DE102015015984A1

DE102015015984A1 - Highly dynamic active power determination in electrical equipment

Info

Publication number: DE102015015984A1
Application number: DE102015015984.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Hbm Netherlands BV
Current assignee: Hbm Netherlands BV
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur hochdynamischen Bestimmung der Wirkleistung einer elektrischen Einrichtung (3), insbesondere einer supraleitenden elektrischen Einrichtung, und eine Vorrichtung (4) zum Ausführen des Verfahrens. Die elektrische Einrichtung (3) ist eine mehrphasige elektrische Einrichtung und wird über einen mit einer Energiequelle oder -senke (1) verbundenen Stromrichter (2) mit einer Spannung, die eine frequenz- und amplitudenvariable Grundschwingung mit einer Grundschwingungsperiode T aufweist, versorgt oder führt dem Stromrichter (2) eine derartige Spannung zu. Die hochdynamische Wirkleistungsbestimmung ermöglicht eine schnelle Quench-Detektion ohne den Einsatz von zusätzlichen Sensoren und darüber hinaus die dynamische und genaue Bestimmung des Wirkungsgrads der elektrischen Einrichtung (3).The present invention relates to a method for highly dynamic determination of the active power of an electrical device (3), in particular a superconducting electrical device, and a device (4) for carrying out the method. The electrical device (3) is a multi-phase electrical device and is supplied via a connected to a power source or sink (1) power converter (2) with a voltage having a frequency and amplitude variable fundamental with a fundamental period T, supplies or leads to Power converter (2) such a voltage. The highly dynamic active power determination allows a quick quench detection without the use of additional sensors and beyond the dynamic and accurate determination of the efficiency of the electrical device (3).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur hochdynamischen Bestimmung der Wirkleistung einer elektrischen Einrichtung, insbesondere einer supraleitenden elektrischen Einrichtung, und eine Vorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens.The present invention relates to a method for highly dynamic determination of the active power of an electrical device, in particular a superconducting electrical device, and an apparatus for carrying out such a method.

Der Wirkungsgrad eines elektrischen Systems ist eine der wichtigsten Kenngrößen eines solchen Systems. Allgemein ist der Wirkungsgrad eines Systems das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung. Bei elektrischen Systemen wird als Leistung die sogenannte Wirkleistung ermittelt, welche den mittleren Energiefluss pro Zeiteinheit eines Systems charakterisiert. Gemäß der grundlegenden Definition

in DIN 40110-1:1994-03: Wechselstromgrößen; Zweileiter-Stromkreise, 03.1994 wird zyklisch der zeitliche Mittelwert der Augenblicksleistung (Produkt aus Spannung und Strom) gebildet, wobei als Periode für die Bildung des Mittelwerts die Grundschwingungsperiode T der elektrischen Wechselgrößen verwendet und ein stationär eingeschwungener Zustand des Systems vorausgesetzt wird.The efficiency of an electrical system is one of the most important characteristics of such a system. Generally, the efficiency of a system is the ratio of delivered to delivered power. In electrical systems, the so-called active power is determined as power, which characterizes the average energy flow per unit time of a system. According to the basic definition

in DIN 40110-1: 1994-03: AC variables; Two-wire circuits, 03.1994 is cyclically the time average of the instantaneous power (product of voltage and current) is formed, as a period for the formation of the average, the fundamental period T of the electrical variables used and a stationary steady state state of the system is assumed.

In verschiedenen elektrischen Systemen können Supraleiter eingesetzt werden, um Energieverluste durch ohmsche Widerstände zu vermeiden und dadurch den Wirkungsgrad zu steigern. Dabei geben neue Entwicklungen wie beispielsweise die im Jahr 2015 von Forschern des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz veröffentlichte Entdeckung, dass Schwefelwasserstoff (H₂S) unter Hochdruck schon bei –70°C supraleitend wird, Anlass zu der Hoffnung, dass in absehbarer Zeit sogar Supraleitung bei Raumtemperatur möglich sein wird. Dies würde die Nutzung des Supraleitungseffekts in nahezu jedem elektrischen System erlauben. Schon heute ist aber beispielsweise der Einsatz von Supraleitern in Magnetresonanztomographiesystemen, in elektrischen Maschinen wie Motoren oder Generatoren und für andere Anwendungen, bei denen man Supraleiter bereits mit vertretbarem technischem Aufwand verwenden kann, möglich.Superconductors can be used in various electrical systems in order to avoid energy losses through ohmic resistances and thereby increase the efficiency. New developments, such as the discovery published in 2015 by researchers from the Mainz Max Planck Institute for Chemistry and Johannes Gutenberg University Mainz, show that hydrogen sulfide (H ₂ S) under high pressure becomes superconducting at -70 ° C to the hope that in the foreseeable future even superconductivity at room temperature will be possible. This would allow the use of the superconducting effect in almost any electrical system. But already today, for example, the use of superconductors in magnetic resonance imaging systems, in electrical machines such as motors or generators and for other applications in which one can already use superconductors with reasonable technical effort, possible.

