F i g. 9 ein schematisches elektrisches Schaltbild des Spannungsverdopplers nach F i g. 8 und

Fig. 10 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Dreiphasen-Ganzwellen-Spannungsverdopplers unter Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung. jo In den F i g. 1 und 3 ist ein metallenes, zylindrisches, gasdichtes, hohles Druckgefäß 1 mit Deckeln 2 und 3 dargestellt die mit dem zylindrischen Druckgefäß 1 verbunden sind. Innerhalb des Druckgefäßes 1 sind ein Transformator 4 und eine Vielzahl von Kondensatoren und Festkörpergleichrichtern angeordnet Der Transformator 4 weist eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 7 auf, wobei die Primärwicklung beispielsweise an einen 10-kHz-Generator 8 angeschlossen sein kann. Die Sekundärwicklung 7 weist eine geerdete Mittelanzapfung 9 auf, die über eine Leitung 40 mit einem auf einem Schaltbrett 21 angeordneten Anschluß 22 verbunden ist Der Anschluß 22 ist geerdet und mit einem Anschluß 23 des Schaltbrettes 21 über zwei in Reihe geschaltete Festkörpergleichrichter 11 und 10 verbunden, wobei der positive Anschluß (Anode) des Festkörpergleichrichters U mit dem Anschluß 22 verbunden und der negative Anschluß (Kathode) des Festkörpergleichrichters 10 mit dem Anschluß 23 verbunden ist. Wahlweise können die Festkörpergleichrichter U und 10 weggelassen und statt dessen kann eine Drossel verwendet-werden, um eine Glättung zu erreichen.

Die Kondensatoren weisen vier axial angeordnete lange hohle Metall-Zylinder 13,14,16 und 17 auf, die je in einem verschiedenen Quadranten des Druckgefäßes 1 angeordnet sind. Jeder der langen Zylinder ist von mehreren äußeren hohlzylindrischen Elementen koaxial umgeben. So ist beispielsweise der lange Zylinder 13 von den zylindrischen Elementen 18, 19 und 20 umgeben. Die Zylinder 13,14,16 und 17 erstrecken sich etwa über die Länge des Druckgefäßes 1 und bilden die Anode der einzelnen Kondensatoren der Einrichtung. Die Zylinder 13 und 16 sind über eine Leitung 5 und die Zylinder 14 und 17 über eine Leitung 15 galvanisch miteinander verbunden. Die Zylinder 13 und 16 sind mit einem Ende der Sekundärwicklung 7 verbunden, und die Zylinder 14 und 17 sind an das andere Ende der Sekundärwicklung 7 angeschlossen.

Die zylindrischen Elemente 18, 19 und 20 sind axial ausgerichtet, entlang dem Zylinder 13 angeordnet und bilden Kondensatoren 27, 28 und 29. Obwohl nur drei solcher Zylinder dargestellt sind, ist die Zahl der um jeden der langen Zylinder 13, 14, 16 und 17 angeordneten zylindrischen Elemente bestimmt durch die Zahl der Gleichrichterstufen und/oder die notwendige Kapazität zur Bereitstellung der Spannung und/oder des Stromes, wofür die Einrichtung ausgelegt ist. Dem Zylinder 16 sind in der Zeichnung zylindrische Elemente 25,30 und 35 zugeordnet, die Kondensatoren 31,32 und 33 bilden. Der Zylinder 14 ist entsprechend von zylindrischen Elementen umgeben, die Kondensatoren 34,36 und 38 bilden; dem Zylinder 17 sind zylindrische Elemente 39,4i und 42 zugeordnet, die Kondensatoren 43, 44 und 46 bilden. In der Fig.4 ist der Anschluß 23 über mehrere Festkörpergleichrichter 47 mit einem Anschluß 26 verbunden, der mit dem zylindrischen Element 18 verbunden ist, das dem Zylinder 13 zugeordnet ist und mit diesem einen Kondensator 27 bildet.

