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Anordnung zur Gleichrichtung hoher Wechselspannungen.
Die Gleichrichtung hoher Wechselspannungen erfolgte bisher durch Glühkathoden-Gleichrichter, sowie durch rotierende oder pendelnde mechanische Gleichrichter. Auch durch Ausnutzung der grossen Unterschiede, die in der Überschlagspannung zwischen Elektroden mit stark unhomogenem, unsymmetrischen Felde bei verschiedener Polarität bestehen, ist die Gleichrichtung versucht worden.
Für eine Gleichrichtung ist eine Schaltung nach Bild 1 bekannt geworden, in dem als Beispiel für ein Gleichriehterventil eine Funkenstreeke Spitze-Platte eingezeichnet ist. Der Transformator ist über diese Funkenstrecke mit einem Kondensator 0 verbunden. Bei allmählicher Spannungssteigerung wird die an Punkt a liegende Wechselspannung zuerst dann einen Überschlag nach Punkt b hervorbringen, wenn a positiv ist. Dadurch wird der Kondensator C aufgeladen, b wird positiv. Der Überschlag bei F besteht mtr so lange, bis die Ladung des Kondensators 0 erfolgt ist. Nach dem Unterbrechen bei F bleibt b auf positiver Spannung.
Wenn a negativ wird, darf kein Überschlag von b nach a hin erfolgen, da dies eine Rückentladung des Kondensators bedeuten würde.
Der Nachteil dieser Schaltung ist der, dass erst dann wieder ein Überschlag von a nach b hin erfolgt, wenn der Kondensator fast völlig entladen ist. Steigert man die Wechselspannung wesentlich über den Wert der zum Überschlag der Funkenstreeke bei positiver Spitze notwendig ist, so erfolgt leicht ein Überschlag der Spannung von b nach a hin, wenn a negativ ist. Das Gleichrichterventil muss in dieser, wie in allen anderen bisher bekannten Schaltungen, in der Durchlassrichtung spätestens bei dem Scheitelwert Um einer Halbwelle des Wechselstromes ansprechen, es muss dagegen, wenn C aufgeladen ist, in der Absperrichtung die Spannung 2. u", aushalten, ohne einen wesentlichen Strom durchzulassen.
Die Absperrspannung"eines jeden Ventils muss deshalb bisher mehr als doppelt so gross sein, als die "Ansprechspannung", damit eine Rückzündung vermieden wird. Da viele Ventile, wie z. B. Funkenstrecken mit unhomogenem Felde, diese Forderung nicht mit genügender Sicherheit erfüllen, war ihre technische Verwendung nicht möglich :
Diese Schwierigkeit lässt sich erfindungsgemäss dadurch vermeiden, dass zwei Ventile in Reihe geschaltet werden und dass deren Verbindungsleitung über einen grossen Widerstand geerdet wird. Zur Erläuterung'dieser Massnahme diene Bild 2, auf dem sowohl die positive wie die negative Halbwelle eines einpolig geerdeten Transformators ausgenutzt wird. Es sei zunächst nur die oben dargestellte Hälfte der Schaltung betrachtet.
F1 und F2 seien zwei in Reihe geschaltete Funkenstrecken Spitze-Platte, der Widerstand Ri verbindet das dazwischen liegende Leitungstück mit der Erde. An a liegt die Wechselspannung, b1 hat zunächst Erdpotential. Wenn die Spannung hoch genug gestiegen ist, tritt bei F1 ein Überschlag ein, wenn al positiv ist. Dadurch wird das Leitungsstück bis zu F2 hin positiv geladen. Der Widerstand R1 muss so gross sein, dass kein wesentlicher Strom durch ihn zur Erde abfliesst. Da Ci zu-
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an F1 und F2 abreisst, so wird die auf dem Leitungsstüek zwischen F1 und F2 sitzende elektrische Ladung durch den Widerstand ru. nach Erde abgeleitet.
