Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
APPARATUS FOR GENERATING HIGH-VOLTAGE PULSES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/107004
Kind Code:
A1
Abstract:
Apparatus (1) for generating high-voltage pulses, comprising high-voltage pulse generator modules (2) that are inductively decoupled from one another and inductively couple generated high-voltage pulses into an inner conductor (3) via associated outer conductor sections (5). Said apparatus (1) is characterized in that the high-voltage generator modules (2) each have a system interface via which a first plug connector is connected to a system bus (10) that supplies electric voltage to the high-voltage generator modules (2) and connects same to a diagnostic unit (11) monitoring the operability of the connected high-voltage generator modules (2).

Inventors:
HARTMANN, Werner (Karlsweg 10, Weisendorf, 91085, DE)
HERGT, Martin (Bierweg 90, Nürnberg, 90411, DE)
Application Number:
EP2015/050318
Publication Date:
July 23, 2015
Filing Date:
January 09, 2015
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
H03K3/57
Other References:
PAPPAS C ET AL: "Power modulators for FERMI's linac klystrons", PROCEEDINGS OF THE 2001 PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, IEEE, CHICAGO, 25 June 2007 (2007-06-25), pages 2448 - 2450, XP031507780
HOUXIU XIAO ET AL: "Modeling a 3.5 Mev Induction Voltage Adder", IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 14, no. 4, 1 August 2007 (2007-08-01), pages 907 - 912, XP011189706, ISSN: 1070-9878, DOI: 10.1109/TDEI.2007.4286524
ARNOLD P A ET AL: "A high current, high voltage solid-state pulse generator for the NIF Plasma Electrode Pockels Cell", PULSED POWER PLASMA SCIENCE CONFERENCE, 2007. PPPS 2007. IEEE, IEEE, PI, 17 June 2008 (2008-06-17), pages 1468 - 1472, XP031349795
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit induktiv voneinander entkoppelten Hochspannungsimpulsge- neratormodulen (2), welche generierte Hochspannungsimpulse über zugehörige Außenleiterabschnitte (5) in einen Innenlei¬ ter (3) induktiv einkoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsgeneratormodule (2) jeweils eine System¬ schnittstelle aufweisen, die über eine erste Steckverbindung an einem Systembus (10) angeschlossen ist, welcher die Hochspannungsgeneratormodule (2) mit elektrischer Spannung ver¬ sorgt und mit einer Diagnoseeinheit (11) verbindet, welche die Funktionsfähigkeit der angeschlossenen Hochspannungsgene¬ ratormodule (2) überwacht und steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

wobei die Hochspannungsgeneratormodule (2) jeweils eine zwei¬ te Steckverbindung zum Anschluss an einen Außenleiterab- schnitt (5) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Hochspannungsimpulsgeneratormodule (3) jeweils ei¬ nen Kondensator (13) zur Energiespeicherung und ein dazu seriell verschaltetes Anpassungsglied (14) zur Impulsformung und Impedanzanpassung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

wobei die Hochspannungsimpulsgeneratormodule (2) jeweils ei¬ nen zu dem Kondensator (13) seriell verschalteten steuerbaren Leistungsschalter (15) aufweisen, der durch eine Treiberschaltung (16) geschaltet wird, die über die Systemschnitt¬ stelle des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls (2) angesteuert wird . 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4,

wobei die Systemschnittstelle eines Hochspannungsimpulsgene- ratormoduls (2) Anschlüsse (17) zur Versorgung des Hochspan- nungsimpulsgeneratormoduls (2) mit einer Hochspannung,

Anschlüsse (18) zur Versorgung der Treiberschaltung (16) des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls (2) mit Hilfsspannungen, Messsignalanschlüsse (19, 20, 21) zur Messung der Hochspan- nung, der Hilfsspannung und zur Funktionsüberwachung der Treiberschaltung (16) und

einen Triggersignalanschluss (22) zum Empfang von Triggerimpulsen für den Leistungsschalter zur Auslösung von Hochspannungsimpulsen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

wobei über die Messsignalanschlüsse (19, 20, 21) der System¬ schnittstelle des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls (2) op¬ tische Messsignale von dem Hochspannungsimpulsgeneratormodul (2) über Lichtwellenleiter des Systembusses (10) an die Diag¬ noseeinheit (11) übertragen werden und wobei das Hochspan- nungsimpulsgeneratormodul (2) über den Triggersignalanschluss (22) der Systemschnittstelle des Hochspannungsimpulsgenera- tormoduls (2) ein optisches Triggersignal über einen Licht- Wellenleiter des Systembusses (10) empfängt.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 6,

wobei der steuerbare Schalter (15) des Hochspannungsimpulsge- neratormoduls (2) ein IGBT-Schalter ist, der durch die Trei¬ berschaltung (16) des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls (2) geschaltet wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7,

wobei das Anpassglied (14) des Hochspannungsimpulsgenerator- moduls (2) eine Spule mit vorgegebener Induktivität aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8,

wobei in Längsrichtung eines Innenleiters (3) mehrere Hoch- spannungsimpulsgeneratormodule (2) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

wobei ein Spaltabstand zwischen einem zu dem jeweiligen Hoch- spannungsimpulsgeneratormodul (2) zugehörigen Außenleiterab- schnitt (5) und dem Innenleiter (3) stufenweise zunimmt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,

wobei Magnetkerne (4) zur Entkopplung der Stufen vorgesehen sind . 12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11,

wobei der Innenleiter (3) flach als Bandleiter ausgebildet ist und die Außenleiterabschnitte (5) versetzt zueinander an¬ geordnet sind .