Supraleiter können aus verschiedenen Gründen ungewollt von ihrem supraleitenden in ihren normalleitenden Zustand übergehen. Dies kann beispielsweise bei einem Ausfall der Kühlung des Supraleiters oder einem anderen Störungsfall geschehen. Der dann auftretende abrupte Übergang von dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand wird auch als Quench bezeichnet. Die Normalleitung setzt meistens in einem Abschnitt des Supraleiters ein und breitet sich dann weiter aus. Durch den in dem normalleitenden Zustand des Supraleiters vorhandenen ohmschen Widerstand entstehen schnell hohe Spannungen und Temperaturen. In der Folge kann es zu Spannungsüberschlägen und einer Überhitzung des Supraleiters kommen, was letzten Endes zu einer Zerstörung des Supraleiters führen kann. Beim Einsatz eines Supraleiters gilt es daher, einen Quench und/oder seine negativen und unter Umständen fatalen Auswirkungen zu verhindern.Superconductors can unintentionally change from their superconducting to their normal conducting state for a variety of reasons. This can be done for example in case of failure of the cooling of the superconductor or another fault case. The then occurring abrupt transition from the superconducting state to the normal conducting state is also called quenching. The normal line usually starts in a section of the superconductor and then continues to expand. The ohmic resistance present in the normally conducting state of the superconductor quickly causes high voltages and temperatures. As a result, it can lead to voltage flashovers and overheating of the superconductor, which ultimately can lead to destruction of the superconductor. When using a superconductor, it is therefore necessary to prevent a quench and / or its negative and possibly fatal effects.

Es sind Maßnahmen bekannt, die dann, wenn ein Quench auftritt, seine negativen Folgen verhindern oder wenigstens abmildern. So kann beispielsweise der Supraleiter mit einer Normalleiterschicht, deren ohmscher Widerstand unterhalb des ohmschen Widerstands des Supraleiters in seinem normalleitenden Zustand liegt, umgeben sein oder es kann ein separater ohmscher Widerstand parallel zu dem Supraleiter geschaltet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass es in dem Fall des bereichsweisen Übergangs des Supraleiters von dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu einem Kurzschluss über die ihn umgebende Normalleiterschicht oder den separaten ohmschen Widerstand kommt und sich dadurch der Supraleiter nur langsam erwärmt. Allerdings erhöht sich die elektrische Zeitkonstante einer supraleitenden Spule durch einen parallel zu ihr geschalteten ohmschen Widerstand deutlich.Measures are known which, when a quench occurs, prevent or at least alleviate its negative consequences. For example, the superconductor may be surrounded by a normal conductor layer whose ohmic resistance is below the ohmic resistance of the superconductor in its normally conducting state, or a separate ohmic resistance may be connected in parallel to the superconductor. It can thereby be achieved that, in the case of the zone-wise transition of the superconductor from the superconducting to the normal conducting state, a short circuit occurs via the normal conductor layer surrounding it or the separate ohmic resistance, and the superconductor thereby heats up only slowly. However, the electrical time constant of a superconducting coil increases significantly by a resistor connected in parallel to it.

Es sind auch verschiedene Maßnahmen bekannt, um einen Quench zu detektieren. So kann z. B. mittels spezieller Sensoren die an dem Supraleiter anliegende Spannung, der durch den Supraleiter fließende Strom oder das durch den Supraleiter erzeugte Magnetfeld überwacht werden, um eine plötzliche Veränderung einer dieser Größen, die durch einen Quench bedingt sein kann, zu erkennen. Wenn auf diese Weise ein Quench detektiert wird, kann die Energieversorgung des Supraleiters unterbrochen werden, um negative Auswirkungen zu verhindern. Derartige Maßnahmen sind beispielsweise in dem Dokument US 3,336,526 A beschrieben. Bei diesem bekannten Ansatz sind jedoch immer zusätzliche Sensoren wie beispielsweise Voltmeter zur Überwachung der Spannung oder Hall-Sensoren zur Überwachung des Magnetfelds erforderlich.Various measures are also known to detect a quench. So z. Example, by means of special sensors monitoring the voltage applied to the superconductor, the current flowing through the superconductor or the magnetic field generated by the superconductor to detect a sudden change of one of these variables, which may be due to a quench. If a quench is detected in this way, the power supply of the superconductor can be interrupted to prevent negative effects. Such measures are for example in the document US 3,336,526 A described. In this known approach, however, additional sensors such as voltmeters for monitoring the voltage or Hall sensors for monitoring the magnetic field are always required.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Ausführung bereitzustellen, die bei einer supraleitenden elektrischen Einrichtung eine schnelle Quench-Detektion ohne den Einsatz von zusätzlichen Sensoren ermöglichen und darüber hinaus den Wirkungsgrad der elektrischen Einrichtung sehr dynamisch ermitteln können.It is the object of the invention to provide a method and a device for its execution, which allow for a superconducting electrical device rapid quench detection without the use of additional sensors and also can determine the efficiency of the electrical device very dynamically.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und der Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by the method according to independent claim 1 and the device according to independent claim 9. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

