DE2907580A1

DE2907580A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung einer geglaetteten spannung aus drehstrom

Info

Publication number: DE2907580A1
Application number: DE19792907580
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Werner Dr Ing Thomas
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB2044496B; FR2450529A1; GB2044496A; NL8000745A; JPS55146523A; US4320305A

Description

14. Februar 1979 79502

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer geglätteten Spannung aus Drehstrom "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung einer von überwelligkeiten weitgehend freien, konstanten Spannung U aus Drehstrom unter Verwendung von Glä'ttungsmitteln für Verbraucher, insbesondere zur Hochspannungsversorgung von Elektronenstrahlquellen.

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Es ist seit langem bekannt, aus Drehstrom durch Gleichrichtung einen pulsierenden Gleichstrom zu erzeugen, dessen Oberwelligkeit durch Glättungsmittel, wie beispielsweise Kondensatoren, verringert werden kann. Bei Elektronenstrahlkanonen, die flir die Materialbearbeitung wie Schweissen, Bohren, Fräsen, Schmelzen und Verdampfen verwendet werden, mlissen Größe und Lage des sogenannten Brennflecks auf dem zu bearbeitenden Werkstoff möglichst genau eingehalten werden. Unter "Brennfleck" wird der jenige Teil der Materialoberfläche verstanden, auf die der Elektronenstrahl auftrifft. Der Querschnitt des Brennflecks entspricht infolgedessen dem Strthlquerschnitt, der aufgrund elektronenoptischer Abbildungsgesetze der Projektion der Strahlquelle (Katode) proportional ist. Bei Elektronen- Strahlkanonen bestimmt vor allem die Qualität der Hoch spannungsversorgung die Qualität des Brennflecks. Unter der Qualität der Hochspannungsversorgung 1st hier deren OberwelUgkeit und deren Ausregelgeschwindigkeit bei Störgrößen zu verstehen. Diese Qualität kann entweder durch Einsatz von Elektronenröhren auf der Hochspannungseite oder von Transistoren 1n verschiedenen Schaltungsanordnungen auf der Primärseite des Hochspannungstransformators erreicht werden. Der Einsatz von Elektronenröhren ist jedoch wegen deren Hochspannungsfestigkeit, Wärmeentwicklung und Lebensdauer nur begrenzt möglich. Der Einsatz von Transistoren 1st wegen deren Leistungsbegrenzung nach oben hin eingeschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelver-

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fahren zur Erzeugung einer von Oberwelligkeiten weit- ' gehend freien, konstanten Spannung U aus Drehstrom anzugeben, welches mit Halbleiter-Stellgliedern auskommt und dennoch im Stande ist, elektrische Leistungen in einer Größenordnung, wie sie beispielsweise für die Leistungsversorgung von Elektronenstrahlquellen benötigt werden, trägheitsarm und praktisch oberwellenfrei auf einen konstanten Spannungswert einregeln zu können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man die Spannung U in zwei Teilspannungen U\ und Ug aufteilt, wobei die eine Teilspannung IK mindestens 80 % der Spannung U beträgt, daß man die Teilspannung U₁ in an sich bekannter Weise lastunabhängig konstant hält, daß man die Spannung U erfaßt und mit einer Sollspannung U_g vergleicht, daß man die Differenz dU = U_g - U dazu verwendet, die Teilspannung Ug in der Weise nachzuregeln, daß die Momentanwerte von dU ein Minimum darstellen, und daß man die Teilspannungen U^ und Ug additiv dem Verbraucher aufschaltet.

Die Erfindung beruht im Prinzip darauf, eine Spannungsteilung bzw. Leistungsverzweigung durchzuführen und nur einen kleinen Teil der Gesamtleistung, definiert durch das Verhältnis der Teilspannungen, so auszuregeln, daß die Restwelligkeit ein Miniraum darstellt. Auf die angegebene Weise ist es möglich, mit einem äußerst geringen Regel aufwand eine außerordentlich konstante Gleichspannung zu erzeugen., die für die Leistungs-

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Versorgung von Elektronenstrahlquellen sehr gut geeignet ist und zu einem Brennfleck mit weitgehend konstanten Daten führt.