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11,

wobei der Innenleiter (3) stufenförmig ausgebildet ist und die Außenleiterabschnitte (5) in einer gemeinsamen Längsebene angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12,

wobei mehrere Hochspannungsimpulsgeneratormodule (2) mit zu- gehörigen Außenleiterabschnitten derselben Stufe in einer zu dem Innenleiter (3) quer liegenden Ebene um den Innenleiter (3) herum angeordnet sind und über ihre ersten Steckverbindungen an eine für diese Stufe vorgesehene ringförmige Lei¬ terplatine (23) des Systembusses (10) angeschlossen sind, welche die Hochspannungsimpulsgeneratormodule (2) dieser Stu¬ fe umschließt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 14,

wobei ein als fehlerhaft erkanntes Hochspannungsimpulsgenera- tormodul (2) nach Lösen seiner beiden Steckverbindungen austauschbar ist.

16. Hochspannungsimpulsgeneratormodul (2) mit einer System¬ schnittstelle, die über eine Steckverbindung an einen System bus (10) anschließbar ist, welcher das Hochspannungsimpulsge neratormodul (2) mit elektrischer Spannung versorgt und mit einer Diagnoseeinheit (11) verbindet, welche die Funktionsfä higkeit des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls (2) überwacht

Description:
Beschreibung

Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit induktiv voneinander entkoppelten Hochspannungsimpulsgeneratormodulen .

In der Leistungsimpulstechnik werden Hochspannungs- und Hoch- leistungsimpulse mit einer Leistung von einigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terawatt generiert. Die Impulsdauer der Hochleistungsimpulse liegt dabei im Picosekundenbereich bis Millisekundenbereich. Die generierten Hochspannungs- bzw. Hochleistungsimpulse können für unterschiedliche Zwecke ein- gesetzt werden, beispielsweise zur Erzeugung von Elektronenoder Ionenstrahlen oder zur Elektroporation von biologischen Stoffen. Bei einer Elektroporation werden Zellmembranen durchlässig gemacht, um Zellinhaltsstoffe wie beispielsweise Zucker aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr zu gewinnen. Weiterhin kann die Elektroporation beispielsweise dafür eingesetzt wer ¬ den, Zellmembranen von Zellen vorübergehend permeabel bzw. durchlässig zu machen, um auf diese Weise DNA aus Zellen zu gewinnen bzw. in Zellen einzuschleusen. Die Elektroporation kann zudem zur Abtötung von Mikroorganismen eingesetzt wer- den. Die Elektroporation findet Verwendung bei der Sterilisierung verschiedener Substanzen, beispielsweise Wasser oder dergleichen. Für die Elektroporation wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen benötigt, die Spannungen von beispielsweise 250 kV und Ströme mit einer Ampli- tude von einigen 10 Kiloampere erzeugt, die eine Pulsdauer von beispielsweise 1 ys bis 2ys aufweisen. Derartige Pulsge ¬ neratoren werden meist als sogenannte Marxgeneratoren aufgebaut, können aber vorteilhafter Weise auch durch induktive Spannungsaddierer IVA (Inductive Voltage Adder) realisiert werden.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines herkömmlichen IVA-Pulsgenera ¬ tors, IVA-PG, zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, bei dem die Addition der Spannungen mit einem Transformator erfolgt, der aus der Kombination einer radialen und einer koaxialen Leitung erfolgt. Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, befindet sich bei dem herkömmlichen IVA-Pulsgenerator in der Mitte ein Innenleiter IL, um den herum rotationssymmetrisch Außenleitersegmente mit Magnetkernen angeordnet sind. Diese Magnetkerne MK befinden sich in einseitig offenen Kavitäten, deren innere Wände gleichzeitig den koaxialen Außenleiter darstellen, wobei jede Kavität eine zugehörige Impulsspan- nungsquelle aufweist, die über einen Schalter mit der Leiter ¬ schleife verbunden ist, wobei die Leiterschleife den zugehö ¬ rigen Magnetkern MK umschließt. Diese Impulsspannungseinheit kann u.U. in weitere, parallel geschaltete Untereinheiten (Impulseinheiten) aufgeteilt sein. Der Innenleiter IL kann aus einer rotationssymmetrischen Metallstange oder einem dickwandigen Rohr bestehen. Bei einem herkömmlichen IVA-Pulsgenerator, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, sind der Innenleiter IL und die äußere Struktur, welche die Kavitäten aufweist, koaxial zueinander angeordnet. Durch Addition der elektrischen und magnetischen Felder entsteht in dem Innenleiter IL eine impulsförmige Hochspannung, die von dem Innenleiter IL an einem distalen Ende in ein Koax-Kabel K ausgekoppelt werden kann, das mit einer Last verbunden ist. In dem Innenleiter IL können auf diese Weise Hochspannungsimpulse von einigen 100 kV generiert werden. Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen IVA-Pulsgenerator mit magnetischer Isolation mit sechs Stufen, wobei der Hochspannungsimpuls nicht ausgekop ¬ pelt wird sondern direkt in einen Spalt zur Erzeugung von Teilchenstrahlen eingekoppelt wird. Die zylindrischen Kavitä- ten werden radial von koaxial angeordneten Spannungsquellen gespeist. Jede der einzelnen Kavitäten kann einen Impuls von typischerweise 0,1 bis mehr als 10 ys Dauer und mit einer Spannungsamplitude U0 von einigen Kilovolt und mit einer ma ¬ ximalen Stromamplitude von einigen Kiloampere liefern. Um die Addition der Spannungsamplituden zu erreichen, wird die Vektoraddition der elektromagnetischen Felder im Übergangsbereich der radialen zu der koaxialen Transmissionsleistung ausgenutzt. Dabei generiert der IVA-Pulsgenerator einen Span- nungsimpuls, der durch die Summe von Impulsen gebildet wird, die von n einzelnen Spannungsquellen erzeugt werden und sich überlagern. Um die Addition der Spannungsamplituden zu erreichen, wird der positive Leiter der einen Spannungsquelle mit dem negativen Leiter der folgenden Spannungsquelle verbunden. Dadurch wird in jeder Kavität eine leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode und der stromaufwärts gelegenen Au ¬ ßenelektrode hergestellt. Um zu verhindern, dass auf diese Weise ein Kurzschluss am Ausgang der Leitung entsteht, wird die Impedanz der Verbindung im relevanten Frequenzbereich durch Erhöhung der relativen Permeabilität in diesem Abschnitt (Magnetkerne MK) vergrößert. Dazu kann ein Teilvolu ¬ men der Spannungsquelle mit Ringkernen aus ferromagnetischem Material (MK) gefüllt werden.