Nach Anspruch 1 werden bei einem Verfahren zur hochdynamischen Bestimmung einer Wirkleistung einer mehrphasigen elektrischen Einrichtung, die über einen Stromrichter mit einer Spannung, die eine frequenz- und amplitudenvariable Grundschwingung mit einer Grundschwingungsperiode T aufweist, versorgt wird oder dem Stromrichter eine derartige Spannung zuführt, Spannungen u_1i = u₁(i·T_ABTAST) bis u_xi = u_x(i·T_ABTAST) und Ströme i_1i = i₁(i·T_ABTAST) bis i_xi = i_x(i·T_ABTAST) der elektrischen Phasen für Zeitpunkte i·T_ABTAST gemessen, wobei x eine Anzahl der elektrischen Phasen ist und T_ABTAST eine Abtastzeit einer für die Messung verwendeten Messeinrichtung ist. Die gemessenen Spannungen u_1i bis u_xi und Ströme i_1i bis i_xi werden gespeichert. Augenblicksleistungen p_i = p(i·T_ABTAST) werden als jeweilige Summe der Produkte u_1i·i_1i bis u_xi·i_xi der gemessenen Spannungen und Ströme für den entsprechenden Zeitpunkt berechnet. Eine Schaltperiode T_S des Stromrichters wird ermittelt. Daraufhin wird eine Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung als Mittelwert der Augenblicksleistungen p_i zu Zeitpunkten innerhalb der Schaltperiode T_S bestimmt.According to claim 1, in a method for highly dynamic determination of an active power of a polyphase electrical device, which is supplied via a power converter with a voltage having a frequency and amplitude variable fundamental with a fundamental period T, is supplied to the power converter such a voltage, voltages u _1i = u ₁ (i * T _SAMPLE) to u _{x i} = u _x (i · T _SAMPLE) and currents i _{1 i} = i ₁ (i * T _SAMPLE) to i _{x i} = i _x (i · T _SAMPLE) of the electrical phases for times i · T _ABTAST , where x is a number of the electrical phases and T _{ABTAST is} a sampling time of a measuring device used for the measurement. The measured voltages u _1i to u _xi and currents i _1i to i _xi are stored. Instantaneous _powers p _i = p (i * T _SCAN ) are calculated as the respective sum of the products u _1i * i _1i to u _xi * i _{xi of} the measured voltages and currents for the corresponding _instant . A switching period T _{S of} the power converter is determined. Then, an active power P _{S of} the electrical device is determined as the mean value of the instantaneous power p _i at times within the switching period T _S.

Mit dem Verfahren kann bereits nach der Schaltperiode T_S des Stromrichters und somit sehr schnell eine Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung bestimmt werden. Da sich diese Wirkleistung bei einem Quench eines Supraleiters der elektrischen Einrichtung abrupt verändert, kann durch die Überwachung der Wirkleistung P_S ein Quench schnell genug detektiert werden, was mit der deutlich langsameren Wirkleistungsbestimmung gemäß der vorstehend erläuterten grundlegenden Definition nicht möglich ist. Dabei sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich, weil die ohnehin schon zum Zweck des Ermittelns des Wirkungsgrads der elektrischen Einrichtung bestimmte Wirkleistung P_S gleichzeitig auch für die Quench-Detektion genutzt wird.With the method, an active power P _{S of} the electrical device can be determined already after the switching period T _{S of} the power converter and thus very quickly. Since this active power abruptly changes with a quench of a superconductor of the electrical device, a quench can be detected quickly enough by monitoring the active power P _S , which is not possible with the significantly slower active power determination according to the basic definition explained above. In this case, no additional sensors are required because the already determined for the purpose of determining the efficiency of the electrical device active power P _{S is} also used for the quench detection.

Durch die Bestimmung der Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung nach der Schaltperiode T_S des Stromrichters und somit nach einem Bruchteil der Grundschwingungsperiode T ist es zudem möglich, den Wirkungsgrad der elektrischen Einrichtung sehr dynamisch zu bestimmen. Durch die schnelle Bestimmung der Wirkleistung P_S auf der Grundlage der Schaltperiode T_S des Stromrichters können auch abrupte Änderungen der Wirkleistung bei Arbeitspunktänderungen und Ausgleichsvorgängen erfasst werden. Ebenso können Transienten in der Augenblicksleistung p(t) erfasst werden, die bei der Wirkleistungsbestimmung gemäß der vorstehend erläuterten grundlegenden Definition, die nur für den stationär eingeschwungenen Zustand des elektrischen Systems gilt, nicht zu erkennen sind.By determining the active power P _{S of} the electrical device after the switching period T _{S of} the power converter and thus after a fraction of the fundamental oscillation period T, it is also possible to determine the efficiency of the electrical device very dynamically. By the rapid determination of the active power P _S on the basis of the switching period T _{S of} the power converter, it is also possible to detect abrupt changes in the active power during operating point changes and compensating processes. Likewise, transients in the instantaneous power p (t) can be detected, which can not be detected in the active power determination in accordance with the basic definition explained above, which applies only to the stationary steady state of the electrical system.

Es lässt sich zudem nachweisen, dass in dem stationär eingeschwungenen Zustand und unter der idealen Annahme einer unendlich hohen Schaltfrequenz eines mit Sinus-Pulsweitenmodulation betriebenen Stromrichters die basierend auf der Schaltperiode T_S des Stromrichters bestimmte Wirkleistung P_S mit der basierend auf der Grundschwingungsperiode T bestimmten Wirkleistung P gemäß der vorstehend erläuterten grundlegenden Definition übereinstimmt. Somit ist mit dem Verfahren eine sowohl dynamische als auch genaue Bestimmung der Wirkleistung der elektrischen Einrichtung möglich.In addition, it can be demonstrated that in the stationary steady state and under the ideal assumption of an infinitely high switching frequency of a sine-pulse width modulation operated converter, the effective power P _S determined based on the switching period T _{S of} the power converter with the effective power determined based on the fundamental oscillation period T. P matches according to the basic definition explained above. Thus, with the method a dynamic as well as accurate determination of the active power of the electrical device is possible.