Diese Ableitung muss nach einer hundertstel Sekunde fast vollendet sein. Dadurch wird erreicht, dass bei negativ gewordenem a : t an F1 nur der Spannungsunterschied zwischen negativem Seheitelwert und Erde und an F nur der Spannungsunterschied zwischen Erde und der positiven Gleichspannung herrscht, auf die C, aufgeladen wurde. Der im ungünstigsten Augen-
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Spannungsbetrag wird dementsprechend durch den Widerstand in zwei gleiche Teile geteilt. Es ist nicht mehr die Unannehmlichkeit vorhanden, dass die Funkenstrecke bei negativem ctl die doppelte Spannung vertragen muss ohne überzuschlagen.
Der untere Teil der Schaltung Bild 2 mit den Funkenstrecken F3 und F4 lädt den Kondensator C2 in entsprechender Weise mit umgekehrter Polarität auf, so dass zwischen den Punkten Ci und C2 im Höchstfalle die Spannung 2. U. erzeugt werden kann, wenn U der Effektivwert der Transformatorspannung ist.
Wenn eine grosse Gleichspannungsleistung gefordert wird, so ist es wertvoll, zu dem Transformator eine Kapazität parallel zu schalten. Dadurch werden zugleich die Spannungsabfälle in den Funken- Strecken Fi und F2 wesentlich verkleinert.
Wenn nötig, kann vor e, ein Widerstand oder eine Induktivität geschaltet werden, um die am Kondensator Ci auftretenden Spannungsänderungen abzuflachen.
In der Schaltung Bild 2 ist vor dem Punkt bl eine Drosselspule L1 eingeschaltet. Diese Drosselspule wird im Bedarfsfalle aus folgendem Grunde wertvoll sein. An F2 tritt nur dann ein Überschlag ein, wenn bl ein wesentlich höheres Potential besitzt als ei. Die erzeugte Gleichspannung wird dadurch stark schwanken. Durch die Drosselspule Li oder durch eine vor bl oder F geschaltete lange Leitung ist es jedoch möglich, die beim Überschlag von Fl in das Leitungsstück hineinlaufende Wanderwelle bei b1 fast auf ihren doppelten Wert zu reflektieren und dadurch bei F2 auch dann einen Überschlag herbeizuführen, wenn ei kaum in seiner Spannung gesunken ist.
Das Reflektieren der Wanderwelle auf den doppelten Wert ist um so leichter möglich, je steiler die Wanderwellenstirn ist. Es ist deshalb gegebenenfalls zweckmässiger, an Stelle einer Funkenstrecke Spitze-Platte bei Fi eine Funkenstrecke mit geringerem Entladeverzug zu wählen. Wenn dadurch der Polaritätsunterschied dieser Funkenstrecke geringer wird, so ist das bei dieser Schaltung unwesentlich.
Es ist ferner in manchen Fällen wertvoll, die Funkenstrecke Fi unter Öl oder unter Druckluft zu setzen oder auch eine kleine Kapazität zu ihr parallel zu schalten, damit der Überschlag so plötzlich wie möglich eintritt und damit der Spannungsabfall an der Funkenstrecke verkleinert wird. Ähnliche Massnahmen sind oft auch bei F2 günstig.
Besondes vorteilhaft ist es, wenn zur Vermeidung von Schwankungen gemäss der Erfindung eine Hilfsspannung benutzt wird, die bei F2 Gleitfunken oder sonstige elektrische Entladungen hervorruft.
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auf deren anderer Seite die Hilfselektrode H aufliegt. An dieser Hilfselektrode wird durch den Konden- sator CH jedesmal dann ein Spannungsstoss erzeugt, wenn Fi anspricht. Dadurch entstehen auf der Platte P Gleitfunken, die zu dem oben befindlichen umgebogenen Rande der Plattenelektrode führen.
