DE2918426C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung für eine Leistungs-Elektronenstahlkanone nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mittels der Freilaufdiode und des Entladewiderstands wird verhindert, daß sich die in der Drossel gespeicherte Energie auf die Elektronenstrahlkanone entlädt.

Unter Leistungs-Elektronenstrahlkanonen werden üblicherweise solche in einem Leistungsbereich zwischen 2,0 und 300 kW verstanden. Hierfür geeignete Stromversorgungen haben je nach Kanonenleistung und Verwendungszweck eine Ausgangsspannung zwischen 4 und 150 kV. Derartige Stromversorgungen müssen aufgrund ihrer Einsatzbedingungen kurzschlußfest sein, was nachstehend näher erläutert werden soll.

Elektronenstrahlkanonen der genannten Art werden überwiegend im Vakuum, d. h. in einer Vakuumkammer betrieben, wobei das Vakuum besser ist als 10^-3 mbar. Unter Normaldruck können Elektronenstrahlen wegen der unvermeidbaren Kollisionen der Elektronen mit Gasmolekülen keine Wegstrecken zurücklegen, die wesentlich größer als 20 bis 25 mm sind. Im Innern der Vakuumkammern, in denen sich die Elektronenstrahlkanonen befinden, kann jedoch durch die erwähnte Kollision eine Ionenbildung auftreten, die zu Spannungsüberschlägen bzw. kurzschlußähnlichen Zuständen führt. Auch die Bedampfung bzw. Verschmutzung von Isolatoren und anderen spannungsführenden Bauteilen, die im Vakuum begünstigt wird, kann zu zeitweiligen Kurzschlüssen im Hochspannungssystem führen. Eine gewisse Kurzschlußfestigkeit wird durch möglichst flinkes Abschalten der Hochspannung beim Überschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes erreicht. Nach Ablauf einer gleichfalls vorgegebenen Zeit, die z. B. im Bereich von 20 bis 1000 Millisekunden liegt und normalerweise zur Entionisierung der Entladungsstrecke ausreicht, wird die Spannung durch eine automatische Steuerung wieder zugeschaltet. Die Abschaltung kann je nach der Bauart der Stromversorgung auf verschiedene Arten erfolgen. So ist beispielsweise eine Abschaltung durch auf der Primärseite bzw. Niederspannungsseite angeordnete Relais, Schaltschütze oder Thyristoren möglich. Auf der Hochspannungsseite sind eine Abschaltung durch Schaltröhren oder eine Strombegrenzung durch Regelröhren möglich. Die hierfür verwendeten Schaltungsanordnungen sind Stand der Technik und werden daher nicht näher erläutert.

Es wurde in der Praxis festgestellt, daß unter bestimmten, nicht vermeidbaren Bedingungen in der Vakuumkammer extrem "harte" Kurzschlüsse im Stromkreis auftreten können. Unter "harten" Kurzschlüssen sind solche Kurzschlüsse zu verstehen, die sich durch einen steilen Stromanstieg auszeichnen. So wurden Kurzschlüsse gemessen, bei denen der Strom hinter dem als Glättungsmittel verwendeten Hochspannungssiebkondensator innerhalb von weniger als 5 Mikrosekunden auf Werte angestiegen ist, die nur durch den Innenwiderstand der Schaltröhren und den Widerstand der Hochspannungskabel begrenzt wurden. Der Innenwiderstand der Stromquelle entspricht in diesem Fall dem extrem niedrigen Innenwiderstand des geladenen Siebkondensators. Ein derartiger Strom nahm innerhalb von weniger als 5 Mikrosekunden den 50- bis 100fachen Wert des Nennstromes der Stromversorgung an.