Die Übereinstimmung mit der basierend auf der Grundschwingungsperiode T bestimmten Wirkleistung P in dem stationär eingeschwungenen Zustand unter der beschriebenen idealen Annahme gilt auch für eine Bestimmung der Wirkleistung P_S über ein ganzzahliges Vielfaches der Schaltperiode T_S des Stromrichters. Abweichungen von der Schaltperiode T_S oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben bei der Bestimmung der Wirkleistung P_S führen jedoch zu einer zunehmend geringeren Übereinstimmung. Wenn die möglichst dynamische und zugleich auch möglichst genaue Bestimmung der Wirkleistung gewünscht ist, wird daher in der Regel die Wirkleistung P_S für genau eine Schaltperiode T_S des Stromrichters bestimmt, d. h. als Mittelwert aller Augenblicksleistungen für Zeitpunkte in der Schaltperiode T_S.The agreement with the effective power P determined in the stationary steady state under the ideal assumption described based on the fundamental oscillation period T also applies to a determination of the active power P _S over an integer multiple of the switching period T _{S of} the power converter. However, deviations from the switching period T _s or an integral multiple thereof in the determination of the active power P _s lead to an increasingly smaller match. If the most dynamic and at the same time as accurate as possible determination of the active power is desired, therefore, the effective power P _{S is determined} for exactly one switching period T _{S of} the power converter, ie as the average of all instantaneous power for times in the switching period T _S.

Nach Anspruch 2 ist die elektrische Einrichtung eine elektrische Einrichtung mit einem Supraleiter und die bestimmte Wirkleistung P_S wird analysiert, um einen Übergang des Supraleiters von dem supraleitenden Zustand zu dem normalleitenden Zustand in zumindest einem Teil des Supraleiters zu detektieren. Wenn ein Übergang in den normalleitenden Zustand detektiert wird, dann wird ein Energiefluss zwischen der elektrischen Einrichtung und dem Stromrichter unterbrochen. Wie vorstehend beschrieben können sehr schnell eine Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung bestimmt und somit auch ein Quench des Supraleiters erkannt werden. Durch die daraufhin erfolgende Unterbrechung des Energieflusses zwischen der elektrischen Einrichtung und dem Stromrichter kann eine Zerstörung des Supraleiters verhindert werden.According to claim 2, the electrical device is an electrical device with a superconductor and the determined active power P _S is analyzed to detect a transition of the superconductor from the superconducting state to the normal conducting state in at least a part of the superconductor. If a transition to the normal conducting state is detected, then a flow of energy between the electrical device and the power converter is interrupted. As described above, it is possible very quickly to determine an active power P _{S of} the electrical device and thus also to detect a quench of the superconductor. The subsequent interruption of the energy flow between the electrical device and the power converter, a destruction of the superconductor can be prevented.

Nach Anspruch 3 wird in dem Schritt des Ermittelns die Schaltperiode T_S auf der Grundlage des Verlaufs einer Ausgangsspannung des Stromrichters für eine der elektrischen Phasen ermittelt. Somit wird eine ohnehin im Zusammenhang mit der Wirkleistungsbestimmung gemessene Größe gleichzeitig auch für die Ermittlung der Schaltperiode T_S herangezogen.According to claim 3, in the step of determining the switching period T _{S is determined} on the basis of the course of an output voltage of the power converter for one of the electrical phases. Thus, a quantity measured in any case in connection with the determination of the active power is simultaneously used for the determination of the switching period T _S.

Nach Anspruch 4 gilt T_S ≤ T/5, d. h. die Dauer der Schaltperiode T_S beträgt höchstens 20% der Dauer der Grundschwingungsperiode T bzw. die Schaltfrequenz des Stromrichters ist mindestens fünfmal so groß wie die Frequenz der Grundschwingung. Schon bei einer in der Praxis kaum vorkommenden Schaltfrequenz des Stromrichters in dieser Größenordnung ist eine deutlich schnellere Wirkleistungsbestimmung, die für die Quench-Detektion und die Erfassung abrupter Wirkleistungsänderungen ausreicht, möglich. According to claim 4 T _S ≤ T / 5, ie the duration of the switching period T _S is at most 20% of the duration of the fundamental period T or the switching frequency of the converter is at least five times as large as the frequency of the fundamental. Already at a hardly occurring in practice switching frequency of the power converter of this magnitude is a much faster active power determination, which is sufficient for the quench detection and the detection of abrupt changes in active power, possible.

Nach Anspruch 5 gilt T_S ≤ T/100, d. h. die Dauer der Schaltperiode T beträgt höchstens 1% der Dauer der Grundschwingungsperiode T bzw. die Schaltfrequenz des Stromrichters ist mindestens hundertmal so groß wie die Frequenz der Grundschwingung. Bei einer Schaltfrequenz des Stromrichters in dieser Größenordnung sind eine noch schnellere Quench-Detektion und eine Erfassung noch dynamischerer Wirkleistungsänderungen möglich.According to claim 5 T _S ≤ T / 100, ie the duration of the switching period T is at most 1% of the duration of the fundamental period T or the switching frequency of the converter is at least one hundred times as large as the frequency of the fundamental. With a switching frequency of the power converter of this order of magnitude, even faster quench detection and detection of even more dynamic active power changes are possible.

Nach Anspruch 6 wird die bestimmte Wirkleistung P_S analysiert, um eine Transiente in der Augenblicksleistung p(t) zu detektieren. Wird eine solche Transiente erkannt, dann wird ein bei ihr erreichter Leistungsspitzenwert ermittelt. Daraufhin wird bestimmt, ob der erreichte Leistungsspitzenwert einen Grenzwert für eine kurzzeitige Maximalleistung überschreitet. Auf diese Weise können auch Transienten, die zu Maximalleistungsüberschreitungen führen und bei der Wirkleistungsbestimmung auf der Grundlage der Grundschwingungsperiode T nicht erkennbar sind, erfasst werden. Dies ermöglicht es, derartige Belastungsüberschreitungen, die ebenso wie andere Belastungsüberschreitungen zu Schäden an verschiedenen Systemkomponenten führen können, mit zu berücksichtigen.According to claim 6, the determined active power P _{S is} analyzed to detect a transient in the instantaneous power p (t). If such a transient is detected, then a peak power achieved with it is determined. It is then determined whether the achieved peak power exceeds a short-term maximum power limit. In this way, it is also possible to detect transients which lead to maximum power overshoots and can not be detected in the active power determination on the basis of the fundamental oscillation period T. This makes it possible to take into account such excess loads, which, like other load overshoots, can lead to damage to various system components.

