CH650120A5 - Magnetfeldgenerator und verfahren zum betrieb desselben. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldgenerator mit Schutzwicklungen und supraleitenden Wicklungen und ein Verfahren zum Betrieb des Magnetfeldgenerators.

Seit kurzem werden bei Einrichtungen, wie Kernverschmelzungsanlagen und Teilchenbeschleunigern Magnetfeldgeneratoren mit supraleitenden Wicklungen angewendet. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Magnetfeldgenerators, der bei Kernverschmelzungsanlagen angewendet wird. Ein ringförmiger oder torusförmiger Vakuumbehälter 1, in welchem Plasma eingeschlossen ist, ist mit acht supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 versehen, die in gleichen Abständen zueinander um den Umfang des Behälters 1 gewickelt sind. Die supraleitende Wicklung 2 ist an eine Stromversorgungsschaltung 10 angeschlossen und wird von dieser gespeist. Die anderen Wicklungen sind ebenfalls an die Schaltung 10 angeschlossen, doch wurde auf eine Darstellung verzichtet.

Die Stromversorgungsschaltung kann wie in Fig. 2 dargestellt ist, ausgebildet sein. Die Bezugsziffer 11 bezeichnet eine Stromversorgung, bestehend aus einer Wechselstromquelle und einem Thyristorgleichrichter. Der von der Stromversorgung 11 abgegebene Gleichstrom wird über einen Leistungsschalter 12 an die supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 geführt. Die supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 sind parallel zu einem

Entladungswiderstand 13 geschalten. Die Wicklungen werden mit einem Supraleiter 15 hergestellt (Fig. 3), der aus einem supraleitenden Mittelleiter 16 und einem Aussenleiter 17 besteht. Der Aussenleiter 17 umschliesst den supraleitenden Mittelleiter 16 spulenförmig. Im supraleitenden Zustand fliesst der Strom durch den supraleitenden Mittelleiter 16,

wird aber die Durchschnittsleitfähigkeit des supraleitenden Mittelleiters 16 überschritten, überspringt ein Teil des Stromes vom Mittelleiter 16 auf den Aussenleiter 17 und fliesst durch diesen. Die supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 werden von einem nicht dargestellten Kühlmedium gekühlt.

Durch den supraleitenden Mittelleiter 16 kann ein bestimmter maximaler Strom oder Schwellenwertstrom fliessen, der von der Temperatur des supraleitenden Mittelleiters 16 und einem äusseren Magnetfeld abhängt. Wird wegen eines Temperaturanstieges oder einer Änderung des Magnetfeldes die Durchschnittsleitfähigkeit eines Teils des supraleitenden Mittelleiters überschritten, so springt ein Teil des vorher durch den supraleitenden Mittelleiter 16 fliessenden Stromes auf den Aussenleiter 17 über. Dieses Phänomen wird als Löschung bezeichnet. Das Auftreten der Löschung in den supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 führt zu einer ernsten Panne in der Kernverschmelzungsanlage. Die Panne kann durch die im Aussenleiter 17 erzeugte Stromwärme, durch Wärmeausdehnung oder Verdampfen des Kühlmediums,

durch Unterbrechung oder Durchbrennen der supraleitenden Wicklungen 2 bis 9 oder durch ähnliches verursacht werden, wenn kein ausreichender Schutz vorgesehen wird.

Bei einem bekannen Schutzsystem wird zum Schutze der supraleitenden Wicklung vor jeglicher Löschung ein Entladungswiderstand verwendet (Fig. 2). Beim Auftreten der Löschung in einer der supraleitenden Wicklungen 2 bis 9, z.B. in der Wicklung 2 wird bei diesem System der Leistungsschalter 12 sofort geöffnet, um die Wicklung 2 von der Stromversorgung 11 wegzuschalten, so dass der in der Wicklung vorhandene elektrische Strom über den Widerstand 13 abgeleitet und die Löschung der Spule 2 aufgehoben wird. Dieses bekannte Schutzsystem ist in dem Fall, wo der Magnetfeldgenerator nur eine einzelne supraleitende Wicklung aufweist, sehr einfach und wirtschaftlich. Wird dieses jedoch bei einer Anlage mit einer Anzahl von supraleitenden Wicklungen angewendet, ergeben sich die folgenden Probleme.

