DE2452887A1

DE2452887A1 - Hochgleichspannungsgenerator

Info

Publication number: DE2452887A1
Application number: DE19742452887
Authority: DE
Inventors: Koji Iwata; Junichi Masuda; Wataru Otagiri
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1975-09-25
Also published as: JPS564104B2; FR2251120B1; FR2251120A1; US3984751A; JPS5076529A

Description

Patentanwälte

Olpl.-lng. R.BEETZ sen, O / C O ö Q T

Dlpl-Ing. K. LAMPRECHT / 4 D i O O /

Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr.
«Münohen22, Stolradorfstr. 1·

81-23.377P 7. 11. 1974

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Hochgleichspannungsgenerator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochgleichspannungsgenerator für beispielsweise die Stromquelle eines Kernfusions-Plasmagenerators -

Bei einem Hochgleichspannungsgenerator für die Stromquelle eines Kernfusions-Plasmagenerators usw. ist es erforderlich, einen in eine induktive Zuleitung eingespeisten Gleichstrom in einer im Ver-

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gleich zur Zeitkonstanten der Last extrem kurzen Zeit zu verringern, wodurch in einer kurzen Zeit eine Hochgleichspannung in der Größenordnung der lOOfachen anfänglichen Versorgungsspannung erzeugt wird.

Bei einem typischen derartigen herkömmlichen Hochgleichspannung sgenerator wird ein Gleichstrom direkt in eine induktive Last von einem als Wechselrichter arbeitenden Thyristor-Stromrichter gespeist, der eine negative Spannung erzeugt, wodurch an der Last eine Hochspannung entsteht. Wenn ein derartiger Generator groß ist, ist eine außergewöhnlich große Kapazität erforderlich. Ein Generator mit einer derart großen Kapazität ist jedoch aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten schwierig herzustellen.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten wurde schon ein Hochgleichspannung sgenerator angeregt, der zusätzlich mit einem Gleichstrom-Leistungsschalter zwischen dem Thyristor-Stromrichter und der Last ausgestattet ist. Wenn dieser Generator jedoch große Abmessungen hat, ist der Gleichstrom-Leistungsschalter aufgrund seines Nennstromes und seines Trenn- oder Ausschaltvermögens schwierig herzustel-

len. Es wurde auch schon ein anderer Hochgleichspannungsgenerator mit einem Thyristoren verwendenden Schaltglied anstelle eines derartigen Gleichstrom-Leistungsschalters angeregt. Aber ein derartiges Schaltglied erfordert große Strom- und Hochspannungs-Nennwerte, und seine Herstellung ist schwierig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Hochgleichspannungsgenerator anzugeben, bei dem frei von den oben erwähnten Schwierigkeiten die tatsächlichen Nennwerte der jeweiligen Schaltungen verrin-

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gert sind und eine Störung in deren Stromversorgung ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Gleichstrom-Versorgungsschaltung für eine induktive Last von der zur Erzeugung einer Hochspannung an der Last dienenden Schaltung getrennt wird.

Die Erfindung sieht also einen Hochgleichspannungsgenerator zur Erzeugung einer Hochgleichspannung an einer induktiven Last vor, wobei eine Gleichstrom-Versorgungsschaltung der Last und eine zur Erzeugung einer Hochgleichspannung an der Last dienende Schaltung voneinander getrennt sind, so daß die für die jeweiligen Schaltungen erforderlichen Strom- und Spannungs-Nennwerte verringert sind und ei- · ne Störung auf der Strom- bzw. Energieversorgungsseite ausgeschlossen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: '

Fig. 1 bis 3 Schaltbilder von jeweils herkömmlichen Hochgleichspannung sgenerator en,

Fig. 4 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Hochgleichspannungsgenerators, '

Fig. 5 Signale zur Erläuterung des Betriebs des in der Fig. 4 dargestellten Hochgleichspannungsgenerators, und

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Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hochgleichspannungsgenerators.

Zunächst wird anhand der Fig. 1 bis 3 ein herkömmlicher Hochgleichspannungsgenerator erläutert. In diesen Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen kleinen Hochgleichspannung sg enerator, der eine induktive Last 3 und ein Gleichstrom versorgungsglied 1 aufweist. Das Gleichstrom Versorgungsglied 1 hat zwei in rückwärts leitender Richtung in Serie geschaltete Thyristoren, arbeitet als Wechselrichter und speist einen Gleichstrom in die Last 3 über einen Gleichrichter-Transformator 2. Im Betrieb arbeitet das Gleichstromversorgungsglied 1 als Wechselrichter, um so Energie von der Last 3 in die Stromversorgungsseite wiederholt zurückzuführen. Wenn jedoch der in der Fig. 1 gezeigte Generator groß ist, müssen die für den Generator erforderlichen Nennwerte sehr hoch sein. Die Herstellung eines derartigen Generators mit großen Nennwerten (großer Belastbarkeit) ist jedoch aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten nahezu unmöglich. Zusätzlich erreicht die zur Stromversorgungsseite wiederholt zurückzuführende Energie oder Leistung manchmal die Größenordnung von 10 kVA, und so sind außergewöhnliche Nennwerte für die Stromversorgungsseite erforderlich.

