DE19828354C1 - Hochspannungstransformator zur Erzeugung einer hohen maximalen Feldstärke - Google Patents

Abstract

Zur Erzeugung einer hohen maximalen Feldstärke bzw. von steilflankigen Betriebsspannungen ist ein Hochspannungstransformator 1 vorgesehen, dessen Mittelsäule 3 und dessen Außenschenkel 4, 5 sowohl eine Primär- wie auch eine Sekundärwicklung 6, 7, 8, 9 aufweisen. Die Wicklungsteile der Primär- und Sekundärwicklungen 6, 7, 8, 9 sind segmentiert in einer Ebene angeordnet und über einen zwischen Mittelsäule 3 und Außenschenkel 4, 5 positionierten Stützkörper 10 auf Formschluss zu den Außenschenkeln 4, 5 gehalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator zur Erzeugung einer hohen maximalen Feldstärke, insbesondere im Rahmen einer dielektrisch behinderten Entladung, mit einem Kern mit Mittelsäule und Außenschenkeln, der mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung versehen ist.

Transformatoren sind elektrische Baueinheiten, die eine Transformation von Wechselspannungen und -strömen durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion bewirken und dabei die in einem Primärkreis eingespeiste Energie an einen im Sekun­ därkreis eingeschalteten Verbraucher übertragen. Derartige Transformatoren bestehen aus einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Meist wird die magnetische Kopplung durch einen gemeinsamen Eisen­ kern, der gleichzeitig Träger des Wicklungskörpers ist, verstärkt. Hauptanwendungs­ gebiet sind der Einsatz als Umspanner in Stromversorgungsnetzen und -geräten sowie die Verwendung zur Signalübertragung und -wandlung in der Nachrichtentechnologie und anderen Gebieten (DE 44 38 533 A1, DE 42 35 766 C1 und DE 88 07 090 U1). Nach der DE-PAN 66 891 können Teilwicklungen auf Außenschenkeln angeordnet werden, allerdings in Form von Lagenwicklungen. Sie können in Serie oder parallel geschaltet werden. Eine besondere Form weist der Kern nicht auf. Auch der aus der DE 40 22 243 A1 bekannte Transformator befasst sich mit der Erzeugung einer hohen maximalen Feldstärke im Rahmen einer Koronaentladungsanlage bzw. einer dielektri­ schen behinderten Entladung. Er ist hierzu mit einem Kern mit Mittelsäule und Außen­ schenkeln versehen, der mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung ausge­ rüstet ist. Die Sekundärwicklung ist in zwei Teilwicklungen aufgeteilt. Eine besondere Gestaltung des Kerns und auch Anordnung der Wicklungen ist nicht vorgesehen.

Hochspannungstransformatoren werden auch im Rahmen dieser beschriebenen dielektrisch behinderten Entladung eingesetzt und zwar zur großtechnischen Erzeugung von Ozon (DE-OS 29 42 506). Dieser Entladungstyp hat aber auch im Bereich der Oberflächenbehandlung von Kunststofffolien und Textilien u. ä. Werkstoffen Bedeutung erlangt. Im Zusammenhang mit dem möglichen Einsatz zur Reinigung von Abgasen ist beabsichtigt, den stark nicht thermischen Charakter der dielektrisch behinderten Entla­ dung auszunutzen, um effizient die zum Abbau der Schadstoffe benötigten Radikale zu erzeugen, ohne dem Neutralgas merklich Energie zuzuführen. Bei der dielektrisch be­ hinderten Entladung ist zumindest eine Elektrode mit einem Dielektrikum bedeckt, sodass die Zündung der Entladung in Form von einzelnen, dünnen Filamenten erfolgt, die selbstständig nach einigen Nanosekunden (ns) verlöschen. Ein wichtiges Ziel bei der Optimierung der Entkopplung der elektrischen Energie in das Plasma ist es, das ge­ samte Entladungsvolumen gleichmäßig mit einer möglichst großen Anzahl von Entla­ dungsfilamenten zu erfüllen. Dies wird durch die Verwendung von besonders steil­ flankigen Betriebsspannungen ermöglicht. Die Erzeugung der reaktionskinetisch wichti­ gen Radikale erfordert eine hohe maximale Feldstärke während der Entstehungsphase der Entladungsfilamente, wie sie durch Spannungsüberhöhung innerhalb sehr steiler Pulse erreicht werden kann. Mit den bisher bekannten Hochspannungstransformatoren ist die Erzeugung solch steilflankiger Betriebsspannungen nicht oder nur mit sehr ho­ hem Aufwand möglich. Bekannte Hochspannungstransformatoren sind durch Abbrand der Wicklung oder ähnliche Schäden so stark gefährdet, dass sie für den vorgesehenen Einsatz nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen robusten Transformator zu schaffen, der über eine hohe Standfestigkeit beim Pulsbetrieb verfügt und die Erzeu­ gung einer steilflankigen Betriebsspannung ermöglicht.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass sowohl die Pri­ märwicklung als auch die Sekundärwicklung jeweils in mehrere Teilwicklungen aufge­ teilt sind, die als Scheibenwicklungen auf die Mittelsäule und die Außenschenkel ver­ teilt sind, wobei die Außenschenkel Teile eines unterbrochenen Ringes sind und wobei die auf den Außenschenkeln positionierten Teilwicklungen durch einen zwischen der Mittelsäule und den Außenschenkeln, einen Spalt zur Mittelsäule belassenden Stützkör­ per auf Formschluss zu den Außenschenkeln gehalten sind.