Für industrielle Anwendungen ist ein stabiler und dauerhafter Betrieb eines solchen IVA-Pulsgenerators unabdingbar.

Ein herkömmlicher IVA-Pulsgenerator mit mehreren Stufen hat allerdings den Nachteil, dass die verschiedenen Hochspan- nungsimpulsgeneratorstufen hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit nicht ohne weiteres überwacht werden können, da sie wäh ¬ rend des Betriebes hohen Hochspannungsimpulsen und intensiven elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind und die Anzahl der zu überwachenden Stufen bzw. Impulsspannungsquellen (Impulseinheiten) u.U. sehr hoch (mehrere Dutzend bis über Hundert) sein kann. Insbesondere eine unabhängige Überwachung der verschiedenen Hochspannungsimpulsgeneratorstufen erfolgt oftmals nicht, sodass bei einer Fehlfunktion des IVA-Puls- generators nicht ohne Weiteres festgestellt werden kann, wel ¬ che bzw. wie viele seiner Hochspannungsimpulsgeneratorstufen betroffen sind.

Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen IVA-Pulsgenerators , wie er in Fig. 1 dargestellt ist, besteht darin, dass bei

Auftreten einer Störung in einer Hochspannungsimpulsgenera- torstufe die betreffende Impulseinheit nicht separat ausge ¬ tauscht werden kann. Selbst wenn die Fehlerursache in dem IVA-Pulsgenerator aufgefunden wird, kann daher die betroffene Hochleistungsimpulsgeneratorstufe nicht ausgewechselt werden und der IVA-Pulsgenerator fällt für die gesamte Zeit der Reparatur aus .