Die Fig. 2 zeigt einen anderen herkömmlichen Hochgleichspannungsgenerator mit Gleichstrom-Leistungsschaltern 5 und 6, die zwischen dem Gleichstrornversorgungsglied 1 und der induktiven Last 3

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des Generators der Fig. 1 vorgesehen sind. In der Figur 2 bildet ein Widerstand 7 eine Entladungsstrecke für die in der Last 3 gespeicherte Energie. Bei diesem Generator müssen jedoch die Gleichstrom-Leistungsschalter 5 und 6 einen großen Nennstrom sowie eine große Unterbrecherkapazität aufweisen, und es ist aus praktischen Gesichtspunkten unmöglich, derartige Gleichstrom-Leistungsschalter herzustellen. .

Die Fig. 3 zeigt noch einen weiteren herkömmlichen Hochgleichspannung sgenerator mit einem Schaltglied 8 anstelle der Gleichstrom-Leistungsschalter 5 und 6 der Fig. 2. Das Schaltglied 8 besteht aus einem Hauptthyristor 81, der den vom Gleichstrom Versorgungsglied zur induktiven Last 3 gespeisten Gleichstrom abschaltet, aus einem Kommutierungsthyristor 82, der den Hauptthyristor 81 außer Strom setzt oder entregt, einer Drossel 83 und einem Kondensator 84. Der Kondensator 84 ist mit einer Gleichstromquelle 10 verbunden, die den Kondensator auflädt. Im Betrieb des Schaltgliedes 8 erlaubt der Hauptthyristor 81 abhängig von der Einspeisung eines Ansteuerimpulses in seine Ansteuerelektrode (Gatter), daß ein Gleichstrom vom Gleichstromversorgungsglied 1 zur Last 3 fließt. Wenn ein Ansteuersignal an der A nsteuer elektrode des Kommutierungsthyristors 82 liegt, wird der Hauptthyristor 81 ausgeschaltet, um die Zufuhr des Gleichstromes in die Last 3 zu unterbrechen. Jedoch muß bei diesem Generator das Schaltglied 8 einen großen Strom sowie eine Hochspannung aushalten, d„ h. es muß sehr große Nennwerte besitzen. Daher ist dieser Generator schwierig herzustellen.

Die vorliegende Erfindung überwindet die oben beschriebenen

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Schwierigkeiten durch Trennung einer Schaltung, die zur Einspeisung eines Gleichstromes in eine induktive Last dient, von einer Schaltung, die zur Erzeugung einer Hochspannung an der Last vorgesehen ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand Jcler Fig. 4 bis 6 erläutert, in denen einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in den Fig. 1 bis 3.

Die Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochgleichspannungsgenerators. In dieser Figur ist ein Schaltglied 9 zwischen den Leistungsschaltern 5 und 6 und der induktiven Last 3 vorgesehen, zu der das Schaltglied 9 parallel geschaltet ist. Das Schaltglied 9 besteht aus einem Hauptthyristor 91, einer parallel zum Hauptthyristor 91 vorgesehenen Serienschaltung aus einem Kommutierungsthyristor 92, einer Drossel 93 und einem Kondensator 94, sowie aus einer Gleichspannungsquelle 10 zur Aufladung des Kondensators 94. Der Hauptthyristor 91 und der Kommutierungsthyristor 92 sind so parallel geschaltet, daß sie in gleicher Richtung leiten.

Die Fig. 5 ist ein Zeitdiagram m zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 4 dargestellten Schaltung, wobei die Fig. 5 (a) schematisch die Spannung an der Last 3, die Fig .5 (b) den Strom durch die Last 3, die Fig. 5 (c) die Ausgangsspannung des Gleichspannungsversorgungsgliedes 1, die Fig. 5 (d) den Ausgangsstrom des Gleichstromversorgungsgliedes 1, die Fig. 5 (e) die Spannung am Schaltglied 9, die Fig. 5 (f) den Strom durch das Schaltglied 9 und die Fig. 5 (g) den Betrieb der Leistungsschalter 5 und 6 zeigen.