(1) Im Fall, wo die Löschung, z.B. in der supraleitenden Wicklung in der Anlage nach Fig. 4 auftritt und der in der supraleitenden Wicklung 2 fliessende Strom durch das Schutzsystem nach Fig. 2 schnell herabgesetzt wird, werden die in den anderen supraleitenden Wicklungen fliessenden Ströme wegen des konstanten Magnetflusses, das heisst bei gegenseitiger Induktion zwischen den supraleitenden Wicklungen sehr rasch erhöht und übersteigen manchmal den Schwellenwert. Mit anderen Worten die in einer der supraleitenden Wicklungen erzeugte Löschung wird sich progressiv über die anderen Wicklungen ausbreiten und birgt somit die Gefahr eines Ausfalls der gesamten Anlage in sich.

(2) Tritt die Löschung in einer supraleitenden Wicklung in einer Anlage mit einer Anzahl von supraleitenden Wicklungen nach Fig. 1 auf und wird der in der von der Löschung betroffenen Wicklung fliessende Strom reduziert, wird ein ungleichmässiges Magnetfeld erzeugt, so dass starke Kräfte auf die Wicklungen einwirken. Deshalb kann es zu einem ernsthaften Unterbruch in der Anlage kommen, ausser die einzelnen supraleitenden Wicklungen sind entsprechend abgestützt.

Ziel der Erfindung ist es, einen Magnetfeldgenerator zu schaffen, der sicher arbeitet und die von einer Lösung herrührenden nachteiligen Effekte herabsetzt.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht.

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Ein Verfahren zum Betrieb des Magnetfeldgenerators ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Löschung aufgehoben wird, während gleichzeitig die Schutzwicklungen erregt werden, um die Änderung des Magnetfeldes in dem Vakuumbehälter zu verringern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Fig. 4 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Magnetfeldgenerators,

Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Darstellung der Ausbildung und der Funktion eines Ausführungsbeispiels des Rechenschaltkreises von Fig. 4,

Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Funktion des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 4,

Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Darstellung der Ausführung und der Funktion eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rechenschaltkreises und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Magnetfeldgenerators.

Wie Fig. 4 zeigt, ist ein torusförmiger Vakuumbehälter 21 mit vier gleichmässig beabstandeten supraleitenden Wicklungen 22a, 22b, 22c und 22d, die um den Umfang des Vakuumbehälters gewickelt sind, und vier Schutzwicklungen 23a, 23b, 23c und 23d versehen, die in ähnlicher Weise um den Vakuumbehälter 21 gewickelt sind und im wesentlichen in der Mitte zwischen zwei supraleitenden Wicklungen angeordnet sind. Zwischen den benachbarten supraleitenden Wicklungen 22a bis 22d und den Schutzwicklungen 23a bis 23d sind ferner acht Magnetfelddetektoren 25a bis 25h angeordnet. Diese Magnetfelddetektoren 25a bis 25h müssen jedoch nicht zwischen den benachbarten Wicklungen angeordnet werden, wodurch die Anzahl der Magnetfelddetektoren verringert werden kann. Die einzelnen Wicklungen sind an entsprechende Thyristorwandler angeschlossen. Um die Darstellung in der Figur zu vereinfachen, wurden nur zwei Thyristorkonverter 26 und 27 dargestellt, die an die supraleitende Wicklung 22a bzw. die Schutzwicklung 23a angeschlossen sind. Diese Konverter 26 und 27 sind an einen Erregerschaltkreis angeschlossen, so dass die Wicklungen 22a und 23a durch diese Konverter 26 und 27 erregt werden. Die Magnetfelddetektoren 25a bis 25h tasten die Stärke des Magnetfeldes in den entsprechenden Abschnitten des Vakuumbehälters 21 ab und geben ein Ausgangssignal an einen Rechenschaltkreis 28 ab. Der Rechenschaltkreis 28 gibt Steuersignale an die Gatter der Thyristoren in den Konvertern 26 und 27 ab, um die abgetasteten Magnetfeldstärken auszugleichen. Die Ausführung und Funktion des Rechenschaltkreises 28 wird nun mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 ausführlich beschrieben.

