Niederdruck-Stromrichterventile: Versuch einer Darstellung von Wirkungsweise und Betriebseigenschaften als Folge der konstruktiven Ausführung

251 Pages·1952·25.033 MB·German

by  Dr. Ing. Hans von Bertele (auth.)

Niederdruck-
Stromrichterventile
Versuch einer Darstellung
von Wirkungsweise und Betriebseigenschaften
als Folge der konstruktiven Ausführung
Von
Dr. log. Hans von Bertele
Purley, Surrey, England
Privatdozent an der Technis('hen HOl'h"ehule. Wipn
Mit 14-B TextahbildungP/l
Springer-Verlag Wien GmbH
ISBN 978-3-662-23237-8 ISBN 978-3-662-25256-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-25256-7
All!' Rechte, insbesondere das der Übersetzlln~
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1952 by Springer-Verlag Wien.
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag in Vienna 1952.
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1952
Herrn Professor Walter Schottky
gewidmet
Vorwort.
Dieses Buch hat bei seinem Werdegang mehrere Zwischen
stadien Jurchlaufen. Es entstand aus dem Wunsch, den funktio
uellen Hintergründen der empirischen Gefäßentwiddung nachzu
~püren, und ich verdanke in dieser Hinsicht meinem ersten Chef.
Prof. Dr. Ing. W. Gaustcr-Filek, viele grundsäßliche Hinweise
für das kritische Sichten und gegenseitige Abwägen bereits vor
handener Meinungen. Diese ersten, im Zuge der Glasgleichrichter
Entwiddung der Elin-A_ G. in V/ien gemachten Ansäße zu einer
",ystematischen Erfassung der Stromrichter-Gefäßwirkung hahe ich
am 11. März 1938, dem Tag des Einmarsches der deutschen Trup
pen nach Österreich, in einem Vortrag am Außeninstitut der T ech
nischen Hochschule Wien beschriehen. Im Drang der nachfolgen
den politischen Ereignisse ist ihre Veröffentlichung unterhlieben.
Die Ideen aber wuchsen im Siemens-Stromrichter-Werk in Berlin
weiter. Sie haben sich speziell bei der Entwicklung der neuen Ein
allotlengefäße als fruchthar erwiesen. lVIit besonderer Förderung
von Direktor Dr. H. Kerschbaum fiihrten neu unt('rnommene
Versuchsreihen, die Sichtung vorhandener Versuchsergebnisse und
zahlreiche Erörterungen einzelner Fragen des ga.nzen Komplexes
mit erfahrenen Fachleuten zu {'iner allmählichen Klärung und Rei
fung der ursprünglichen Vorstellungen. Es waren hesonders die
Herren Dr. phi!. M. Steenbeck. Dir. Dr. Ing. A. Siemens.
Dr. phiI. I. v. Issendorff, Dr. phi!. W. Espe. Dr. Ing. Th. Was
serab, Dr. Ing. E. Schmidt und Prof. Dr. Ing. E. Schwarz von
Be r g kamp f, die für die Erörterungen der fraglichen Problem<'
jedl'rzeit Intpressc an den Tag legten und damit das angestrebte
Ziel leichter erreichen halfen. Fiir den internen Gehraueh im
Hause Siemens bestimmte Berichte: .,Das \\/irkungsbild der Strom
riehter-Gefäße". ,. Die Entwieklnng dpr i'rregtt'n Einanodellg~fäß<,"
IV Vorwort.
und schließlich eine umfangreiche, vou Herrn K. BauJiseh 3n·
geregte Zusanlluenfa ssung: "Hg-Dampf-Stromrichter-Gefäß-Theorie
und Berechnung" entstanden nacheinander. Einen Auszug aus let).
terer habe ich 1946 als Hahilitierungsschrift: "Das Leistungsver.