Bei einem derartigen Hochspannungstransformator wird nicht nur die Mittelsäule des Kerns mit Primär- und Sekundärwicklungen versehen, sondern auch die Außen­ schenkel. Der exakte Formschluss der Wicklungen zu den Außenschenkeln wird durch die Verwendung des speziellen Stützkörpers erreicht. Diese Bewicklungstechnik erlaubt eine optimale Ausnutzung des magnetischen Flusses im Kernmaterial. Außerdem kön­ nen die Primär- und die Sekundärwicklungen in einer Ebene angeordnet werden, also nebeneinander, sodass der Streufluss im magnetischen Kreis minimiert wird. Hierdurch wird eine bessere magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklungs­ teilen erreicht. Die Optimierung des magnetischen Kreises in Bezug auf den Streufluss ist ein wesentliches Kriterium zur Erzeugung der steilen Spannungsflanken am Ausgang der Sekundärwicklung. Bei den erforderlichen Transformationsverhältnissen von 1 : 10 bis 1 : 15 kann hier mit nebeneinanderliegenden Wicklungen gearbeitet werden und zwar mit hoher magnetischer Kopplungswirkung zwischen Primär- und Sekundärseite. Anstiegszeiten auf weit unter 400 ns werden erreicht. Die Elementbreiten der Primär­ wicklung und die nummerische Aufteilung der Sekundärwicklungsanteile sind ebenfalls für die Minimierung des magnetischen Streuflusses von Bedeutung. Die breitesten Pri­ märwicklungsteile sind immer die in Bezug auf den magnetischen Teil des Kreises außen liegenden Elemente, um in den Sekundärwicklungsabschnitten einen möglichst homogenen Fluss zu erzeugen. Vorteilhaft ist weiter, dass aufgrund des segmentierten Aufbaus des Transformators ein schnelles Wechseln zu anderen Treiberstufen problem­ los möglich ist. Änderungen des Wicklungsschemas oder eine Änderung des Aufbaus sind wenn, dann nur mit geringem Aufwand zu erreichen.

Hochspannungstransformatoren mit entsprechend guten Werten sind insbesonde­ re damit zu verwirklichen, dass der Kern mit Mittelsäule und Außenschenkeln aus zwei Halbschalen besteht, die mit den Rändern aufeinandergesetzt gegeneinander verspannt sind. Aufgrund der Ausbildung der beiden Halbschalen ist der Herstellungsaufwand vorteilhaft gering zu halten, wobei die entsprechend vorbereiteten Halbschalen dann mit ihren Rändern aufeinandergesetzt und gegeneinander verspannt werden, um so den notwendigen mechanischen Kontakt zu erreichen.