Zunächst fließt ein Gleichstrom vom Gleichstrom versorgungs-

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Λ- :

glied 1 zur induktiven Last 3 in einem Zustand, in dem die Leistungsschalter 5 und 6 geschlossen sind. Im Zeitpunkt (tC, wird das Gleichstromversorgungsglied 1 als Wechselrichter betrieben, um eine negative Ausgangsspannung zu erzeugen, so daß der Ausgangsstrom verringert ist, während ein Anstetersignal in den Steueranschluß des Hauptthyristors 91 des Schaltgliedes 9 eingespeist wird, wodurch die in der induktiven Last 3 gespeicherte Energie zwischen dem Hauptthyristor 91 und der Last 3 mehrmals als Strom fließt oder rezirkuliert. Das Ansteuersignal kann nach dem Zeitpunkt t. in den Hauptthyristor 91 eingespeist werden. Der vom Gleichstromversorgungsglied 1 gespeiste Strom, fällt im Zeitpunkt t auf Null ab, und danach werden die Leistungsschalter 5 und 6 im Zeitpunkt t geöffnet. Im Zeitpunkt t wird ein Ansteuersignal in den Steueranschluß des Korn-.. mutierungsthyristors 92 im Schaltglied 9 gespeist. Nach der Einspeisung des Ansteuersignales beginnt sich die von der Stromquelle 10 gespeiste und im Kondensator 94 gespeicherte Energie zu entladen, wobei sie mit einer durch die Drossel 93 und den Kondensator 94 festgelegten Frequenz zur Abschaltung des mehrmals fließenden oder rezirkulierenden Stroms schwingt, um dadurch den Hauptthyristor 91 auszuschalten. Als Ergebnis tritt eine durch die Last 3 und den Entladungswiderstand 7 bestimmte Hochspannung an der Last 3 auf.

Auf diese Weise dient das Gleichstromversorgungsglied 1 lediglich zur Einspeisung eines Gleichstromes in die Last 3, so daß die für das Gleichstromglied 3 erforderlichen Nennwerte verringert werden können. Da weiterhin die Leistungsschalter 5 und 6 nicht die Absorption und das Ausschalten des Gleichstromes durchführen, kann der Aufbau der Leistungsschalter einfach sein. Das Schaltglied 9

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schaltet sich, lediglich zwischen den Zeitpunkten t und t ein, d. h. während einer sehr kurzen Zeitdauer. Aus diesem Grund genügt es für die Stehspannungskennlinie des Thyristor-Schaltgliedes, daß dieses die Hochspannung aushält, die nach der raschen Stromverringerung erzeugt wird, womit eine Verringerung des Strom-Nennwertes ermöglicht wird.

Wenn bei der in der Fig. 4 dargestellten Schaltung eine Spannung von 700 V an der Last 3 liegt, während ein Strom von 50 kA durch die Last 3 fließt, und wenn der Entladungs wider stand 7 einen Widerstandswert von 1,4 O. hat, wird eine Hochspannung von ungefähr 70 kV erhalten. Gewöhnlich hat die Last 3 eine Zeitkonstante von 5 s, und die Stromunterbrechungszeit liegt in der Größenordnung von 50 ms.

Die Fig. 6 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Hochgleichspannung sgenerator mit einem anderen Schaltglied 9' anstelle des Schaltgliedes 9 bei dem in der Fig. 4 gezeigten Generator. Das Schaltglied 9' besteht aus einer Serienschaltung eines Kondensators 104, einer Drossel 103 und einer Diode 105, aus einem parallel zur Serienschaltung vorgesehenen Hauptthyristor 101 sowie aus einem Kommutierungsthyristor 102, der parallel zu dem Teil der Serienschaltung aus dem Kondensator 104 und der Drossel 103 ist. Der Hauptthyristor 101 und der Korn mutierungsthyris tor 102 sind so parallel geschaltet, daß sie in gleicher Richtung leiten.

