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Anordnung zur Erzeugung hoher Gleichspannungen Zur Erzeugung hoher
Spannungen ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, - bei der mehrere in Reihe
geschaltete Kondensatoren nacheinander von einem Hilfskondensator (oder mehreren
parallel geschalteten Hilfskondensatoren)- aufgeladen -werden, die wiederum von
einer LadestromqüeIle aufgeladen wird (amerikanische Patehtschrift I 55j j64). Eine-.umlaufende
Schaltvarrich= tung, .an deren feststehende Kontakte einerseits die Klemmen der-einzelnen
Reihesikondensatoren, andererseits dieKlemmen der vorzugsweise geerdeten Ladevorrichtung
ange= schlossen sind, sorgt bei dieser bekannten Einrichtung dafür, daß der Hilfskondensator
den einzelnen Reihenkondensatoren. in der: entsprechenden Reihenfolge nacheinander
parallel geschaltet und danach an die Läde# stromquelle zur erneuten Rufladung aügeschlossen
wird, worauf sich das Spier wiederholt.
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Wenn man mit dieser. bekannten Einrichtung sehr hohe Spannungen, z.
B. in _ der Größenordnung von -r ooo ooö Volt,' erzeugen will, so muß die die unilaufenden
Kontakte tragende Isolierwalze der Schaltvorrichtung einen sehr großen Durchmesser
erhalten, damit die nötigen Isolationsabstände zwischen den einzelnen Reihenkondensatorklemmen
und den Klemmen der Ladestr omquelle vorhanden sind. Dies bereitet um'-so größere
Schwierigkeiten; je höher die,zu-erzeugende Hochspannung sein soll.
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Diese Schwierigkeiten. lassen sich erfindungsgemäß- dadurch beseitigen,
daß mehrere derartige Einheiten zu einer Staffelschaltung in -der- Weise verbunden
sind, daß der Hilfs-'kondensator der auf dem nächstniedrigen Potential befindlichen
Einheit nicht nur zur Ladung :der Reihenkondensatoren seiner Einheit, sondern auch
als . Ladestromquelle für den Hilfskondensator der auf dem nächsthöheren Potential
befindlichen Einheit dient, wobei die Reibenkondens'ätoren aller Einheiten dauernd-
miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung. wird mvec'kmäß#g so getroffen,
daß - .der . Hilfskondensator jeder Einheit (mit Ausnahme der auf -dem höchsten
Potential
bAndlichen Einheit nach seiner '#üfl<idung einen Teil
seiner Ladung an. den Hilfskondens i ator der auf dem nächsthöheren Potential bdfndlichen
Einheit, einen anderen Teil seiner, Ladung an den oder die Reiheiikondensatorii,
seiner Einheit abgibt. In jeder Einhit, braucht nur rin einziger Reihenkondensator
@ orgesehen zu .ein. Die Schaltvorrichtungen der einzelnen Einheiten werden vorzugsweise
derart angeordnet, daß während der Aufladung des Hilfskondensators der einen Einheit
der Hilfskondensator der nächsthöheren Einheit den oder die Reihenkondensatoren
seiner Einlicit lädt und der Hilfskondensator der folgenden Einheit den Hilfskondensator
der auf diese Einheit wiederum folgenden Einheit auflädt. Außer anderen in der folgenden.'
Be-Sclirc-ibting einiger Ausführungsbeispiele angeführten Vorteilen, hat die Erfindung
den Vorteil, daß an jeder der Schaltvorrichtungen als höchster Potentialunterschied
nur die Summe der Spannungen der Reihenkondensatoren der zugehörigen Einheit auftritt,
so daß man also durch Unterteilung der Anordnung in eilte genügende Anzahl von Einheiten
beliebig hohe Spannungen erzeugen kann, ohne daß lsolationsschwierigkeiten wie bei
den bekannten Einrichtungen auftreten.
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Bei dem in Abb. i dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung
gemäß der Erfindung sind vier Einheiten A, ß, C und I) vorgesehen; jede von ihnen
weist drei Reihenkondensatoren, i i, 12, 13 bzw. 14, 15, i f> bzw. i7,
18, 19 bzw. 2o, 21, 22 sowie einen Hilfskondensator 23 bzw. 24 bzw.