Der wichtige, feste mechanische Kontakt der beiden Halbschalen des Hochspan­ nungstransformators zueinander wird insbesondere dadurch sichergestellt, dass die Mit­ telsäule beider Halbschalen mittig eine in deren Längsachse verlaufende Bohrung auf­ weist, die mit einer in einer Grundplatte verschraubten Gewindestange korrespondie­ rend ausgebildet ist, deren Mutter mit Federscheibe sich an einer gegen das Paket der beiden Halbschalen auf der gegenüberliegenden Seite begrenzenden Andruckplatte ab­ stützend angeordnet ist. Zunächst wird eine der Halbschalen mit ihrem Bodenteil auf die Grundplatte aufgesetzt und zwar durch Auffädeln auf die Gewindestange. Dann wird die zweite Halbschale Rand auf Rand auf die andere Halbschale aufgesetzt und die Federscheibe und Mutter aufgebracht, um beide Teile entsprechend in den notwendigen festen mechanischen Kontakt zueinander zu bringen. Aufgrund der Federscheibe ist eine Einhaltung der einmal vorgegebenen Verspannung gewährleistet. Sowohl die Grundplatte, wie auch die Andruckplatte sind aus Aluminium gefertigt, sodass das Gewicht des gesamten Hochspannungstransformators dadurch nur geringfügig erhöht wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stützkörper ebenfalls zweiteilig ausgebildet und aus einem gegen Isolier- und Kühlstoffe wie Rizinusöl und Temperaturen bis 260°C resistenten Kunststoff gefertigt ist. Das entsprechende Material, d. h. der Kunststoff, hat eine entsprechend niedrige relative Dielektrizitätskonstante. Aufgrund der hohen thermischen Belastung ist eine Zerstörung bei den nun einmal bei der Transformation auftretenden Temperaturen nicht zu befürch­ ten, wobei sich herausgestellt hat, dass sich dafür insbesondere ein aus Polytetrafluor­ äthylen bestehender Stützkörper eignet. PTFE hat zwar eine relativ große Dielektrizi­ tätskonstante wird aber erst ab 260°C amorph, sodass es sich für die beschriebenen Einsätze besonders gut eignet. Da bei derartigen Hochspannungstrans­ formatoren mit Kühl- und Isolierstoff gearbeitet werden muss, beispielsweise mit Rizi­ nusöl, ist es von Vorteil, dass der zum Einsatz kommende PTFE-Kunststoff dadurch unbeeinflusst bleibt.

Eine vorteilhafte Umströmung der Wicklungsteile ist erreicht, wenn der Stütz­ körper ausgehend von einem die Mittelsäule umschließenden Ring durchgängig gerippt und damit eine Art Stern mit abgeflachten Spitzen ergebend ausgebildet ist. Mit den abgeflachten Spitzen liegt der Stützkörper an der Innenseite der Wicklung an, d. h. an der Innenseite der Außenschenkel, sodass die entsprechenden Wicklungen den notwen­ digen Formschluss zu den Außenschenkeln einhalten.

Der Stützkörper ist beidseitig mit symmetrischen Ausfräsungen zum Durchfüh­ ren der auf der Mittelsäule oben angeordneten Wicklungsteile ausgerüstet, sodass diese sicher so an den Rand des Stützkörpers oder besser gesagt des Kerns geführt werden können, dass eine einfache und sichere Anbindung möglich wird.

Zur Kontaktierung der auf den Außenschenkeln und auf den Mittelsäulen liegen­ den Sekundärwicklungsteile werden gemäß der Erfindung in den Stützkörper im Be­ reich der Wicklungsenden Messingzylinderkopfschrauben mit verzinnten Schraubenköp­ fen rechtwinklig zur Längsachse eingesetzt. Die Schraubenköpfe werden verzinnt, um als Lötstützpunkte zu dienen. Da das PTFE-Material relativ weich ist, genügt einfaches Vorbohren, um dann die entsprechenden Schrauben ohne Gewindebohren eindrehen zu können. Für die Wicklungsteile auf den Mittelsäulen, die auf der den Ausfräsungen gegenüberliegenden Seite herausgeführt werden müssen, werden längere Schrauben eingedreht, die so zur Durchkontaktierung nach außen dienen. Vor dem Zusammenbau­ en der beiden Kernhälften werden die inneren Wicklungs- bzw. Windungsenden an die Gewindeenden angelötet.

Die Sekundärwicklungsteile, die auf der Mittelsäule angeordnet sind, führen die höchsten Spannungen gegen den Kern und die Primärwindungen. Eine Isolation gegen den Kern ist nicht möglich und auch nicht nötig, zumal der Stützkörper den hochspan­ nungstechnischen Aufgaben genügend aus PTFE besteht. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenschenkel des Kerns mit einseitig klebendem Kaptonband und ihre Außenseiten im Bereich der Wicklungen ebenso wie die Mittelsäule im Be­ reich der Primärwicklung mit einem doppelseitigen Klebeband beklebt sind. Über das Kaptonband wird die dielektrische Durchschlagsfestigkeit erhöht. Außerdem wird durch diese Maßnahme die Spitzenwirkung zwischen den Unebenheiten der Kernmaterial­ fläche zu den Wicklungsteilen reduziert. Um die mechanische Stabilität der Wicklungs­ teile auf den Außenschenkeln zu gewährleisten sind die außen liegenden Flächen der Außenschenkel und die Mittelsäule über die Breite der Wicklungen mit doppelseitig klebendem Verlegeband der Stärke 0,03 mm bis zu den äußeren Kanten beklebt. Über dieses Verlegeband bzw. Klebeband ist eine genaue Anordnung und Positionierung der entsprechenden Wicklungen bleibend gesichert.