mögpn von Hg-Dampf-Stromrichter-Gefäßen" der Technischen
Hochschule 'Wien vorgelegt. Dieselhe Arbeit war auch zur Druck·
legung vom Springpr-Verlag in 'Wien angenommen worden. Papier·
mangel und andert' Schwierigkeiten der Nachkriegszeit cl"!?;ahpn
aher eine mehrjährige Verspätung; als die Korrekturfahnen an
meiner neuen Arbeitsstätte in Croydon eintrafen, erwies sich t'int'
'öl] ige UmarheiLung als unerläßlich. Vermehrte eigene Erkenll t
nisse, ,'or allem aber der Mangel jedweder Berücksichtigung deI'
in flen Kriegs- und Nachkriegsjahren in den westlichen Ländern
erzielten Fortschritte auf dem Gehiet der Niederdruck-Ventile
zwangen zu umfangreichen Erweilerung.m. Die Bereitwilligkeit
de~ Verlages. die mit dieser grundlegenden Umgestaltung verbun·
denen Mehrkosten im Interesse des Buches auf sich zu nehmelI.
muß ich ebenso dankbar anerkennen wie die mir in hreitester
Form von den verschiedenen, Stromrichtct· hauenden Industrien
zuteil gewordene {Tnterstütung in Form yon Bildern und techni
schem :\Iaterial. In erster Linie bin ieh der Leitung der Siemens
Schuckert-Werke in Erlangen für die weitherzige Freigahe der in
den eingangs genannten Arbeiten enthaltenen umfangreichen, bis·
her unveröffentlichten Ergebnisse aus der Entwicklung des
Stromrichter-W' erkes in Berlin verpflichtet. Des weiteren bin ich
Jen Herren Dr. L Langmuir, L. Tonks und A. W. Hull von
der General Electric, Schenectady, USA. Dr. J. Slep ian von der
\Ve~tinghouse, Pittshurgh, USA, Dr. 'fh. Boveri von Brown
Boveri & Co. in Baden, Schweiz, Dr. Uno Lamm von der Asea in
Ludvika. Sehwedt'n, Dr. Dällenhach, Zürich, und Mr. H. H.
Wittenberg von der Radio CorporatiOIt of America (RCA) sehr
verhunden, daß sie mir auf meine Bitte in großzügiger Weise Bild
material und Sonderdrucke von Arheiu'n, die während oder nach
tlem Kriege erschienen sind, zur Vediigung stellten. Noch zahl
reiche anden~ Stellen und Freunde haben mit Rat und Bildmaterial
dazu heigetragen, daß die angestrehte Vereinigung der verschie
dent'n heterogenen Seiten des Niederdruckventilgebietes zumin
dest in großen Ziigen erzielt worden ii'Jt. Soweit einzelne Abhildun
gen besoll{ler" kenm:eichnend für den Gang der Entwicklung er
sehif"IH'n, ist nehen Angabt· der Herkunft auch eint' angenäht'rtt'
Jahreszahl für da, Ersterscheinen eingetragen.
Außer (Ien hereits genannten Stellen ist noch folgenden Gesell·
~ehaften, In-;titutionen und Verlagen besonderer Dank für die Zu
~timrnung zur Wiedergahe einzelnt~r Ahbildungen auszusprechen.
und zwar:
Bell Telephon Laho"atories, New York, und VanNo~trand COIII
pany. LOIlllon, Altb. 59; Eleetrons. [IIC. Newark. N. J .. AbI!. 48, 49.
v
Vorwort.
136, 137; Elin-A. G., Wien, Abb. 113. 114, 120, 130.1:32. B9;
English Electric-Stafford, Ahh. 34, 68, 77; English Electric Valve
Company, Chelmsford, Abb.9; Ferranti Ltd., Moston, Manchester.
Abb. 43, 44; Hackbridge and Hewittic Electric Co., Ltd., Hersham.
Surrey, Abb. 63; Metropolitan Vickers, Manchester, Abb. 69; Np·
velin Electric Company, Ltd., Croydon, Ahh. 61, 118; Atelier de
Construction Oerlikon, Ahb. 70, 81; N. V. Philips, Gloeilampen
faLrieken, Eindhoven, Abb. 38, 39, 45, 76; Radio Corporation of
America, Harrison, N. J., Abb. 117, 126; S. A. des Ateliers de
Secheron, Genf, Abb. 66; Verlag der E.T.Z., Abb. 50: Verlag der
E. & M., Abb. 6, 7, 35, 62; Schweizer EI. techno Verein, Abb. 8 h
und c; Julius Springer, Berlin, Abb. 11; J. E. E., London, Abb. 2:-.
