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Anordnung zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannung Um eine
hohe elektrische Gleichspannung zu erhalten, ist es bekannt, Teilkapazitäten einzeln
aufzuladen und in Reihenschaltung zu entladen. Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung nach diesem Prinzip, wobei die Teilkapazitäten
zu einer gegebenenfalls geerdeten Ladestelle eine Relativbewegung ausführen bzw.
durch an einer ruhenden Ladestelle vorbeibewegte Teilkapazitäten nacheinander aufgeladen
werden und die Stromabnahmestellen gegenüber Erde ein festes Potential aufweisen.
Bei den bekannten derartigen Anordnungen sind die relativ zu der Ladestelle bewegten
, Teilkapazitäten gewöhnlich entlang einer endlosen Kette angeordnet, so daß zwischen
der Ladestelle und der Hochspannungsstromabnahmestellezwei parallel geschaltete
Reihenanordnungen von Teilkapazitäten vorhanden sind. Von diesen beiden Reihenanordnungen
wird in der Regel nur eine für den Ladungstransport bzw. für die Spannungserzeugung
verwendet. Bei Serienschaltung sämtlicher Teilkapazitäten wirkt sogar der zweite
Stromzweig, sofern keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, der Spannungserzeugung
entgegen, da die Teilkapazitäten durch den Wechsel in der Bewegungsrichtung in bezug
auf die Stromabnahmestellen in den
beiden parallel geschalteten
Stromzweigen entgegengesetzt gepolt sind. Lm bei derartig zusammengeschalt--ten
Teilkapazitäten dienachteilige @@ücl:wirl>ung des zweiten Stromzweiges auf den ersten
zu verkleinern, ist es bekannt, die Zaiil der Teilkapazitäten in dem zWeiLl'n Zweig_
größer zu wählen als im ersten. Es ist auch bekannt, die Serienschaltung jeder d1r
zusammengeschalteten Teilkapazitäten durch eine Drehung der sie darstellenden Kondensatoren
um go- jeweils so lange aufzuheben, wie diese sich im zweiten Stromzweig befinden.
Ferner ist es bekannt, die Teilkapazitäten des zweiten Stromzweiges dadurch für
die Erzeugung der Hochspannung nützlich zu machen, daß sie durch eine an der HochspannungsstromabnahmestAle
angeordnete zweite Ladestelle im entgegengesetzten . Sinne neu aufgeladen werden
oder daß sie an den beiden Stromabnahmestellen im gleichen Sinne aufgeladen und
jeweils durch umlesbare Schaltbügel an diesen Stellen umgepolt «erden. Die Anordnung
einer Ladestromquelle auf Hochspanntang macht dabei erhebliche Schwierigkeiten,
die ei=re praktische Verwirklichung einer solchen Hochspannungsanlage für größere
Leistung unmöglich machen.
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Durch die Erf ndung werden diese Schwierigkeiten beseitigt. Erfindungsgemäß
sind die zu einer Ladestelle eine Relativbewegung ausführenden bz«-. durch an einer
ruhenden Ladestelle vorbeibewegte Teilkapazitäten nacheinander aufge=ladener. Teillzapazitäten
in zwei zu den Stromabnahmestellen führende parallel geschaltete Stromzweige eingebaut,
wobei i. die Relativbewegung zwischen der Ladestelle und den aufzuladenden Teilkapazitäten
mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt bzw. die Teilkapazitäten bei gegebener
Geschwindigkeit der Relativbewegung so bemassen sind, daß bei Belastung der Anordnung
die jeweils an die Ladest--lle gelangende Teilkapazität gerade restlos entladen
ist und 2. sich die Stückzahlen der Teilkapazitäten in den beiden parallel geschalteten
Stromzweigen annähernd wie (1'-2-z l : i verhalten.