Die beschriebenen Entladungen haben eine ganze Reihe nachteiliger Auswirkungen: Durch den steilen Stromanstieg, der bereits sein Maximum erreicht, bevor das vorhandene Schaltglied den Strom sperren kann, entstehen bei Stromversorgungen mit Schaltgliedern, die aus Schaltröhren bestehen, in diesen Schaltröhren selbst Ionisationserscheinungen, die zu einem Ausfall der Schaltröhren führen können. Ein Abschalten der Stromversorgung ist nicht mehr möglich, so daß es zum Ansprechen der Sicherungen und/oder zur Zerstörung der Schaltröhren kommt. Die beschriebenen Entladungen erlöschen andererseits sofort, wenn keine ausreichende Energie zur Aufrechterhaltung der Entladung nachgeliefert wird. Ein steiler Stromanstieg und ebenso ein steiler Stromabfall, der beim Löschen der Entladung auftritt, rufen in benachbarten Leitungen durch magnetische Induktion starke Impulse hervor, die zur Zerstörung anderer elektrischer Bauteile führen können.

Es ist bereits eine geregelte Stromversorgung für Elektronenstrahlkanonen bekannt, bei der eine Abschaltröhre zwischen der Elektronenstrahlkanone und einer Gleichspannungsquelle vorgesehen ist (US-PS 35 46 606). Bei dieser Stromversorgung ist in Reihe zur Kathoden-Anoden-Strecke der Elektronenstrahlkanone und zur Kathoden-Anoden-Strecke einer Schalterröhre eine Drossel geschaltet, die bei Kurzschlüssen erhöhte Spannungen von der Röhre fernhalten soll. Die dann in der Drossel gespeicherte elektrische Energie kann jedoch bei dieser bekannten Stromversorgung nicht abgeführt werden.

Weiterhin ist eine Stromversorgung für eine aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Einrichtung mit Anode und Kathode bekannt, welche eine Längsdrossel und eine Querkapazität aufweist, die als Impulsschutzfilter dienen können (GB-PS 8 06 637). Allerdings weist diese bekannte Stromversorgung keine Einrichtung auf, mit der die Gleichstromquelle etwa im Fall eines unzulässig hohen Stroms von der Einrichtung mit Anode und Kathode getrennt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der im Kurzschlußfall steile Stromanstiege und -abfälle ebenso wirksam vermieden werden wie das Auftreten von Überströmen, die ein Vielfaches des Nennstroms betragen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß es bei kurzen und harten Kurzschlüssen nicht erforderlich ist, die Elektronenstrahlkanone von der Gleichstromquelle zu trennen, weil die Energie dieses Kurzschlusses in dem Impulsschutzfilter gespeichert wird. Erst bei länger dauernden Ionenentladungen oder Kurzschlüssen wird der Stromkreis zwischen der Gleichstromquelle und der Elektronenstrahlkanone aufgetrennt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung einer Stromversorgung in Verbindung mit einer Vakuumaufdampfanlage mit einem Elektronenstrahlverdampfer,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem der Spannungsverlauf vom Auftreten eines harten Kurzschlusses über das Erlöschen der Entladung bis zum Wiederaufbau der Spannung ohne Ansprechen des Schaltgliedes dargestellt ist, und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Stromverlauf beim Entstehen einer längerzeitigen Entladung aufgezeigt ist, die erst durch das Ansprechen des Schaltgliedes gelöscht wird.

In Fig. 1 ist von einem Hochspannungstransformator 10 nur die Sekundärseite dargestellt, die an einen Hochspannungsgleichrichter 11 angeschlossen ist. Mit dem Ausgang des Hochspannungsgleichrichters 11 sind Glättungsmittel verbunden, die aus einer Siebdrossel 12 und einem Kondensator 13 bestehen. Durch die genannten Glättungsmittel wird die von der Netzfrequenz herrührende Restwelligkeit der Hochspannung weitgehend geglättet. Im Stromkreis ist weiterhin ein Schaltglied 14 angeordnet, welches als Schaltröhre ausgeführt ist und ein Steuergitter 15 aufweist. Dieses Steuergitter ist über eine Leitung 16 mit einem Schaltkreis 17 verbunden, von dem eine Leitung 18 zu einem Stromwandler 19 führt, der den zum Verbraucher (Elektronenstrahlverdampfer) bzw. über das Schaltglied 14 fließenden Strom erfaßt, der auch über eine Leitung 20 fließt, die einen der Ausgänge des Hochspannungsgleichrichters 11 mit Masse verbindet.