Wie Fig. 5 zeigt, werden die Ausgangssignale (p]0 bis <p„o der entsprechenden Magnetfelddetektoren 26a bis 25h (wobei n gleich 8 für das vorliegende Ausführungsbeispiel ist)

addiert und die Summe wird durch n dividiert, um einen Mittelwert <po zu erhalten. Diese Berechnung nach der Formel n

<Po= — Ü<PiO

i = l wird in einer ersten Stufe I des Rechenschaltkreises 28 ausgeführt.

Tritt wegen des Auftretens einer Löschung in einer supraleitenden Wicklung zum Beispiel der Wicklung 22a eine Feldstärkenänderung Acp auf, wird durch eine zweite Stufe II eine Berechnung nach der Formel n

(A<p)2= S((pi-cpo):

i=l durchgeführt, um die Feldstärke cp; zu ermitteln, die durch jede Schutzwicklung eingestellt wird, um (A<p)2, herabzusetzen, das heisst die Differenz zwischen cp,- und (po oder das Magnetfeld <po im Normalzustand in q>j zum Zeitpunkt des Auftretens der Löschung zu ändern.

Ist cpi erzeugt, wird der durch die Schutzwicklungen 23a bis 23d zur Erzeugung dieses Feldes zu erzeugende Strom durch eine dritte Stufe III bestimmt und der zur Erzeugung des Stromes I; erforderliche Zündungswinkel cij des Thyristors wird durch eine vierte Stufe IV bestimmt. Der Zündungswinkel des Thyristorkonverters 27 wird auf den Winkel a-, eingestellt, der wie vorstehend beschrieben erhalten wird, um den berechneten Strom I, durch die Schutzwicklung 23a fliessen zu lassen.

Beim Auftreten der Löschung in einer supraleitenden Wicklung, z.B. in der Wicklung 22a wird der durch die Wicklung 22a fliessende Strom in der oben genannten Weise schnell reduziert, um die Löschung aufzuheben, während gleichzeitig durch die Schutzwicklungen 23a bis 23d ein Strom, der der Reduktion des Löschstromes entspricht, erzeugt wird, so dass die verbleibenden, unbeeinfiussten supraleitenden Wicklungen 22b bis 22d durch die in der Wicklung 22a auftretende Löschung nicht beeinflusst werden. Das heisst die von der Löschung betroffene supraleitende Wicklung 22a kann von der Anlage separiert werden, ohne dass sich die in dieser Wicklung auftretende Löschung auf die anderen Wicklungen ausbreiten und ein ungleichmässiges Magnetfeld das Plasma nachteilig beeinflussen kann. Nach dem Aufheben der Löschung wird die supraleitende Wicklung 22a wieder erregt, während der Strom durch die Schutzwicklung gedämpft wird und somit wird der Normalzustand wieder hergestellt.