80, 34, 86, 87, 90, 109, 115, 116; Hirzel-Verlag, Leipzig, Abb. 28.
30: Verlag von Ambrosius Barth, Leipzig, Abh. 12, 31; Royal
Society, London, Abb. 13; American Physical Society. Abb. 21 und
Tah. VII; A. J. E. E., Ahh. 36, 37.
Alle ührigen Ahhildungen sind meinen drei eingangs genannten
und im Rahmen des Hauses Siemens entstan(lenen Arheiten ent
nommen.
Zum Schluß soll auch noch der emsigen Mithilfe 'Oll Frau
We i s e r und verschiedenen Mitgliedern meiner Familie Iwim Ma
schineschreihen und Korrekturlesen I!;edankt spin.
Purley, im März 19;:)2.
Hans v. Beftele
Inhaltsverzeichnis
I. Allgemeines über Stromri('bter-Schaltsysteme
J,1. Das Leistun!!svermii!!en von Stromrichter-GefäBen l
I, ], L Die Sondt'rla~e der Stromrichter-Gefäße in der Elektrotecllllik :1
1,1,1, ]. Vielzahl .Ier an der Gcfäßentwicklung beteiligten Spezial.
wissem!!ehiete ;l
1. 1, L 2. Zusarr:menwirken technischer und phpikalischer }Ien-
talität 1,
I~ 1, 2. Definition de~ Gefäßleistllngsverruögens "7
J,2. Eigenheiten der Stromrichter-Arb .. itsweisc g
1,2,1. Strom- und Spannllngsverhältnisse allgemein R
r, 2, 2. Temperatllrcinflüsse 11
1,2,3. Arheitsgrenzcn (Rückzündungen) 11
1,2, .3, 1. Vorschriften lind Normalfc,tse~lIngen 12
I, :,. Strom- lind Spannungsverhältnisse 1Il den Schaltsystcmen von
Stromrid,terkreisell 13
1,3,1. Intensitätsregelung durch Ziindmomentverspätung t:3
I, 3, 2. Einzelheiteu Jer AnodemtroIll-Impulse und deren Beeinflussung 16
1,3,3. Kommutierung 17
1,3, ,1. Anodenspannnngs-Einzeiheiten 18
I, 3, 5. Schalt schwingungen 22
1,4. Überblick über verfügbare Sehaltmecl,anisIllpn
1,4,1. SperrsdIiclltventile
1,4,2. Konvektion'Stromventile
,_,. ,
1,4,2, J. Hochdrnckvcntilc
1,4,2,2. Hochvakuumventile 27
1,4, 2,3. Niederdruck-Ventil .. 29
11. Physikalische Grundlagen der Niederdrud<entladungen
11, 1. Konvektionsstrom 30
H,2. Elemente der kineti,d,en Gastheorie :n
1I, 2, 1. Druck auf Gefäßwände und Gastemperatur 31
TI, 2, 2. Molekülgesd.wi'H\igkeiteu uud Geschwindigkeitsverteilllng 33
11, 2, 3. Freie Weglänge und mittlere Stoßzahl 3\
1I, 2, 4. Diffusion 35
1I, 2, 4, 1. Diffusion hei TemperaturgefäIIen (Thermodiffusion) :;6
IL 2, S. Molekülvertcilllng im Potentialfeld (Bol!lmann-Verteilung) 38
VIII I nhaltsvpr)';('iehni8.
II, 3, 1. Isolierte Stoßpro~e8"e H
Il, 3, 1, 1. Anregung H
II. 3. 1. 2. Ionisierung 43
H. 3. 1. :~. Ionisicrung,wahrsdJeilllichkeit und höhere Ionisierungs-
stufen ,14
II, .3. L -1. Metastabilel5
11. :~. 2. J\Iengen('rscheinuugen 48
II. 3. 2,1. Träil:ernelltralisierllng (Rekomhiu3tion) ·19
11. L Konvektion"trömp in ral1mladungsheschwertell und raumladuugs-
f r"jeu En tlad\lngsgehif'tell 50
U.:;. Plasmatheorie 53
IL 6. Übergällg(' 59
11. 6. 1. ühergang,phänomeue an dpn riiumlichen Grenzen von Nieder·
drnckentladungen 60
TI. 6. 1, 1. Grenzwünde 60
H. 6. 1. 2. Diffnsion von Ladungsträgern 61
IL 6. 2. Elektroden .. '" . 6.')