Eine besonders vorteilhafte, weil einfache Schaltungsanordnung für eine Spannungsquelle ist im Unteranspruch angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung und ihres Funktionsprinzips wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine vollständige Schaltungsanordnung einer Spannungsquelle gemäß der Erfindung, und

Figur 2 den zeitlichen Verlauf der Teilspannungen Ll, und U₂ sowie der Gesamtspannung U.

Gemäß Figur 1 besteht die Anordnung aus zwei Tejlspannungsquellen G^ und Gp· Die TeiIspannungsquelle G, enthält einen 3-Phasen-Transformator 1 mit einer Primärseite la und einer Sekundärseite Ib, einen Gleichrichter 2 mit den Ausgängen _.-2 a und 2 ß, sowie ein Thyristor-Stellglied 3 mit einem Eingang 3a und drei nicht näher bezeichneten Ausgängen, die der Primärseite la aufgeschaltet sind. Zur Teilspannungs quelle G, gehört auch ein Spannungsregler 4, dessen Eingang 4a eine Vergleicherstufe 5 aufgeschaltet ist, die ihren Sollwert (Teilsollspannung) U , über einen Sollwertgeber 6, erhält. Der Ausgang 4b des Spannungsreglers 4 ist dem Eingang 3a des Stellgliedes 3 aufgeschaltet. Zwischen den Ausgängen 2a und 2b

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des Gleichrichters 2 liegt die Teilspannung U^ an, die mindestens 80%, vorzugsweise 90 bis 95% der Gesamtspannung U ausmacht. Der zeitliche Verlauf der Teilspannung U-^ ist in Figur 2 dargestellt. Parallel zum Gleichrichter 2 kann noch ein Glättungsmittel bekannter Art, beispielsweise ein Kondensator 7 angeordnet sein, dessen Kapazität so gewählt wird, daß einerseits die Welligkeit der Teilspannung Uj hinreichend klein ist und andererseits die Leistung der nachfolgend noch näher beschriebenen Regelstufe möglichst gering gehalten wird.

Die Teilspannungsquelle Gg enthält einen Einphasentransformator 8 mit einer Primärseite 8a und einer Sekundärseite 8b, einen Gleichrichter 9 mit den Ausgängen 9a und 9b, sowie auf der Niederspannungsseite des Transformators ein Stellglied 10, welches im vorliegenden Fall als pulsbreitenmoduliertes Transistorendstufe ausgeführt ist. Zur Glättung der gleichgerichteten Mittelfrequenzspannung ist noch ein Kondensator 11 vorgesehen. Eine Diode 12 ist deswegen parallel zum Gleichrichter 9 angeordnet, 'um die Teilspannungsquelle Gg jederzeit nachträglich einbauen zu können, ohne den Aufbau der Teilspannungsquelle G^ hinsichtlich ihrer Verdrahtung ändern zu müssen. Zwischen den Ausgängen 9a und 9b des Gleichrichters 9 steht die Teilspannung U₂ an. Für den Abgriff der Istwertspannung der TeiIspannungsquelle G₂ ist ein Spannungsteiler 13 vorgesehen. Von diesem führt eine Leitung 14 zu einer Subtraktionsstufe 15 mit nachgeschaltetem Verstärker 16. Dessen Ausgang

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1st der Vergleicherstufe 5 und damit dem Spannungsregler 4 und dem Stellglied 3 aufgeschaltet.

Ober einen weiteren Spannungsteiler 17 wird die Spannung U * U·, + Up erfaßt, die an der Anschlußstelle 17 ansteht. Durch elektronische Subtraktion in der Subtraktionsstufe 15 wird dort die Teilspannung U₁ explizit gewonnen. Durch Vergleich mit dem Sollwert U_gl 1n der Vergleicherstufe 5 wird Über den Spannungsregler 4 und das Stellglied 3 die Teilspannung U₁ am Ausgang des Gleichrichters 2 unabhängig von der Belastung konstant gehalten.