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen, welche ein hohes Maß an Ausfallsicherheit bietet und bei dem potenziell fehlerhafte Baugruppen, insbesondere Hochspan- nungsimpulsgeneratorstufen, erkannt und zügig ersetzt werden können .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit induktiv voneinander entkoppelten Hochspannungsimpulsgeneratormodulen, welche generierte Hochspannungsimpulse über zugehörige Außenleiterabschnitte in einen Innenleiter induktiv einkoppeln, wobei die Hochspan- nungsimpulsgeneratormodule jeweils eine Systemschnittstelle aufweisen, die über eine erste Steckerverbindung an einem Systembus angeschlossen ist, welcher das jeweilige Hochspannungsgeneratormodul mit den benötigten elektrischen Spannun- gen versorgt und weiterhin mit einer Diagnoseeinheit verbin ¬ det, welche die Funktionsfähigkeit der angeschlossenen Hoch- spannungsimpulsgeneratormodule überwacht und kommuniziert. Weiterhin überträgt das Steckersystem auch die zur Synchronisation der Module benötigten Auslöse- bzw. Synchronisations- impulse, vorzugsweise über ein optisches Datenübertragungs ¬ system.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Hochspannungsimpulsgeneratormodule je- weils eine zweite Steckerverbindung zum Anschluss an einen Außenleiterabschnitt auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Hochspannungsimpulsgenerator- module jeweils einen Kondensator zur Energiespeicherung und ein dazu seriell verschaltetes Anpassungsglied zur Impulsfor- mung und Impedanzanpassung auf.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Hochspannungsimpulsgenerator- module jeweils einen zu dem Kondensator seriell verschalteten steuerbaren Leistungsschalter auf, der durch eine Treiberschaltung des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls geschaltet wird, wobei die Treiberschaltung über die Systemschnittstelle des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls angesteuert wird. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Systemschnittstelle des Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls Anschlüsse zur Versorgung des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls mit einer Hochspannung auf .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Systemschnittstelle eines Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls Anschlüsse zur Versorgung der Treiberschaltung des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls mit Hilfsspannungen auf.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Systemschnittstelle eines Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls Messsignalanschlüsse zur Mes- sung der Hochspannung, der Hilfsspannung und zur Funktionsüberwachung der Treiberschaltung des Hochspannungsimpulsgene- ratormoduls auf.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung weist die Systemschnittstelle eines Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls einen Triggersignalanschluss zum Empfang von Triggerimpulsen für den Leistungsschalter zur Auslösung eines Hochspannungsimpulses auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden über die Messsignalanschlüsse der Systemschnittstelle eines Hochspannungsimpulsgeneratormoduls optische Messsignale von dem Hochspannungsimpulsgeneratormo- dul über Lichtwellenleiter des Systembusses an die Diagnose ¬ einheit übertragen.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich auf der Elektronikeinheit der Leistungsschalteransteuerung eine Datenauswerteeinheit , welche die Mess- und Zustandsdaten der jeweiligen Einheit überwacht, aufbereitet, gegebenenfalls kodiert und mit der Diagnoseeinheit kommuniziert.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung empfängt das Hochspannungsimpulsgenera- tormodul über den Triggersignalanschluss der Systemschnitt ¬ stelle des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls ein optisches Triggersignal, das über einen Lichtwellenleiter des Systembusses an das Hochspannungsimpulsgeneratormodul übertragen wird .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Längsrichtung des Innenleiters mehrere Hochspannungsimpulsgeneratormodule angeordnet.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nimmt ein Spaltabstand zwischen dem zu dem Hochspannungsimpulsgeneratormodul zugehörigen Außenlei- terabschnitt und dem Innenleiter stufenweise zu.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Magnetkerne zur Entkopplung der Stu fen vorgesehen.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Innenleiter flach als Bandleiter ausgebildet und die Außenleiterabschnitte sind zueinander versetzt angeordnet.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Innenleiter stufenförmig ausgebildet und die Außenleiterabschnitte sind in einer gemeinsamen Längsebe ne angeordnet.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Hochspannungsimpulsgenera- tormodule mit zugehörigen Außenleiterabschnitten derselben Stufe in Umfangsrichtung um den Außenleiter herum angeordnet und über ihre ersten Steckverbindungen an eine für diese Stu fe vorgesehene ringförmige Verteilerplatine des Systembusses angeschlossen, welche die Hochspannungsimpulsgeneratormodule dieser Stufe umschließt.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein als fehlerhaft erkanntes Hoch- spannungsimpulsgeneratormodul durch Lösen seiner beiden Steckverbindungen mit geringstmöglichem Aufwand und geringstmöglicher Stillstandzeit sofort austauschbar.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungs gemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen

IVA-Pulsgenerators ;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines in der erfindungsgemäßen Vor- richtung verwendeten Hochspannungsimpulsgenerator- moduls ; ein Diagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeu gung von Hochspannungsimpulsen.