Dadurch wird auch ein Überschlag von der der Platte gegenüberstehenden Spitze aus eingeleitet. Nach dem Überschlag wird das Potential des Punktes d durch den Widerstand RH auf den Wert des Potentials c gebracht, so dass bei dem nächsten Ansprechen von Fi d wieder die entsprechende Spannungserhöhung erfährt. An Stelle eines solchen Spannungsstosses können hochfrequente Schwingungen oder höhere Wechselspannungen kleiner Leistung, die über einen Widerstand der Hilfselektrode zugeführt werden, zur Zündung von F2 benutzt werden. Die Verwendung einer solchen höheren Wechselspannung kommt auch dann in Frage, wenn niedrige Wechselspannungen mit Hilfe einer Funkenstrecke mit Spitze und Platte umgeformt werden sollen.
Bei niedrigen Spannungen ist nämlich der Polaritätsuntersehied in der Über- sehlagsspannung einer Funkenstrecke mit Spitze und Platte sehr gering, so dass nur unter Verwendung einer solchen Hilfsspannung eine Umformung auf diesem Wege ermöglicht wird. Als Hilfselektrode kommen auch Isolierrohre mit einem innen befindlichen Leiter oder ähnliche Einrichtungen in Frage.
Die Funkenstrecken F1 oder F2 müssen natürlich, wenn die Spannungshöhe verändert werden soll, getrennt voneinander verstellbar sein.
Auch Mehrphasenstrom ist auf dem angegebenen Wege gleichzurichten. Es werden dann für jede Phase zwei Funkenstrecken mit Spitze und Platte benötigt. Bei Gleichrichtung von Mehrphasenstrom werden auch bei Leistungsentnahme auf der Gleichspannungsseite die Spannungsschwankungen geringer.
Um Kurzschlüsse zwischen den verschiedenen Phasen zu vermeiden, ist der Einbau von Drosselspulen zweckmässig. Diese werden in der Regel zwischen den zweiten Funkenstrecken und dem Gleichspannungs- kondensator einzubauen sein. Auch durch diese Drosselspule wird die Spannungskurve verbessert.
In der gleichen Weise kann erfindungsgemäss auch die Reihenschaltung zweier Glühventile oder zweier mechanischer Gleichrichter vorgenommen werden, die ohne die Erdung der Zwischenverbindung über einen grossen Widerstand wegen der ungleichen Spannungsverteilung auf die beiden Gleichrichter nicht möglich ist. Nimmt man z. B. eine solche Reihenschaltung von Glühventilen ohne dieses Hilfsmittel vor, so zeigen sich an dem, dem Transformator zunächst liegenden Ventil so starke Glimment- ladungen, dass die Spannung über die mit einem einzelnen Glühventil abzudrosselnde Spannung hinaus kaum gesteigert werden kann.
Ein Beispiel mit mehr als zwei Funkenstrecken, welches sich besonders zur Gleichrichtung extrem hoher Spannungen eignet, zeigt Bild 4. Nach dieser Schaltung kann eine Gleichspannung von 1 Million
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Volt bei äusserst geringen Spannungsschwankungen erzeugt werden. Die Funkenstrecken Ft, jF'und Fg müssen bei jeder positiven Spannungswelle ansprechen, wenn F auf die halbe Überschlagsspannung von
Fi und F3 auf die halbe Überschlagsspannung von F2 eingestellt ist. Durch die eingezeichneten Wider- stände R wird die Spannungsverteilung auf den Verbindungsleitungen in den Zeiten, in denen die Funken- strecken nicht arbeiten, festgelegt.
Dadurch wird ein Rückschlag der Gleichspannung auch bei negativem
Höchstwert der Wechselspannungsquelle verhindert. An letzter Stelle ist in Bild 4 ein Ventilrohr eingebaut. Das lässt praktisch sofort den Strom durch, wenn das Potential an der kalten Elektrode höher ist als am Glühfaden. In manchen Fällen kann aus diesem Grunde der kombinierte Einbau von Funken- strecken mit Spitze und Platte und Ventilröhren oder anderen Gleichrichtern zweckmässig sein. An Stelle des Ventilrohres kann in Bild 4 auch eine weitere Funkenstrecke gegebenenfalls mit Hilfselektrode, benutzt werden.
An Stelle der in Bild 4 dargestellten Wechselspannungsquelle kann auch eine Anlage, die Spannungsstösse erzeugt, verwendet werden.