Nach Anspruch 7 wird die bestimmte Wirkleistung P_S analysiert, um einen Übergang zwischen unterschiedlichen Arbeitspunkten der elektrischen Einrichtung zu detektieren. Der detektierte Übergang wird dann bei der Regelung der Wirkleistung der elektrischen Einrichtung berücksichtigt. Dadurch können die Dynamik und die Regelgüte verbessert werden.According to claim 7, the determined active power P _{S is} analyzed to detect a transition between different operating points of the electrical device. The detected transition is then taken into account in the regulation of the active power of the electrical device. As a result, the dynamics and the quality of the control can be improved.

Nach Anspruch 8 werden die Verfahrensschritte zyklisch wiederholt. Somit können die Wirkleistung P_S kontinuierlich neu bestimmt und die auf ihr basierenden Analysen immer aktuell gehalten werden.According to claim 8, the process steps are repeated cyclically. Thus, the active power P _{S can} continuously be redetermined and the analyzes based on it can be kept up to date.

Die Vorrichtung nach Anspruch 9 zum Ausführen des Verfahrens weist die gleichen Vorteile auf wie das Verfahren selbst, wobei diese Vorteile bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind. Dies gilt auch für das System nach Anspruch 10 unter Einbeziehung der Vorrichtung.The device according to claim 9 for carrying out the method has the same advantages as the method itself, these advantages being described above in connection with the method. This also applies to the system according to claim 10 including the device.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment in conjunction with schematic drawings. Show it:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines elektrischen Systems; und 1 a simplified block diagram of an electrical system; and

2 ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur hochdynamischen Bestimmung der Wirkleistung einer elektrischen Einrichtung. 2 a flowchart with steps of a method for highly dynamic determination of the active power of an electrical device.

1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines elektrischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Energiequelle oder -senke 1, einen Stromrichter 2 mit einer Schaltfrequenz f_S und einer Schaltperiode T_S, eine elektrische Einrichtung 3 und eine Verarbeitungseinrichtung 4 umfasst. Es handelt sich um ein mehrphasiges System mit elektrischen Phasen 1 bis x, beispielsweise um das bekannte Dreiphasensystem. Die elektrische Einrichtung 3 ist somit auch eine mehrphasige elektrische Einrichtung. 1 shows a simplified block diagram of an electrical system according to an embodiment, the energy source or sink 1 , a power converter 2 with a switching frequency f _S and a switching period T _S , an electrical device 3 and a processing device 4 includes. It is a multi-phase system with electrical phases 1 to x, for example, the known three-phase system. The electrical device 3 is thus also a multi-phase electrical device.

Bei der elektrischen Einrichtung 3 kann es sich um eine Spule, eine elektrische Maschine wie beispielsweise einen elektrischen Antrieb (Elektromotor und unter Umständen auch Getriebe) oder einen Generator, oder eine andere elektrische Komponente handeln, wobei die elektrische Einrichtung 3 vorzugsweise einen Supraleiter aufweist. Je nachdem fließt elektrische Energie von der Energiequelle oder -senke 1 über den Stromrichter 2 zu der elektrischen Einrichtung 3 oder umgekehrt, was durch Doppelpfeile zwischen der Energiequelle oder -senke 1 und dem Stromrichter 2 sowie zwischen dem Stromrichter 2 und der elektrischen Einrichtung 3 dargestellt ist. In dem ersteren Fall kommt eine Energiequelle 1 zum Einsatz, und der Stromrichter 2 erzeugt aus der von ihr gelieferten elektrischen Energie eine Spannung, die eine frequenz- und amplitudenvariable Grundschwingung mit einer Grundschwingungsperiode T aufweist, und führt diese der elektrischen Einrichtung 3 zu. In dem letzteren Fall kommt eine Energiesenke 1 zum Einsatz, und ihr wird von dem Stromrichter 2 die elektrische Energie zugeführt, welche dieser aus einer von der elektrischen Einrichtung 3 gelieferten derartigen Spannung erzeugt.In the electrical device 3 it may be a coil, an electric machine such as an electric drive (electric motor and possibly also gear) or a generator, or another electrical component, wherein the electrical device 3 preferably has a superconductor. Depending on how electrical energy flows from the energy source or sink 1 over the power converter 2 to the electrical device 3 or conversely, by double arrows between the energy source or sink 1 and the power converter 2 as well as between the power converter 2 and the electrical device 3 is shown. In the former case comes an energy source 1 used, and the power converter 2 generates from the electrical energy supplied by it a voltage having a frequency and amplitude variable fundamental with a fundamental period T, and supplies them to the electrical device 3 to. In the latter case comes an energy sink 1 to use, and you will from the power converter 2 the electrical energy supplied, which this from one of the electrical device 3 supplied such voltage generated.