25 bzw. 26 und eire Schaltvorrichtung 27 bzw. 28 bzw. 29 bzw. 3o auf. Jede Schaltvorrichtung
besteht beispielsweise aus einem zylindrischen Isolierbehälter, z. B. 31, der in
seinem Innern, wie schematisch angedeutet ist, den Hilfskondensator , z. h. 23,
und außen die beiden Schleifkontakte 32, 33 trägt, welche den Hilfskondc nsator
beim Umlauf der Schaltvorrichtung mit den auf den Umfang - verteilten feste, -Kontakten
verbinden. Die Schaltvorrichtungen 2; bis 30 -werden sämtlich ,über eine gemeinsame
gestrichelt angedeutete Isolierwelle 3.l beispielsweise von einem Elektromotor 35
angetrieben. Die Schleifkontakte 32, 33 der einzelnen Schaltvorrichtungen sind,
wie aus der Abb.-i ersichtlich ist, um i2o" gebeneinaiider versetzt, so daß in dem
Zeit-.b in dem z. B., wie gezeichnet, der H.ilfskondensator 2; von der zweckmäßig
einseitig geerdeten Ladestroniquelle 36, ' z. ß. Gleich- . :tromne-tz oder Wechselstrortinetz
mit -vorgeschalteten Gleichrichtern, geladen wird, der Hilfskondensator 24. den
mittleren .Reihenkondensator 15 seiner Einheit auflädt und der Hilfskondensator
-25 den .Hilfskondensator 2i5 ctitflätIt. Die--Umlaufrichtung der Sealtvorrichtüngezi
ist durch Pfeile kenntlich maclit; -sie kann auch umgekehrt sein, so dar, dann,
jeder aufgeladene Hilfskondensator zu-@rst die Reihenkondensatoren seiner Einheit
`auflädt, bevor er den Hilfskondensator der .nächsten Einheit auflädt.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung soll ausführlich an Hand des in
den Abb. 2a, 2b und 2c dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden, welches
sich von dem der Abb. i nur dadurch unterscheidet, daß jede Einheit nur einen Reihenkondensator
-statt drei in Abb. i J besitzt und daß fünf Einheiten (statt vier in Abb. i ) übereinander
angeordnet sind. Die Abb.2a, 2b und :2c zeigen die gleiche Einrichtung in den drei
möglichen, gegeneinander um je i 2o versetzten Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen
37 bis 41, die im Prinzip ebenso ausgebildet sind wie die Schaltvorrichtungen inAbb.
i. Die Reihenkandensatoren der fünf Einheiten sind mit 42 bis 4.6, die zugehörigen
Hilfskondensatoren finit .17 bis 51 und die Ladestromquelle wie in Abb. i mit 36
bezeichnet. In der in Abb. 2a gezeichneten Stellung wird der Hilfskondensator 4.7
von der Ladestromquelle aufgeladen, während der Hilfskondensator 48 der. Reihenkondensator
.13, der Hilfskondensator 49 den Hilfskondensator So und der Hi-Ifskondensator 5
i den Reihenkondensator 46 auslädt. Bei' ihrem Umlauf in Pfeilrichtung gelangen
die Schaltvorrichtungen, nach i 2o Drehung in die in Abb. 2b gezeichnete Schalt
stellung. In dieser gibt der Hilfskondensator 47 einen Teil seiner Ladung an den
Hilfskondensator .l8 ab. Der Hilfskondensator .19 lädt jetzt den Reihenkondensator
44 auf, während der Hilfskondensator So den Hilfskondensator 3i lädt. Bei ihrem
weiteren Umlauf gelangen die Schaltvorrichtungen nach weiteren i 2o Drehung in die
in Abb.2c gezeichnete Stellung, in welcher der Hilfskondensator .l7 eine,. Teil
der auf ,hin noch befindlichen Ladung an den Reihenkondensator 42 abgibt. u-ährend
der Hilfskondensator ,l8 den Hilfskondensator 49 und der Hilfskondensator So den
Reihenkondensator-.l5 auflädt. Der Hilfskondensator 51 ist in dieser Schaltstellung
nicht angeschlossen; würde noch eine weitere Einheit vorgesehen werden, so würde
er in dieser Stellung den Hilfskondensator dieser u eitercn Einheit aufladen, wie
sich aus den Abbildungen ohne weiteres ergibt. Werden die Schaltvorrichtungen weiter
um i2o' gedreht, so erreichen sie dann wieder die in Abb.2a gczeichnete Stellung.
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Es zeigt sich also, daß keinem der Reihenkondensatoren :etwa Energie
zum Aufladen der übrigen Reihenkondensatoren entnommen wird, die Reihenkondensatoren
geben v-ielniehr lediglich dem Verbraucher Energie a13.
