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Stufenspannungswandler Die bekannten Stufenspannungswandler eignen
sich nicht für feinste und genaueste Messungen bei höheren und höchsten Spannungen.
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Bei einer der bekannten Ausführungen steht die starre Lagenisolation
der einzelnen Stufen der Spulenwicklung etwas über die Stirnseiten der Lage hinaus.
Auf diesem überstehenden Teil können zwar, erforderlichenfalls auch nachträglich,
besondere Windungen aufgebracht werden, mittels deren jede Stufe des Wandlers so
fein abgeglichen werden kann, wie es nötig ist. Zum bequemen nachträglichen Aufbringen
der Abgleichwindungen werden entweder die Lagenisolation und damit die Lagen selbst
radial von innen nach außen treppenartig zurückgesetzt, oder es wird die ganze an
den Stirnseiten überall gleich lange Wicklung einheitlich verkürzt, so daß der auf
einer oder auf beiden Seiten im Kernfenster frei bleibende oder frei gewordene Raum
zur Anordnung der Abgleichwindungen ausgenutzt werden kann.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführungen ist, daß-bei einer großen
Anzahl von Stufen ein unverhältnismäßig großer Wickelraum für den Abgleich der einzelnen
Stufen nötig ist, so daß die Wickelraumausnutzung dieser Wandler schlecht und es
somit schwierig ist, die gewünschte hohe Genauigkeit zu erreichen. Weitere Schwierigkeiten
ergeben sich aus der Erfordernis der Beherrschung
der Prüfspannungen,
weil die Prüfspannung, insbesondere die Windungsprüfspannung, bis zum 21/2fachen
der Nennspannung betragen kann, so daß sich bei Stufenspannungswandlern für höhere
Spannungen derart große Spannungsunterschiede bei Anwendung von nur einer Hochspannungsspule
kaum oder gar nicht beherrschen lassen. Andererseits verlangt die erforderliche,
möglichst hohe Meßgenauigkeit eine möglichst geringe Anzahl von Hochspannungsspulen,
weil bei Anwendung mehrerer Hochspannungsspulen die Streuinduktivitäten vergrößert
werden oder sich bei Anwendung von Überkopplungsspulen der spezifische Ohinsche
Widerstand vergrößert und sich beides auf die Meßgenauigkeit dieser Wandler ungünstig
auswirkt.
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Der weitere Ausweg, die Stufen nicht auf die Primär-, sondern auf
die Sekundärseite zu legen, hat unter anderem den großen Nachteil, daß der Wandler
in jeder Übersetzungsstufe eine andere Nenninduktion hat und daher so ausgelegt
werden muß, daß auch bei der ungünstigsten Induktion die erforderliche Genauigkeit
gewährleistet ist. Daraus ergibt sich aber bei der günstigsten Induktion eine erhebliche
Überdimensionierung, was sich besonders nachteilig auswirkt, wenn das Verhältnis
oberster zu unterster Stufe sehr groß ist, etwa 6 : i bis 3o kV und 3 : i bis etwa
12o kV.
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Es wurde nun gefunden, daß sich in sehr einfacher---Weise ein Stufenspannung",vandler
für feinste und genaueste Messungen bei höheren und höchsten Spannungen schaffen
läßt, wenn erfindungsgemäß die Anzapfungen der Stufen in Form von sehr schmiegsamen
Bändern aus der Wicklung seitlich herausgeführt sind, die aus Papier od. dgl. bestehende
und seitlich überstehendeLagenisolation der Wicklung in an sich bekannter Weise
dort eingerissen, eingeschnitten oder perforiert ist und die So gebildeten Papierfedern
lagenweise mitsamt den Stufenanzapfungshändern außen umgeschlage» und befestigt
sind.
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Es sind zwar schon Transformatoren bekannt, deren aus Papier bestehende
Lagenisolation nach Fiederung um die Wicklung umgeschlagen sind, die mithin eine
sogenannte Schopfung aufweisen.