Eine besonders zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Pri­ märwicklung als Flachbandleitung in Form einer verzinnten Cu-Litze ausgebildet ist. Die Primärwicklung in Form der Flachbandleitung ist besonders leicht zu verarbeiten und genau zu positionieren. Jede Einzelader hat mit der Isolation einen Außendurch­ messer von rund 1 mm. Aufgrund der einfachen Verarbeitung ergibt sich auch ein entsprechend günstiger Preis. Überraschend dabei ist, dass die als Flachbandleitung ausgebildete Primärwicklung die Erzeugung entsprechend steilflankiger Betriebsspan­ nungen ermöglicht.

Für den bevorzugten Einsatzbereich ist es von Vorteil, wenn auf den Außen­ schenkeln einer Halbschale eine 9-adrige und eine 5-adrige Flachbandleitung und auf der Mittelsäule eine 8-adrige und 4-adrige Flachbandleitung angeordnet sind. Die Flachbandleiterenden werden abisoliert, verdrillt und verzinnt, sodass alle Adern eines Flachbandleitungstückes parallel geschaltet sind und somit eine Windung der Primär­ wicklung bilden. Die Enden werden gespannt und mit temperaturfesten Kabelbindern fixiert. Die unterschiedliche Aderzahl der Windungen auf den Außenschenkeln und der Mittelsäule besteht durch den Platzbedarf der Kragen eines weiter hinten noch beschrie­ benen Hilfszylinders. Die Flachbandleitungsstücke werden mit passender Überlänge aufgewickelt, sodass die unterschiedlichen Windungsenden später direkt miteinander verlötet werden können.

Zwischen den Windungen auf den Außenschenkeln sind die Sekundärwicklungs­ teile mit jeweils 27 Windungen angeordnet, die aus über Hochspannungslack isoliertem Cu-Draht bestehen, während die Sekundärwicklung auf der Mittelsäule einem auf die­ sem aufschiebbaren Hilfszylinder in Form von 27 Windungen zugeordnet ist. Die Win­ dungsenden der Primärwicklung sind alle auf der Generatoreinspeiseseite und die Enden der Sekundärwicklung auf der gegenüberliegenden Trafoseite herausgeführt angeordnet, sodass die Montage des Hochspannungstransformators entsprechend erleichtert ist. Vorteilhaft dabei ist vor allem auch, dass über den Hilfszylinder der etwas schwerer erreichbare Bereich der Mittelsäule gut zu bearbeiten ist.

Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, einen bestimmten Kern zu verwenden und zwar des Typs PM 87/70, der aus einem Material N 27 besteht. Dieses Material ist vorgesehen für Anwendungen im Schaltnetzteilbau, wobei die magnetischen Kennwerte für Einsatz von Leistungsüberträgern im Frequenzbereich von 100 KHz bzw. Impulsbetrieb bis 1 MHZ optimiert sind. Da der Real-Induktivitätsanteil der kom­ plexen Permeabilität ab 1,5 MHZ stark abfällt, ist dieses Material letztlich für die di­ elektrische behinderte Entladung nur bedingt geeignet.

Gemäß erfindungsgemäßen Vorschlag ist vorgesehen, dass der Kern einen Real- Induktivitätsanteil der komplexen Permeabilität ähnlich N 27 und eine Grenzfrequenz f = 50 MHZ ähnlich K 12 aufweisendem Material besteht. Damit würde auch in der Einschwingphase t₀ die magnetische Flussänderung im Kernmaterial hoch genug sein, um dem Generatorstrom folgen zu können. Der magnetische Fluss wäre frühzeitig stationär.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein im Aufbau sehr robuster Transformator geschaffen ist, der überraschend durch Abflammungen u. Ä. nicht gefährdet ist. Es hat sich gezeigt, dass selbst ohne Kühl- und Isoliermittel nur eine geringe Erwärmung aufgetreten ist und dies mit dem weiter oben erwähnten, für den vorgesehenen Einsatzfall nicht optimalen Material N 27. Ein derart robuster Trans­ formator verfügt über hohe Standfestigkeit auch beim Pulsbetrieb und erreicht aufgrund der geschickten Verteilung der Primär- und Sekundärwicklung eine steilflankige Be­ triebsspannung, die wiederum den Einsatz des Hochspannungsgenerators gerade zur Erzeugung von reaktionskinetisch wichtigen Radikalen ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Hochspannungstransformator im Schnitt,