Der vorstehend beschriebene Vorgang ist in Fig. 6 dargestellt. Wegen des Auftretens der Löschung in der supraleitenden Wicklung 22a zu einem Zeitpunkt ti wird der Strom in dieser Wicklung von diesem Zeitpunkt an verringert, wie dies durch eine ausgezogene Kurve a dargestellt ist, und zwar dadurch, dass der Konverter 26 als ein Inverter betrieben wird. Zum Zeitpunkt ti wird gleichzeitig die Schutzwicklung 23 erregt, so dass der durch diese fliessende Strom erhöht wird, wie das durch eine gestrichelte Kurve b dargestellt ist. Somit wird die Reduktion des durch die Wicklung 22a erzeugten Magnetfeldes mit dem durch die Wicklung 23a fliessenden Strom erzeugten Magnetfeld kompensiert, um den Einfluss der Löschung auf die anderen, unbeeinfiussten supraleitenden Wicklungen 22b bis 22d zu verringern. Nach dem Aufheben der Löschung zu einem Zeitpunkt t3 wird der in der supraleitenden Wicklung 22a fliessende Strom auf seinen Anfangswert angehoben, während der in der Schutzwicklung 23a fliessende Strom von diesem Zeitpunkt angedämpft wird. Von einem Zeitpunkt t4 an arbeitet das System wieder normal.

Während Fig. 6 die Stromkreise in der von der Löschung betroffenen Wicklung 22a und aus Gründen der Vereinfachung nur den in der Schutzwicklung 23a fliessenden Strom zeigt, werden selbst beim Auftreten der Löschung in einer der supraleitenden Wicklungen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, z.B. in der Wicklung 22a, wirklich alle supraleitenden Wicklungen 22a bis 22d und Schutzwicklungen 23a bis 23d gemeinsam gesteuert, um den Dauerbetrieb des Magnetfeldgenerators aufrechtzuerhalten und die nachteiligen Einflüsse auf das Plasma zu verringern. Insbesonders der Konverter 26 für die von der Löschung betroffene supraleitende Wicklung 22a wird sofort als Inverter betrieben, um den in der supraleitenden Wicklung 22a fliessenden Strom herabzusetzen, während die in den unbeeinfiussten, supraleitenden Wicklungen 22b bis 22d und in den Schutzwicklungen 23a bis 23d fliessenden Ströme gemeinschaftlich gesteuert werden, um so

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(Atp)2 = (<p — cpo)2

zu verringern; worin (po die mittlere Flussdichte vor dem Auftreten der Löschung und (p die Flussdichte nach dem Auftreten der Löschung darstellen.

Auf diese Weise ist es möglich einen Magnetfeldzustand aufrechtzuerhalten, der für das Plasma am besten ist, wobei die Induktanz der Wicklung, welche eine Last bildet, sehr klein ist, so dass die Steuerspannung sehr klein sein kann. Dies bedeutet, dass der Strom mittels Konvertern mit niedrigen Ausgangsspannungen rasch erhöht und verringert werden kann, was sehr wirtschaftlich ist.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem in den Strompfad vom Konverter 26 zur supraleitenden Wicklung 22a ein Stromwandler 31a und in den Strompfad vom Konverter 27 zur supraleitenden Wicklung 23a ein Stromwandler 32a vorgesehen ist. In diesem Fall übernimmt der Rechenschaltkreis 28a die Steuerung, um

(AI)2 = S(Ij —1,0)2

zu verringern, worin Ij0 der in jeder supraleitenden Wicklung 22a bis 22d vor dem Auftreten der Löschung fliessende Strom und Ii der nach dem Auftreten der Löschung fliessende Strom ist.

Auf diese Art und Weise kann der beste Betriebszustand an den supraleitenden Wicklungen 22a bis 22d aufrechterhalten werden.

Insbesondere wird der bei t = 0 in jeder supraleitenden Wicklung 22a bis 22d fliessende Strom von einer ersten Stufe I des Rechenschaltkreises 28a abgenommen. Tritt in einer supraleitenden Wicklung, z.B. in der Wicklung 22a bei t = ti die Löschung auf, wird der in dieser Wicklung fliessende Strom durch Anlegen der maximalen negativen Spannung der Spannungsversorgung für diese Wicklung wie in einer zweiten Stufe II berechnet herabgesetzt.