11. 6. 3. Übergänge zwischen verschiedencll Entladungsznständen 66
IL 6 3, 1. Durchhruchsspannung 67
IL 7. Kathoden \lnd Elektronen-Emission 71
Ir, 7, 1. Kalte Kathoden "1
11. 7, 2. Gliihkathuden 72
IL 7. 3. Fleckkathoden au Metallol,erflächeu (flüssige MetalI-
kathoden) 7;>,
H, 7, 3, 1. Problematik 73
TL 7, 3, 2. Äußere Merkmale der F1eekkathode 7,1
TL 7 ..3 . :~. Erkliirun!(svcrRllclle des Emissions-Mechanismus 30
HI. Allgemeiiles Wirkungsbild der Nie>derdrUlK·Stromrichter-Gcfäße 81
III.1. Wirkllllgshild lind Schaltfllnktion~lJ 85
TH.~. Voriolli,atiollS'Illellen ll3
In. 2, 1. Kontinuierlich wirkend.. VI-Quellell 88
Tn, 2, 2. Alternierend wirkende VI-Quellen 39
111. :~. ülH'rtragllng der Vorionisation zn den Hanl'tanoden 92
11I, :~. I. Ionisations-Ü1lPrtragung bei kontinuierlicher Vi-Quelle ')2
I1L :1. 2. Tonisif'l'lIll!,s.Ohertragun!( hei alternierenden VI-Quellen 93
Ill. l. ~\I,·dillru der Enlladllngsstre<ke 95
IrT,I,1. Chemiq·h" Inaktivität 95
111,4,2. MediullJsdidlte 96
lII, -I, 3. Medinlllsabhäugigkeit der DurchbruchsspannungeIl 96
IILL -1. ~Jediulllsahhängigkeit der Entladungsverillste 98
Tn,I,5. l\Iischfiillnngen 98
I 11.1. (i. VakuullJhaitung 98
HI,5. Aufhau .In Stromrichter-GefäUe 101
IIl, 5. 1. Begleiterscheinungen lind ßehältprhau 101
111. S, 2. Techniscl... AusführnlJgcn 10'>
I !I, 5, 2, J. Kaltkathodensysterue 103
111, l, 2. 2. Glühkatho,lensystE'm" 105
IIL. S,:L FI",'kl_athodensysteme 109
lnhaltsvf'rzf'iehnis. IX
IV. Teclmisct.e Einzelheiten iiber NiederllrtH~-Stromrict.ter-Geräße, beson-
ders sol .. be mit l< led;.kathoden 111
IV, I. Die Quecksilher-Fle..kkathode III
IV, J, 1. Hg-Verdampfnn!!: und Dampfstrahlenverteilung 111
IV, J, 2. Wärmeabfuhr und mittlere Oherflächentempcratur 113
IV, 1, 3. Oherflächentemperaturen ],ei sprunghaften Laständerungen 115
IV, 1,1. Mittlere Temperatur eines hewegten Kathodenfleeb 119
IV, 1, 5. Konstruktive Ausgestaltung der Hg-Fle..kkathoden 120
IV, 1, 6. Kathodenühergangsgehiet (Kathodennachharschaft) 12:~
IV. 1, 7. Kathoden-V erl",tbilanzen 125
IV.2. Dampfraum. und Gefäß-Banforlllen 127
IV. 2, 1. "lf'hrullodige Stromrichter·Gefäße 127
IV, 2, I, 1. Stromrichter-Gefäße aus Gla, 127
IV, 2. 1, 2. Stromrichter-Ge fäHe ans Eisen 130
IV. 2. 2. Einanodcll-GefäBe 13t
IV, 2. 2, 1. I{!;lIitrons 1:>5
IV, 2, 2,2. Dauer"nq.>;te Einanod,'n·GefäBp 137
IV, 2, 3. Quantitativt, Dampfraulllhetrudltungen IJl
IV, 2, 3, 1. [)ampfdru,k ull(1 Dampfrlidlte IJJ
IV, 2, 3, 2. Kondensatioll un.1 KühlulI!,: H3
IV, 2, 3, 3. Dalllpfraunnolumell U')
H7
IV. 3. l. Strom lind StroIllverteilulIll, IJ7
IV, ."3, L 1. Radiale PotentialverteihlIlll, und Längsfeldstärkt'