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Die Erfindung ermöglicht besonders vorteilhafte Ausführungen von Anordnungen
zur Erzeugung hoher Gleichspannung, bei denen die installierte Gesamtkapazität für
die Umformung der zugeführten elektrischen Leistung in die abgegebene elektrische
Leistung vollkommen ausgenutzt wird und bei denen deshalb auch größere, für technische
Zwecke bestimmte Leistungen umgesetzt werden können. In den Figuren sind einige
ertindunasgemäße Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
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Fig. i zeigt eine einpolig geerdete Anordnung, bei der eine Anzahl
durch umlesbare Schaltbügel i miteinander verbundene, gegen Erde hochisolierte Kondensatoren
2 im Kreise fest angeordnet sind und das Laden sowie das Entladen der Kondensatoren
durch umlaufende Kontaktarme 3, .I, 5 erfolgt. Die Kontaktar --ne 3, .I, _5 sind
mit einer aus Isolationsmaterial l@c@t@-li,__iden Achse 6 starr verbunden und i@on@ien
gemeinsam rotiert :-erden. Die Bürsten J, Z-# si@id für die Ladestromzuführung und
die 1>iirste=i 7, cf für die Hochspannungsstromabnahiiie bestimmt. Bei Betrieb der
Anordnung werden die Schaltbügel i an den Stromabnahmestellei, durch die Kontaktarme
3, j jeweils von der einen in die andere Stellung umgelegt, so daß dauernd zwei
parallel geschaltete Stromzweige vorhanden sind. Wenn man voraussetzt, daß jeder
Kondensator "-)ei Betrieb der Anordnung seine aufgenommene Ladung bei einer vollen
Umdrehung der Kontaktarme jeweils gerade restlos in den Verbraucherstromkreis abgegeben
hat, erhält man für die an den einzelnen Kondensatoren vorhandenen Spannungsdifferenzen
i- die in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellten Werte, wobei -"o die Ladespannung
und st die Gesamtzahl der Kondensatoren bedeuten. Der Kontaktarm g für die Hochspannungsstromabnahme
wird in vorteilhafter Weise so angebracht, daß die Summenspannungen der Kondensatoren
in den beiden parallel geschalteten Stromzweigen gleich groß sind. Wenn der Kondensator,
an dem der Hochspannungsstrom abgenommen wird, die Ordnungszahl x erhält (in F!".
i von der Ladestelle aus nach rechts gerechnet), dann ergibt sich für das Diagramm
der Fig. 2 die Bedingung, daß die Trapezfläche io über der Strecke x gleich der
Dreiecksfläche ii über der Strecke (tt-x) sein muß.
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Da sich die Flächeninhalte ähnlicher Figuren teie die Quadrate entsprechender
Seitenlängen verhalten, erhält map somit ,=c'= = 2 (n-:r)2 oder
x : (ja-_@@) = (1- z-,) : i, das heißt, die Stückzahlen der Teilkapazitäten
in den beiden prallet geschalteten Stromzweigen müssen sich wie (@ 2-,): i verhalten.
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Bei der neuen Anordnung ist die Kommutierung sowohl auf der Lade-
als auch auf der Entladeseite für ein funkenfreies Arbeiten von ausschlaggebender
Bedeutung. Die an den Kontaktarmen 3, j angebrachten Bügel 12, 13
für die
Hochspannungsstromabnahme müssen wenigstens die Breite einer Teilungsbreite zweier
aufeinanderfolgender Kontakte 14 bzw. 1.5 der jeweils zugehörigen Stromabnalimekontaktbahn
itä bzw. 17 aufweisen. Ferner müssen sich die Relativlagen der Bügel 12, 13 zu den
Kontakten 14 bzw. 15 der beiden Kontaktbahnen gemäß der weiteren Erfindung um eine
halbe Teilungsbreite zweier aufeinanderfolgender Stromabnahmekontakte voneinander
unterscheiden. Wenn schließlich poch dafür gesorgt ist, daß das Umlegen der Schaltbügel
i an den Stromabnahmestellen jedesmal bei erreichter
Mittelstellung
der Bügel 12, 13 zu einem der Kontakte 14 bzw. 15 mit großer Anfangsgeschwindigkeit
erfolgt, erhält man bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. i auf der Stromabnahmeseite
ein funkenfreies Arbeiten.
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In den Fig. 3 bis 7 sind die Stromabnahmebügel 12, 13 und die an den
Stromabnahmestellen umzulegenden Schaltbügel i in verschiedenen Schaltstellungen
beim Weiterschalten der Kontaktarme 3, 5 um die Teilungsbreite zweier aufeinanderfolgender
Stromabnahmekontakte i¢ bzw. 15 schematisch dargestellt. Die den Fig.3 bis 7 entsprechenden
Schaltbilder sind in den Fig. 8 bis 12 wiedergegeben. Es ist zu ersehen, daß die
Fig. 3, 5 und 7 Übergangsschaltstellungen sind, in denen beide parallel geschalteten
Stromzweige mit den Stromabnahmebügeln 12, 13 verbunden sind. In der einen Hälfte
einer Schaltperiode sind die Bügel 12, 13 nur mit dem rechten Stromzweig (s. Fig.