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So ist beispielsweise die Spannungssteuerungseinrichtung einer Röntgenröhre
beschrieben worden, deren Hochspannungstransformator eine derartige Schopfung der
Lagenisolation aufweist. Zusammen mit den umgeschlagenen Papierfedern sind dort
leitende Beläge vorhanden, die gleichfalls umgeschlagen sind. Sie sind jedoch nicht
herausgeführt, sondern sollen zur inneren Potentialsteuerung der Röntgenröhre dienen
m Insbesondere sollen hierdurch Stellen höchster .H eldstärkenkonzentration vermieden
werden. Es handelt sich also um eine ganz andere Problemstellung ip einem völlig
anderen Zusammenhang.
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Weiterhin sind Spannungswandler, nicht aber Stufenspannungswandler
beschrieben und benutzt worden, deren seitlich überstehende Papierisolation hier
eingerissen und lagenweise nach außen umgeschlagen und befestigt ist, die dennoch
gleichfalls die sogenannte Schopfung aufweisen. Irgendwelche Anzapfungen sind bei
diesen Apparaten jedoch nicht herausgeführt.
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Würde man nun an diese Spannungswandler, um aus ihnen Stufenspannungswandler
zu machen, die bisher für die Zwecke des Anschlusses bekannten mehr oder weniger
starren Drähte an den betreffenden Stufen anschließen, so würden alle diese Drähte,
zumal da sie für sich isoliert werden müßten, die Schopfung sowie auch die elektrostatischen
Verhältnisse überall stark stören.
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Bei dem Wandler nach der Erfindung hingegen laufen die leitenden schmiegsamen
Metallbänder zumeist mit den Papierfedern entsprechend der Schopfung. Empfehlenswert
ist es hierbei, die Bänder und Schopfung nach den Äquipotentialflächen verlaufen
zu lassen, die sich an den Anzapfstellen der Bänder an der Wicklung ergeben. Ist
ein solcher äquipotentialer Verlauf der schmiegsamen Bänder nicht möglich oder müssen
z. B. die Bänder durch die Schopfung herausgeführt werden, so erhalten die Bänder
eigene Isolationen, z. B. an sich bekannte Bandagen aus Papier, Kunstmassenfolie
od. dgl.
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Eine weitere Möglichkeit zum Herausführen dieser Stufenanzapfungsbänder
besteht darin, daß an den Flächen, an denen sie herausgeführt werden, künstlich
eine Äquipotentialfläche geschaffen wird, indem leitende Beläge angebracht werden,
die sich auf entsprechendem elektrischem ' Potential befinden.
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Je nach dem Zweck oder der Aufgabe werden solche leitenden Beläge
entweder nur auf den äußeren Zylinderflächen der umgeschlagenen Papierfedern oder
sowohl auf diesen Flächen als auch auf den vorzugsweise gewölbten Stirnflächen dieser
umgeschlagenen Isolation eingefügt.
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Die Aufbringung von leitenden Belägen auf Papierisolation und Isolierzylindern
ist an sich bekannt. Sollen diese leitenden Beläge nicht galvanisch an das Potential
der entsprechenden Hochspannungsanzapfung angeschlossen werden, kann für eine elektrostatische
Steuerung dieser Beläge auch dadurch gesorgt werden, daß sie außerdem noch innerhalb
der Wicklung zylindrisch geführt werden, . , daß sie durch elektrostatische Kopplung
das mittlere Potential der benachbarten Teile der Hochspannungswicklung annehmen.
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Die Isolation gemäß der Erfindung ist besonders zur Herstellung von
einpolig isolierten Spulen geeignet, weil derartige Isolationen vom Grunde der Wicklung
aus zur Mantelfläche der Spule hin an Stärke zunehmen.
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Ist aber eine stärkere Gesamtisolation der Spule erforderlich, insbesondere
für zweipolig isolierte Stufenspannungswandler, empfiehlt es sich nach der Erfindung,
die fertig isolierte und geschopfte Hochspannungswicklung noch mit einer zusätzlichen
Papierbandage zu versehen.
