DE3231166C2 - - Google Patents

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator zur Erzeugung hoher Spannung zur Energieversorgung von ein- und mehrstufigen Elektronenbeschleunigern, bestehend aus im wesentlichen geschlossenem magnetischem Eisenkern mit Jochen und Schenkeln und mit mindestens je einer Primär- und Sekundärspule mit vorgeschaltetem Stellglied und nachgeschaltetem Hochspannungsgleichrichter.
Ein derartiger Hochspannungstransformator ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Hochspannungsanlagen zum Betrieb von Elektronenkanonen" von Schroller, Jessat, Vetters in LEW-Nachrichten, 1976, Seiten 20-31, bekannt.
Aus der GB-PS 2 14 174 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gleichrichtung von Wechselstrom-Hochspannung bekannt, wobei Überspannungen durch Änderung des induktiven Widerstands des Transformators, der den Gleichrichter speist, ausgeglichen (geglättet) bzw. abgebaut werden. Die Änderung des induktiven Widerstandes wird durch Veränderung von einem oder mehreren mechanisch einstellbaren Luftspalten, die sich zwischen Joch und Schenkel des Transformators befinden, erreicht.
Außerdem ist bekannt, daß der Einsatz von Elektronenstrahlen als Energieträger hoher Leistung und Leistungsdichte immer größere Bedeutung in verschiedenen industriellen Bereichen erlangt.
Das Gebiet der Elektrowärme wird dadurch erweitert und durch neue Wirkprinzipien und Verfahren bereichert. Neben dem Elektronenstrahlschweißen, -schmelzen, -glühen und -bedampfen ist besonders das chemische Vernetzen von Kunststoffen sowie das Trocknen und Härten von Lacken mittels beschleunigter Elektronen heute ein kostengünstiger und umweltfreundlicher Prozeß.
Voraussetzung für die industrielle Anwendung der Elektronenstrahltechnologie ist das Vorhandensein starker und betriebssicherer Elektronenkanonen sowie der für ihren Betrieb erforderlichen Hochspannungsquellen und Hilfseinrichtungen.
Da es sich bei der Lackhärtung, Lacknachvernetzung, Folienvernetzung, Kaschierung oder Vernetzung von druckempfindlichen Klebstoffen um relativ dünne Schichten im Bereich von 1-300 µm handelt, bieten sich als Elektronenbeschleuniger sogenannte einstufige Beschleunigungssysteme an. Sie können mit Spannungen bis ca. 300 keV betrieben werden und sind in ihrem Aufbau gegenüber mehrstufigen Systemen einfach und billig. Höhere Beschleunigungsspannungen sind für den breiten industriellen Einsatz in der Oberflächen- und Folientechnik aus Kostengründen und aus Gründen der aufwendigeren Abschirmung gegenüber den bei der Abbremsung der Elektronen entstehenden härteren Röntgenstrahlung von geringem Interesse.
Elektronenstrahler bis 300 keV Beschleunigungsspannung lassen sich noch mit Bleiblech abschirmen und sind somit nicht an einen fest installierten Betonbunker gebunden.
Die Energieversorgung für Elektronenbeschleuniger besteht aus dem Hochspannungsgerät. Es liefert die Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl und erteilt ihm damit seine Energie. Dazu gehören eine Reihe von Hilfseinrichtungen für Meß-, Steuer- und Regelaufgaben sowie Schutz- und Überwachungseinrichtungen.
Da die Erfindung sich nur auf die Hochspannungsversorgung bezieht, werden Kathodenheizung, Spannungsversorgung für die Steuerelektrode und für das Strahlführungssystem nicht näher erläutert.
Die Hochspannungsversorgung besteht nach der Figur aus folgenden wesentlichen Teilen (s. hierzu auch Schroller, Jessat, Vetters "Hochspannungsanlagen zum Betrieb von Elektronenkanonen" LEW-Nachrichten 1976, Mitteilungen aus dem Forschungsinstitut Manfred von Ardenne, Dresden): Stellglied, Hochspannungstransformator und Hochspannungsgleichrichter.
Bei Hochspannungsversorgungen mit relativ hohen Beschleunigungsspannungen werden als Stellglied Stelltransformatoren verwendet, da sie die größtmögliche Sicherheit bei auftretenden Wanderwellen bieten. Auch können primärseitig in die Stromversorgung Drosseln zur Begrenzung des Kurzschlußstromes eingesetzt werden. Elektronische Kurzschlußsperren haben sich bei Spannungen von 300 keV nicht bewährt.