q.) und in der anderen Hälfte einer Schaltperiode nur mit dem linken Stromzweig
(s. Fig. 6) verbunden. Jedem dieser beiden Stromzweige wird eine bei Belastung der
Anordnung ein Strom von dem gleichen zeitlichen Mittelwert entnommen. Die Umschaltungen
der beiden Stromabnahmebügel von dem einen Zweig auf den anderen erfolgen dabei
immer gleichzeitig. Im Augenblick, wo die beiden Abnahmebürsten sich von einem Zweig
loslösen, dieser also entlastet wird, ist die Spannungsdifferenz zwischen den Bürsten
und dem entlasteten Zweig gleich Null. Sie steigt erst mit dem Beginn der Entladung
proportional der Zeit an. Folglich ist es durch passende Schaltgeschwindigkeit möglich,
die Unterbrechung funkenfrei zu gestalten. Beim Wiederzuschalten des vorher entlasteten
Kondensatorzweiges besteht zwar eine Spannungsdifferenz zwischen dem auflaufenden
Bürstenpaar und dem vorher entlasteten Zweig, jedoch ist diese Spannungsdifferenz
nur gleich der Pulsationsspannung des Umformers, und sie bewirkt nur, daß infolge
Funkenüberschlag der entlastete Zweig wieder etwas früher an die Abnahmebürsten
angeschaltet wird, als er es sonst würde. Der geerdete Stromabnahmebügel 12 kann
auch auf der Kontaktbahn 17 und der Hochspannung führende Stromabnahmebügel 13 auf
der Kontaktbahn 16 angeordnet sein.
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Würde man die Relativlagen der Bügel 12, 13 zu den Kontakten 14 bzw.
15 gleichartig wählen, was am nächstliegenden erscheint, dann würde beim Rotieren
der Schaltarme an den Stromabnahmestellen ein unvermeidliches Rundfeuer auftreten,
das den Betrieb der Anordnung unmöglich machen würde. Das Schaltbild einer solchen
ungeeigneten Schaltstellung kann dadurch erhalten werden, daß man beispielsweise
die linke Hälfte der Fig.6 mit der rechten Hälfte der Fig. q., die zeitlich um eine
halbe Schaltperiode zurückliegt, kombiniert. Der Bügel 12 wäre dabei mit dem linken
und der Bügel 13 mit dem rechten Stromzweig in Verbindung. Bei einer solchen Einstellung
müßten an den Stromabnahmestellen über die geöffneten Schaltbügel i selbst bei größter
Schaltgeschwindigkeit dieser Bügel unvermeidliche Schaltfunken auftreten, da die
Unterbrechungsstellen hierbei unmittelbar in den beiden parallel geschalteten Stromzweigen
selbst liegen würden.
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Das Laden der Kondensatoren wird zweckmäßigerweise mit Wechselstrom
vorgenommen. Um Schaltfunken zu vermeiden, ist dabei zu beachten, daß bei einer
gegebenen Anzahl von Kondensatoren die Ladestromfrequenz in einem bestimmten Verhältnis
zur Umlaufgeschwindigkeit der Kontaktarme steht. Da in dem Ausführungsbeispiel die
eine Ladestrombürste mit dem geerdeten Stromabnahmebügel 12 zusammengelegt ist,
wird die Zeit, während der die Kondensatoren jeweils mit der Ladestromquelle verbunden
sind, allein durch die Breite der an dem Kontaktarm q. angebrachten Kontaktbürste
18 bestimmt. Damit auf der Ladeseite keine Schaltfunken auftreten, muß das Auflaufen
der Kontaktbürste 18 auf die Kontakte 15 immer im Nulldurchgang des Ladespannungsverlaufs
und das Abwandern von diesen Kontakten immer nach beendigter Ladung, also eine viertel
Periode später, stattfinden. Die Breite der Kontaktbürste 18 muß daher, wie aus
Fig. 13 hervorgeht, go elektrischen Graden und die Entfernung zweier aufeinanderfolgender
Kontakte 15 36o elektrischen Graden der Ladespannungskurve entsprechen.
