DE941144C

DE941144C - Gleichrichteranlage mit Sperrschichtzellen

Info

Publication number: DE941144C
Application number: DEN2290D
Authority: DE
Inventors: Willem Hondius Boldingh
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1941-01-27
Filing date: 1942-01-24
Publication date: 1956-04-05
Also published as: US2430904A; NL60514C; GB550826A; FR878785A; CH237486A; GB605840A; GB605810A

Description

Bei der Gleichrichtung von Wechselstrom mit Hilfe von Sperrschichtzellen, z. B. Selenzellen, beträgt die zulässige Spannung je Zelle nicht viel mehr als 30 Volt. Zur Gleichrichtung von Strömen unter hoher Spannung sind also eine große Anzahl von Zellen in Reihe zu schalten. Eine Batterie von aufeinander gestapelten Sperrschichtzellen erhält infolgedessen einei erhebliche Höhe. Für eine Gesamtspannung von z. B. 100 kV und einer mittleren Spannung je Zelle von 20 V sind 5000 Zellen nötig. Bei einer Höhe von 1,5 mm je Zelle gelangt man dabei zu einer Gesamthöhe von 7,5 m. Da es natürlich unmöglich ist, einen derart hohen Stapel von Zellen aufzustellen, werden sie in Gruppen geteilt, die je z, B. aus einigen Zehnern von Zellen bestehen, die zu einem stabförmigen Element vereinigt sind. Die Zellen werden zu diesem Zweck in einem Röhrchen aus Isolierstoff aufgestapelt oder sie werden mit einer mittleren Öffnung versehen und auf einen Stift gereiht.

Die Erfindung schafft eine Lösung zur derartigen Anordnung einer großen Anzahl solcher Gleichrichterelemente, daß das Ganze wenig Raum beansprucht und trotzdem noch immer eine gute Ableitung der Wärmeverluste gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Gleichrichteranlage, bei der die Gleichrichtung mittels Sperrschichtzellen, wie Selenzellen, erfolgt und bei der

jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten Sperrschichtzellen zu stabformigen Elementen vereinigt sind, ein Strang von in Reihe geschalteten stabformigen Elementen rohrförmig gewickelt und im Innern des Rohres sind weitere zur Anlage gehörige Teile, wie Kondensatoren und Widerstände, • angeordnet.

Die Längenabmessung solcher Teile ist in der Regel nur gering im Vergleich zu derjenigen der ίο gesamten Länge des Stranges von gleichrichtenden Zellen; ist letztere jedoch rohrförmig gewickelt, so brauchen die Abmessungen nicht viel abzuweichen. Durch die rohrförmige Anordnung wird der weitere Vorteil erhalten, daß die Spannung zwisehen zwei benachbarten Elementen verhältnismäßig gering bleibt, nämlich nicht größer ist als die Spannung zwischen den Enden des "ganzen Stranges, dividiert durch die Zahl der Windungen.

Das durch die Gleichrichterelemente gebildete Rohr kann zusammen mit dem Transformator, der den gleichzurichtenden Strom liefert, in einer gemeinsamen Hülle angeordnet werden. Durch die große Metallmenge, aus der der Transformator besteht, vergegenwärtigt er ein verhältnismäßig großes Gewicht. Zur Erhöhung der Stabilität der Anlage kann daher das Rohr von Gleichrichterelementen am besten in aufrechter Lage über dem Transformator angeordnet werden. - Um die notwendigen Abstände zwischen den Teilen, die in bezug aufeinander einen Potentialunterschied aufweisen, zu verringern und um die in den Zellen entwickelte Wärme leicht zu der Wand der Hülle ableiten zu können, kann die Hülle mit einer- -isolierenden Flüssigkeit, wie Transformatoröl oder einem chlor- oder fluorfialti- gea Kohlenwasserstoff (z. B. Tetrachlorkohlenstoff) gefüllt werden.

Die Hülle kann in diesem Fall mit einem den Transformator umschließenden Fuß und mit einem säulenartigen Teil versehen werden, der schmaler als der Fuß ist und das Rohr von Gleichrichterelementen Umschließt.