Die Gleichrichter, die zwischen jeweils zweien der Schaltbrettanschlüsse geschaltet sind, bilden eine Gleichrichterstufe, und die Zahl der Gleichrichter ist so wählbar, daß die Spitzensperrspannung oder Schaltüberspannung pro Stufe eingehalten wird. In der Eingangsstufe werden, wie in den Zeichnungen dargestellt, zwei Festkörpergleichrichter 11 und 10, und in den folgenden Stufen, mit Ausnahme der letzten Stufe, drei Gleichrichter verwendet, wobei die letzte Stufe nur zwei Gleichrichter aufweist, da über dieser Stufe nur die halbe Transformatorspannung liegt.

Der elektrische Schaltkreis der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Anordnung ist in der F i g. 4 gezeigt. In der in der Fig.4 gezeigten Ausführungsform sind fünf vollständige Gleichrichterstufen gezeigt und mit den Bezugszeichen 47, 48, 49, 51 und 52 für die Festkörpergleichrichter versehen. Eine Eingangsgleichrichterstufe, die die Festkörpergleichrichter 11 und 10 umfaßt, und eine Ausgangsgleichrichterstufe 53, die ebenfalls nur zwei Gleichrichter aufweist, sind zur Vervollständigung des Kreises vorgesehen.

Wenn das obere Ende der Sekundärwicklung 7 des Transformators positiv ist bezüglich der Mittelanzapfung 9, wie in der Fig.4 dargestellt werden die Kondensatoren 34, 43, 36, 44, 38, 46 über die verschiedenen Gleichrichterstufen aufgeladen. Wenn das untere Ende der Sekundärwicklung 7 des Transformators bezüglich der Mittelanzapfung positiv wird, werden die Kondensatoren 27 und 31,28 und 32,29 und 33 aufgeladen. Anstelle von Gleichrichtern können die Drossel 12 und eine weitere Drossel 54 zwischen der Ausgangsgleichrichterstufe 53 und dem Hochspannungsausgangsanschluß 56 verwendet werden, um die Gleichspannung zu glätten. Die Drosseln und die halben Gleichrichterstufen sollten normalerweise alternativ verwendet werden und nicht zusammen, da beide zusammen in der gleichen Einrichtung nicht erforderlich sind; dies gilt für alle Ausführungsformen der Einrichtung. Die Gleichrichteranordnung liefert eine höhere Spannung; die Drosselanordnung bewirkt eine bessere Filterung, d.h. bessere Glättung. Falls gewünscht können natürlich beide gleichzeitig verwendet werden.

Man sieht daß durch jede Gleichrichterstufe zwei Kondensatoren parallel geladen werden; im Falle der ersten Stufe die Kondensatoren 34 und 43. Auf diese Weise wird eine hohe Kapazität pro Stufe erreicht Die hohe Kapazität pro Stufe beruht nicht nur auf der

Verwendung von parallel geschalteten Kondensatoren, sondern auch auf der speziellen Anordnung der Kondensatoren, durch die relativ zu dem zur Verfügung stehenden Raum eine große Kapazität geschaffen wird.

An den langen Zylindern 13,14,16 und 17 eines jeden Kondensators liegt die Wechselspannung an. Diese Zylinder sind aufgrund ihres Abstandes und des Abschirmeffektes der äußeren zylindrischen Elemente gut voneinander isoliert. Außerdem ist keine Unstetigkeitsstelle bei irgendeinem der einzelnen Zylinder vorhanden, so daß die bei den bisher bekannten Einrichtungen so nachteiligen Randeffekte nicht auftreten. Die Länge der äußeren zylindrischen Elemente, beispielsweise der zylindrischen Elemente 18 und 19, ist so groß, wie es die Spar.nungsbeanspruchung zwischen den Stufen gestattet, um eine maximale Abschirmung der Zylinder zu erreichen. Der Abstand zwischen den zylindrischen Elementen muß jedoch so gewählt sein, daß unzulässige Gleichspannungsbeanspruchungen zwisehen den Stufen vermieden sind. Um diesen Abstand minimal zu machen, sind die gegenüberliegenden Enden der zylindrischen Elemente abgerundet nach außen umgebördelt, so daß keine Bereiche extremer Spannungsbeanspruchung entstehen. Es sei vermerkt daß die zylindrischen Elemente relativ zur Wechselspannung in Phase sind, und daß keine Wechselspannungsbeanspruchungen zwischen benachbarten Elementen auftreten.