Die Energie
zum Laden der Reihenkondensatoren wird-,allein durch die Hilfskonden. satoren von
der Ladeströ.nquelle aus nach oben transportiert.
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Aus den Abb. 2a, zb und- 2c ist ersichtlich, daß in der einen der
drei Schaltstellungen nt-.r der zweite und fünfte b.zw. bei einer größeren Anzahl
von Einheiten auch der achte, elfte usw. Reihenkondensator- gleichzeitig geladen
«erden.- In der nächsten Schaltstellung (vgl. Ablr. 2b) werden -nur -der - dritte,
- sechste, neunte usw. Reihenkondens.tor und in. der dritten Schaltstellung (vgl.
Abb. ?c) nur der erste, - vierte, siebente, zehnte usw. Reihenkondensator geladen.
Von den drei Schaltstellungen kommt also für jeden Reihenkondensator nur eine als
Ladestellung; in. Betracht, so. daß es also eine gewisse -Zeit dauert, bis die Reih.enkondensätoren
voll aufgeladen sind. Eine schnellere AüfIadung und demgemäß eine größere Konstanz
in der Höhe der an den Verbraucher gelieferten hohen Gleichspannung kann man dadurch
erreichen, daß man die Schältvorrichtungen .schneller umlaufen läf.'it. Dem sind
aber naturgemäß Grenzen gesetzt. Hier kann man durch Vermehrung der Hilfskondensatoren
Abhilfe schaffen.' Ein Ausfü hrtingsb.eispiel dafür ist in Abb,.3 dargestellt. Hier
sind beispielsweise vier Einheiten mit den Reihenkondensatoren 52 bis 55 und den
Schaltvorrichtungen 56 bis 59 vorgesehen. Jedem Reihenkondensator sind drei . Hilfskondensatoren
zugeordnet. Diese Hilfskondensatoren sind mit 6ö bis 71 bezeichnet. Wie aus einem
Vergleich der .'11.b. 3 mit den Abb. 2a, 2b und 2c ohne weiteres ersichelich ist,
weist jede Schaltvorrichtung drei um iao° gegeneinander versetzte Kontaktpaare auf,
die finit den drei zugehörigen Hilfskondensatoren verbunden sind. Daraus ergibt
sich, daß von den drei Hilfskondensatoren jeder Einheit, z. B, der untersten Einheit,
der eine Hilfskondensator 61 in demselben Zeitpunkt geladen wird,.. in welchezn
-der zweite Hilfskondensator 6ö den Reilerikondensator g,- seiner Einheit auflädt
und üer dritte Hiqfsköndensator 62 den einen von den drei Hilfskondensatoren
der auf dem nächsthöheren Potential befindlichen Einheit. d. h. also den Hilfskondensator
_65, ,auflädt. In der nächsten Schaltstellung lädt der Hilfskondensator 6? den Reihenkönderisator
52 auf, während der Hilfskondensator 6o von der LadeströmqueIle 36 aufgeladen- wird
-und. der Ililfslcondensator.öi den Hilfskondensator 63 der nächsten Einheit auflädt.
-In der dritten SchvItsteIlung lädt der Hilfskondensator 61 den geihenlzondensätör
52 . auf,-während der Hilfskondensator 6z von der Ladestromquelle 36 geladen wird
und der Hilfskondensator 6o den Hilfskondensator 64. "auflädt: Die entsprechenden
Vorgänge spielen sich bei den weiteren Einheiten ah. Es. zeigt sich also, da.ß in
jeder der drei Schaltstellungen die Reihenkondensatoren 57- bis 55 geladen
werden. In der einen Schaltstellung sind die Hilfskonden-#;ator.en 6o,- 63, 66 und
69 die Ladekondensatoren, in der nächsten Schaltstellung di;e E.l'fskondensatoren
6-, 64., 67 und 70 und in der dritten. Schaltstellung die Hilfskondensatoren,6i,.