Fig. 2 den Hochspannungstransformator in Draufsicht,

Fig. 3 einen der Stützkörperhälften in Seitenansicht,

Fig. 4 den Stützkörper nach Fig. 3 in Draufsicht,

Fig. 5 einen Hilfszylinder in Seitenansicht,

Fig. 6 den Hilfszylinder nach Fig. 5 in Draufsicht,

Fig. 7 einen Kern im Schnitt ohne Stützkörper mit Darstellung der verschiedenen Primär- und Sekundärwicklungsteile,

Fig. 8 eine vergrößert Wiedergabe der Wicklung im Bereich Außenschenkel und Mittelsäule mit "Unterbau",

Fig. 9 ein Verdrahtungsschema der Primärseite,

Fig. 10 ein Verdrahtungsschema der Sekundärseite,

Fig. 11 eine schematisiert wiedergegebene Halbbrückenschaltung,

Fig. 12 eine Vollbrückenschaltung und

Fig. 13 eine Gegentakt-AB-Schaltung.

Fig. 1 gibt einen Hochspannungstransformator 1 im Schnitt wieder. Erkennbar ist hier der Kern 2, der eine Mittelsäule 3 und zwei Außenschenkel 4, 5 aufweist. So­ wohl die Mittelsäule 3 wie auch die Außenschenkel 4, 5 sind mit Primärwicklungen 6, 7 sowie Sekundärwicklungen 8, 9 versehen. Zwischen der Mittelsäule 3 und den Au­ ßenschenkeln 4, 5 ist ein Stützkörper 10 einen Spalt 15 belassend angeordnet.

Sowohl der eigentliche Kern 2 wie auch der Stützkörper 10 sind zweiteilig aus­ gebildet, wobei die beiden Halbschalen 11, 12 des Kerns 2 mit ihren Rändern 13, 14 aufeinanderstehend gegeneinander verspannt sind.

Zur Verspannung dient eine Spanneinrichtung, die dafür sorgt, dass die Grund­ platte 19 und die Andruckplatte 23 den eigentlichen Kern 2 zwischen sich einspannend miteinander verbunden sind. Hierzu ist in der Längsachse 17 der Mittelsäule 3 eine Bohrung 18 vorgesehen, in die eine Gewindeschraube 20 eingesetzt ist. Diese Gewinde­ schraube 20 ist mit der Grundplatte 19 verbunden. Zunächst wird die Halbschale 12 aufgesetzt, die entsprechend bereits mit den Wicklungen 6, 7, 8, 9 versehen ist. Die gleich ausgebildete andere Halbschale 11 wird nun von oben her aufgestülpt, sodass die beiden Halbschalen 11, 12 mit ihren Rändern 13, 14 gegeneinanderstoßen. Nun wird die Federscheibe 22 aufgelegt und die Mutter 21 angezogen, bis der wichtige, feste mechanische Kontakt der beiden Transformatorenhälften zueinander erreicht ist. Sowohl die Andruckplatte 23 wie auch die Grundplatte 19 sind aus Aluminium gefertigt, wobei die Andruckplatte 23 mit Abschrägungen 24 versehen ist, um so eine günstig einzubau­ ende Einheit zu schaffen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Hochspannungstransformator 1, wobei er­ kennbar ist, dass die beiden Außenschenkel 4, 5 Teile eines kreisförmigen Ringes sind, der entsprechend unterbrochen ist und der die beschriebenen Wicklungen 7, 9 auf­ nimmt.

Zwischen dem kreisrunden Kern 2 und den beiden Außenschenkeln 4, 5 ist der Stützkörper 10 angeordnet, der wie erkennbar ist, über einen mittleren und sich an die Mittelsäule 3 anliegenden Ring 25 besteht, von dem sternförmig Rippen 27, 28 ab­ stehen, deren Spitzen 26 abgeflacht sind, sodass sie für einen exakten Formschluss der Wicklungen zu den Außenschenkeln 4, 5 sorgen können. Sie führen außerdem zu einem optimalen Isolier- und Kühlmittelfluss, weil die besondere Ausführung des Stützkörpers 10 für eine ungehinderte Umströmung der Wicklungsteile 6, 7, 8, 9 sorgt. Als Isolier- und Kühlstoff wird vorzugsweise Rizinusöl eingesetzt. Der Stützkörper 10 ist aus PTFE gefertigt, wobei dieser Kunststoff zwar eine etwas größere Dielektrizitätskonstante aufweist, dafür aber bei ausreichenden elektrischen Eigenschaften höhere Temperaturen aushält und eben auch gegen Isolier- und Kühlstoffe unempfindlich ist.