Wie man aus Fig. 2 erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mehrere Stufen auf. Die Vorrichtung 1 enthält mehrere induktiv vonei ¬ nander entkoppelte Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-1, 2-2, 2-3. In jeder Stufe der Vorrichtung 1 ist mindestens ein Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i vorgesehen. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind in jeder Stufe mehrere Hochspannungsimpulsgeneratormodu- le 2-i ringförmig um den Innenleiter 3 der Vorrichtung 1 herum angeordnet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs ¬ beispiel sind an jedem Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i ein Magnetkern 4-i vorgesehen, der zur Entkopplung der Stufen dient. Die durch ein Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i generierten Hochspannungsimpulse werden über einen zugehörigen Spaltabschnitt in einen zugehörigen Leiterabschnitt des Innenleiters 3 induktiv eingekoppelt. Wie man in Fig. 2 er ¬ kennen kann, nimmt dabei der Spaltabstand zu dem Innenleiter 3 in jedem Leiterabschnitt des Innenleiters 3 vorzugsweise stufenweise zu. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs ¬ beispiel ist der Innenleiter 3 stufenförmig ausgebildet und die Hochspannungsimpulsgeneratorstufen mit ihren Außenleiter- abschnitten sind auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Jede Stufe bzw. jedes austauschbare Hochspannungsimpulsgenerator- modul 2-i weist einen zugehörigen Außenleiterabschnitt 5-i auf, um Hochspannungsimpulse über einen Spaltabschnitt in den Innenleiter 3 induktiv einzukoppeln und in axialer Richtung zu transportieren. Während bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Innenleiter 3 stufenförmig ausgebildet ist, kann in einer alternativen Ausführungsform der Innenleiter als Bandleiter flach ausgebildet sein, wobei die Hoch- spannungsimpulsgeneratorstufen bzw. Hochspannungsimpulsgene- ratormodule 2-i zueinander versetzt angeordnet sind. Bei ei ¬ ner möglichen Ausführungsform beträgt der Spaltabstand eines Spaltabschnittes zwischen einer n-ten Hochspannungsimpulsge- neratorstufe und des zugehörigen Innenleiterabschnitts das n-fache des Spaltabstandes des Spaltabschnittes zwischen der ersten Hochspannungsimpulsgeneratorstufe und dem zugehörigen Leiterabschnitt des Innenleiters 3.

Die in dem Innenleiter 3 induzierte aufsummierte gesamte Hochspannung wird über eine Hochspannungsführung 6 an eine

Last 7 abgeleitet. In einem Spalt 8 zwischen dem Innenleiter 3 und den Außenleiterabschnitten 5-i der Hochspannungsimpuls- generatormodule 2-i befindet sich bei einer möglichen Ausführungsform ein Fluid, insbesondere Wasser oder Öl, ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Luft, oder Vakuum. Wie man in Fig. 2 erkennen kann, weisen die Hochspannungsimpulsgenera- tormodule 2-i jeweils eine Systemschnittstelle auf, die über eine erste Steckverbindung 9-i an einen Systembus 10 ange ¬ schlossen ist. Der Systembus 10 verbindet die verschiedenen Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i mit einer Diagnose-,

Energieversorgungs- und Steuereinheit 11. Darüber hinaus ver ¬ sorgt der Systembus 10 die Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i mit elektrischer Spannung. Die Diagnoseeinheit 11 überwacht die Funktionsfähigkeit der verschiedenen über den Sys- tembus 10 angeschlossenen Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i der Vorrichtung 1. Die Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i weisen jeweils eine zweite Steckverbindung 12-i zum An- schluss an die zugehörigen Außenleiterabschnitte 5-i und 5- ( i-1 ) auf .

Ein durch die Diagnose-, Energieversorgungs- und Steuerein ¬ heit 11 als fehlerhaft erkanntes Hochspannungsimpulsgenera- tormodul 2-i kann durch Lösen seiner beiden Steckverbindungen 9-i, 12-i entnommen werden und durch ein fehlerfreies Hoch- spannungsimpulsgeneratormodul ersetzt werden. Wie man in Fig. 2 erkennen kann, ist die Vorrichtung 1 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel modular aufgebaut und enthält eine Vielzahl von Hochspannungsimpulsgeneratormodulen 2-i, die nach Lösen von Steckverbindungen austauschbar sind. Alle Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i sind an einen gemein ¬ samen Systembus 10 angeschlossen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügen alle Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i über die gleichen elektrischen Eigenschaften, die gleiche Bau- bzw. Gehäuseform und die gleichen Schnittstellen. Bei einem Ausfall eines Hochspannungsimpulsgeneratormoduls 2-i kann dieses schnell durch ein funktionsfähiges entsprechendes Hochspannungsimpulsgeneratormodul ersetzt werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist an dem Systembus 10 mindestens eine Diagnoseeinheit 11 angeschlossen. Die Diagnose-, Ener- gieversorgungs- und Steuereinheit 11 überwacht die verschie ¬ denen Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i hinsichtlich ih- rer Funktionsfähigkeit während des Betriebes der Vorrichtung 1. Hierbei kann die Diagnoseeinheit bzw. Überwachungseinheit 11 verschiedene Parameter der Hochspannungsimpulsgeneratormo- dule 2-i überwachen. Anhand der gemessenen Größen können fehlerhafte Bauteile bzw. Hochspannungsimpulsgeneratormodule frühzeitig erkannt und ggf. noch vor ihrem vollständigen Aus ¬ fall ersetzt werden. Das ausgefallene Hochspannungsimpulsge- neratormodul kann dann über einen längeren Zeitraum repariert werden, ohne dass die Vorrichtung 1 in ihrem Betrieb beeinträchtigt wäre. Insbesondere ist vorgesehen, dass zu diesem Zweck die Diagnose-, Energieversorgungs- und Steuereinheit 11 Steuerfunktionen enthält, die es erlauben, zeitweise eine einzelne Stufe n-i von der Energieversorgung und Ansteuerung zu trennen, um so deren Austausch im laufenden Betrieb zu ermöglichen .