Die Anordnung gemäß der Erfindung ist auch mit Vorteil anwendbar bei einer Gleichrichteranlage mit Kaskadenschaltung, d. h. einer Reihenschaltung von Gleichrichtern, bei der jedesmal zwei aufeinanderfolgende Gleichrichter oder Gleichrichtergruppen von einem Kondensator überbrückt werden, so· daß zwei Reihen von Kondensatoren entstehen. Diese Reihen von Kondensatoren können nebeneinander angeordnet und die Gleichrichterelemente um sie herumgewickelt werden, derart, daß jeder Kondensator von einem Strang von Gleichrichtern umgeben wird, die zu der gleichen Stufe gehören wie der Kondensator.

Eine günstige Ausführungsform wird in diesem Fall erhalten, wenn die Kondensatoren je aus zwei in Reihe geschalteten Teilen bestehen, die derart angeordnet sind, daß jeweils der obere Teil eines Kondensators der einen Reihe in der gleichen Höhe wie der untere Teil eines Kondensators der anderen Reihe liegt.

Vorzugsweise ist dabei jede Stufe in einem Zylinder aus Isolierstoff angeordnet und ist zwisehen den aufeinanderfolgenden Zylindern ein Metallring vorgesehen. Die Säule wird dabei also durch Metallringe in Abschnitte unterteilt, die je eine Stufe der Kaskadenschaltung umschließen. Um Sprühen zu verhindern, sind dabei scharfe Ränder auf der Außenseite dieser Ringe zu vermeiden.

An diese Ringe, die mit dem Anfang der darüber und mit dem Ende der darunterliegenden Stufe verbunden werden, kann gewünschtenialls als Zwischenanzapfung ein Leiter zur Unterteilung der Spannung angeschlossen werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen einige Ausführungsbeispiele von Gleichrichteranlagen gemäß dem beschriebenen System dargestellt sind.

Fig. ι ist ein Längsschnitt eines Generators für 100 kV und 30 mA in Villardschaltung, die für die Speisung einer Röntgenröhre dienen kann;

Fig. 2 ist ein Schnitt derselben Vorrichtung nach der Linie I-I;

Fig. 3 .stellt eine teilweise geschnittene Ansicht einer ähnlichen Vorrichtung dar;

Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines Generators mit Kaskadenschaltung;

Fig. 5 stellt das Schaltbild dieses Generators dar. Das in Fig. 1 dargestellte metallene Gehäuse 1 ist durch einen Metalldeckel 2 abgeschlossen, in dessen Mitte ein Durchführungsisolator 3 befestigt ist, an dem ein Däjnpfungswiderstand 4 hängt, der am gegenüberliegenden Ende eine metallene Schirmkappe 5 trägt. Diese Kappe umgibt den Widerstand 4 becherartig und hat einen umgebördelten Rand 6. Unten am Widerstand 4 hängt ferner ein Kondensator 7 und auf dem Boden des Gehäuses steht ein Transformator 8 für eine Primärspannung von z. B. 220 V. .Die Sekundärwicklung dieses Transformators, in der eine hohe Spannung mit einem Höchstwert von 55 kV erzeugt wird, ist in Reihe mit dem' Kondensator 7 und dem Widerstand 4 geschaltet. Das nicht mit dem Kondensator verbundene Ende der sekundären Transformatorwicklung ist mit der Wand des Gehäuses verbunden.

Der Kondensator 7 und die Schirmkappe 5 sind von einem Rohr 9 umgeben, das durch in Reihe geschaltete, wendelförmig gewickelte Gleichrichterelemente gebildet wird. Das eine Ende des Stranges ist mit der Kappe 5, das -andere mit der Wand des Gehäuses verbunden. Jedes Element besteht aus einem runden Röhrchen 10 (Fig. 2) aus keramischem Material oder aus Glas, das an beiden Enden durch eine Kappe 11 abgeschlossen ist, die sowohl aus Metall wie auch aus Isolierstoff bestehen kann und mit aufgestapelten Selenzellen in Tablettenform gefüllt ist, die gerade in das Röhrchen passen. Die nahe aneinanderliegendeii Kappen von zwei aufeinanderfolgenden Röhrchen sind mittels eines Metallstäbchens 12 miteinander verbunden. Die Gleichrichterzellen haben z. B. einen Durchmesser von 14 mm und eine Dicke von

i,5 mm. Solche Zellen können mit einer Stromstärke von 35 mA belastet werden und in der Richtung, in der sie nicht leitend sind, eine Spannung von 30 V vertragen. Wenn jedes Röhrchen 96 ZeI-len enthält, gewähren für eine Gesamtspannung von 100 kV annähernd 60 Röhrchen eine ausreichende Sicherheit.