Dieselben Schaltungen können benutzt werden, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuformen. Das Ansprechen der Funkenstreeke muss dann im Takte der erwünschten Wechselspannung durch eine Hilfsspannung gesteuert werden, oder die Verbindungsleitung zwischen den verschiedenen Funkenstrecken muss über Widerstände an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen werden. Diese Weehselspannungshilfsquelle braucht nur eine sehr geringe Leistung zu besitzen.
Wenn bei grossen Gleichspannungsleistungen die Lichtbogen an den Funkenstrecken nicht von selbst wieder abreissen, so kann durch Vorschalten von Löschfunkenstrecken sowie durch Anblasen oder Kühlen der Funkenstrecken Abhilfe getroffen werden. Zum Anblasen kann ein Gas verwendet werden, das zur Kühlung besonders zweckmässig ist und das ein Oxydieren der Elektroden verhindert. Dieses Gas kann rückgekühlt werden. Bei grossen Leistungen kann ferner die Verwendung besonders gekühlter Elektroden oder die Verwendung von Flüssigkeitselektroden von Vorteil sein.
Die beschriebene Erfindung bedeutet dadurch einen wesentlichen Vorteil, dass die Erzeugung von hohen Gleichspannungen sehr viel einfacher und billiger wird als bisher, da in dieser Schaltung Funkenstrecken mit unhomogenem Felde in Luft zur Gleichrichtung benutzt werden können. Diese besitzen keine bewegten Teile und keine Teile mit geringer Lebensdauer. Es können mit ihnen extrem hohe Gleichspannungen bei grosser Stromstärke ohne Schwierigkeiten erzeugt werden.
. PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Gleichrichtung hoher Wechselspannungen mittels zweier gleicher oder ver- sf hiedener in Reihe geschalteter Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht am Gleichrichterliegende Ende der Transformatorwicklung unmittelbar und die Verbindungsleitung der beiden Gleichrichter über einen hohen Widerstand oder eine Induktivität oder eine Kombination aus beiden geerdet ist, zum Zwecke, die Spannung auf die beiden Gleichrichter während der Sperrzeit in vorbestimmter Weise zu verteilen und dadurch einen Rückschlag zu verhüten.
2. Anordnung zur Gleichrichtung hoher Wechselspannungen mittels mehrerer in Reihe geschalteter Gleichrichter gleicher oder verschiedener Bauart, die von einer einzigen Transformatorwicklung gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentiale der Verbindungsleitungen über hohe Widerstände oder Induktivitäten oder eine Kombination von beiden an gegebene Potentiale angeschlossen sind, zum Zwecke, die Spannung auf die einzelnen Gleichrichter während der Sperrzeit in vorbestimmter Weise zu verteilen und dadurch einen Rückschlag zu verhüten.
3. Anordnung naehAnspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentiale mittels eines Spannungteilers von der gleichgerichteten Spannung abgeleitet sind.
4. Anordnung nach \aspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung an Erdpotential angeschlossen ist.
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Arrangement for rectifying high AC voltages.
Up to now, high AC voltages have been rectified by hot-cathode rectifiers and by rotating or oscillating mechanical rectifiers. Rectification has also been attempted by utilizing the large differences that exist in the flashover voltage between electrodes with highly inhomogeneous, asymmetrical fields with different polarities.
A circuit according to Figure 1 has become known for rectification, in which a spark line tip-plate is drawn in as an example of a synchronizing valve. The transformer is connected to a capacitor 0 via this spark gap. With a gradual increase in voltage, the alternating voltage at point a will first produce a flashover to point b if a is positive. This charges the capacitor C, and b becomes positive. The flashover at F persists until the capacitor 0 is charged. After breaking at F, b remains at positive voltage.
If a becomes negative, there must be no flashover from b to a, as this would mean a back discharge of the capacitor.