Danach wird in einer dritten Stufe III ein Strom I; zur Verringerung von (AI)2 gemäss der Gleichung n'

5 (AI)2 = S (Ii = Io)2

i=I

erzeugt, wobei Io der in den supraleitenden Wicklungen 22a bis 22d im Normalzustand fliessende Strom und n' die Gesamtzahl der vorhandenen Wicklungen ist.

io In einer vierten Stufe IV wird dann der Zündwinkel af des Thyristors, bei dem der Strom Ij durch die einzelnen Wicklungen 22a bis 22d und 23a bis 23d fliessen kann, eingestellt und die einzelnen Thyristoren in den Konvertern 26 und 27 werden entsprechend diesem Zündwinkel a; gesteuert. i5 Während bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ein torusförmiger Vakuumbehälter verwendet wird, Während bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ein torusförmiger Vakuumbehälter verwendet wird, kann wie Fig. 8 zeigt, auch ein gerader Vakuumbehälter 33 angewendet 20 werden. In der Fig. 8 sind die Teile, welche denen in der Fig. 4 dargestellten gleichen, mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden deshalb nicht weiter beschrieben.

Wie vorangehend beschrieben wurde, ist es bei dem Magnetfeldgenerator mit einer Mehrzahl von supraleitenden 25 Wicklungen, die auch eine Mehrzahl von Schutzwicklungen aufweisen, und mit Thyristorkonvertern für die supraleitenden Wicklungen und die Schutzwicklungen, so dass beim Auftreten der Löschung in einigen der supraleitenden Wicklungen die in den Wicklungen fliessenden Ströme gemeinsam 30 gesteuert werden, möglich, die Löschung in den betroffenen Wicklungen schnell aufzuheben und mit Thyristorkonvertern mit niedrigen Ausgangsspannungen den Normalbetriebszu-stand wieder herzustellen, sowie die nachteiligen Effekte auf die unbeeinfiussten Wicklungen und das Plasma herabzuset-35 zen. Somit.wird ein sehr wirtschaftlicher und zuverlässiger Magnetfeldgenerator geschaffen.

3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

650 120 PATENTANSPRÜCHE

1. Magnetfeldgenerator, gekennzeichnet durch einen Vakuumbehälter, eine Mehrzahl von supraleitenden Wicklungen, die um den Umfang des Vakuumbehälters gewickelt sind, eine Mehrzahl von Schutzwicklungen, die wie die supraleitenden Wicklungen um den Umfang des Vakuumbehälters gewickelt sind, und eine Steuereinrichtung, die durch das Auftreten einer Löschung in mindestens einer supraleitenden Wicklung in Betrieb gesetzt wird, wobei mittels dieser Steuereinrichtung der in der von der Löschung betroffenen Wicklung oder Wicklungen fliessende Strom reduziert und so die Löschung aufgehoben und gleichzeitig ein der Stromreduktion entsprechender Strom in der von der Löschung betroffenen Wicklung oder Wicklungen in den Schutzwicklungen erzeugt wird.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Wicklungen und die Schutzwicklungen abwechselnd an dem Vakuumbehälter angeordnet sind.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung einen Magnetfelddetektor, der am Umfang des Vakuumbehälters angeordnet ist, und einen Rechenschaltkreis aufweist, der auf eine Änderung des Ausgangssignals des Magnetfelddetektors anspricht, um ein Strombegrenzungssignal an das Gatter eines Thyristorwandlers oder von Thyristorwandlern, die an von der Löschung betroffenen supraleitenden Wicklung oder Wicklungen angeschlossen sind, anzulegen und gleichzeitig Gattersignale an die Thyristorwandler, die an die einzelnen Schutzwicklungen angeschlossen sind, anzulegen, so dass zur Kompensation für die Strombegrenzung in der von der Löschung betroffenen supraleitenden Wicklung oder Wicklungen ein Strom durch alle Schutzwicklungen fliessen kann.

4. Verfahren zum Betrieb des Generators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschung aufgehoben wird, während gleichzeitig die Schutzwicklungen erregt werden, um die Änderung des Magnetfeldes in dem Vakuumbehälter zu verringern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzwicklungen so erregt werden, dass die Änderung des durch alle supraleitenden Wicklungen fliessenden Stroms verringert wird.