Die Anordnung der Gleichrichter ist so gewählt daß kein Gleichrichter in der Nähe des Zwischenraumes zwischen benachbarten zylindrischen Elementen, wie beispielsweise 18 und 19, angeordnet ist so daß die örtlichen Spannungsbeanspruchungen pro Stufe, die aufgrund der Gleichspannungsdifferenzen zwischen benachbarten Zylindern erzeugt werden, die Gleichrichter nicht groß beeinflussen und daher die effektive Spitzensperrspannung über den verschiedenen Gleichrichterstufen nicht erhöhen.

Der große zentrale Bereich, der zwischen dem Kondensatoraufbau gebildet ist bietet reichlich Raum, um, falls notwendig, die einzelnen Gleichrichter unterzubringen und zu kühlen, so daß Probleme aufgrund von Erwärmungen nicht zu erwarten sind. Das Druckgefäß 1 kann mit einem Gas gefüllt werden, das eine hohe Durchschlagfestigkeit hat, beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF₆). Der Oberdruck im Gefäß erhöht die Wärmeableitung von den Gleichrichtern und verringert daher die wärmebedingten Probleme in den Festkörper-Bauteilen.

Wie eingangs bereits erwähnt ist bei der vorliegenden Einrichtung im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen von primärer Bedeutung, die Gesamtgrö-Be der Einrichtungen zu reduzieren und Festkörper-Bauteile zu verwenden, um die bei Vakuumröhren oder gasgefüllten Röhren naturbedingten Ausfallraten herabzusetzen. Ebenfalls muß, wie bereits erwähnt die Frequenz der Wechselspannung verringert werden, um Festkörper-Bauteile besser verwenden zu können. Allerdings verringert sich die Ausgangsspannung direkt proportional mit kleiner werdender Frequenz.

Bei der vorliegenden Einrichtung wird die Verringerung der Ausgangsspannung durch Erhöhung der zur Verfügung stehenden Kapazität kompensiert was durch die beschriebene spezielle Kondensatoranordnung erreicht wird und ferner durch Reduzierung der Zahl der Gleichrichterslufen, was sich ebenfalls direkt auf dieAusgangsspannung auswirkt Um eine Anpassung an die Spitzensperrspannung zu erhalten, müssen mehrere Gleichrichter pro Stufe verwendet werden, wobei die

Zahl der Gleichrichter größer sein kann als die Zahl der Gleichrichter, die in den herkömmlichen Einrichtungen pro Stufe verwendet wird. Es kann aufgrund des durch die beschriebene Kondensatoranordnung gebildeten großen zentralten Raumes und aufgrund der Tatsache, daß Festkörpergleichrichter kleiner sind als die entsprechenden gasgefüllten oder Vakuum-Gleichrichter, eine große Zahl von Gleichrichtern im zentralen Raum angeordnet werden, und es kann daher eine große Zahl von Gleichrichtern pro Stufe eingesetzt werden. Weiterhin werden extreme Feldeffekte aufgrund des Aufbaues der Kondensatoren reduziert. Die Kondensatoren mit zylindrischer Form (wie hier beschrieben) können preiswerter als herkömmliche Kondensatoren hergestellt werden, dies deshalb, weil komplizierte Kondensatorplatten-Anordnungen nicht erforderlich sind, um die Spannungsbeanspruchung pro Stufe in annehmbaren Grenzen zu halten.