Die aus Fig. 2 und auch Fig. 3 erkennbaren Ausfräsungen 29 sind notwendig, um die auf der Mittelsäule 3 oben angeordneten Wicklungsteile sicher nach außen füh­ ren zu können. Zur Kontaktierung der auf den Außenschenkeln 4, 5 und auf der Mittel­ säule 3 liegenden Sekundärwicklungsteile 8, 9 sind im Bereich der Wicklungsenden Messingzylinderkopfschrauben 31 in Bohrungen 30 angeordnet bzw. in das PTFE ein­ geschraubt. Die Schraubenköpfe dieser Messingzylinderkopfschrauben 31 werden ver­ zinnt und dienen als Lötstützpunkte. Das Einschrauben der Messingzylinderkopfschrau­ ben 31 ist verhältnismäßig einfach, wenn die Bohrungen 30 einfach vorgebohrt sind. Senkrechte Bohrungen 32 ermöglichen im übrigen das Einbringen längerer Schrauben, wobei die Bohrungen 32 je nach Zweckmäßigkeit auch waagerecht angeordnet werden können. Für die Wicklungsteile auf der Mittelsäule 3, die auf der den Ausfräsungen 29 gegenüberliegenden Seite herausgeführt werden müssen, sind diese beschriebenen län­ geren Schrauben eingedreht, die so zur Durchkontaktierung nach außen dienen, ohne dass ein weitergehender Aufwand erforderlich ist.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Stützkörper 10, während Fig. 3 eine Seiten­ ansicht mit den beschriebenen Bohrungen 30, 32 und den Messingzylinderkopfschrau­ ben 31 wiedergibt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Hilfszylinder 38, der zur Aufnahme der Sekun­ därwicklung 8, 9 für die Mittelsäule 3 dient. Zur genauen Lage und Einhaltung der Kupferdrähte ist dieser Hilfszylinder 38 mit einem oberen Randvorsprung 39 und einem unteren Randvorsprung 40 versehen.

Bei der Darstellung nach Fig. 7 ist ein Hochspannungstransformator in den wesentlichen Einzelteilen wiedergegeben, wobei hier zur besseren Übersicht auf den Stützkörper 10 verzichtet wurde. Erkennbar ist die besondere Anordnung der Primär- und der Sekundärwicklung 6, 7, 8, 9. Größer herausgezeichnet ist hier weiter die be­ sondere Ausbildung und Zuordnung der Sekundärwicklung 8 zur Mittelsäule 3 mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Hilfszylinderausbildung 38. Der Hilfszylinder 38 wird entsprechend auf die Mittelsäule 3 aufgeschoben, wobei beidseitig eine Flachband­ leitung 37 aufgebracht ist, die in Form einer Cu-Litze verzinnt, 0,14 qmm je Ader stark und über PVC isoliert ist. Die Cu-Drähte der Sekundärwicklung 8, 9 sind mit Hochspannungsisolierlack versehen.

Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Wiedergabe der Wicklung, wobei verdeutlicht ist, dass der Kern aus PM 87/70 im Bereich der Außenschenkel 4, 5 mit einer Kaptonfolie bzw. einem Kaptonband 33 mit einseitiger Klebung versehen ist. Die Außenseite 34 und auch der Bereich der Primärwicklung 6, 6' ist mit einem doppelseitigen Klebeband versehen, um die mechanische Stabilität der Wicklungsteile, insbesondere auf den Au­ ßenschenkeln 4, 5 zu gewährleisten. Dieses doppelseitig klebende Verlegeband oder Klebeband weist eine Stärke von 0,03 mm auf, sodass es eigentlich keine Behinderung bezüglich der Baugrößen darstellt.

Bei der Primärwicklung 6, 7 bzw. 6', 7' handelt es sich wie beschrieben um eine Flachbandleitung 37 (Cu-Litze, verzinnt, 0,14 qmm/Ader, Isolation = PVC, Span­ nungsfestigkeit je Ader = 500 Volt). Jede Einzelader hat mit der Isolation einen Au­ ßendurchmesser von 1,1 mm. Auf den Außenschenkeln 4, 5 bildet oben ein 9-adriges und unten ein 5-adriges Flachbandleitungsstück je eine Windung. Auf den Mittelsäulen bildet oben ein 8-adriges und unten ein 4-adriges Flachbandleitungsstück je eine Win­ dung. Die Flachbandleitungsenden werden abisoliert, verdrillt und verzinnt. Zwischen den Primärwicklungen 6, 7 sind auf den Außenschenkeln 4, 5 die Sekundärwicklungs­ teile 9 mit jeweils 27 Windungen angeordnet. Das Material für die Sekundärwicklungen ist hochspannungslackisolierter Cu-Draht mit einem Durchmesser von 0,335 mm. Die Innenwickelkörper werden vor dem Aufbringen auf die Mittelsäule auf einem Hilfs­ zylinder mit N 27 bewickelt, der dann entsprechend, wie schon erwähnt aufgeschoben wird. Die Windungsenden der Primärwicklung 6, 7 sind alle auf der Generatoreinspei­ seseite 42 herausgeführt. Die Sekundärwicklungsenden sind mit Ausnahme der Ankopp­ lungsenden auf der gegenüberliegenden Trafoseite herausgeführt.

