DE977687C - Anordnung zur Erzeugung von hohen Gleichspannungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1968

Z 4373 VIIIb/'21 d*

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von hohen Gleichspannungen, insbesondere für Leistungsentnahmen von ioo Watt und mehr. Für eine Vielzahl von Anwendungen, wo hohe Spannungen bei kleinen Strömen benötigt werden, z. B. in Elektronenmikroskopen, Elektronenbohreinrichtungen oder in Anlagen zum elektrostatischen Beflocken von Oberflächen oder zum elektrostatischen Farbspritzen, ist eine Kennlinie erwünscht, bei der die Spannung innerhalb eines gewissen Strombereiches einen geringen Abfall aufweist, jedoch oberhalb eines bestimmten Stromes sehr schnell auf Null sinkt, so daß bei Kurzschluß überhaupt kein Strom mehr fließt. Nach Aufhören des Kurzschlusses soll jedoch die ursprüngliche Spannung sofort wieder erreicht werden.

Eine derartige Charakteristik läßt sich bei Hochspannungsquellen durch Verwendung eines selbsterregten oder durch die Hochspannung gesteuerten Senders als Generator für eine Vervielfacherkaskade erzielen. Eine bekannte Anlage verwendet in der Vervielfacherkaskade Gleichrichterröhren, die über Isoliertransformatoren, z. B. mit Hochfrequenz, geheizt werden, da sie auf zunehmendem Hochspannungspotential liegen.

Weiterhin ist eine mit einer Sendefrequenz von io kHz betriebene Hochspannungsanlage bekannt, bei welcher die Vervielfacherkaskade aus Trockengleichrichtern aufgebaut ist. Die Schaltelemente der Vervielfacherkaskade sind bei dieser Anlage in vier untereinander angeordneten Schichten aufgebaut, welche von einem gemeinsamen Bakelit-Aufbau getragen werden. Zur Verringerung des mit dem Ansteigen der Betriebstemperatur ansteigenden Verlustwinkels der Trockengleichrichter ist die die Gleichrichter enthaltende Vervielfacheranordnung in einem ölgefüllten Behälter untergebracht.

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Diese bekannte Anlage hat den Nachteil, daß das ölvolumen des Behälters, in welchem die Vervielfacherschaltung untergebracht ist, relativ groß sein muß. Dadurch ist auch der Platzbedarf der Hoch-Spannungsanlage relativ groß, was in einer Vielzahl von Anwendungsfällen nachteilig ist und die Verwendbarkeit der Anlage beeinträchtigt.

Dieser Nachteil wird bei der Anordnung nach der Erfindung vermieden, welche zudem noch weitere, im folgenden beschriebene Vorteile mit sich bringt. Auch bei der neuen Anordnung wird eine Hochfrequenzspannung über einen Resonanztransformator einer mit Trockengleichrichtern ausgestatteten Greinacher-Kaskade oder anderen Vervielfacherschaltung zugeführt. Gemäß der Erfindung sind die Schaltelemente der Kaskaden- oder Vervielfacherschaltung in zwei baulich getrennte, in demselben ölgefüllten Behälter untergebrachte und nebeneinander mittels eines Isolierstoffträgers ao an dem Abschlußdeckel des Behälters befestigte Baueinheiten unterteilt, und es ist der Potentialaufbau dieser Baueinheiten gleichlaufend gewählt, derart, daß die Schaltelemente des Kaskaden- oder Vervielfachereinganges der ersten Baueinheit und die Schaltelemente des Ausganges der zweiten Baueinheit an verschiedenen Seiten des ölgefüllten Behälters angeordnet sind.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß bei einer Hochspannungsquelle das Verhältnis von Höhe zu Grundfläche sehr günstig wird, so daß das ölvolumen des Behälters, in welchem die Vervielfacherschaltung untergebracht ist, klein gewählt werden kann. Dadurch wird auch der Platzbedarf der Hochspannungsquelle klein, was in einer Vielzahl von Anwendungsfällen von außerordentlicher Wichtigkeit ist. Ferner wird durch das kleine Ölvolumen der Hochspannungsquelle die technische Sicherheit wesentlich erhöht. Beispielsweise ist es bei Farbspritzanlagen vorgeschrieben, daß die Hochspannungsquelle nur ein ganz bestimmtes kleines Ölvolumen haben darf (Brandgefahr). Diese Vorschrift läßt sich mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten Hochspannungsquelle ohne weiteres erfüllen.