Wenn im Betrieb der Hauptthyristor 101 abhängig von der Einspeisung eines Ansteuersignals in seinen Stoueranschluß eingeschaltet wird, fließt ein Teil der in der induktiven Last gespeicherten

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Energie in der Schaltung aus dem Hauptthyristor 101 und der ^T-^Ji '■'<* mehrfach als Strom, während ein anderer Teil dieser Energie auf einem Stromweg fließt, der aus der Last 3, dem Kondensator 104, der Drossel 103 und der Diode 105 besteht, pm so den Kondensator aufzuladen. Nachdem der vom Gleichstromversorgungsglied 1 zur Last 3 gespeiste Strom auf Null verringert ist, sind die Leistungsschalter 5 und 6 geöffnet. Danach wird der Kommutierungsthyristor 102 eingeschaltet. Mit dem Einschalten des Kommutierungsthyristors 102 entlädt sich die im Kondensator 104 gespeicherte Ladung in dessen positiver Halbperiode über den Kondensator 104, den Kommutierungsthyristor 102 und- die Drossel 93 sowie in dessen negativer Halbperiode über den Kondensator 104, die Drossel 103, die Diode 105 und den Hauptthyristor 101, mit dem Ergebnis, daß der durch den Hauptthyristor 101 mehrfach fließende oder rezirkulferende Strom unterbrochen wird, um den Hauptthyristor 101 zu löschen. Damit wird eine Hochspannung erzeugt, deren Amplitude durch die Last 3 und den Entladung s wider stand 7 festgelegt ist. Eine Gleichstromquelle kompensiert einen Ladungsmangel im Kondensator 104.

Obwohl bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 6 zwei getrennte Leistungssehalter 5 und 6 verwendet werden, kann ein einzelner Leistungsschalter vorgesehen sein, der gleichzeitig die Schaltungsteile schaltet, in denen die Leistungsschalter 5 und 6 liegen.

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BAD ORiQSNAL

Claims

245288? -JO- Patentansprüche

1. Hochgieichspannungsgenerator mit einer induktiven Last und mit einem Gleichstromversorgungsglied, das parallel zur Last über einen Leistungsschalter zur Einspeisung eines Gleichstromes in die Last geschaltet ist, gekennzeichnet durch ein zur Last (3) und den Leistungsschalter (5, 6) paralleles Schaltglied (9, 9') zwischen der Last (3) und dem Leistungsschalter (5, 6), das bei geschlossenem Leistungsschalter (5, 6) und Gleichstrom zur Last (3) eingeschaltet sowie nach Verringerung des Gleichstromes und anschließendem Öffnen des Leistungsschalters (5, 6) ausgeschaltet ist, so daß eine Hochgleichspannung über der Last (3) erzeugt ist (Fig. 4, 6).

2. Hochgieichspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (9) aufweist: einen ersten Thyristor (9l), eine zum ersten Thyristor (91) parallele Serienschaltung eines zweiten Thyristors (92), einer Drossel (93) und eines Kondensators (94), wobei der erste Thyristor (91) und der zweite Thyristor (92) so parallel geschaltet sind, daß sie in gleicher Richtung leiten, und eine Gleichstromquelle (lO) zur Aufladung des Kondensators (94), daß die vom Gleichstromversorgungsglied (l) in die Last (3) gespeiste Energie mehrfach als Strom zwischen der Last (3) und dem ersten Thyristor (91) fließt, wenn der erste Thyristor (91) eingeschaltet ist, und daß der zweite Thyristor (92) nach Öffnung des Leistungsschalters (5, 6) eingeschaltet ist, so daß sich die im Kondensator (94) gespeicherte Ladung über die Drossel (93) und den zweiten Thyristor (92) entlädt, um den mehrfach fließenden oder reirkulierenden Strom zu unterbrechen (Fig. 4).

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3. Hochgleichspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (9¹) aufweist: eine Serienschaltung eines Kondensators (104), einer Drossel (103) und einer Diode (105), einen ersten Thyristor (lOl) parallel zur. Serienschaltung und einen zweiten Thyristor (102) parallel zu dem Teil der Serienschaltung aus dem Kondensator (104) und der Drossel (103), daß der erste Thyristor (101) und der zweite Thyristor (102) parallel geschaltet sind und in gleicher Richtung leiten, daß ein Teil der vom Gleichstromversorgungsglied (1) zur Last (3) gespeisten Energie als Strom entladen wird, der mehrfach zwischen der Last (3) und dem ersten Thyristor (lOl) fließt, wenn der erste Thyristor (lOl) eingeschaltet ist, und daß ein anderer Teil der durch die Serienschaltung fließenden Energie den Kondensator (104) auflädt, während der zweite Thyristor (102) nach Öffnung des Leistungsschalters (5, 6) eingeschaltet ist, so daß sich die im Kondensator (104) gespeicherte Energie über die Drossel (103) und die Diode (105) entlädt, um den mehrfach fließenden oder rezirkulierenden Strom zu unterbrechen (Fig. 6).

4. Hochgleichspannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (9¹) eine Gleichstromquelle (12) hat, die den Kondensator (104) auflädt (Fig. 6).

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