Die vorstehend angegebene Ausführungsform hat folgende Nachteil:
Die zur Kurzschlußstrombegrenzung üblicherweise eingesetzten Drosseln müssen aus Leistungsgründen aus großvolumigen Spulen niedriger Induktivität bestehen und bieten aus diesem Grunde zum Anfahren des Elektronenbeschleunigers, welcher nach jeder größeren Betriebsunterbrechung wieder neu formiert werden muß, nur ungenügenden Schutz. Es wird deshalb bei den bis jetzt bekannten Geräten der höheren Spannungsklasse auf diese Drosseln verzichtet. Somit treten bei Überschlägen während der Inbetriebnahme des Strahlers und auch während seines Betriebes im Strahlerzeuger enorme Entladungen auf, welche noch durch aus dem Primärnetz nachgelieferte Energie unterstützt werden. Außerdem ist bei der konventionellen Bauweise von Hochspannungstransformatoren die Primär- und Sekundärspule so konstruiert, daß ein möglichst hoher Koppelungsfaktor entsteht, damit man verlustarm arbeiten kann. Diese Konstruktion unterstützt zusätzlich den Entladestrom bei einem Hochspannungsüberschlag. Diese Entladungen können zur Zerstörung der Sekundärspulen oder der Gleichrichter im Hochspannungsgerät - trotz des vorhandenen Vorwiderstandes am Verbraucher - führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hochspannungstransformator zur Versorgung eines Elektronenstrahlerzeugers zu konstruieren, der durch entsprechende Auslegung bei Überschlägen durch ein Einbrechen der Spannung und damit Löschen des Überschlages reagiert.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen Transformator, bei dem die Primärspule von der Sekundärspule auf dem gleichen Zweig des Eisenkerns räumlich derart voneinander getrennt ist, daß ein großes Streufeld entsteht, damit sich eine weiche Kennlinie einstellen kann, d. h. daß der magnetische Widerstand bei einem Hochspannungsüberschlag schnell ansteigt, wobei die Verhältnisse von Joch- zu Schenkellänge von 1 : 1 bis 2 : 1 betragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator befinden sich die voneinander getrennten Primär- und Sekundärspulen zwar auf dem gleichen Zweig des Eisenkerns des Transformators, sind aber räumlich derart voneinander getrennt, daß ein großes Streufeld entsteht, wodurch bei Hochspannungsüberschlägen der magnetische Widerstand sehr schnell ansteigt und eine erhöhte Energienachlieferung in den Sekundärkreis unterbrochen wird.
Erhöhen läßt sich dieser "weichmachende" Effekt noch durch einen möglichst großen Abstand der Sekundärspule vom Eisenkern des Transformators.
Grundsätzlich ist somit für die "Weichmachung" eines Hochspannungstransformators die Anordnung der Spulen auf dem Kern sowie die Eisenweglängen zwischen Primär- und Sekundärwicklung und die Eisenweglängen der Joche verantwortlich.
Insbesondere steht die Wickelbreite der Primärspule im kritischen Verhältnis zur Schenkellänge des Eisenkerns. Erfindungsgemäß wird ein Verhältnis von 1 : 5 bevorzugt. Mögliche Verhältnisse liegen auch noch bei 1 : 4 bis 1 : 6.
Bei "harten" Hochspannungstransformatoren benutzt man möglichst kurze Joche. Bei den erfindungsgemäßen Hochspannungstransformatoren werden Verhältnisse von Joch zu Schenkellängen von 1 : 1 bis 2 : 1 bevorzugt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der mittlere Durchmesser der Sekundärwicklung. Er ergibt sich auch dem Verhältnis Ri : Ra=1 : 2, wobei Ri der halbe Innendurchmesser und Ra der halbe Außendurchmesser der Sekundärwicklung ist. Hierbei richten sich die effektiven Maße nach den zu isolierenden Spannungen.
In der Praxis äußert sich der Erfolg dieser Anordnung darin, daß bei Auftreten eines Hochspannungsüberschlages im Verbraucher der Sekundärstrom ansteigt und die Sekundärspannung abfällt.
Der Überschlag wird dadurch automatisch gelöscht, und die Unterbrechung der Elektronenemission dauert nur einige Millisekunden.