Durch die Maßnahme, den Potentialaufbau der Baueinheiten gleichlaufend zu wählen, wird erreicht, daß die Potentialdifferenz zwischen den Baueinheiten an jeder Stelle gleich groß ist. Der gegenseitige Abstand der Baueinheiten kann deshalb entlang der gesamten Höhe des ölgefüllten Behälters gleichbleibend klein gewählt werden, was wiederum zur Verminderung des ölvolumens beiträgt.

Durch den gleichlaufenden Potentialaufbau der Baueinheiten wird weiterhin eine hohe Spannungsfestigkeit der Hochspannungsquelle erreicht. Dies bedeutet, daß ein solches Gerät für sehr hohe Spannungen ausgelegt werden kann, ohne daß man gezwungen ist, einen großen Isolationsweg zwischen den Baueinheiten einzuhalten.

Es ist bekannt, bei der Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Trockengleichrichtern jeweils eine bestimmte Anzahl von Gleichrichtern in einem Rahmen zu haltern und mehrere solcher Rahmen in parallelen Ebenen übereinander anzuordnen. Dabei ist jeweils der Potentialaufbau der Gleichrichter in den einzelnen Rahmen gleichlaufend gewählt. Die Unterteilung einer mit einer Hochfrequenzspannung betriebenen Vervielfacherkaskade in zwei baulich voneinander getrennte Baueinheiten und die in den nachfolgenden Patentansprüchen beschriebene Anordnung dieser Baueinheiten ist durch die bekannte Reihenschaltung einer großen Anzahl von Trockengleichrichtern nicht nahegelegt, da es sich in beiden Fällen um vollständig verschiedene Schaltungen handelt.

Es.ist zweckmäßig, diejenigen Kondensatoren der einzelnen Baueinheiten der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung, die schaltungsmäßig in Serie liegen, auch räumlich in Reihe anzuordnen und als bauliche Einheit in Form eines luft- und öldicht abgeschlossenen Vielfachhochspannungskondensators auszubilden. Die Trockengleichrichter sind dabei wechselseitig zwischen den beiden Kondensatorreihen angeordnet. Dabei sind bei Verwendung von Gleichrichtern mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte die für eine bestimmte Sperrspannung notwendigen Gleichrichter in eine ungerade Anzahl aufgeteilt und so zwischen den Kondensatoren angeordnet, daß ein möglichst geringes Volumen der Anordnung und gleichzeitig eine gleichmäßige Spannungsdifferenz zwischen den an den gleichen Isolierstoffträgern befestigten benachbarten Enden der Gleichrichtereinheiten auftritt. .

Zur Vermeidung von direkten Überschlagen wird der Zwischenraum zwischen den Baueinheiten zweckmäßig mit Isolierstoffplatten hoher Durchschlagfestigkeit, vorzugsweise mit Platten aus Polyvinylchloriden, vollständig ausgefüllt, wobei diese Platten derart gestaltet sind, daß auch der Kriechweg allseitig ausreichend groß ist.

Weiterhin' kann es vorteilhaft sein, der den Hochspannungspol der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung enthaltenden Baueinheit eine geringere Anzahl von Stufen zu geben als der eingangsseitigen Baueinheit und an dem hochspannungsseitigen Ende der Baueinheit zusätzlich Schutzwiderstände ebenfalls in öl unterzubringen. Die Schaltelemente des Hochfrequenzsenders sind dabei in einer Baueinheit in unmittelbarer Nähe der Eingangsseite der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung untergebracht

Im übrigen ist es zweckmäßig, zur Vermeidung des starken Spannungsanstiegs bei geringer Strombelastung der Gleichrichteranordnung Belastungswiderstände zwischen dem Hochspannungspol und dem geerdeten Pol der Gleichrichteranordnung einzuschalten. Den gleichen Zweck erfüllt annähernd auch die Einschaltung von Belastungswiderständen parallel zu dem erdseitig angeordneten Kondensator der ersten Kaskaden- bzw. Vervielfacherstufe.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. ι eine gemäß der Erfindung aufgebaute Hochspannungsquelle in perspektivischer Darstellung, wobei die äußere Behälterwand teilweise aufgeschnitten ist, um den inneren Aufbau zu zeigen, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die in Fig. ι dargestellte Hochspannungsquelle,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Hochspannungsquelle,
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Hochspannungsquelle in perspektivischer Darstellung, wobei die äußere Behälterwand teilweise aufgeschnitten ist, Fig. 5 eine Teilansicht einer Hochspannungsquelle, bei welcher Gleichrichter mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte verwendet sind.