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines in der erfindungs ¬ gemäßen Vorrichtung 1 eingesetzten Hochspannungsimpulsgenera- tormoduls 2-i. Das Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i weist eine Systemschnittstelle auf, die über eine erste

Steckverbindung 9-i mit dem Systembus 10 verbunden ist, wie in Fig. 3 angedeutet. Die Steckverbindung 9-i, welche das Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i mit dem Systembus 10 verbindet, kann beispielsweise von einem Wartungsmonteur me- chanisch gelöst werden. Das Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i enthält mindestens einen Kondensator 13 zur Energiespei- cherung und ein dazu seriell verschaltetes Anpassglied 14 zur Impulsformung und Impedanzanpassung. Bei einer möglichen Aus- führungsform weist das Anpassglied 14 eine Spule mit einer vorgegebenen Induktivität auf. Wie in Fig. 3 dargestellt, enthält das Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i ferner ei ¬ nen steuerbaren Schalter 15, insbesondere einen IGBT- oder IGCT-Schalter, der durch eine zugehörige Treiberschaltung 16 geschaltet wird, die über die Systemschnittstelle des Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls 2-i angesteuert wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, enthält die Systemschnittstelle des Hoch- spannungsimpulsgeneratormoduls 2-i Anschlüsse 17-1, 17-2 zur Versorgung des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls 2-i mit ei- ner Hochspannung. Darüber hinaus enthält die Systemschnitt ¬ stelle Anschlüsse 18-1, 18-2 zur Bereitstellung einer Hilfs ¬ spannung für die Treiberschaltung 16 innerhalb des Hochspan- nungsimpulsgeneratormoduls 2-i. Ferner enthält die System ¬ schnittstelle Messsignalanschlüsse. Diese Messsignalanschlüs- se umfassen mindestens einen Messsignalanschluss 19 zur Mes ¬ sung der angelegten Hochspannung und einen Messsignalanschluss 20 zur Messung der an die Treiberschaltung 16 angelegten Hilfsspannung und einen Messsignalanschluss 21 zur Funktionsüberwachung der Treiberschaltung 16. Ferner weist die Systemschnittstelle einen Triggersignalanschluss 22 zum Empfang von Triggerimpulsen für den Leistungsschalter 15 zur Auslösung von Hochspannungsimpulsen auf. Gegebenenfalls können weitere elektrische und optische Versorgungs- und Kommu ¬ nikationsanschlüsse vorhanden sein, um die Funktionalität der Impulseinheit zu erhöhen. In einer vorteilhaften Ausführung befindet sich auf der Platine der Treiberschaltung 16 eine zentrale Steuer- und Recheneinheit, welche alle Steuer- und Kommunikationssignale verarbeitet und in serielle Daten über ¬ führt, so dass die Zahl der Datenschnittstellen auf eine ein- zige Kommunikationsleitung reduziert werden kann, insbesondere wenn die optische Schnittstelle bidirektionalen Datenaus ¬ tausch erlaubt. Wie in Fig. 3 zu erkennen, ist der steuerbare Leistungsschal ¬ ter 15 sowie der Kondensator 13 und das zugehörige Anpass ¬ glied 14 über die zweite Steckverbindung 12-i mit dem zugehörigen Außenleiterabschnitt 5-i des Hochspannungsimpulsgenera- tormoduls 2-i verbunden. Das in Fig. 3 dargestellte Hochspan- nungsimpulsgeneratormodul 2-i bzw. Impulseinheit kann in ei ¬ nem eigenen, abgeschirmten Gehäuse untergebracht werden und stellt somit ein Modul dar, welches durch Lösung der beiden Steckverbindungen austauschbar ist. Über den Systembus 10 werden die Hochspannung, die Steuersignale und die Hilfsspannungen verteilt. Das Bussystem bzw. der Systembus 10 versorgt die einzelnen Stufen der Vorrichtung 1 mit der notwendigen Hochspannung. Weiterhin werden über den Systembus 10 Steuersignale für die Zündimpulse des Leistungsschalters 15, d.h. die Triggerimpulse, übertragen. Darüber hinaus werden die

Hilfsspannungen zur Spannungsversorgung der Treiberschaltung 16 über den Systembus 10 angelegt. Weiterhin werden über den Systembus 10 Diagnosesignale von den verschiedenen Hochspan- nungsimpulsgeneratormodulen 2-i an die Diagnoseeinheit 11 übertragen. Über den Systembus 10 werden die elektrischen Größen übertragen, insbesondere die Hochspannungen, Hilfsspannungen für die Treiberschaltung 16 des elektrischen Leistungsschalters 15 sowie gegebenenfalls elektrische Diagnose ¬ signale oder Steuersignale.