Die Elemente sind derart angeordnet, daß die Horizontalprojektion des gewickelten Rohres ein

Viereck bildet, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Es wäre auch möglich, eine beliebige andere Anordnungsweise zu wählen, z. B. sechs Röhrchen in einem Sechseck oder eine Figur, die nach einer Runde nicht geschlossen ist. Es wurde gefunden,

daß innerhalb eines bestimmten Kreises vier Röhrchen in einem Viereck mehr Zellen enthalten können als bei einer anderen Anordnung der Fall ist, infolge des verhältnismäßig größeren Raumverlustes im letzteren Fall.

Das Gehäuse ist mit einer isolierenden Flüssigkeit, wie Transformatoröl gefüllt, welche die Wärme, die in dem Transformator, den Gleichrichterelementen und dem Widerstand 4 verlorengeht, zu der Wand 1 des Gehäuses ableitet. Damit diese Wand die Wärme leicht an die umgebende Luft übertragen kann, ist sie aus gewelltem Eisenblech hergestellt, wie bei 14 angedeutet. Die seitliche Oberfläche kann dadurch etwa das Vierfache der Oberfläche einer flachen Wand werden. Die Wand ι wird beim Betrieb mit der Erde verbunden.

An den Durchführungsisolator 3 kann ein gegen Hochspannung isolierter Leiter mit geerdetem Mantel angeschlossen werden und mittels dieses Leiters kann der Anode einer Röntgenröhre, deren Kathode mit der Erde verbunden ist, Gleichstrom zugeführt werden. Die Selenzellen sind in diesem Fall derart anzuordnen, daß sie den Strom nicht durchlassen, wenn das Potential des mit der Kappe 5 verbundenen Endes des Stranges positiv in bezug auf das mit der Wand 1 verbundene Ende ist. Der vom Generator ausgehende Leiter hat in diesem Fall, abgesehen von den Spannungsverlusten im Widerstand 4 und in den Gleichrichterzellen, eine Spannung, die zwischen Null und dem doppelten Höchstwert der sekundären Transformatorspannung schwankt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung, die sich für eine Spannung von 200 kV eignet, wird ein Teil des Gehäuses durch einen aus zwei Teilen zusammengesetzten Zylinder 15 aus Isolierstoff gebildet. Auf dem Zylinder ist eine Metallkappe 23 angeordnet, die mit Kühlrippen 16 versehen ist. Die Kappe erhält bei der im Betrieb befindlichen Vorrichtung die volle vom Generator gelieferte Spannung. Ein Durchführungsisolator wird dabei nicht angewendet, da dies für eine Spannung von 200 kV Schwierigkeiten bereitet.

Der Zylinder ist auf einem metallenen Fuß 17 angeordnet, in dem der Transformator 18 untergebracht ist. Im Innern des Zylinders befindet sich der Kondensator 19, der auf ähnliche Weise wie bei der Vorrichtung in Fig. 2 von einem Käfig von Gleichrichterelementen 20 gleichachsig umgeben wird. Die gesamte Anzahl von Selenzellen beträgt etwa 10 000. Über dem Kondensator befindet sich ein Dämpfungswiderstand 21, der den Kondensator mit der Kappe verbindet.

Der Zylinder 15 wird von einem metallenen Zwischenstück 22 getragen, das ebenso wie die Kappe 23 mit Kühlrippen 24 versehen ist. Die Kühlrippen sind kreisförmig, um Sprühen zu verhindern. Transformator, Kondensator, Gleichrichter und Dämpfungswiderstand sind auf ähnliche Weise wie bei Fig. 1 geschaltet. Das Gehäuse 17 ist mit der Erde verbunden. Bei 25 ist die Verbindung des unteren Endes des Stranges von Gleichrichtern mit dem Gehäuse und bei 26 die des oberen Endes mit dem Kondensator dargestellt.

Die Vorrichtung ist bis zu 27 mit einer isolierenden Flüssigkeit (Transformatoröl) gefüllt, die für die Isolierung der verschiedenen Teile in bezug aufeinander und in bezug auf die metallenen Wandteile sowie zur Übertragung der Wärme auf die Wand dient.