In den Fig. 1 bis 4 bedeutet 1 die obere Abschlußplatte eines ölgefüllten Behälters 2 aus Metall. Dieser Behälter trägt als innere Auskleidung eine Isolierstoffabdeckung 3. An der Abschluß-

ao platte 1 ist ein Isolierstoffträger 4 befestigt, von dem nebeneinander angeordnete, die Schaltelemente enthaltende Baueinheiten 5 und 6 getragen werden. Der Potentialaufbau dieser beiden Baueinheiten ist gleichlaufend gewählt. Mit 7 sind Gleichrichterelemente bezeichnet, welche wechselseitig zwischen den beiden Kondensatorreihen 8 angeordnet sind. Dabei sind diejenigen Kondensatoren der einzelnen Baueinheiten, die schaltungsmäßig in Serie liegen, auch räumlich in Reihe angeordnet und als bauliche Einheit in Form von Vielfachhochspannungskondensatoren in Kunststoffrohren luft- und öldicht abgeschlossen untergebracht.

Die die Hochspannungsausführung 9 enthaltende Baueinheit 6 enthält eine geringere Anzahl von Kaskadenstufen als die eingangsseitige Baueinheit 5, und es sind am hochspannungsseitigen Ende der kürzeren Baueinheit 6 Schutzwiderstände ebenfalls in öl untergebracht. Zur Zuführung der Spannung von der eingangsseitigen Baueinheit 5 zur zweiten Baueinheit 6 dienen Kabel 15.

Die einzelnen Baueinheiten 5 und 6 sind je von einem Gehäuse 11 aus Isoliermaterial umgeben, um die Sprühneigung zwischen den beiden Baueinheiten herabzusetzen.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der neuen Hochspannungsquelle sind an die Stelle der die einzelnen Baueinheiten vollständig umgebenden Gehäuse 11 um die Stabgleichrichter 7 gebogene Platten 12 aus Isoliermaterial vorgesehen. Der gesamte Zwischenraum zwischen diesen Platten 12 ist durch eine weitere Platte 13 aus Isoliermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit ausgefüllt. Die Anordnung der Isolierplatten 12 und 13 ist so getroffen, daß die Kriechwege zwisehen den auf verschiedenem Potential liegenden Bauelementen der beiden Baueinheiten 5 und 6 allseitig ausreichend groß genug sind. Durch Ersatz des zur Isolierung zwischen den beiden Baueinheiten 5 und 6 notwendigen ölwegs durch die Isolierstoffplatte 13 wird das öl volumen des Behälters wesentlich verringert.

Durch den gleichlaufenden Potentialaufbau der beiden Baueinheiten 5 und 6 wird erreicht, daß die Spannungsdifferenz zwischen diesen Baueinheiten an jeder Stelle gleich groß ist. Es kann also der gegenseitige Abstand der beiden Baueinheiten gleichbleibend relativ gering gewählt werden.