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Unr das Netz gleichmäßiger zu belasten, ist es vorteilhaft, beide
Halbwellen der Ladespannung für das Laden der Kondensatoren zu benutzen. Dies ist
dadurch möglich, daß der Ladestromtransformator mit zwei geerdeten Sekundärwicklungen
versehen wird (s. Fig. 14), die über besondere Bürsten igl. und 1911 abwechselnd
und mit verschiedener Polung zum Laden der Kondensatoren verwendet werden, wobei
die Breite der Kontaktbürsten go elektrischen Graden und die Entfernung zweier aufeinanderfolgender
Ladestromkontakte i8o elektrischen Graden der Ladespannungskurve entsprechen müssen.
Eine noch gleichmäßigere Netzbelastung erhält man bei Verwendung eines Zwei-oder
Dreiphasentransformators als Ladestromquelle, der je Phase zwei Sekundärwicklungen
besitzt, vgl. die Wicklungen I bis IV in Fig. 15 und I bis VI in Fig. 16. Die Fig.
15 und 16 geben die Schaltung und Stromverteilung derartiger Ladestromquellen schematisch
wieder. Wenn die Breite der Ladestrombürsten. in beiden Fällen go elektrischen Graden
der Ladespannungskurve entspricht, muß die Entfernung zweier aufeinanderfolgender
Ladestromkontakte bei Verwendung eines Zweiphasentransformators
go
und bei Verwendung eines Drehstromtransformators sogar nur 6o elektrischen Graden
der Ladespannungskurve entsprechen. Die zu den verschiedenen Bürsten igl, 1911 bz«-.
191 bis 191v bzw. 191 bis igvi der Fig. 14. bis IÜ gehörigen Ladestromkontakte 15
sind auf der Kontaktbahn 17 treppenförn-nig angebracht, so daß die einzelnen Phasenspannungen
des Ladestromtransformators nacheinander an die Kondensatoren geführt werden. Aus
den in den Fig. 13 bis 16 über den Kondensatoren angegebenen Spannungskurven ist
die Verteilung der aus dem Netz entnommenen Leistung auf die einzelnen Phasen zu
erkennen. Bei der Anordnung nach Fig. 16 werden in den L bergangsschaltstellungen
vorübergehend zwei Kondensatoren gleichzeitig geladen. Die Breite der Stromabnahmebügel
12, 13 muß in einem solcl-_en Falle ebenfalls c)o elektrischen Graden der Ladespannungskurve
entsprechen.
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Bisher wurde vorausgesetzt, daß die Anordnung immer voll belastet
wird, so daß der jeweils an die Ladestrombürsten gelangende Kondensator gerade restlos
entladen ist. Wird dagegen die Anordnung nicht voll belastet, dann ist dies nicht
mehr der Fall, und der kurz vor der Aufladung stehende Kondensator wird noch eine
gewisse Ladung besitzen. t m nun zu vermeiden, daß dieser Kondensator Strom in den
Ladetransformator zurückliefert, wobei Schaltfunken auftreten können, ist es vorteilhaft,
die Ladebürsten je nach der Höhe der in den Kondensatoren vorhandenen Restspannungen
erst so viel später mit den Ladestromkontakten in Berührung zu bringen, daß im Augenblick
des Zusammentreffens die Ladespannung gerade den Wert der Restspannung des Kondensators
hat. Die Phasenlage der Ablaufkanten der Ladestrom bürsten darf aber dabei in bezug
auf die Ladestromkontakte nicht verändert «,'erden. Zweckmäßig wird daher die Breite
der Ladestrombürsten entsprechend der Belastung der Anordnung automatisch veränderlich
gemacht.
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Da die Ladestrombürsten nur mit endlicher Genauigkeit im Nulldurchgang
des Ladespannungsverlaufes an die Ladekontakte gebracht werden können und außerdem
der Stromanstieg zu Beginn der Ladung sehr groß ist, kann es vorkommen, daß hierdurch
auf der Ladeseite Schaltfunken verursacht ,-erden. Zur Vermeidung derartiger Schaltfunken
v-ird vorgeschlagen, in den Ladestromkreis mit Sättigung arbeitende Schaltdrosseln
einzubauen, durch die die Nulldurchgänge des Wechselstromes künstlich verbreitert
«-erden. Solche Schaltdrosseln sind an sich bekannt und werd.-n beispii_isweise
bei den l#ontalzta.rformern verwendet.