Die vorliegend offenbarte Einrichtung stellt einen gasgefüllten Kondensator dar. Grundsätzlich sind die Platten, wie dargestellt, mit Abstand angeordnet, und das gesamte Gefäß ist gefüllt mit einem Isolationsgas, wie SFb, das unter Druck steht. Solche Kondensatoren haben den Vorteil, selbstheilend zu sein, d. h. wenn ein Funkenüberschlag oder ein Lichtbogen gebildet wird, wird dieser durch Entladen des Kondensators bei Phasenumkehr des Wechselstromes unterbrochen, und Resteffekte treten nicht auf. Die Strom-(/>Belastbarkeit der Einrichtung kann erhöht werden durch Verwendung von Kondensatoren mit festen Dielektrika. Wenn in solch einem Falle jedoch ein Funke oder ein Lichtbogen auftritt, wird der Kondensator zerstört und muß ersetzt werden. In einem gewissen Maße können diese Probleme dadurch verringert werden, daß man das Dielektrikum nicht bis zum Kondensatorende anbringt, sondern vorher enden läßt, so daß der Funke oder Lichtbogen, wenn er auftritt, mit größter Wahrscheinlichkeit in den Bereich des Gas-Dielektrikums fällt, das eine geringere Durchschlagsfestigkeit als das feste Dielektrikum hat.

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Einrichtung verwendet vier Kondensatoranordnungen mit parallel geschalteten gegenüberliegenden Kondensatorgruppen. Dieser Aufbau ist für die Wirkungsweise der Einrichtung nicht wesentlich, ist jedoch gewählt worden, um einen hohen Ausgangsstrom zu erhalten. In den Fig.5 und 6 der Zeichung ist eine zweite Ausführungsform der Einrichtung gezeigt, die durch Reihenschaltung aller Kondensatoren und der zugeordneten Gleichrichterstufen anstelle einer Serien-Parallel-Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform eine hohe Spannung und einen niedrigen Strom erzeugt. In der in den F i g. 5 und 6 gezeigten Anordnung wird jeder einzelne Kondensator über eine besondere Gleichrichterstufe aufgeladen, und die Kondensatoren sind daher nicht parallel geschaltet, wie in der Ausführungsform gemäß F i g. 1 bis 4. Die Zahl der Stufen wird auf diese Weise um einen Faktor 2 erhöht, jedoch wird die Kapazität pro Stufe um einen Faktor 2 reduziert. Daraus ergibt sich das Doppelte der Ausgangsspannung und die Hälfte des Ausgangsstromes der ersten Ausführungsform. Die ursprüngliche Strommenge kann bei der höheren Ausgangsspannung durch Verdoppelung der Länge der einzelnen Kondensatoren und dementsprechend der Gesamtlänge der Anordnung aufrechterhalten werden. Die Bezugszeichen in den Fi g. 5 und 6 entsprechend den zu den weiteren Figuren verwendeten, sie sind jedoch indiziert

Bei einer weiteren in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform sind die Kondensatoren und Gleichrichter miteinander verbunden, so daß zwei parallele Halbwellen-Spannungsverdoppler-Schaltkreise ge- -, schaffen werden. Die Mittelanzapfung 9 der Primärwicklung 7 des Eingangstransformators ist wiederum geerdet und mit dem Verbindungspunkt der Gleichrichter 57 und 58 verbunden. Die Wechselstromleitungen 61 und 64 sind mit den in F i g. 7 gezeigten oberen und

in unteren Anschlüssen der Sekundärwicklung 7 des Transformators verbunden, wobei die Wechselstromleitungen 61 und 64 an die Zylinder 13 und 16 bzw. 14 und 17 angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt des Gleichrichters 57 und des Kondensators 59 ist über -, einen Gleichrichter 62 und über einen Kondensator 63 mit der Wechselstromleitung 64 verbunden. Der Verbindungspunkt des Gleichrichters 62 und des Kondensators 63 ist über einen weiteren Gleichrichter 66 und dann über einen Kondensator 67 mit der Leitung

2i] 61 und über einen weiteren Gleichrichter 68 und dann über einen Kondensator 69 mit der Wechselstromleitung 64 verbunden. Der Gleichrichter 58 ist über einen Kondensator 71 mit der Wechselstromleitung 64 verbunden und außerdem über einen Gleichrichter 72