In den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen der Hochspannungsquelle sind Gleichrichtereinheiten mit relativ hoher Sperrspannung je Gleichrichterplatte vorgesehen. Die Fig. 5 zeigt in schematiseher Darstellung dagegen den Fall, daß Gleichrichter mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte verwendet werden sollen. Derartige Gleichrichter haben daher auch eine größere Länge, bezogen auf die gleichzurichtende Wechselspannung. Das Beispiel der Fig. 5 zeigt den Aufbau der dabei notwendigen Gleichrichter in einer Unterteilung zu je drei Baueinheiten 7', 7" und 7'" pro Kaskadenstufe.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Erzeugung von hohen Gleichspannungen, insbesondere für Leistungsentnahmen von 100 Watt und mehr, bei der eine Hochfrequenzspannung über einen Resonanztransformator einer mit Trockengleichrichtern ausgestatteten Greinacher-Kaskade oder anderen Vervielfacherschaltung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente der Kaskaden- oder Vervielfacherschaltung in zwei baulich getrennte, in demselben ölgefüllten Behälter untergebrachte und nebeneinander mittels eines Isolierstoffträgers an dem Abschlußdeckel des Behälters befestigte Baueinheiten unterteilt sind und daß der Potentialaufbau dieser Baueinheiten gleichlaufend ist, derart, daß die Schaltelemente des Kaskaden- oder Vervielfachereinganges der ersten Baueinheit und die Schaltelemente des Ausganges der zweiten Baueinheit an verschiedenen Seiten des ölgefüllten Behälters angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Kondensatoren der einzelnen Baueinheiten der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung, die schaltungsmäßig in Serie liegen, auch räumlich in Reihe angeordnet und als bauliche Einheit in Form eines Vielfachhochspannungskondensators luft- und öldicht abgeschlossen untergebracht sind, während die Gleichrichter wechselseitig zwischen den beiden Kondensatorreihen angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Gleichrichtern mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte die für eine bestimmte Sperrspannung notwendigen Gleichrichter in eine ungerade Anzahl aufgeteilt und iao so- zwischen den Kondensatoren angeordnet sind, daß ein möglichst geringes Volumen der Anordnung und gleichzeitig eine gleichmäßige Spannungsdifferenz zwischen den an den gleichen Isolierstoffträgern befestigten benachbarten Enden der Gleichrichtereinheiten auftreten.

4- Anordnung nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von direkten Überschlägen der Zwischenraum zwischen den Baueinheiten mit Isolierstoffplatten hoher Durchschlagsfestigkeit, vorzugsweise aus Polyvinylchloriden, vollständig ausgefüllt ist und daß die Platten derart gestaltet sind, daß auch der Kriechweg allseitig ausreichend groß ist.

ίο 5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochspannungspol der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung enthaltende Baueinheit eine geringere Anzahl von Stufen enthält als die eingangsseitige Baueinheit und daß an dem hochspannungsseitigen Ende der Baueinheit zusätzlich Schutzwiderstände ebenfalls in öl untergebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge-

ao kennzeichnet, daß die Schaltelemente des Hochfrequenzsenders in einer Baueinheit in unmittelbarer Nähe der Eingangsseite der Kaskadenbzw, der Vervielfacheranordnung untergebracht sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines starken Spannungsanstiegs bei geringer Strombelastung der Gleichrichteranordnung Belastungswiderstände parallel zu dem erdseitig angeord- neten Kondensator der ersten Kaskaden- bzw. Vervielfacherstufe geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 534702, 562913, 644063;

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 535 546; britische Patentschrift Nr. 550826; USA.-Patentschrift Nr. 1474486;

Karl Mai er, »Trockengleichrichter«, München und Berlin, 1938, S. 30, 31, 198, 199, 206;

W. O. Schumann, »Fortschritte der Hoch-Spannungstechnik«, Leipzig, 1944, Bd. 1, S. 183 bis 200;

ASEA-Journal, 1948, S. 112 bis 115; Direct Current, Dezember 1952, S. 69/70;

»Die Entwicklung der Starkstromtechnik bei den Siemens-Schuckertwerken«, herausgegeben von den Siemens-Schuckertwerken AG, 1953, S. 517;

Journal of Scientific Instruments, Juni 1954, S. 200 bis 205;

Philips-Druckschrift WA 16-A1, »Scientific

equipment/Nuclear and high voltage equipment«, Dezember 1953, S. 7, 10, 16;

Auszug aus dem Tagungsheft der »International Conference on Electron Microscopy« aus dem am 17. 7. 54 in London gehaltenen Vortrag »A new experimental high voltage electron microscope«;

Von Isdatelstwo Sowjetskoje Radio Moskau, 1950, herausgegebene Übersetzung des Buches »Cathode Ray Tube Displays« aus der Serie »Radiation Laboratory Series« des Massachusetts Institute of Technology, Abschnitt 11 »Stromversorgung«, Kapitel IV.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©603 527/421 5.56 (809 546/1 4.68)