65, 68 und 71. Die drei Hilfskondensatoren jeder Einheit können, ähnlich wie der
eine Hilfskondensator jeder Einheit bei dem in der Abb. i dargestellten Ausführzmgsheispiel;
in :einem gemeinsamen Isoliergefäß der - betreffenden Schaltvorrichtung untergebracht
sein. Es ist aber auch möglich, die Hilfskondensatoren sämtlicher Einheiten nicht
innerhalb der -Schaltvorrichtungen, sondern feststehend übereinander in Form dreier
Säulen unter Einfügung :entsprechender Isolatoren zwischen den einzelnen Hilfskondensatoren
unterzubringen. Man würde dann also die.- Hilfs'kontlensatoren 6o, 63, 66 und 69
unter _ Zwischenfügung von Stützisolatoren zu einer Säule, die Hilfskondensatoren
61, 65, 68 und -71 in der gleichen Weise zu einer zweiten Säule und die Hilfskondensatoren
62, 6¢, 67 und 7o in der gleichen Weise zu .einer dritten Säule vereinigen. Die
Verbindun- - der einzelnen Hilfskondensatoren mit den umlaufenden Kontaktpaaren
der einzelnen Schaltvorrichtungen kann dann über an den Schaltvorrichtungen vorgesehene
Schleifringe nebst Bürsten erfolgen. Eine entsprechende Anordnung der Hilfskondensatoren
kann.auch liei den Ausführungsbeispielen der Abb. i und- z getroffen sein; hier
.ist dann naturgemäß nur eine :einzige Hilfskondensatorsäule vorhanden. Die Hilfskondensatoren-
werden in diesem Fall zweckmäßig in an sich bekaxlnter Weise innerhalb eines zylindrischen
Isoliergefäßes mit metallischem Boden und metallischem Deckel untergebracht. Die
gleiche . Kondensatorausfübrung verwendet man v örzugsweise auch für die Reihenkondensatoren,
die auch in Form einer Säule unmittelbar übereinander angeordnet werden können.
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Man' kann auch zwei der Reihenkondensatorsäulen, wie sie in Abb. i
oder in Abh. 3 dargestellt sind, nebeneinander aufstellen und dabei die Anordnung
so treffen, daß die Reihenkondensatoren der einen Säule mit dem entgegengesetzten
Vorzeichen aufgeladen werden wie die Reihenkondensatoren der andefen Säule. Den
Verbraucher schUelät man dann- zwischen -den -beiden höchsten Punkten der beiden
Säulen an. Die ihm zugeführte Hochspannung äst dann doppelt so groß wig bei Anordnung
nur einer- einzigen Säule und Anschluß des Verbrauchers zwischen dem hachsten
Punkt
dieser Säule und Erde. euch kann mann mehrere Anordnungen, `sie sie in den Ausführungsbeispielen
dargestellt sind, nebeneinander anordnen und einander parallel schalten, um größere
Energiemengen abnehmen zu können.
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Einrichtungen gemäß der Erfindung sind zur Erzeugung hoher Spannungen
für die verschiedensten Zwecke anwendbar, z. B. zur Prüfung von Kabeln, Isolatoren
u. dgl,., zum Betriebe von Röntgen- oder Kathodenstrahlrflhren, zur Aufladung von
Gas (Gasreinigung), Flüssigkeiten oder Dämpfen sowie von zerstäubten Salzlösungen
für die Klimabeeinflussung irgendwelcher Räume. Auch für die Erzeugung von hohen
Gleichspannungen zur Energieübertragung über große Entfernungen sind die Einrichtungen
gemäß der Erfindung brauchbar, da man ohne Schwierigkeiten außerordentlich hohe
Spannungen erzeugen kann.
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Als Ladestromquelle kann man entweder eine Gleichspannungsquelle oder
eine Wechselstromquelle mit Gleichrichtern verwenden. "Benutzt man einen umlaufenden
Gleichrichter, so kann dieser von dem die Schaltvorrichtungen antreibenden Motor
mit angetrieben werden. Man kann auf einen solchen Gleichrichter verzichten, wenn
die Schaltvorrichtungen im Takte der Wechselspannung derart angetrieben werden,
daß der bzw. die Hilfskondensatoren der untersten Einheit an die Wechselstromquelle
immer im richtigen Wechsel angeschlossen werden.
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Die Einrichtungen gemäß der Erfindung sind nicht nur zur Erzeugung
hoher Spannungen, d. h. also zur Umwandlung einer niedrigen Gleich- oder Wechselspannung
in eine hohe Gleichspannung. sondern auch umgekehrt zur Umwandlung einer hohen Gleichspannung
in eine niedrige Gleich- oder Wechselspannung verwendbar. Die hohe Gleichspannung
wird dann an die Reihenkordensatorsäule gelegt und die Ladestromquelle 36 durch
den mit der niedrigen Gleichspannung oder Wechselspannung zu speisenden Verbraucher
ersetzt. Hier wird dann mittels der Hilfskondensatoren umgekehrt wie vorher die
Ladung von oben nach unten transportiert. Soll ein Wechselstromverbraucher betrieben
werden, so wird man ihn über einen Transformator anschließen.