Der Schaltkreis 17 ist in der Weise ausgelegt, daß beim Auftreten eines Oberstromes, der mehr als dem 1,2fachen Wert des Nennstromes entspricht, das Steuergitter 15 innerhalb einer einstellbaren Zeit von 10 bis 50 Mikrosekunden auf eine so hohe negative Spannung gegenüber der Kathode der Schaltröhre gebracht wird, daß diese gesperrt ist. Der Schaltkreis 17 hebt die Sperrung nach Ablauf einer einstellbaren Zeit von 50 bis 700 Millisekunden wieder auf.

Hinter dem Schaltglied 14 ist ein Impulsschutzfilter 21 angeordnet, dessen Bauelemente innerhalb eines schraffierten Bereichs liegen. Es besteht aus einem Kondensator 22 mit einer Kapazität von 2000 bis 4000 pF, aus einer Drossel 23, deren Induktivität in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 H, aus einer in Richtung auf die Kathode gesperrt geschalteten Freilaufdiode 24 und aus einem Entladewiderstand 25 besteht.

Wie gesagt, ist es auch möglich, das Impulsschutzfilter vor dem Schaltglied 14 anzuordnen, wodurch an die Stelle des Kondensators 22 der Kondensator 13 (Siebkondensator) tritt, dessen Kapazität entsprechend höher auszulegen ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel führt der Ausgang der Drossel 23 über eine Leitung 26 zu zwei parallel geschalteten Symmetriewiderständen 27 und 28, die mit zwei Leitungen 29 und 30 verbunden sind, die an einen Heiztransformator 31 angeschlossen sind, von dem nur die auf Hochspannung liegende Sekundärseite dargestellt ist. Die Leitungen 29 und 30 führen mittels Durchführungsisolatoren 32 und 33 durch eine an Masse liegende Grundplatte 34 einer Vakuumkammer 35, in der ein nur gestrichelt dargestellter Elektronenstrahlverdampfer 36 angeordnet ist. Wesentliche Teile dieses Verdampfers sind die auf negativem Hochspannungspotential liegende heizbare Kathode 37 sowie die zur Beschleunigung der aus der Kathode 37 emittierten Elektronen dienende Anode 38, die auf Erdpotential angeordnet ist. Mittels der Symmetrierwiderstände 27 und 28 wird der (geringen) Heizspannung des Heiztransformators 31 eine Hochspannung überlagert. Einzelheiten des Elektronenstrahlverdampfers 36 sind Stand der Technik und beispielsweise in der DE-PS 22 06 995 beschrieben.

Der in gestrichelten Linien dargestelle Kondensator 39 verkörpert als Ersatzschaltbild die effektive Kapazität aller auf Hochspannungspotential liegender Bauteile gegen Masse an der durch "A" gekennzeichneten Stelle der Schaltungsanordnung. Je nach der Länge der Leitungen 29 und 30 und der Art des Heiztransformators 31 liegt die Kapazität des Systems zwischen 1500 und 4000 pF.

Die Wirkungsweise der gesamten Anordnung ist folgende: Entsteht in der Vakuumkammer 35 zwischen den hochspannungsführenden Bauteilen und dem Erdpotential ein "harter" Kurzschluß, der einen steilen Stromanstieg zur Folge hat, so wird der Strom zunächst durch die in der Kapazität der genannten Bauteile (analog Kondensator 39) gespeicherten Energie gespeist. Bei einer Kapazität von 1500 bis 4000 pF und einer Spannung von 12 kV beträgt diese Energie 0,1 bis 0,3 Wattsekunden. Dies bedeutet, daß innerhalb von Mikrosekunden Stromstärken in der Größenordnung von einigen 100 Ampere auftreten können. Messungen mit dem Kathodenstrahloszillographen haben gezeigt, daß an der Stelle A bei derartigen Kurzschlüssen die Spannung in weniger als 5 Mikrosekunden auf Null absinkt (Fig. 2). Die gesamte Hochspannung liegt dann an der Drossel 23 an. Der Stromanstieg an der Drossel beträgt L×U×10^-6 A/sec 10^-6. Erst wenn der Sättigungszustand des Eisenkerns der Drossel 23 erreicht ist, erfolgt ein bedeutend steilerer Anstieg. Dies bedeutet, daß je nach Auslegung der Induktivität der Drossel 23 der Stromanstieg zwischen 0,01 und 0,1 A/sec 10^-6 liegt.