Die Fig. 9 zeigt, dass die auf den Außenschenkeln 4, 5 der oberen und unteren Halbschale 11, 12 liegenden Wicklungen jeweils am Generatoreinspeisepunkt 44 und am Verbindungspunkt zur Wicklung auf der Mittelsäule 3 parallelgeschaltet sind. Die auf der Mittelsäule 3 liegende Primärwicklung 6 ist in Reihe geschaltet. Die Ankoppel­ punkte 45 liegen auf Masse 46 bzw. Erdpotential. Mit 43 ist der Generator bezeichnet.

Die obere und untere Halbschale 11, 12 bzw. besser gesagt die obere und untere Transformatorhälfte sind an den Generatoreinspeisepunkten 44 und an den Auskoppel­ punkten Masse 46 parallelgeschaltet. Die Generatoreinspeisepunkte 44 bilden gleich­ zeitig die Ankoppelpunkte 44 für die Sekundärwicklungen 8, 9. Die Sekundärwick­ lungsteile sind sinngemäß wie die Primärwicklungsteile verschaltet. Die Parallelschal­ tung der Außenschenkelwicklungen liegen in Reihe zu Mittelschenkelwicklung bzw. Mittelsäulewicklung. Entsprechendes zeigt Fig. 10.

Der beschriebene Hochspannungstransformator 1 ist mit mehreren Treiberstufen getestet worden. In einer Halbbrückenschaltung 49, einer Vollbrückenschaltung 50 und einer Gegentakt-AB-Schaltung 51 wurde die Wirkungsweise überprüft. Bevorzugt wird danach die Halbbrückenschaltung 49, die den Vorteil hat, dass nur zwei elektronische Schalter 52, 53 mit der für jeden Schalter erforderlichen Ansteuerelektronik benötigt werden. Nachteilig ist die Doppelspannungsversorgung mit +U_B und -U_B, allerdings nicht entscheidend hinderlich. Gemäß der Fig. 11, 12 und 13 sind die verschiedenen Schaltungen wiedergegeben. Wichtig ist die in Fig. 11 wiedergegebene Halbbrücken­ schaltung. Die elektronischen Schalter 52, 53 werden komplementär betrieben, d. h. es ist jeweils nur ein Schalter eingeschaltet. Über den elektronischen Schalter 52 beispiels­ weise wird die positive Betriebsspannung +U_B, über den elektronischen Schalter 53 die negative Betriebsspannung -U_B alternierend an die Primärseite des Hochspannungstrans­ formators 1 gelegt. Die so erzeugte Rechteck-Wechselspannung, die im oberen Bereich der Fig. 11 wiedergegeben ist, wird im Hochspannungstransformator 1 auf die für den Betrieb der Lastimpendanz 48 benötigten Werte hochtransformiert. Für den Betrieb des Hochspannungstransformators in der Halbbrückenschaltung gemäß 49 hat sich die Ver­ schaltung des Transformators als Spartransformator gemäß Darstellung in den Fig. 9-11 bewährt. Die Ausgangsspannung am Hochspannungstransformator 1 wurde oszillo­ skopiert. Vier Rechteck-Impulse bilden ein Pulspaket. Die Repititionsrate der Puls­ pakete ist 20 KHZ. Der verwendete Hochspannungstastkopf hat ein Teilerverhältnis von 100 : 1, eine obere Grenzfrequenz von 450 MHZ und eine Anstiegszeit von 4,5 ns. Die Form der Ausgangsspannung ist nicht von der Höhe Betriebsspannung, sondern von den Lastbedingungen am Hochspannungsausgang abhängig. Da im Testbetrieb ohne Kühl- bzw. Isoliermittel gearbeitet wurde, musste die Ausgangsspannung auf Werte um 1,5 kV begrenzt werden. Auch die Repititionsrate musste deutlich unter den maximal möglichen Werten liegen. Dabei hat sich herausgestellt, dass sich die gewünschten und benötigten steilflankigen Betriebsspannungen erreichen ließen.