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Die einzelnen Stufenanzapfungen können in der geschilderten Weise
am Umfang der Spule in zueinander versetzten Ebenen durch die Schopfbandage geführt
und dabei der Abstand und/oder
die Isolationen dieser Herausführungen
entsprechend den Differenzprüfspannungen zwischen den einzelnen Stufen bemessen
«erden.
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Es ist aber auch möglich, die Anzapfungen der einzelnen Stufen konzentrisch
zueinander in einer gemeinsamen zylindrischen Durchführung herauszuleiten, wobei
die Durchführung in axialer Richtung eine entsprechende Stufung aufweisen kann.
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Besteht zwischen zwei benachbarten Stufen ein verhältnismäßig großer
Spannungsunterschied, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, entsprechend dimensionierte
leitende Zwischenbeläge anzuordnen, durch die eine kapazitive Steuerung der »Mehrfachdurchffihrung«,
insbesondere in axialer Richtung, erreicht wird.
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Wie weiter gefunden wurde, ist es in einfacher Weise möglich, die
Windungszahlen der Hochspannungswicklung fein abzugleichen. Insbesondere bei der
umgeschlagenen gefiederten Papierisolation (Schopfspule) lassen sich die Hochspannungs-«-indungen
genau erst abgleichen, wenn die Spule fertig isoliert ist, weil vorher eine Erregung
mit Hochspannung nicht möglich ist.
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Bei einer sehr zweckmäßigen Lösung dieser Aufgabe wird eine vorzugsweise
auf dem Rückschlußjoch des Wandlerkernes angebrachte, an sich bekannte Abgleichwicklung
vorgesehen. Hierbei umfaßt vorteilhafterweise das die Abgleichwicklung tragende
Rückschlußjoch nur einen Anteil des Querschnittes des Eisenkernes, etwa nur ein
Fünftel, während der Rest an einem anderen Ort um die Wandlerwicklung geschlossen
wird.
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Die Abgleichwindungen werden zweckmäßigerweise eng an die jeweilige
Anzapfung der Stufe der den Hauptkern umschließenden Lagenwicklung heran verlegt
und z. B. als offene mehrteilige Lagenwicklung ausgeführt, deren einzelne gegeneinander
voll isolierte, z. B. mit Kabelpapier bandagierte Lagen je einer Grobstufe der Hochspannungswicklung
zugeordnet sind. Die Isolation zwischen der Abgleichwicklung und dem Kern sowie
zwischen den einzelnen für die Stufenspannungspotentiale zu isolierenden Teilen
der Abgleichwicklung kann durch konzentrische Papierwickel verwirklicht werden,
in die zur Spannungssteuerung wahlweise leitende Beläge eingelegt sein können. Die
Abgleichw icklung oder Teile von ihr können ebenfalls mit einer umgeschlagenen Isolation
von Papierfedern (Schopfung) versehen werden. Die Verbindungen zwischen der eigentlichen
Hochspannungswicklung und den den Stufen zugeordneten Abteilungen der Abgleichwicklung
lassen sich so ausführen, daß die Verbindungsleitungen außerhalb des Kernfensters
verlaufen.
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Die vorstehend beschriebene Abgleichwicklung kann erfindungsgemäß
auch dazu benutzt werden, um die Potentiale für zwei nahe beieinanderliagende Hochspannungsstufen
zu schaffen. In diesem Falle erhält die Hauptwicklung des Spannungswandlers zweckmäßigerweise
nur eine Grobstufe und die Abgleichwicklung die entsprechenden Windungszahlen, so
daß mehrere Feinstufen aus ihr herausgeleitet werden können. Die Abgleichwicklung
hat weiter den Vorzug, daß sogar grobe Wickelfehler, die bisher eine Neuwicklung
erforderten, noch nachträglich kompensiert werden können.