Die Schaltfrequenz f_S des Stromrichters 2 ist mindestens fünfmal so groß wie die Frequenz der Grundschwingung und in der Regel mindestens hundertmal so groß wie die Frequenz der Grundschwingung oder sogar noch deutlich größer, so dass seine Schaltperiode T_S immer erheblich kürzer ist als die Grundschwingungsperiode T der Grundschwingung. Der Stromrichter 2 kann beispielsweise ein Frequenzumrichter sein.The switching frequency f _{S of} the converter 2 is at least five times the frequency of the fundamental, and usually at least one hundred times the frequency of the fundamental, or even significantly larger, so that its switching period T _{S is} always considerably shorter than the fundamental period T of the fundamental. The power converter 2 may be, for example, a frequency converter.

In der Verarbeitungseinrichtung 4 oder auch in dem Stromrichter 2 kann eine nicht in 1 dargestellte Messeinrichtung integriert sein. Diese kann ebenso als separates Element vorgesehen sein. Eine durchgezogene Linie zwischen der Verarbeitungseinrichtung 4 und dem Stromrichter 2 sowie eine gestrichelte Linie zwischen der Verarbeitungseinrichtung 4 und dem den Stromrichter 2 und die elektrische Einrichtung 3 verbindenden Doppelpfeil symbolisieren einerseits, dass die Verarbeitungseinrichtung 4 bzw. eine darin integrierte Messeinrichtung direkt von dem Stromrichter 2 stammende Messwerte und/oder an der Verbindung von Stromrichter 2 und elektrischer Einrichtung 3 auftretende Messwerte wie Spannungs- und Stromwerte erfassen kann. Diese beiden Linien symbolisieren andererseits auch, dass Steuersignale von der Verarbeitungseinrichtung 4 dem Stromrichter 2 und/oder nicht in 1 dargestellten Elementen an der Verbindung zwischen dem Stromrichter 2 und der elektrischen Einrichtung 3 zugeführt werden können, um z. B. den Energiefluss zu oder von der elektrischen Einrichtung 3 mittels entsprechender Schaltelemente wie beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) zu unterbrechen.In the processing facility 4 or in the power converter 2 can not one in 1 be integrated measuring device shown. This can also be provided as a separate element. A solid line between the processing device 4 and the power converter 2 and a dashed line between the processing device 4 and the converter 2 and the electrical device 3 connecting double arrow symbolize on the one hand that the processing device 4 or an integrated measuring device directly from the power converter 2 derived measured values and / or at the connection of power converters 2 and electrical equipment 3 can record measured values such as voltage and current values. On the other hand, these two lines also symbolize that control signals from the processing device 4 the power converter 2 and / or not in 1 represented elements on the connection between the power converter 2 and the electrical device 3 can be supplied to z. B. the flow of energy to or from the electrical device 3 to interrupt by means of appropriate switching elements such as metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs).

Bei der Verarbeitungseinrichtung 4 kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung wie ein Modul eines Messdatenerfassungssystems, einen Mikrocontroller oder eine ähnliche Vorrichtung handeln. Die Verarbeitungseinrichtung 4 kann z. B. ein Echtzeitmodul eines Messdatenerfassungssystems sein. Sie muss nicht als separates Element oder Teil eines separaten Messdatenerfassungssystems vorhanden sein wie beispielhaft in 1 dargestellt, sondern kann auch in dem Stromrichter 2 oder einer anderen Komponente des elektrischen Systems gemäß dem Ausführungsbeispiel integriert sein. Sie verarbeitet Werte wie beispielsweise die von der Messeinrichtung gelieferten Messwerte, wobei dies in Echtzeit geschehen kann. Sie kann Steuersignale erzeugen, was ebenfalls in Echtzeit möglich ist. Die Verarbeitungseinrichtung 4 kann auch dazu in der Lage sein, Messwerte und verarbeitete Werte zwischenzuspeichern oder dauerhaft zu speichern, wobei diese Speicherung ebenso an einem anderen Ort erfolgen kann.At the processing facility 4 it may, for example, be a device such as a module of a measurement data acquisition system, a microcontroller or a similar device. The processing device 4 can z. B. be a real-time module of a measurement data acquisition system. It does not have to exist as a separate element or part of a separate measurement data acquisition system as exemplified in FIG 1 but also in the power converter 2 or another component of the electrical system according to the embodiment. It processes values such as the measured values provided by the measuring device, which can be done in real time. It can generate control signals, which is also possible in real time. The processing device 4 may also be able to cache readings and processed values or to store them permanently, which storage may also be done elsewhere.