Fig. 4 stellt eine Säule dar, die aus sechs Stufen besteht, die je durch einen Zylinder 28 aus Isolierstoff, der (ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt) aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, und ein abgerundetes metallenes mit Kühlrippen versehenes Zwischenstück 29 gebildet werden. Die oberste Stufe trägt einen größeren metallenen Pol 30. Diesem Pol kann z. B. ein Strom von 3 mA bei einer Spannung von 1000 kV entnommen werden.

Die Säule ist auf einem Fuß 31 angeordnet, in dem sich ein Transformator befindet.

Jede Stufe weist zwei nebeneinander angeordnete Kondensatoren sowie einen Strang von Gleichrichtern auf, der wiederum schraubenlinienförmig um diese Kondensatoren gewickelt ist. Jeder Kondensator besteht aus zwei in Reihe geschalteten Elementen 34, und in bezug aufeinander sind die nebeneinander angeordneten Kondensatoren jeweils über die Länge eines einzigen Kondensatorelementes verschoben. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, die das Schaltbild des Generators zeigt. Der Vorteil ist, daß zwischen irgendeinem Punkt des Gleichrichterstranges und dem in der gleichen Höhe liegenden Punkt der Kondensatoren nirgendwo eine Spannung herrscht, die größer als der Höchstwert der Wechselspannung für den Transformator 32 ist. Außerdem werden die von den Gleichrichtern 33 zu den Kondensatoren. 34 führenden Verbindungen möglichst kurz, was aus Fig. 5 deutlich ersichtlich ist. Jeder Stufe der Kaskadenschaltung folgt eine Verbindung mit einem der Schirmringe 29. Letztere können mithin für Zwischenanzapfungen benutzt werden.

Die ganze Säule ist mit Isolierflüssigkeit gefüllt. Die Schirmringe 29 und der Pol 30 können als Ölausdehnungsgefäß eingerichtet sein.

Claims

Patentansprüche:

i. Gleichrichteranlage, bei der die Gleichrichtung mittels SperrschichtzeUen, wie Selenzellen, erfolgt und bei der jeweils eine Anzahl

von in Reihe geschalteten Sperrschichtzellen zu stabförmigen Elementen vereinigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strang von in Reihe geschalteten stabförmigen Elementen rohrförmig gewickelt ist und im Innern des Rohres weitere zur Anlage gehörige Teile, wie Kondensatoren und Widerstände, angeordnet sind.
2. Gleichrichteranlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung des

ίο Rohres durch vier Elemente gebildet wird.
3. Gleichrichteranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Elemente gebildete Rohr aufrecht stehend über dem Transformator, der den gleichzurichtenden Strom liefert, angeordnet ist und zusammen mit diesem Transformator von einer Hülle umschlossen ist, die mit Isolierflüssigkeit gefüllt sein kann.
4. Gleichrichteranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einem Fuß, der den Transformator enthält, und einem säulenförmigen Teil besteht, der das Rohr von Gleichrichterelementen umschließt.
5. Gleichriehteranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der säulenförmige Teil der Hülle aus Isolierstoff besteht und ein metallenes Polstück trägt, dem die gleichgerichtete Spannung entnommen werden kann, und daß der Gegenpol mit dem metallenen Fuß verbunden ist.
6. Gleichriehteranlage nach einem der Ansprüche ι bis einschließlich 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterelemente mit zwei Reihen von Kondensatoren in Kaskade" geschaltet sind, wobei die Reihen von Konden-' satoren im Innern des Rohres von Gleichrichterelementen nebeneinander angeordnet sind, derart, daß jeder Kondensator von einem Strang von Gleichrichtern umgeben wird, die zu derselben Stufe wie der Kondensator gehören.
7. Gleichriehteranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator aus zwei in Reihe geschalteten Teilen besteht, die derart angeordnet sind, daß jeweils, der obere Teil eines Kondensators der einen Reihe in der gleichen Höhe wie der untere Teil eines Kondensators der anderen Reihe liegt.
8. Gleichrichteranlage nach Anspruchs, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der säulenförmige Teil der Hülle durch Metallringe in Abschnitte unterteilt ist, die je eine Stufe der Kaskadenschaltung umschließen, wobei an der Außenseite dieser Ringe scharfe Ränder vermieden sind.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 644063, 584115, 516394, 532317;

M a i e r , »Trockengleichrichter«, 1938, S. 264, 265;

»Veröffentlichungen auf dem Gebiete der Nachrichtentechnik« der Firma Siemens & Halske, April 1936, S. 52.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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