2; mit der Verbindungsstelle eines Kondensators 73 und eines Gleichrichters 74. Der Kondensator 73 ist zwischen die zuvor genannte Verbindungsstelle und die Wechselstromleitung 61 geschaltet. Diese Verbindungsstelle ist über einen Gleichrichter 74 und einen Kondensator 76 mit der Wechselstromleitung 64 verbunden, und der Gleichrichter 74 ist außerdem über einen Gleichrichter 77 mit dem Verbindungspunkt eines Kondensators 78 und eines Gleichrichters 79 verbunden. Die zuletzt' erwähnte Verbindungsstelle ist über den Kondensator 78 mit der Wechselstromleitung 61 und über den Gleichrichter 79 mit dem Hochspannungsanschluß 82 verbunden. Die Verbindungsstelle des Gleichrichters 68 und des Kondensators 69 ist über einen Gleichrichter 83 mit dem Hochspannungsan-Schluß 82 verbunden.

Die speziellen, zuvor beschriebenen Schaltkreise sind Halbwellen-Spannungsverdoppler-Schaltkreise, wobei durch diese Spannungsverdoppler-Schaltkreise eine höhere Spannung erreichbar ist als durch die durch den Stand der Technik bekannten Gleichrichter-Schaltkreise. In der F i g. 7 sind zwei Spannungsverdoppler-Schaltkreise parallel geschaltet, um eine gewünschte Stromstärke zu erhalten. Die Einrichtung gemäß Fig.7 verwendet den gleichen Grundaufbau wie die Einrichtung nach Fig. 1, jedoch ist die Verbindung der verschiedenen Gleichrichter und Kondensatoren untereinander anders als die in den zuvor dargestellten und beschriebenen Figuren.

Die Spannungsverdopplerwirkung der Einrichtung gemäß F i g. 7 und anderen Figuren ergibt sich aus der Tatsache, daß die Kondensatoren 59, 73, 67, 78 usw. aufgeladen werden, wenn beispielsweise die Wechselstromleitung 61 positiv ist Wenn die Wechselstromleitung 64 positiv wird, wird die in den Kondensatoren gespeicherte Ladung auf die Kondensatoren 63, 76,69 usw. übertragen, zusammen mit der der tatsächlichen Spannung zwischen den Leitungen 64 und 61 entsprechenden Ladung. Auf diese Weise ergibt sich eine Verdoppelung der Spannung.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen verwenden vier Kondensatoren, die in verschiedenen Quadranten des Druckgefäßes 1 angeordnet sind. Es besteht keine Notwendigkeit, vier Kondensatoren zu

verwenden; andere Anordnungen können gewählt werden. Beispielsweise können zwei große Kondensatoren mit unterschiedlichen Gleichrichterstufen verwendet werden, die in gegenüberliegenden Quadranten des Raumes angeordnet sind, in dem die Kondensatoren -, bei der Einrichtung mit vier Kondensatoren normalerweise vorhanden wären. Bei solch einer Anordnung können die Kondensatoren größer sein als bei Verwendung von vier Kondensatoren, jedoch nicht so groß, daß die äußeren zylindrischen Elemente einander ι ο so nahe kommen, daß ein Spannungszusammenbruch zwischen den verschiedenen Elementen der verschiedenen Stufen auftritt.

Falls es erforderlich ist, eine Gleichspannung geringer WelHgkeit zu erzeugen, können Wechselstromquellen π mit mehr als zwei Phasen verwendet werden. Hierdurch ist eine bessere Glättung der Ausgangs-Gleichspannung erzielbar. Besondere Vorteile entstehen bei Verwendung einer Dreiphasen-Spannungsquelle. Es sind dann nur drei Kondensatoren erforderlich, und diese können in der Größe so gewählt werden, daß eine große Koppelkapazität geschaffen wird, während ein großer zentralter Bereich zur Anbringung der Gleichrichter erhalten werden kann. Eine solche Einrichtung isi in den F i g. 8 und 9 dargestellt, auf die nachfolgend Bezug 2 > genommen wird.