2 zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur hochdynamischen Bestimmung einer Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung 3. In einem Schritt S1 werden Spannungen u_1i = u₁(i·T_ABTAST) bis u_xi = u_x(i·T_ABTAST) und Ströme i_1i = i₁(i·T_ABTAST) bis i_xi = i_x(i·T_ABTAST) der elektrischen Phasen 1 bis x für Zeitpunkte i·T_ABTAST gemessen, wobei T_ABTAST eine Abtastzeit der für die Messung verwendeten Messeinrichtung ist. In einem Schritt S2 werden die gemessenen Spannungen u_1i bis u_xi und Ströme i_1i bis i_xi gespeichert, wobei es sich um eine dauerhafte oder eine temporäre Speicherung handeln kann. Die Speicherung oder Zwischenspeicherung der Werte kann in einem Speicher in der Verarbeitungseinrichtung 4 oder an einem anderen Ort erfolgen. In einem Schritt S3 werden Augenblicksleistungen p_i = p(i·T_ABTAST) für jeden Zeitpunkt i·T_ABTAST als jeweilige Summe der Produkte u_1i·i_1i bis u_xi·i_xi der für den entsprechenden Zeitpunkt gemessenen Spannungen und Ströme berechnet, was in der Verarbeitungseinrichtung 4 geschehen kann. In einem Schritt S4 wird die Schaltperiode T_S des Stromrichters 2 ermittelt, was beispielsweise auf der Grundlage des Verlaufs einer Ausgangsspannung des Stromrichters 2 für eine der elektrischen Phasen 1 bis x geschehen kann. Es kann z. B. auf den Nulldurchgang einer der Spannungen u₁(t) bis u_x(t) oder eine andere Spannung zwischen einer der elektrischen Phasen und einem geeigneten Referenzpunkt wie beispielsweise dem Sternpunkt der elektrischen Einrichtung 3 oder einem Bezugspunkt an der Energiequelle oder -senke 1 abgestellt werden. In einem Schritt S5 wird dann die Wirkleistung P_S der elektrischen Einrichtung 3 als zeitlicher Mittelwert der Augenblicksleistungen p_i zu Zeitpunkten innerhalb der Schaltperiode T_S, d. h. für i ∊ [1, T_S/T_ABTAST], bestimmt. Dies wird für jede weitere Schaltperiode T_S erneut durchgeführt. Bei entsprechender Auslegung der Verarbeitungseinrichtung 4 können alle Schritte S1 bis S5 durch die Verarbeitungseinrichtung 4 ausgeführt werden. 2 shows a flowchart with steps of a method for highly dynamic determination of an active power P _{S of} the electrical device 3 , In a step S1, voltages u _1i = u ₁ (i · T _SCAN ) to u _xi = u _x (i · T _SCAN ) and currents i _1i = i ₁ (i · T _SCAN ) to i _xi = i _x (i T _ABTAST ) of the electrical phases 1 to x for times i · T _ABTAST , where T _{ABTAST is} a sampling time of the measuring device used for the measurement. In a step S2, the measured voltages u _1i to u _xi and currents i _1i to i _xi are stored, which may be a permanent or a temporary storage. The storage or caching of the values may be in a memory in the processing device 4 or at another location. In a step S3 instantaneous services are p _i = p to u _{x i} x i _{x i} calculates (i · T _SAMPLE) for each time point i · T _ABTAST as respective sum of the products u _1i · i _{1 i} measured for the corresponding time voltages and currents, what in the processing facility 4 can happen. In a step S4, the switching period T _{S of} the power converter 2 determined, for example, based on the course of an output voltage of the converter 2 for one of the electrical phases 1 to x can happen. It can, for. B. to the zero crossing of one of the voltages u ₁ (t) to u _x (t) or another voltage between one of the electrical phases and a suitable reference point such as the neutral point of the electrical device 3 or a reference point at the power source or sink 1 be turned off. In a step S5 then the active power P _{S of} the electrical device 3 as the time average of the instantaneous power p _i at times within the switching period T _S , ie for i ε [1, T _S / T _SCAN ]. This is done again for each additional switching period T _S. With appropriate design of the processing device 4 can all steps S1 to S5 by the processing device 4 be executed.

In einem Schritt S6 wird die bestimmte Wirkleistung P_S analysiert, um einen Übergang des Supraleiters der elektrischen Einrichtung 3 von dem supraleitenden Zustand zu dem normalleitenden Zustand in zumindest einem Teil des Supraleiters zu detektieren. In einem Schritt S7 wird dann, wenn ein Übergang in den normalleitenden Zustand detektiert wird, ein Energiefluss zwischen dem Stromrichter 2 und der elektrischen Einrichtung 3 unterbrochen. Diese Schritte werden dann ausgeführt, wenn die elektrische Einrichtung 3 einen Supraleiter aufweist. Die Analyse und die Steuerung der Unterbrechung des Energieflusses können durch die Verarbeitungseinrichtung 4 erfolgen, wobei die eigentliche Unterbrechung des Energieflusses über die vorstehend erwähnten Schaltelemente wie beispielsweise MOSFETs realisiert werden kann.In a step S6, the determined active power P _{S is} analyzed to a transition of the superconductor of the electrical device 3 from the superconducting state to the normal conducting state in at least a part of the superconductor. In a step S7, when a transition to the normal conducting state is detected, an energy flow between the power converter 2 and the electrical device 3 interrupted. These steps are then performed when the electrical device 3 has a superconductor. The analysis and the control of the interruption of the energy flow can be performed by the processing device 4 take place, wherein the actual interruption of the flow of energy via the aforementioned switching elements such as MOSFETs can be realized.

In einem Schritt S8 wird die bestimmte Wirkleistung P_S analysiert, um eine Transiente in der Augenblicksleistung p(t) zu detektieren. In dem Schritt S9 wird ein bei der detektierten Transiente erreichter Leistungsspitzenwert ermittelt. Daraufhin wird in einem Schritt S10 bestimmt, ob der erreichte Leistungsspitzenwert einen Grenzwert für eine kurzzeitige Maximalleistung überschreitet. Diese Schritte können durch die Verarbeitungseinrichtung 4 ausgeführt werden. Sie sind nur dann erforderlich, wenn eine Überwachung der Überschreitung des Grenzwerts gewünscht wird, um z. B. mögliche Schäden an den elektrischen Komponenten durch eine derartige Überschreitung verhindern oder zumindest frühzeitig erkennen zu können.In a step S8, the determined active power P _{S is} analyzed to detect a transient in the instantaneous power p (t). In step S9, a peak power reached at the detected transient is detected. Thereafter, in a step S10, it is determined whether the achieved peak power exceeds a short-time maximum power limit. These steps may be performed by the processing device 4 be executed. They are only required if monitoring of the exceedance of the limit value is desired, for. B. prevent possible damage to the electrical components by such excess or at least be able to detect early.