Als Schutz für die Sekundärseite des Transformators bei plötzlichem Ausfall der Last (z. B. Kathodenbruch) wird im Ausgang des Meßwiderstandes eine schnell reagierende Varistorkette parallelgeschaltet.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Schutzmaßnahmen sind für einen industriellen vollautomatischen Betrieb eines Hochspannungsgerätes mit Elektronenstrahlerzeuger einstellbare Abschaltverzögerungen für "lang" andauernde Überströme und Überspnnungen vorhanden.
Zur Inbetriebnahme des Elektronenstrahlerzeugers sind zusätzliche den Transformator "weichmachende" Maßnahmen erforderlich. Hierzu werden in die Primärzuleitungen des Hochspannungsgerätes Drosselspulen relativ hoher Induktivität und kleiner Leistung eingesetzt. Sie sollen den max. Elektronenstrom auf einige mA während der Zeit des Formierens des Elektronenstrahlerzeugers begrenzen.
Die Drosseln können nur bei Null-Stellung des Stelltransformators zu- oder abgeschaltet werden.
Beispiel
Ein erfindungsgemäß hergestellter Hochspannungstransformator 220 kV mit Prüfspannung 330 kV und einem Innenwiderstand von 640 kOhm, der in den Hauptbauelementen folgende Abemssungen hat.
Wickelbreite der Primärspule|153 mm
Schenkellänge des Eisenkerns 765 mm
Jochlänge des Eisenkerns 590
Halber Innendurchmesser Ri der Sekundärspule 110 mm
Halber Außendurchmesser Ra der Sekundärspule 220 mm
wird in einer, wie aus der Figur ersichtlichen Hochspannungsanlage für einen Elektronenbeschleuniger zur Lackhärtung mit Hilfe beschleunigter Elektronen auf Kunststoff-Stoßstangen eingesetzt. Der Elektronenstrahler hat folgende technische Daten:
Beschleunigungsspannung|220 kV
Elektronenstrom 120 mA
Scannerlänge 1300 mm
Bestrahlte Teile 300 Stück/h
In der Figur haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung:
 1 Stellglied
 2 Drosselspulen
 3 Schalter zum Ein- und Ausschalten der Drosseln
 4 Transformator
 5 Gleichrichter
 6 Schutzwiderstand
 7 Varistoren
 8 Meßwiderstand
 9 Elektronenstrommessung
10 Pegel und Verzögerungsschaltung
11 Stromversorgung Elektronenstrahlerzeuger
12 Elektronenbeschleuniger
Zur Energieversorgung des Elektronenstrahlerzeugers wird das Hochspannungsgerät ferner wie folgt ausgelegt:
Vorschaltdrosseln zur Formierung des Elektronenstrahlerzeugers: 0,15 H
Varistorschutzbeschaltung, Bemessung:
Stromeinsatz bei 240 kV und Abschaltung der Hochspannung;
Abschaltverzögerung Strom und Spannung variabel zwischen 20 und 100 ms einstellbar.

Claims (3)

1. Hochspannungstransformator zur Erzeugung hoher Spannung zur Energieversorgung von ein- und mehrstufigen Elektronenbeschleunigern, bestehend aus im wesentlichen geschlossenem magnetischem Eisenkern mit Jochen und Schenkeln und mit mindestens je einer Primär- und Sekundärspule mit vorgeschaltetem Stellglied und nachgeschaltetem Hochspannungsgleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule von der Sekundärspule auf dem gleichen Zweig des Eisenkerns räumlich derart voneinander getrennt ist, daß ein großes Streufeld entsteht, damit sich eine weiche Kennlinie einstellen kann, d. h. daß der magnetische Widerstand bei einem Hochspannungsüberschlag schnell ansteigt, wobei die Verhältnisse von Joch- zu Schenkellänge von 1 : 1 bis 2 : 1 betragen.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wickelbreite der Primärspule zur Schenkellänge des Eisenkerns 1 : 4 bis 1 : 6, vorzugsweise 1 : 5, beträgt.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Ri : Ra=1 : 2 ist, wobei Ri der halbe Innendurchmesser der Sekundärwicklung und Ra der halbe Außendurchmesser der Sekundärwicklung ist.
DE19823231166 1982-08-21 1982-08-21 Hochspannungstransformator mit hochspannungsgleichrichter und stellglied zur energieversorgung von ein- und mehrstufigen elektronenbeschleunigern Granted DE3231166A1 (de)

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