Claims (15)

1. Hochspannungstransformator zur Erzeugung einer hohen maximalen Feldstärke, insbesondere im Rahmen einer dielektrisch behinderten Entladung, mit einem Kern (2) mit Mittelsäule (3) und Außenschenkeln (4, 5), der mit einer Primär- (6, 7) und einer Sekundärwicklung (8, 9) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Primärwicklung (6, 7) als auch die Sekundärwicklung (8, 9) jeweils in mehrere Teilwicklungen aufgeteilt sind, die als Scheibenwicklungen auf die Mittelsäule (3) und die Außenschenkel (4, 5) verteilt sind, wobei die Außenschenkel (4, 5) Teile eines unterbrochenen Ringes sind, und wobei die auf den Außenschenkeln (4, 5) posi­ tionierten Teilwicklungen durch einen zwischen der Mittelsäule (3) und den Außen­ schenkeln (4, 5), einen Spalt (15) zur Mittelsäule (3) belassenden Stützkörper (10) auf Formschluss zu den Außenschenkeln (4, 5) gehalten sind.

2. Hochspannungstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) mit Mittelsäule (3) und Außenschenkeln (4, 5) aus zwei Halbschalen (11, 12) besteht, die mit den Rändern (13, 14) aufeinandergesetzt gegeneinander ver­ spannt sind.

3. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelsäule (3) beider Halbschalen (11, 12) mittig eine in deren Längsachse (17) verlaufende Bohrung (18) aufweist, die mit einer in einer Grundplatte (19) ver­ schraubten Gewindestange (20) korrespondierend ausgebildet ist, deren Mutter (21) mit Federscheibe (22) sich an einer gegen das Paket der beiden Halbschalen (11, 12) auf der gegenüberliegenden Seite begrenzenden Andruckplatte (23) abstützend angeordnet ist.

4. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (10) ebenfalls zweiteilig ausgebildet und aus einem gegen Isolier- und Kühlstoffe wie Rizinusöl und Temperaturen bis 260°C resistenten Kunststoff ge­ fertigt ist.

5. Hochspannungstransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (10) aus Polytetrafluoräthylen gefertigt ist.

6. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (10) ausgehend von einem die Mittelsäule (3) umschließenden Ring (25) durchgängig gerippt und damit eine Art Stern mit abgeflachten Spitzen (26) ergebend ausgebildet ist.

7. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (10) beidseitig mit symmetrischen Ausfräsungen (29) zum Durch­ führen der auf der Mittelsäule (3) oben angeordneten Wicklungsteile ausgerüstet ist.

8. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stützkörper (10) im Bereich der Wicklungsenden Messingzylinderkopf­ schrauben (31) mit verzinnten Schraubenköpfen rechtwinklig zur Längsachse (17) eingesetzt sind.

9. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschenkel (4, 5) des Kerns (2) mit einseitig klebendem Kaptonband (33) und ihre Außenseiten (34) im Bereich der Wicklungen (7, 9) ebenso wie die Mittelsäule (3) im Bereich der Primärwicklung (6) mit einem doppelseitigen Klebeband (35) be­ klebt sind.

10. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (6, 7) als Flachbandleitung (37) in Form einer verzinnten Cu- Litze ausgebildet ist.

11. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenschenkeln (4, 5) einer Halbschale (11; 12) eine 9-adrige und eine 5- adrige Flachbandleitung (37) und auf der Mittelsäule (3) eine 8-adrige und 4-adrige Flachbandleitung (37') angeordnet sind.

12. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenschenkeln (4, 5) zwischen den Primärwicklungen (7) die Sekundär­ wicklungen (9) mit 27 Windungen angeordnet sind, die aus über Hochspannungslack isoliertem Cu-Draht bestehen, während die Sekundärwicklung (8) auf der Mittelsäule (3) einem auf diesem aufschiebbaren Hilfszylinder (38) in Form von 27 Windungen zugeordnet ist.

13. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Primärwicklung (6, 7) auf der Generatoreinspeiseseite (42) und die Enden der Sekundärwicklung (8, 9) auf der gegenüberliegenden Trafoseite herausge­ führt angeordnet sind.

14. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) des Typs PM 87/70 aus einem Material N 27 besteht.

15. Hochspannungstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einem einen Real-Induktivitätsanteil der komplexen Permeabilität ähnlich N 27 und eine Grenzfequenz f = 50 MHZ ähnlich K 12 aufweisenden Material besteht.