In einem Schritt S11 wird die bestimmte Wirkleistung P_S analysiert, um einen Übergang zwischen unterschiedlichen Arbeitspunkten der elektrischen Einrichtung 3 zu detektieren. In einem Schritt S12 wird die Wirkleistung der elektrischen Einrichtung 3 unter Berücksichtigung des detektierten Übergangs geregelt. Die Analyse und die Regelung können durch die Verarbeitungseinrichtung 4 erfolgen. Sie müssen nicht immer durchgeführt werden, sondern nur dann, wenn die Wirkleistung geregelt werden soll. In a step S11, the determined active power P _{S is} analyzed to provide a transition between different operating points of the electrical device 3 to detect. In a step S12, the active power of the electrical device 3 regulated taking into account the detected transition. The analysis and control can be performed by the processing device 4 respectively. They do not always have to be carried out, but only if the active power is to be regulated.

Die vorstehend beschriebenen Schritte können komplett oder teilweise zyklisch wiederholt werden. Ebenso können zwischen oder nach diesen Schritten noch weitere Schritte ausgeführt werden, die nicht im Einzelnen beschrieben sind.The steps described above can be repeated completely or partially cyclically. Likewise, additional steps can be performed between or after these steps, which are not described in detail.

Zusammenfassend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur hochdynamischen Bestimmung der Wirkleistung einer elektrischen Einrichtung 3, insbesondere einer supraleitenden elektrischen Einrichtung, und eine Vorrichtung 4 zum Ausführen des Verfahrens. Die elektrische Einrichtung 3 ist eine mehrphasige elektrische Einrichtung und wird über einen mit einer Energiequelle oder -senke 1 verbundenen Stromrichter 2 mit einer Spannung, die eine frequenz- und amplitudenvariable Grundschwingung mit einer Grundschwingungsperiode T aufweist, versorgt oder führt dem Stromrichter 2 eine derartige Spannung zu. Die hochdynamische Wirkleistungsbestimmung ermöglicht eine schnelle Quench-Detektion ohne den Einsatz von zusätzlichen Sensoren und darüber hinaus die dynamische und genaue Bestimmung des Wirkungsgrads der elektrischen Einrichtung 3.In summary, the present invention relates to a method for the highly dynamic determination of the active power of an electrical device 3 , in particular a superconducting electrical device, and a device 4 to carry out the procedure. The electrical device 3 is a multi-phase electrical device and is powered by one with a power source or sink 1 connected power converters 2 with a voltage having a frequency and amplitude variable fundamental with a fundamental period T supplies or leads to the power converter 2 such a voltage too. The highly dynamic active power determination allows a quick quench detection without the use of additional sensors and beyond the dynamic and accurate determination of the efficiency of the electrical device 3 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3336526 A [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN 40110-1: 1994-03: AC variables; Two-wire circuits, 03.1994 [0002]

Claims

Method for the highly dynamic determination of an active power of a multiphase electrical device ( 3 ), which have a converter ( 2 ) is supplied with a voltage having a frequency and amplitude variable fundamental with a fundamental period T, is supplied to the power converter ( 2 ) supplies such voltage, the method comprising the steps of: measuring (S1) voltages u _1i = u ₁ (i * T _SCAN ) to u _xi = u _x (i * T _SCAN ) and currents i _1i = i ₁ (i · T _SCAN ) to i _xi = i _x (i · T _SCAN ) of the electrical phases for times i · T _ABTAST , where x is a number of electrical phases and T _{ABTAST is} a sampling time of a measuring device used for the measurement; - storing (S2) the measured voltages u _1i to u _xi and currents i _1i to i _xi ; Calculating (S3) instantaneous _powers p _i = p (i * T _SCOTTER ) as the respective sum of the products u _1i * i _1i to u _xi * i _{xi of} the measured voltages and currents for the corresponding _instant ; Determining (S4) a switching period T _{S of} the power converter ( 2 ); and determining (S5) an active power P _{S of} the electrical device ( 3 ) as the mean value of the instantaneous powers p _i at times within the switching period T _s .

Method according to one of the preceding claims, wherein the electrical device ( 3 ) is an electrical device having a superconductor and the following steps are performed: - analyzing (S6) the determined active power P _S to detect a transition of the superconductor from the superconducting state to the normal conducting state in at least a part of the superconductor; and - interrupting (S7) an energy flow between the power converter ( 2 ) and the electrical device ( 3 ) when a transition to the normal conducting state is detected.

Method according to one of the preceding claims, wherein in the step of determining (S4) the switching period T _S on the basis of the course of an output voltage of the power converter ( 2 ) is determined for one of the electrical phases.

Method according to one of the preceding claims, wherein T _S ≤ T / 5 applies.

Method according to one of the preceding claims, wherein T _S ≤ T / 100 applies.

Method according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - analyzing (S8) the determined active power P _S for detecting a transient in the instantaneous power p (t); - determining (S9) a peak power reached at the detected transient; and determining (S10) whether the achieved power peak exceeds a short-time maximum power limit.

Method according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - analyzing (S11) the determined active power P _S for detecting a transition between different operating points of the electrical device ( 3 ); and - rules (S12) of the active power of the electrical device ( 3 ) taking into account the detected transition.

Method according to one of the preceding claims, wherein method steps are repeated cyclically.

Contraption ( 4 ) for carrying out a method according to one of the preceding claims.

System with an energy source or sink ( 1 ), a power converter ( 2 ), an electrical device ( 3 ) and a device ( 4 ) according to claim 9.