Ein Dreiphasen-Eingangstransformator weist drei Einzelphasen-Sekundärwicklungen 92, 93 und 94 auf, von denen jede eine andere Phase aufweist. Die Wicklungen sind an einem Mittelpunkt, der mit dem Bezugszeichen 96 versehen ist, miteinander verbunden, und die äußeren Anschlüsse der drei Wicklungen sind mit hohlen, langen Metallzylindern 97, 98 und 99 verbunden. Die Zylinder erstrecken sich in etwa über die Länge der Einrichtung und entsprechen in ihrer Funktionsweise den Zylindern 13, 14, 16 und 17 der Fig. 1. Der Metallzylinder 97 ist von einem zylindrischen Element 100 umgeben, das nahe der Einzelphasen-Sekundärwicklung 92 angeordnet ist Das zylindrische Element 100 bildet zusammen mit dem Metallzylinder 97 einen Kondensator 111, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der Metallzylinder 98 weist ein erstes zylindrisches Element 101 und der Metallzylinder 99 ein erstes zylindrisches Element 102 auf. Die zylindrischen Elemente 100, 101 und 102 sind Ober entsprechende Drosseln 103,104 und 106 geerdet. Der Metallzylinder 97 wird von weiteren im Abstand voneinander angeordneten zylinderförmigen Elementen umgeben, wobei in der Zeichnung nur drei weitere dargestellt und mit den Bezugszeichen 107,108 und 109 versehen sind, die zusammen mit dem zylindrischen Element 100 vier Kondensatoren bilden, die mit den Bezugszeichen 111, 112, 113 und 114 versehen sind. Gleichermaßen sind dem Metallzylinder 98 weitere zylindrische Elemente zugeordnet, die mit den Bezugszeichen 116,117 und 118 versehen sind und die mit dem Metallzylinder 98 Kondensatoren bilden, die die Bezugszeichen 119, 121, 122 und 123 aufweisen. Der Metallzylinder 99 ist entsprechend von zylindrischen Elementen 124, 126 und 127 umgeben, die mit dem Metallzylinder 99 und dem ersten zylindrischen Element 102 die Kondensatoren 128,129,131 und 132 bilden.

Ein Gleichrichter 133 ist zwischen den zylindrischen Elementen 101 und 107 angeordnet, und Gleichrichter 134 und 136 sind zwischen den zylindrischen Elementen 107 und 117 bzw. 117 und 109 angeordnet Zusätzliche Gleichrichter sind wie folgt geschaltet: Gleichrichter 137 zwischen den zylindrischen Elementen 102 und 116, Gleichrichter 138 zwischen den zylindrischen Elementen 116 und 126 und Gleichrichter 139 zwischen den zylindrischen Elementen 126 und 118. Weitere Gleichrichter 141, 142 und 143 sind zwischen zylindrische Elemente 100 und 124, 124 und 108 bzw. 108 und 127 geschaltet. Die zylindrischen Elemente 109,118 und 127 sind über einzelne verschiedene Drosseln 144,146 bzw. 147 mit einem Hochspannungsanschluß 148 verbunden. Die verschiedenen Gleichrichter bestehen in Wirklichkeit aus mehreren Gleichrichtern, wie zuvor beschrieben.

Die Einrichtung weist einen Dreiphasen-Halbwellen-Spannungsverdoppler-Schaltkreis auf. Anhand der Fig.9 soll die Wirkungsweise dieses Schaltkreises beschrieben werden. Hierzu sei angenommen, daß die Einzelphasen-Sekundär-Wicklungen 92-93 die Nullphase (Phase AB), die Einzelphasen-Sekundär-Wicklungen 93-94 die 120°-Phase (Phase BC) und die Einzelphasen-Sekundär-Wicklungen 94-92 die 270°-Phase (Phase AC) der Dreiphasen-Spannung haben, die über den Wicklungen und daher über den entsprechenden Zylindern aufgebaut wird. Zunächst sei angenommen, daß die Phase A C relativ zu den Phasen CS und BA positiv sei. Die Kondensatoren 111,129,113 und 132 werden aufgeladen. Wenn sich die Phasen umkehren, entlädt sich der Kondensator 129 über den Kondensator 113 und der Kondensator 132 über den Hochspannungsanschluß, wodurch die Spannungsverdoppler-Wirkung eintritt. Wenn die Phase Möpositiv ist relativ zu den Phasen BC und CA, werden die Kondensatoren 119 und 112 über den Gleichrichter 133 und die Kondensatoren 122 und 114 über den Gleichrichter 136 aufgeladen. Bei Umkehr der Phase entlädt sich der Kondensator 112 über den Kondensator 122, und der Kondensator 114 entlädt sich über die Drossel 144 und den Hochspannungsanschluß 148. Gleiches gilt für jede Phase entsprechend. Die zuvor beschriebene Spannungsverdoppler-Wirkung tritt auf, weil ein während einer Phase der Periode aufgeladener Kondensator sich während der entgegengesetzten Phase in den nächsten Kondensator entlädt Der Halbwellen-Betrieb ergibt sich, da das Entladen jedes Endkondensators zum Hochspannungsanschluß nur dann auftritt wenn dieser Kondensator positiv oder — genauer gesagt — sein Zylinder relativ zu dem Hochspannungsanschluß positiv ist