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Der Abgleich vollzieht sich zweckmäßigerweise folgendermaßen: Nach
Fertigstellung der Hauptwicklung wird der Wandler bis auf die Abgleichwicklung montiert,
worauf eine erste grobe Messung erfolgt, um die für die einzelnen Stufen erforderlichen
Windungsabgleichwerte festzulegen. Alsdann wird die Abgleichwicklung auf der Wickelmaschine
derartig fertig hergestellt, daß Wickelanfang und Wickelende jeder einzelnen Lage
frei liegen. Zu diesem Zweck wird die Treppung der Wicklung. d. h. das Zurücksetzen
der einzelnen Lagenisolationen gegenüber den benachbarten, so groß wie möglich gewählt.
Bei der Festlegung der Zahl der Abgleichwindungen soll im gegebenen Falle beachtet
werden, daß der Querschnitt des Zweigkernes nur einen Bruchteil des.die Hauptwicklung
tragenden Kernes ausmacht. Die fertige Abgleichwicklung wird auf ihren Kern montiert,
worauf der Wandler erneut gemessen wird. Etwa noch erforderliche Feinabgleichungen
lassen sich ohne weiteres an den frei liegenden Enden der Abgleichwicklung vornehmen.
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Eine andere sehr vorteilhafte Feinabgleichung des fertig isolierten
Stufenspannungswandlers besteht im wesentlichen darin, daß an jeder Stufe der Hochspannungswicklung
eine Mehrzahl von Windungsanzapfungen herausgeführt werden, die einen nachträglichen
Abgleich des Wandlers ermöglichen.
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Erhält jede Stufe einen Windungssatz mit entsprechenden Anzapfungen
für einen nachträglichen Feinabgleich, so kann die gesamte Hochspannungswicklung
vorher fertiggestellt und fertig isoliert werden.
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Zum nachträglichen Abgleichen kann erfindungsgemäß ein entsprechend
dirn-ensionierter Satz zweipolig isolierter und herausgeführter Windungsgruppen
benutzt, wahlweise zu- oder gegengeschaltet werden. Beispielsweise besteht ein solcher
Satz aus einer Anordnung von 1, 3, g, 27, 81 Windungen. Durch Zu- oder Gegenschalten
dieser Windungsgruppen läßt sich zwischen ± o und ± 121 Windungen auf eine Windung
genau jede beliebige Abgleichswindungszahl schalten.
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Zum Herausführen der gegebenenfalls vielen Schaltleiter an jeder Stufe
wird erfindungsgemäß ein bandartiges, wahlweise beiderseits statisch geschirmtes
Vielfachkabel verwendet und zu einer Lötösenleiste an einem Isolierstoffring geführt,
dessen Ebene senkrecht auf der Ausleitungsachse des Wandlers steht.
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Die Hochspannungswicklung wird vorteilhafterweise in einem Arbeitsgang
hergestellt, wobei die' erforderlichen Windungszahlen mit der bei den üblichen Wickelmaschinen
erreichbaren Genauigkeit von etwa 0,3% eingehalten werden.
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Bei den fertigen Stufenspannungswandlern weisen die fertig isolierten
Hochspannungswickel wegen der umgelegten Papierfedern (Schopfung) Abrundungen mit
großem Krümmungsradius auf.
Erfindungsgemäß sind deshalb die an
sich bekannten Kerne aus Bandmaterial vorteilhaft; sie haben einen kleineren Eisenweg
als rechteckige Kerne sowie weniger Stoß- und Unterbrechungsfugen. Als Werkstoff
ist hochpermeables Eisenmaterial für den Kern möglich und zweckmäßig.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Darstellungen eines Ausführungsbeispiels
der aktiven Teile -des Wandlers sowie aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es zeigt Fig. i die schematische Wiedergabe eines durch die Ringebene der Kerne
und Wicklungen gelegten Schnittes, Fig. z einen Querschnitt hierzu nach der Linie
_q-B der Fig. i, Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Hochspannungsspule und
Fig.4 die Schaltung eines Satzes zweipolig isolierter Windungsgruppen zur Verwirklichung
der Windungskorrektur »-h 64«.