Bei einer möglichen Ausführungsform werden über die Messsignalanschlüsse 19, 20, 21 optische Messsignale von dem Hoch- spannungsimpulsgeneratormodul 2-i über Lichtwellenleiter des Systembusses 10 an die Diagnoseeinheit 11 übertragen. Weiter- hin kann das Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i bei einer möglichen Ausführungsform über den Triggersignalanschluss 22 der Systemschnittstelle ein optisches Triggersignal erhalten, das über einen Lichtwellenleiter des Systembusses 10 übertra ¬ gen wird. Die optische Übertragung der Messsignale und des Triggersignals erhöht die Zuverlässigkeit bei der Signalüber ¬ tragung, da auftretende elektromagnetische Störfelder die Steuer- und Messsignale nicht beeinflussen können. Die Systemschnittstelle stellt die Verbindung des Systembus ¬ ses 10 mit dem Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i dar. Al ¬ le notwendigen elektrischen Komponenten, insbesondere der elektrische Leistungsschalter 15, die Treiberschaltung 16, der Kondensator 13, das Anpassglied 14, sowie eine ggf. vor ¬ handene lokale Diagnoseelektronik befinden sich innerhalb des individuellen Gehäuses des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls 2-i. Der Kondensator 13 dient zur Energiespeicherung von Energie, welche zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses verwendet wird. Die Hochspannungsversorgung erfolgt dabei über die Anschlüsse 17-1, 17-2. Die Ansteuer- und Kontroll ¬ schaltung bzw. Treiberschaltung 16 erhält eine Hilfsspannung über die Anschlüsse 18-1, 18-2. Die Triggerimpulse zur Auslö ¬ sung des Hochspannungsimpulses werden über den Triggeran- schluss 22, vorzugsweise in optischer Form, empfangen.

Im Fehlerfall, z.B. bei Ausfall eines Hochspannungsimpulsge- neratormoduls 2-i oder aufgrund elektrischer Durchschläge in der Vorrichtung 1, kommt es zu Spannungsreflexionen, die über das Diagnoseinterface detektiert und zu einer Auswerteelekt ¬ ronik weitergegeben werden. Bei Erkennen eines Fehlers bzw. Ausfalls mindestens eines Hochspannungsimpulsgeneratormoduls 2-i wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bei einer mögli ¬ chen Ausführungsform sofort heruntergefahren. Das fehlerhafte bzw. ausgefallene Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i wird anschließend nach Lösen der Steckverbindungen entnommen und durch ein fehlerfreies Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i ersetzt . Die Systemschnittstelle erlaubt eine Ladespannungskontrolle an dem Kondensator 13 sowie eine Überwachung der Hilfsspannung für die Treiberschaltung 16. Über eine entsprechende Auswerteschaltung kann ein dort bestehender Fehler schnell aufgefunden werden. Zur Energieversorgung des Hochspannungs- impulsgeneratormoduls 2-i über den Systembus 10 kann bei ei ¬ ner möglichen Ausführungsform eine Ladespannung des Energiespeichers bzw. Kondensators 13 übertragen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform des Hochspannungsimpulsgeneratormo- duls 2-i werden die optisch übertragenen Steuersignale, insbesondere Triggersignale, welche durch einen Lichtwellenlei ¬ ter des Systembusses 10 übertragen werden, durch einen in dem Hochspannungsimpulsgeneratormodul 2-i enthaltenen Optokoppler in ein elektrisches Triggersignal umgewandelt, welches der Treiberschaltung 16 zugeführt wird. Umgekehrt werden interne Diagnosesignale, welche beispielsweise von der Treiberschal ¬ tung 16 stammen, durch mindestens einen weiteren integrierten Optokoppler in optische Diagnosesignale umgewandelt, welche über Lichtwellenleiter des Systembusses 10 an die Diagnose ¬ einheit 11 übertragen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform beträgt die Amplitude der für die Treiberschaltung 16 verwendeten Hilfsspannung typischerweise 15 bis 25 VDC, welche über eine Zweidrahtleitung an die Anschlüsse 18-1, 18-2 des Hochspannungsimpulsgeneratormoduls 2-i angelegt wird. In einer anderen Ausführungsform wird der Strombedarf für die Treiberschaltung 16 sowie für etwaige Hilfs- und Di ¬ agnosefunktionen in Form von Wechselspannung über die Anschlüsse 18-1, 18-2 übertragen und auf der Einheit 16 in die benötigten Gleichspannungen umgewandelt.

Der Systembus 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 umfasst vorzugsweise Hochspannungskabel zur Übertragung der Hochspan ¬ nung und Drahtleitungen zur Übertragung der Hilfsspannung, Lichtwellenleiter zur Übertragung der optischen Diagnosesignale sowie Lichtwellenleiter zur Übertragung der Triggersignale für die Leistungsschalter.