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Gemäß der weit--ren Erfindung ist es möglich, eine auf de m gleichen
Prinzip wie das Ausführungsbeispiel der Fig. Z beruhende, insbesondere für symmetrische
Spannungsverteilung bestimmte Anordnung zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannungen
zu schaffen. Dies ist dadurch zu erreichen, daß man zwei der bisher geschilderten
einpoligen Anordnungen so kombiniert, daß jeweils die zu einer Hochspannungsstromabnalimestelle
gehörigen Kondensatoren nur auf einem Halbkreis angeordnet sind. Ein Ausführungsbeispiel
einer solchen Anordnung ist in Fig. 17 dargestellt. Dabei sind zwei Hochspannungsstromabnahmestellen
und zwei Ladestellen vorhanden. Die an den aufeinanderfolgenden Kondensatoren 2
bei normaler Belastung in einem bestimmten Augenblick bestehenden Spannungsdifferenzen
sind in Fig. ZS in entsprechender Weise wie bei Fig. 2 dargestellt. Die Spannungsdifferenzen
sind dabei auf das Potential der Ladestellen bezogen. Bei den in Fig. 17 gezeichneten
Stellungen der umlegbaren Schaltbügel Z und den an den Ladestellen angegebenen Polaritäten
erhält man für die Spannungsdifferenzen an den Kondensatoren auf der rechts der
Ladestellen gelegenen Kreishälfte positive und für die Kondensatoren der linken
Kreishälfte negative Richtungen. Durch die Stromabnahmebügel 20, 21 werden die beiden
Kreishälften derart in je zwei parallele Zweige geteilt, daß die Stückzahlen der
Kondensatoren dieser Zweige sich in beiden Fällen wie () -2-.1) : Z verhalten. Wenn
jede der beiden rechts und links der Ladestellen gelegenen Kreishälften der Fig.
17
n Kondensatoren aufweist und die Ordnungszahlen der Kondensatoren an den
Stromabnahmestellen :r- genannt werden, dann gilt "vieder x: (ta-x) = (1
-a-,) :Z.
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Die Anordnung nach Fig. 17 steilt gegenüber zwei einpoligen Anordnungen
nach Fig. Z, die sonst bei symmetrischer Spannungsverteilung an Spannungsverbraucher
erforderlich wären, eine große Vereinfachung dar. Für das Laden der Kondensatoren
an den beiden Ladestellen kann die gleiche Ladestromquelle verwendet werden. Ein
besonderer Vorteil besteht ferner darin, daß beim Laden der Kondensatoren mit Wechselstrom
von der an einer und derselben Wicklung des Ladestromtransformators abgenommenen
Wechselspannung beide Halbwellen zum Laden der Kondensatoren benutzt werden können.
Die Relativlagen der beiden Ladestellen zu den Kontakten der entsprechenden Ladekontaktbahnen
dürfen aus diesem Grunde nicht gleichartig sein, sondern sie müssen sich um zSo
elektrische Grade der Ladespannungskurve voneinander unterscheiden. Wenn den jeweiligen
Entfernungen der Ladestromkontakte bei dieser Ausführungsform der neuen =inordnung
36o elektrische Grade der Ladespannungskurve entsprechen und die beiden an den Ladestellen
angeordneten Bürstenpaare 22, 23 bzw. 2.1, 25, wie in Fig.
17 gezeigt
ist, verschieden gepolt an die Ladespannung 26
angeschlossen sind, wird erreicht, daß das Aufladen der Kondensatoren 2 an den beiden
Ladestellen nach je einer halben Periode der Ladespannungskurve abwechslungsweise
und immer mit der gewünschten Stromrichtung erfolgt. Es ist hierbei nicht nötig,
daß der Ladestromtransformator für jede der beiden Ladestellen eine besondere Sekundärwicklung
besitzt. Die beiden Bürsten 23, 24 werden zweckmäßig zusammen mit der Sekundärwicklung
des Ladetransformators geerdet und entsprechend i8o elektrischen Graden der Ladespannungskurve
breit gewählt, damit sie gleichzeitig zur Aufrechterhaltung des Erdpotentials an
den Ladestellen dienen können. Die Bürsten 22, 25 erhalten dagegen im vorliegenden
Falle nur die Breite entsprechend einer viertel Periode der Ladespannungskurve.
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Außer den für das Laden sowie für das Entladen der Kondensatoren erforderlichen
Kontaktarmen können noch weitere umlaufende Kontaktarme für die Abnahme bestimmter
Zwischenpotentiale vorhanden sein. Es sei noch erwähnt, daß die erfindungsgemäßen
Anordnungen auch zur Umformung von hochgespanntem Gleichstrom in niedergespannten
Wechselstrom verwendet werden können.