The disadvantage of this circuit is that a flashover from a to b only occurs again when the capacitor is almost completely discharged. If the alternating voltage is increased significantly above the value that is necessary for the flashover of the spark gap with a positive peak, the voltage easily flashes from b to a if a is negative. In this, as in all other previously known circuits, the rectifier valve must respond in the forward direction at the latest at the peak value Um of a half-wave of the alternating current; on the other hand, when C is charged, it must withstand the voltage 2. u "in the shut-off direction, without to let a substantial flow through.
The shut-off voltage "of each valve has to be more than twice as high as the" response voltage "so that backfire is avoided. Since many valves, such as spark gaps with an inhomogeneous field, do not meet this requirement with sufficient reliability, their technical use was not possible:
This difficulty can be avoided according to the invention in that two valves are connected in series and that their connecting line is grounded via a large resistor. This measure is illustrated in Figure 2, in which both the positive and negative half-waves of a single-pole earthed transformer are used. Let us first consider only the half of the circuit shown above.
F1 and F2 are two series-connected tip-plate spark gaps, the resistor Ri connects the piece of wire in between to earth. The alternating voltage is applied to a, b1 initially has ground potential. If the voltage has risen high enough, F1 will flash over if a1 is positive. As a result, the line section is positively charged up to F2. The resistor R1 must be so large that no significant current flows through it to earth. Since Ci to-
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breaks off at F1 and F2, the electrical charge on the line piece between F1 and F2 is replaced by the resistor ru. derived from earth.
This derivation must be almost complete after a hundredth of a second. This means that when a: t has become negative at F1 only the voltage difference between the negative Seheitel value and earth and at F there is only the voltage difference between earth and the positive DC voltage to which C i was charged. The most unfavorable eye
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The amount of voltage is divided into two equal parts by the resistor. There is no longer the inconvenience that the spark gap has to withstand double the voltage with a negative ctl without flashing over.
The lower part of the circuit in Fig. 2 with the spark gaps F3 and F4 charges the capacitor C2 in a corresponding manner with reversed polarity, so that the voltage 2.U. Transformer voltage is.
If a large DC power is required, it is valuable to connect a capacitor in parallel with the transformer. This also significantly reduces the voltage drops in the spark gaps Fi and F2.
If necessary, a resistor or an inductance can be connected in front of e in order to flatten the voltage changes occurring at the capacitor Ci.
In the circuit of Figure 2, a choke coil L1 is switched on before point bl. This choke coil will be valuable when needed for the following reason. A flashover only occurs at F2 if bl has a significantly higher potential than ei. The generated DC voltage will fluctuate greatly as a result. By means of the choke coil Li or a long line connected in front of bl or F, it is possible, however, to reflect the traveling wave running into the line section at b1 to almost double its value when Fl ruptures and thus also to cause a rollover at F2 when ei has hardly sunk in tension.
Reflecting the traveling wave to double its value is easier the steeper the traveling wave front is. It may therefore be more expedient to choose a spark gap with a lower discharge delay instead of a tip-plate spark gap at Fi. If the difference in polarity of this spark gap becomes smaller as a result, this is immaterial with this circuit.
In some cases it is also valuable to place the spark gap Fi under oil or compressed air or to connect a small capacitance in parallel with it so that the flashover occurs as suddenly as possible and the voltage drop across the spark gap is reduced. Similar measures are often beneficial for F2.
It is particularly advantageous if, according to the invention, an auxiliary voltage is used to avoid fluctuations, which causes sliding sparks or other electrical discharges at F2.
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on the other side of which the auxiliary electrode H rests. A voltage surge is generated at this auxiliary electrode by the capacitor CH every time Fi responds. This creates sliding sparks on the plate P, which lead to the bent-over edge of the plate electrode located above.
This also initiates a flashover from the tip opposite the plate. After the flashover, the potential of point d is brought to the value of potential c by resistor RH, so that the corresponding voltage increase is experienced again the next time Fi d is triggered. Instead of such a voltage surge, high-frequency oscillations or higher alternating voltages of low power, which are fed to the auxiliary electrode via a resistor, can be used to ignite F2. The use of such a higher alternating voltage is also possible when low alternating voltages are to be converted with the aid of a spark gap with tip and plate.