der Sä nie I Hl
IV. 3. 1. 2. Träger-Driftgesd"vinJigkeit, Sälllen-Längsfeldstärk ..
und Trägerdidlte 119
IV, 3,1,3. Radiale StroIllverteilullg und mittlere Stromdi(·hte 152
IV, 3, l,t MedillIllsdidlte und Entladull!("u:Olll 152
IV, 3. 1. 4.1. Jouenverarmullg 15t
IV, :1, 2. Entladllugsstrom und Brellnsp:mnullgsahfall 158
IV, 3, 2. L Elltladllnpstre ..k e unt! CefäBwirkllngsgrad 158
IV, :~, 2. 2. Empirisch festgf'stellte Einfliis,,' auf die 13n'llll'
spallnung [59
IV, .1,2.3. Brenuspannul1!!:sverlauf iUllnt'rhalh ,'m." Anoden.
strom.lmpulses 160
IV, 3, 2,~. Vorallsbestimmun!!: des BrennsJlannungsabfalles 161
IV. 3, ."3. DaltlpftelllJlt'l"atllr III der Entladuu?"treck .. 162
IV, 3, ·1. ",,' alld"'iuflüsst' 164
IV, J, 5. M aguetisdlt' Einflü"" j 66
IV. :1, 5, l. Entlatiungsllf'einflu"llllg dllrdl äußere lllagnpti,.·I,,'
F\·lder 1(1)
IV. 3, 5, 2. Elltladllllgsheeinflussull!!" durch bogen ei gelle ma!!:nt··
tisdHl Felder 1(,(,
[nh,,[tsvt>rzeichnis.
Seilt"
IV,1. Das Allof["nsy-t"m 167
IV. 1. 1. Spanllllngsfestigkeit von Strolllrichter-Anoden 163
I V.1. 2. l; rsachen und Verlauf ,Ier IO/lisation im Anodenraum 169
IV. I, 2, 1. Restionisation 169
IV_!. 2. 2. Diffusion 171
IV, t, 2, 3. Einschleppung 17t
IY, t. 2, :l. ,~. Kondem'3 tionöStrömullgeu zwischen versdliedt>1l
warmen Gehieten 176
IV. 4.2.3, 13. Gelegentliches Ei"tret,," ,on Dampfstrahlen ins
Anodenge"iet laU
IV.f, ~, :3, y. Atmen der Anodenräume laI
IV. L 2. 3, (). Einhlasen aus anderen Anodenräumen 182
IV.l.3. Anodenraumionisation und t>rweitertes Durchhrudlsdia-
gramm für Hp:.Dampf 18:3
IV. 1. ,1. Rü .. k"trom lind Ionen-Bomhanlcult'nt 18;;
IV. 1.;:;. Konstruktive Ausgestaltung des Anodensystcllb und zeit
JidlCr Verlauf der Sp3nnullgsfestigkeit 1II der Sperrphas!' 189
IV, 1.;:;, J. Hochspannungsalloden I ("I
V. Betriehseigenschaften und 1.l'istungsvermiigen 200
V.1. Strom. und Spallnungsgrl'nzen 200
V.2. Schalteigellschaften 205
V. 2, 1. Zünden lIlIgLsteuerter Anoden 206
V. 2. 2. Zünden von gesteuerten Anoden 206
V,3. Erstzündanomalie 211
V,4. Gitter-Sperren 217
V. Öl. Lebensdauer von Stromridtter-Gefäßell 220
I. i t e rat Li r V" r z eie h n i ' 223
S a ,. h v f" r Z f i " h n i , ~31