In vielen Fällen harter Kurzschlüsse reicht der Strom, der durch die Drossel 23 nachfließt, nicht aus, um die bestehende Entladung aufrechtzuerhalten, und diese erlischt, sobald die im System (analog Kondensator 39) gespeicherte Energie verbraucht ist. Dieser Vorgang tritt nach außen hin nicht sichtbar in Erscheinung; er kann jedoch durch einen im Punkt A angeschlossenen Kathodenstrahloszillographen sichtbar gemacht werden. Der betreffende Spannungsverlauf ist in Fig. 2 dargestellt. An der durch "B" gekennzeichneten Stelle der Schaltungsanordnung zeigt sich keine oder fast keine Auswirkung, weil der Stromanstieg in der Drossel 23 nur gering ist, und der Kondensator 22 kurzzeitig stabilisierend wirkt.

Die Wahrscheinlichkeit, daß eine Ionisation in der Vakuumkammer 35 sofort wieder gelöscht wird steigt, wenn die Kapazität des Systems (analog Kondensator 39) gering gehalten wird. Bei größeren Entfernungen, z. B. bei Verwendung eines mehr als 4 m langen, zweiadrigen Kabels, ist es daher zweckmäßig, das Impulsschutzfilter 21 zusammen mit dem Heiztransformator 31 und den Symmetrierwiderständen 27 und 28 in unmittelbarer Nähe der Vakuumkammer 35 anzuordnen.

Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, kommen auch Entladungen bzw. Kurzschlüsse in der Vakuumkammer 35 vor, die nicht sofort gelöscht werden. In diesem Fall ergibt sich im Hinblick auf das Impulsschutzfilter 21 folgender Funktionsablauf: An der Stelle A fällt die Spannung auf Null ab. In der Drossel 23 steigt der Strom mit einer Geschwindigkeit von 0,01 bis 0,1 A/µsec an. Sobald in der Drossel 23 der 1,2fache Wert des Nennstroms der Stromversorgung erreicht ist, spricht der Schaltkreis 17 mit einer Zeitverzögerung von 10 bis 50 µsec an und beaufschlagt das Steuergitter 15 mit einer entsprechend hohen Sperrspannung, welche das Schaltglied 14 sperrt. Bezüglich der einzelnen Bauelemente ist es von Bedeutung, daß die Sperrung des Schaltgliedes 14 wirksam wird, bevor der Strom in der Drossel 23 eine Sättigung der Drossel bewirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das Schaltglied 14 nicht überlastet wird und funktionsfähig bleibt.

Im Augenblick des Sperrens des Schaltgliedes 14 ist die Drossel 23 durch den fließenden Strom auf ein bestimmtes Energiepotential aufgeladen. Um zu verhindern, daß der Energieinhalt der Drossel 23 in Folge der Stromunterbrechung durch das Schaltglied 14 in einen Hochspannungsimpuls umgewandelt wird, sind die Freilaufdiode 24 und der Entladewiderstand 25 in der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsweise vorgesehen. Die Freilaufdiode 24 ist in der Weise ausgelegt, daß ihre Sperrspannungen der Nennspannung der Stromversorgung entspricht. Der Entladewiderstand 25 ist in der Weise ausgelegt, daß die Energie der Drossel innerhalb der Sperrzeit des Schaltgliedes 14, d. h. zwischen 50 und 700 Millisekunden, größtenteils abgebaut wird. Die unterschiedlichen Werte hängen von der Art der Anlage und der Einstellung ab.