Die Gesamtspannung U 1st Über eine Leitung 18 einer Vergleicherstufe 19 aufgeschaltet, der außerdem der Sollwert U_$ flir die Gesamtspannung U mittels eines Sollwertgebers 20 aufgeschaltet 1st. Der Ausgang der Vergleicherstufe 19 1st einem weiteren Spannungsregler 21 aufgeschaltet, der Über eine Leitung 22 mit dem Stellglied 10 1n Verbindung steht. Die Teilspannung U₂*deren zeitlicher Verlauf gleichfalls aus Figur 2 zu entnehmen 1st, wird dabei 1n der Welse geregelt, daß die Gesamtspannung U durch eine gerade Linie dargestellt werden kann (Figur 2).

Die beiden Spannungsregler 4»und 21 werden dabei so ausgelegt, daß £,1ch ihre Regelgeschwindigkeiten um Größenordnungen unterscheiden, so daß sich eine gute Entkopplungswirkung fUr die beiden Spannungsregler 4 und 21 ergibt. Aufgrund der Schnelligkeit und der Genauigkeit des Regelkreises der Teilspannungsquelle G₂ kann für die Teilspannungsquelle G₁ der ■ Aufwand an Glättungsmitteln (Kondensator 7) erheblich reduziert

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werden. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird die Oberwenigkeit der Teilspannungsquelle G^ mittels der Spannung Uy der Teilspannungsquelle G« ausgefüllt. Die derart ideal geglättete Spannung wird Über eine Aus gangs klemme 23 einem nicht dargestellten Hochspannungsverbraucher aufgeschaltet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

iJVerfahren zur Erzeugung einer von Oberwellig-—-^ keiten weitgehend freien_s konstanten Spannung U aus Drehstrom, unter Verwendung von Glättungsmitteln für Verbrauchers insbesondere zur Hochspannungsversorgung von Elektronenstrahlquellen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Spannung U in zwei Teilspannungen U₁ und Ug aufteilt» wobei die eine Teilspannung U, mindestens 80% der Spannung U beträgt, daß man. die Teilspannung U^ in an sich bekannter Weise lastunabhä'ngig konstant hält, daß lan die Spannung U erfaßt und mit einer Sollspannung U₃ vergleicht, daß man die Differenz dU = U-U dazu verwendet, die Teilspannung Ug in der Weise nachzuregeln, daß die Momentanwerte von dU ein Minimum darstellen, und daß man die Teilspannungen U^ und Ug additiv dem Verbraucher aufschalte.t.
2. Spannungsquelle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch 2.1 eine Teilspannungsquelle G^ mit

2.1.1 einem Dreiphasen-Transformator (1) dessen Primärseite (la) ein Stellglied (3) vorgeschaltet und

dessen Sekundärseite (Ib) ein Gleichrichter (2) nachgeschaltet ist,

2.1.2 einem Eingang (3a) des Stellgliedes (3), dem ein Spannungsregler (4) vorgeschaltet ist, dessen Eingang (4a) der Ausgang einer Vergleicherstufe (5)

aufgeschaltet ist₉ in der die Differenz dU, aus

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der Teilspannung U, und aus einer Teilsollspannung U , gebildet wird,, durch

2.2 eine Tei Ispannungsquelle <*^ mit

2.2.1 einem Transformator (8) dessen Primä'rseite (8a) ein Stellglied (10) vorgeschaltet und dessen

Sekundä'rseite (8b) ein Gleichrichter (9) sowie ein Glättungskondensator (11) nachgeschaltet sind,

2.2.2 einem Eingang (10a) des Stellgliedes (10), dem ein Spannungsregler (21) vorgeschaltet ist, dessen Eingang der Ausgang einer Vergleicherstufe (19) aufgeschaltet ist, in der die Differenz dU aus der Spannung U und aus einer Sollspannung U_s gebildet wird, und durch

2.3 eine Reihenschaltung der Teilspannungsquellen G₁ und Gp.

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