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Die lagenweise aufgebaute, an den Stirnseiten mit zunehmendem Durchmesser
stufenartig zurückgesetzte Hochspannungswicklung i umfaßt über die Isolation 2 die
beiden aneinandergesetzten Schenkel 3 und 4 eines stärkeren Bandkernes 5 bzw. eines
schwächeren Bandkernes 6, der auf seinem Rückschlußjoch 7 die in gleicher Weise
aufgebaute Abgleichwicklung 8 mit den sechs Anschlüssen, z. B. 9, trägt. Der Querschnitt
des stärkeren Kernes 3 verhält sich gemäß der Fig. z zu demjenigen des schwächeren
Kernes 4 etwa wie 3 : i.
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Um zu erreichen, daß das Verhältnis der Induktionsflüsse an den Kernschenkeln
7 und 3, 4 dem Verhältnis der Querschnitte konstant entspricht, kann man unmittelbar
über diesen Eisenkernen, d. h. unter der Hochspannungswicklung i bzw. den Abgleichwindungen
8, eine Schub- bzw. Überkopplungswicklung vorsehen, deren Windungszahlen dem reziproken
Verhältnis der "Eisenquerschnitte entspricht. Der Deutlichkeit der Darstellung wegen
ist diese Schubwicklung in Fig. i nicht mitgezeichnet.
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An den Stirnseiten der Hochspannungswicklung i sind die durch Einschneiden
der über die Wicklungslage, z. B. io, herausstehenden Isolation gebildeten Papierfedern,
z. B. i i (Schopfu.ng, dünne Linie), zusammenmilden andieStufenanzapfungen, z. B.
12, der Wicklung angeschlossenen Kupferfolien od. dgl., z. B. 13 (dicke Linie),
umgeschlagen und befestigt. Die Folie 13 führt zum An'schluß 14, der z. B.
über die Leitungen 15 und 16 (Fig. 2) mit der Abgleichwicklung 8 verbunden ist.
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in dem Beispiel nach Fig. 3 ist die Schopfung der Isolation an den
Stirnseiten ebenso vorgenommen wie in Fig. i. Die mittels der Stufenanzapfungen,
z. B. 12, herausgeführten Potentiale sind jedoch in diesem Beispiel an eine konzentrische
Mehrfachdurchführung 17 geführt, welche für jede Stufe einen leitenden Belag, z.
B. 18, für die Stufe 12 vorsieht. Zwischen den den Stufen zugeordneten leitenden
Belägen befinden sich nun an der konzentrischen Durchführung noch leitende Beläge,
z. B. i9, welche das Potential zwischen zwei Hochspannungsstufen aufteilen und insbesondere
für eine axiale Steuerung der Mehrfachdurchführung in ihrem oberen Ende sorgen.
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Ebenfalls ist dargestellt, wie an den einzelnen Stufen eine Mehrzahl
von Windungszapfungen durch ein bandartiges Vielfachkabel, z. B. 2o, herausgeführt
und an eine rings um die Mehrfachdurchführung verlaufende Lötösenleiste, z. B. 21,
geführt werden. Zwveckmäßigerweise wird diese Lötösenleiste nach beiden Seiten durch
entsprechende Ringe aus Isol.iermateria122 abgeschirmt.
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In Fig. 4 gibt 23 schematisch die Windungen der Hochspannungswicklungen
in der Nähe einer Stufe an, einschließlich dem für den Abgleich vorgesehenen Windungssatz,
der im Beispiel aus i, 3, 9, 27, 81 Windungen besteht. Der Windungssatz ist je zweipolig
sowie der vor und hinter ihm liegende Teil der Hochspannungswicklung je einfach
durch das Vielfachkabel 24 herausgeführt. Das Vielfachkabel ist seinerseits mit
der Lötösenleiste verbunden, an welcher im Beispiel die für den Abgleich von -h
64 Windungen erforderlichen Schaltverbindungen vorgenommen sind.