Ein Dreiphasen-Ganzwellen-Spannungsverdoppler ist in der F i g. 10 dargestellt Bei dieser Einrichtung ist zu sehen, daß jeder Kondensator über eine Diode mit dem Kondensator der nächsten Stufe jedes anderen zylindrischen Elementes verbunden ist und wiederum über einen Gleichrichter von jedem Kondensator der vorhergehenden Stufe aufgeladen wird. Auf diese V/eise wird jeder Kondensator während jeder Halbperiode seiner Phase aufgeladen, anstatt während jeder vollen Periode, wie bei den Einrichtungen gemäß F i g. 8 und 9. Als Beispiel sei auf den Kondensator 112, dem der Metallzylinder 97 zugeordnet ist, verwiesen. Er ist über eine Diode sowohl mit dem Kondensator 119 als auch mit dem Kondensator 128 verbunden, denen die Metallzylinder 98 und 99 zugeordnet sind, während in der Einrichtung gemäß Fig.8 der Kondensator 112 lediglich vom Kondensator 119 aufgeladen wird. Dies bewirkt, daß sämtliche Kondensatoren, beispielsweise 112,119,122 und 128 und 131, in dieser Reihe aufgeladen werden, wenn die Einzelphasen-Sekundär-Wicklung 93 relativ zu den Einzelphasen-Sekundär-Wicklungen 92

und 94 positiv ist. Auf diese Weise weiden alle Kondensatoren in der Einrichtung gemäß Fig. 10 bei jeder Halbperiodc aufgeladen, wahrend sie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 bei jeder vollen Periode aufgeladen werden. ■

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung mit Hilfe von Kondensatoren und Gleichrichtern, bei der die Kondensatoren aus koaxial zueinander angeordneten inneren und äußeren Ringelektroden bestehen und die äußeren Ringelektroden in Form einer Reihe im Abstand zueinander angeordneter zylinderförmiger Elemente angeordnet und an die einzelnen Kondensatoren jeweils entgegengesetzte Polaritäten einer Wechselspannungsquelle gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Elektroden jeweils die Form eines langen Zylinders (13, 14, 16, 17) haben und sie in axialer Richtung jeweils von den äußeren zylindrischen Elementen (27,28,29; 36,38) koaxial umgeben sind, daß an die einzelnen langen Zylinder jeweils paarweise entgegengesetzt die Pole einer Wechselspannungsquelle angelegt sind und daß zwischen die zylindrischen Elemente (z. B. 27 und 34) Gleichrichter (z. B. 47) geschaltet sind, die jeweils den langen Zylindern (z. B. 13 und 14) mit entgegengesetzten Polaritäten der Wechselspannungsquelle zugeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (13, 14, 16, 17) Hohlzylinder sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (13,14,16,17) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der äußeren zylindrischen Elemente (27, 28, 29; 34, 36, 38) abgerundet ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier quadratisch angeordnete Zylinder vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Zylinder vorgesehen sind, die in den Ecken eines im wesentlichen gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter (z.B. 47) vermittels einer Haltevorrichtung (21) in dem von den Zylindern (13,14,16,17) eingeschlossenen Raum angeordnet sind.