Der Verlauf des Stromes im Punkt A ist anhand des Diagramms in Fig. 3 dargestellt. Während des störungsfreien Betriebs der Anlage hat der Emissionsstrom I der Kathode den mit a bezeichneten stationären Verlauf. Zum Zeitpunkt t₁ setzt ein Entladungsvorgang in der Vakuumkammer 35 ein, der den Strom auf die angegebene Weise ansteigen läßt. Zum Zeitpunkt t₂ spricht der Schaltkreis 17 in Folge der vorgewählten Einstellung an und sperrt das Schaltglied 14 zum Zeitpunkt t₃. Nunmehr beginnt die Drossel 23 sich zu entladen. Der fließende Strom ist durch den gekrümmten Teil b der Kurve gekennzeichnet. der Sättigungsstrom der Drossel 23 ist durch die gestrichelte horizontale Linie c gekennzeichnet, die durch den Ordinatenwert 3A verläuft. Es ist zu erkennen, daß der Maximalwert des Stroms einen ausreichenden Abstand vom Sättigungsstrom einhält.

Im vorstehenden Zusammenhang wurde die Funktion des Impulsschutzfilters 21 an einem Ausführungsbeispiel mit einer Schaltröhre als Schaltglied 14 beschrieben, für die der Erfindungsgegenstand bevorzugt verwendet werden soll. Selbstverständlich kann das Impulsschutzfilter auch im Zusammenhang mit Stromversorgungen mit anderen Kurzschlußabschaltvorrichtungen mit Erfolg verwendet werden. In einem solchen Fall wirkt sich vor allem diejenige Funktion vorteilhaft aus, die zu einer vorzeitigen Löschung von "harten" Kurzschlüssen führt. Bei längerzeitigen Entladungen oder Kurzschlüssen ist es nicht zu vermeiden, daß die Energie des Kondensators 13 entladen wird. Auch in diesem Falle kann die Drossel 23 Stromstöße mit steiler Flanke abfangen und dadurch Schäden vermeiden. Bei derartigen Versorgungseinrichtungen empfiehlt es sich, die Drossel 23 entsprechend größer zu dimensionieren und im Eisenkern beispielsweise an Stelle eines geraden Luftspaltes einen abgestuften oder abgeschrägten Luftspalt vorzusehen, um den Übergang in die Sättigung nicht sprunghaft sondern allmählich zu vollziehen.

Claims (4)

1. . Stromversorgung für eine Leistungs-Elektronenstrahlkanone mit einer heizbaren Kathode und einer Anode, inbesondere für Elektronenstrahlbedampfer, mit einer Gleichstromquelle zur Speisung der Leistungs-Elektronenstrahlkanone, bei der zwischen der Leistungs-Elektronenstrahlkanone und der Gleichstromquelle ein Impulsschutzfilter geschaltet ist, das mindestens eine Drossel enthält, die in Reihe zur Strecke Kathode/Anode geschaltet ist, und bei der eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, mit der die Stromzufuhr von der Gleichstromquelle zur Leistungs-Elektronenstrahlkanone unterbrochen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsschutzfilter (21) in unmittelbarer Nähe der Leistungs-Elektronenstrahlkanone (35) angeordnet ist, und daß parallel zur Drossel (23) des Impulsschutzfilters (21) ein Entladewiderstand (25) mit einer Freilaufdiode (24) vorgesehen ist, wobei die Kathode dieser Freilaufdiode (24) mit der Kathode (37) der Leistungs- Elektronenstrahlkanone (35) verbunden ist.
2. 2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle einen Hochspannungstransformator (10) und einen Gleichrichter (11) enthält, wobei dem Gleichrichter (11) Glättungsmittel (12, 13) zum Aussieben der Restwelligkeit der vom Gleichrichter (11) abgegebenen Gleichspannung nachgeschaltet ist.
3. 3. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (14) im Stromkreis zur Kathode (37) der Leistungs-Elektronenstrahlkanone (35) liegt und daß dieser Schalteinrichtung (14) ein stromabhängig gesteuerter Schaltkreis (17) für die Erzeugung einer Sperrspannung für diese Schalteinrichtung (14) aufgeschaltet ist.
4. 4. Stromversorgung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsschutzfilter (21) hinter der Schalteinrichtung (14) angeordnet ist.