Fig. 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen. Die Vorrichtung 1 weist, wie in Fig. 4 dargestellt, n Hochleistungsstufen auf. Die Anzahl n der Stufen kann dabei je nach Anwendung variieren. Bei einer möglichen Ausführungsform werden 20 bis 40 Hochleistungsstufen vorgese- hen. In jeder Stufe können in einer Ebene ein oder mehrere

Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i vorgesehen sein. Bei ¬ spielsweise befinden sich in jeder Stufe bzw. jeder Ebene zwei bis acht Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i, die um den Innenleiter 3 der Vorrichtung 1 gleichmäßig beabstandet radial angeordnet sind. Bei einer möglichen Ausführungsform sind mehrere Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i mit zuge ¬ hörigen Außenleiterabschnitten derselben Stufe in einer zu dem Innenleiter 3 quer liegenden Ebene um den Innenleiter 3 herum angeordnet, wobei die Hochspannungsimpulsgeneratormodu- le 2-i jeweils über ihre erste Steckverbindung an eine für diese Stufe bzw. Ebene vorgesehene ringförmige Verteilerpla ¬ tine des Systembusses 10 angeschlossen sind, welche die Hoch- spannungsimpulsgeneratormodule 2-i dieser Stufe umschließt.

In Fig. 4 sind die verschiedenen ringförmigen Verteilerplatinen 23-1, 23-2, 23-3...23-n für die n Hochleistungsstufen der Vorrichtung 1 angedeutet. Die Signale werden über den zentra ¬ len Systembus 10 zu den verschiedenen IVA-Stufen geführt. In- nerhalb der Stufen werden die Signale über eine zugehörige Verteilerplatine bzw. Leiterplatte 23-i, die beispielsweise kreisförmig ausgeführt ist, verteilt. Über definierte

Schnittstellen auf der Verteilerleiterplatte bzw. -platine werden die verschiedenen Hochleistungsimpulsgeneratormodule der Stufe bzw. Ebene mit den notwendigen Energieversorgungs- , Kommunikations- und Steuersignalen versorgt. Die Verteiler ¬ platine 23-i kann starr oder flexibel ausgeführt sein. Bei einer möglichen Ausführungsform enthält die Verteilerplatine 23-i zusätzliche elektronische Einheiten, beispielsweise eine Einheit zur Umwandlung des optisch zugeführten Triggersignals in ein elektrisches Signal, welches dann über Leiterbahnen an die einzelnen Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i jeder Stufe verteilt wird. Weiterhin kann die Verteilerplatine 23-i Einheiten für eine gemeinsame Energieversorgung für die

Hilfsspannungen der verschiedenen auf dieser Stufe vorgesehenen Hochspannungsimpulsgeneratormodule 2-i aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine zentrale Spannungsversorgungsleitung über den zentralen Systembus 10 notwendig, welcher alle Verteilerplatinen und die daran angeschlossenen Hochleistungsimpulsgeneratormodule 2-i mit zum Teil unter ¬ schiedlichen Hilfsspannungen versorgt. Weiterhin kann an der Verteilerplatine 23-i eine Diagnoseeinheit vorgesehen sein, welche die Diagnosesignale aller Hochleistungsimpulsgenera- tormodule 2-i dieser Stufe bzw. Ebene auswertet und über eine optische oder elektrische Diagnoseleitung an eine zentrale Diagnoseschaltung 11 übergibt. Anstelle einer oder mehrerer Leiterplatten können auch Kabelbündel, insbesondere Flach- bandkabel oder runde Kabelbündel, verwendet werden, wobei für die Kommunikations- und Steuerleitungen vorzugsweise inte ¬ grierte Lichtwellenleiter eingesetzt werden, welche mit einem einheitlichen Steckersystem mit den einzelnen Hochspannungs- impulsgeneratormodulen 2-i und dem zentralen Systembus 10 verbunden sind.

Der modulare Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Hochspannungsimpulsgeneratormodulen 2-i bietet eine besonders hohe Servicefreundlichkeit im Fehler- fall durch ein Diagnoseinterface und durch Übertragung der einzelnen Spannungswerte der verschiedenen Komponenten. Darüber hinaus werden die Interfaces bzw. Schnittstellen zwischen der Vorrichtung 1 und dem Bussystem 10 durch einen Systemstecker realisiert, der bidirektional optische und elektrische Signale übertragen kann. Die modular aufgebaute Vorrichtung 1 setzt sich aus koaxialen Innen- und Außenleitern und den radialen Transmissionsleitungen zusammen, die senkrecht zu den Außenleiterabschnitten vorgesehen sind und die Hochspannungs- impulsgeneratormodule 2-i mit den Außenleiterabschnitten ver- binden. Die Vorrichtung 1 stellt nach Entfernen aller Hoch- spannungsimpulsgeneratormodule 2-i ein rein passives Bauteil ohne elektrische Komponenten dar. Dieser Teil der Vorrichtung 1 ist aufgrund seines Aufbaus bestehend aus Metallkomponenten und Dielektrika zur Isolation der Spannungen äußerst robust und wartungsfreundlich aufgebaut. Fehleranfällige Komponen ¬ ten, insbesondere alle elektrischen Komponenten befinden sich integriert innerhalb der Hochleistungsimpulsgeneratormodule 2-i, die im Fehlerfall einfach und schnell austauschbar sind. Die Diagnose eines möglicherweise auftretenden Fehlers er- folgt dabei vorzugsweise bereits im Vorfeld, bevor ein Hoch- spannungsimpulsgeneratormodul 2-i ausfällt.