DE2312540C3 - Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung - Google Patents
Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe GleichspannungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umfor- «
mung 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 Ringelektroden 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 benachbarter innerer Zylinder aufgebaut wird. Hierdurch ergibt
sich eine gegenseitige nachteilige 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 Eingangsv/echselspannung äußerL
Der Wirkungsgrad der bekannten Einrichtung ist daher als schelcht 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 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 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 Kondensatoren
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 zylinderförmigen Elementen (Außenelektroden) umgeben sind,
ist eine Reduzierung der Baulänge möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung entstehen Kondensatoranordnungen
mit sehr hoher Kapazität, wodurch vorteilhafterweise Festkörpergleichrichter eingesetzt
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 bestellt 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 80 bis 300 kHz
arbeitet, untragbar hoch werden. Ein Betrieb bei Frequenzen, bei denen mit Festkörpergleichrichtern
wirtschaftlich gearbeitet werden kann, nämlich bei 5 bis 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:
VAl ^ = η · U,
nl
f c
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 /der Eingangswechselspannung beispielswei-
se um einen Faktor 8 abnimmt, und daß die Ausgangsspannung Uaus dadurch erheblich verringert
wird. Da es nicht erwünscht ist, den Ausgangsstrom /zu i'eduzieren, können als einzige Faktoren die Zahl η der
Gleichrichterstufen und die Koppelkapazitä* pro Stufe variiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Effekt der reduzierten Frequenz auf die Ausgangsspannung
kompensiert durch die Verwendung eines Kondensatoraufbaus, der 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 erfindungsgemäße 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 Eingangswechselspannung 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 werde ι
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 1 000 000 Volt, angepaßt sind. Wenn die Zahl der Gleichrichter-Sperrschichten
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 Her 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.
Die Erfindung soll nun anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,
ίο F i g. 2 eine schematische DarteHung der Einrichtung
nach Fig. 1,
F i g. 3 eine Rückansicht der Einrichtung nach F i g. 1,
F i g. 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,
Fig.9 ein schematisches elektrisches Schaltbild aes
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 ange schlossen 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 11 mit dem Anschluß 22 verbunden und der negative Anschluß (Kathode) des
Festkörpergleichrichters 10 mit dem Anschluß 23 verbunden ist. Wahlweise können die Festkörpergleichrichter
11 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 ausgerichteii, 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 114 ist entsprechend von zylindrischen Elementen umgeben, die Kondensatoren
34, 36 und 318 bilden; dem Zylinder 17 sind zylindrische Elemente 3!), 41 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 Ii! 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 Eingangsstuie 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 Fig. 1 bis 3
dargestellten Anordnung ist in der F i g. 4 gezeigt. In der in der F i g 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
Ausgangsgicichrichterstufe 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 C'leichrichteranordnung 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 Gleichnchterstufe zwei
Kondensatoren parallel geladen werden: im Falle der ersten Stufe die Kondensatoren 34 und 43. Auf diese
Weise wird sine 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 Spannungsbeanspruchung 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 /wischen
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 (SFn). Der Überdruck im Gefäß
erhöht die Wärmeableitung von den Gleichrichtern und verringert daher die wärmebedingten Probleme in den
FeM körper- Bauteilen.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist bei der vorliegenden
Einrichtung im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen von primärer Bedeutung, die Gesamtgrö
ße der Einrichtungen zu reduzieren und Festkörper-Bauteiie zu verwenden, um die bei Vakuumröhren oder
gasgefüllten Röhren naturbedinglen 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 Gleichrichterstufen, 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 SF6. 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 Stronv/V/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 F i 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 geschaffen
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 κι 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 61 und über einen weiteren Gleichrichter 68 und dann
über einen Kondensator 69 mit der Wechselstromleilung 64 verbunden. Der Gleichrichter 58 ist über einen
Kondensator 71 mit der Wechselstromleitung 64 verbunden und außerdem über einen Gleichrichter 72
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
jo 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-
4» 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 F i g. 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 ι 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
bo 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.
to 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
so nahe kommen, daß ein Spannungszusammenbruch zwischen den verschiedenen Elementen der verschiedenen
Stufen auftritt.
Falls es erforderlich ist, eine Gleichspannung geringer Welligkeit zu erzeugen, können Wechselstromquellen
mit mehr als zwei Phasen verwendet werden. Hierdurch ist eine bessere Glättung der Ausgan.gs-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 ist in den F i g. 8 und 9 dargestellt, auf die nachfolgend Bezug
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 über 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.
ίο 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 — 9.3 die Nullphase (Phase AB), die Einzelphasen-Sekundär-Wicklungen
93-94 die 120°-Phase (Phase BC) und die
2« 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 AC relativ zu den Phasen
Cßund 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 Aßpositiv 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
j5 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 Fig. 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 Weise 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 Metaüzylinder 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 werden alle Kondensatoren in der Einrichtung gemäß Fig. 10 bei
jeder Halbperiode aufgeladen, während sie bei der Ausführungsform gemäß Fig.8 bei jeder vollen
Periode aufgeladen werden.
Hierzu 4 Blatl Zeichnungen
Claims (7)
1. Einrichtung zur Umformung einer Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung mit Hilfe von
Kondensatoren und Gleichrichtern, bei der die -s
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. jo
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 v>
angeordnet sind.
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