In the case of low voltages, the difference in polarity in the surge voltage of a spark gap with tip and plate is very small, so that a conversion in this way is only possible using such an auxiliary voltage. Insulating pipes with an internal conductor or similar devices can also be used as auxiliary electrodes.
The spark gaps F1 or F2 must of course be adjustable separately from each other if the voltage level is to be changed.
Even multiphase current must be rectified in the specified way. Two spark gaps with tip and plate are then required for each phase. When rectifying multiphase current, the voltage fluctuations are lower even when power is drawn on the DC voltage side.
In order to avoid short circuits between the various phases, it is advisable to install inductors. These will usually have to be installed between the second spark gap and the DC voltage capacitor. This choke coil also improves the voltage curve.
In the same way, according to the invention, two glow valves or two mechanical rectifiers can be connected in series, which is not possible without grounding the intermediate connection via a large resistor because of the unequal voltage distribution between the two rectifiers. If you take z. For example, before such a series connection of glow valves without this aid, so strong glow discharges appear at the valve closest to the transformer that the voltage can hardly be increased beyond the voltage to be throttled with a single glow valve.
An example with more than two spark gaps, which is particularly suitable for rectifying extremely high voltages, is shown in Figure 4. After this circuit, a direct voltage of 1 million
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Volts can be generated with extremely small voltage fluctuations. The spark gaps Ft, jF 'and Fg must respond to every positive voltage wave if F falls to half the breakdown voltage of
Fi and F3 is set to half the breakdown voltage of F2. The resistances R shown determine the voltage distribution on the connecting lines during the times when the spark gaps are not working.
This will cause a kickback in the DC voltage even with a negative
Maximum value of the AC voltage source prevented. A valve tube is installed in the last position in Figure 4. This lets the current through practically immediately if the potential on the cold electrode is higher than on the filament. In some cases, the combined installation of spark gaps with tip and plate and valve tubes or other rectifiers can be useful for this reason. Instead of the valve tube, a further spark gap can be used in Figure 4, if necessary with an auxiliary electrode.
Instead of the AC voltage source shown in Figure 4, a system that generates voltage surges can also be used.
The same circuits can be used to convert a DC voltage to an AC voltage. The response of the spark gap must then be controlled in the cycle of the desired AC voltage by an auxiliary voltage, or the connection line between the different spark gaps must be connected to an AC voltage source via resistors. This auxiliary voltage source only needs to have a very low power.
If the arcs at the spark gaps do not break off by themselves with high DC voltages, remedial action can be taken by connecting quenching spark gaps and by blowing or cooling the spark gaps. A gas can be used for blowing, which is particularly useful for cooling and which prevents the electrodes from oxidizing. This gas can be re-cooled. In the case of high powers, the use of specially cooled electrodes or the use of liquid electrodes can also be advantageous.
The described invention has a significant advantage that the generation of high DC voltages is much simpler and cheaper than before, since spark gaps with an inhomogeneous field in air can be used for rectification in this circuit. These have no moving parts and no parts with a short service life. They can be used to generate extremely high DC voltages with high currents without difficulty.
. PATENT CLAIMS:
1. Arrangement for rectifying high AC voltages by means of two identical or different rectifiers connected in series, characterized in that the end of the transformer winding that is not on the rectifier directly and the connecting line of the two rectifiers via a high resistance or an inductance or a combination of both is grounded, for the purpose of distributing the voltage to the two rectifiers during the blocking time in a predetermined manner and thereby preventing a kickback.
2. Arrangement for rectifying high AC voltages by means of several rectifiers of the same or different design connected in series, which are fed by a single transformer winding, characterized in that the potentials of the connecting lines are connected to given potentials via high resistances or inductances or a combination of both, for the purpose of distributing the voltage to the individual rectifiers during the blocking time in a predetermined manner and thereby preventing a kickback.
3. Arrangement according to Claim 2, characterized in that the potentials are derived from the rectified voltage by means of a voltage divider.
4. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that a connecting line is connected to ground potential.