DE1238098B

DE1238098B - Verfahren zum Auferregen einer supraleitenden Magnetspule

Info

Publication number: DE1238098B
Application number: DES91608A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-06-19
Filing date: 1964-06-19
Publication date: 1967-04-06
Also published as: FR1437233A; GB1098602A; NL6506291A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIf

Deutsche KL: 21g-1/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S 91608 VIII c/21g
19. Juni 1964
6. April 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auferregen einer supraleitenden Magnetspule, zu deren Windungen wenigstens ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist.

Das Parallelschalten von ohmschen Widerständen zu einer supraleitenden Magnetspule dient dazu, die durch den sprunghaften Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bedingten schädlichen Auswirkungen zu mildern. Zum Auferregen von geshunteten Magnetspulen hat man die Spulen bisher an eine konstante Gleichspannungsquelle mit einem veränderbaren Vorwiderstand geschaltet und den Widerstandswert des Vorwiderstandes langsam verkleinert.

Ziel der Erfindung ist es, die Auferregungszeit zu verkürzen. Dies geschieht dadurch, daß während des Erregens die Gleichspannung der Speisequelle zeitlich derart verändert wird, daß sich an der Spule eine konstante Feldänderungsspannung einstellt.

Der Erfindung liegen folgende Gedanken zugrunde. Bei geshunteten Magnetspulen tritt während der Auferregung eine Wärmeentwicklung durch die in den Shuntwiderständen auftretende Verlustenergie auf. Diese ist zum Quadrat der Feldänderungsspannung — das ist die beim Ändern des magnetischen Feldes auftretende Spannung — der Spule proportional und deshalb um so größer, je schneller die Spule auferregt wird. Da sich die Shuntwiderstände im Kühlsystem befinden, muß die in ihnen erzeugte Wärme mit der Kühlflüssigkeit weggeschafft werden, und zwar so, daß die kritische Temperatur des Supraleiters innerhalb des Kühlsystems nicht überschritten wird. Bei konstanter Kühlleistung wird eine konstante Wärmemenge abgezogen. Die Anlage läßt sich deshalb am besten ausnutzen, wenn die Verlustleistung in den Shuntwiderständen und damit die Feldänderungsspannung der Spule vom Beginn der Auferregung an konstant gehalten wird. Auf diese Weise erzielt man die kürzeste Auferregungszeit, die überhaupt möglich ist. Durch die Verkürzung der Zeit gegenüber den bisher bekannten Verfahren ist auch eine nicht unwesentliche Ersparnis an Kühlkosten für die Vorbereitungszeit der Spule verbunden, denn es wird wegen der kürzeren Zeit auch die von außen eindringende Wärmemenge verkleinert.

Beim Auferregen einer Spule kann der supraleitende Zustand des Spulendrahtes an zwei Stellen gefährdet sein. Die Gefahrstellen befinden sich am Ende der Auferregung in der Nähe der kritischen Feldstärke und im Bereich von Flußsprüngen bei niedrigeren Feldstärken. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird deshalb bei Spulen mit solchen Gefahrstellen die Feld-Verfahren zum Auferregen einer supraleitenden
Magnetspule

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Wilhelm Kafka, Tennenlohe

änderungsspannung beim Durchlaufen der Gefahrstellen herabgesetzt.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der interessierenden physikalischen Größen während der Auferregung,

F i g. 3 bis 5 zeigen Ausgestaltungen der Speisequelle.

In F i g. 1 ist innerhalb eines wärmeisolierenden Gehäuses G eine supraleitende Spule Sp mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung angeordnet. Parallel zur Primärwicklung sind Widerstände mit dem Gesamtwiderstand R_s und parallel zur Sekundärwicklung ein niederohmiger Widerstand R₂, geschaltet. Der Sekundärkreis aus einem gut leitenden Metall wirkt im Falle einer Transition als Kurzschlußkreis. Die Primärwicklung kann durch einen Schalters supraleitend kurzgeschlossen werden. Die Spule wird aus einer Speisespannungsquelle SQ mit veränderbarer Gleichspannung gespeist; der Leitungswiderstand ist durch R₁ symbolisiert.

Die von der Speisespannungsquelle zu liefernde Spannung u besteht aus der Feldänderungsspannung Uf, die die Auferregung hervorruft, und einer Spannung, die den ohmschen Widerstand R₁ der nicht supraleitenden Stromzuführungen überwindet. Der der Spule zufließende Strom Z₁ setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, dem Magnetisierungsstrom i_m, der der Magnetfeldstärke proportional ist, sofern im Flußweg kein Eisen vorhanden ist, und dem Strom i_s, der durch die Spulenshunts und den Kurzschlußkreis fließt. Dieser Strom ist der Feldänderungsspannung M/ proportional.

Vernachlässigt man die Streuung zwischen der supraleitenden Spule und dem Kurzschlußkreis, so

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kann man die Spule als eine Parallelschaltung einer Statt den Umschalter in groben Stufen zu schalten,

Induktivität L mit dem ohmschen Widerstand kann auch dieser Spannungsteil feinstufig oder konti-

_ ρ _; nuierlich nach einem festgelegten Programm einge-

R ₌ ^^KiL^ stellt werden.

Rs + R₂' 5 Netzspannungsschwankungen können den Vorgang

der Auferregung merklieh stören. Nimmt man beiauffassen, wobei R_s der Shuntwiderstand und R₂' der spielsweise an, daß der durch den Magnetisierungsauf die Primärseite übersetzte Widerstand des Kurz- strom im Leitungswiderstand verursachte Spannungsschlußkreises ist. Da Kurzschlußkreis und Shunts in fall i_m « A₁ zehnmal so groß ist wie die Spannung
enger wärmeleitender Verbindung mit den Supraleitern io

stehen, dürfen die Verluste in R_s und R₂ beim Auf er- uAl + — \
regen keinen höheren Wert annehmen, als durch die y R)'
Kühlung ohne gefährliche Temperaturerhöhung abgeführt werden kann. Diese Verluste sind so bringt eine 10%ige Spannungserhöhung, da i_m sich

₂ 15 nicht schnell ändern kann, eine Vergrößerung der

P₁ L Feldänderungsspannung auf das Doppelte und damit

R eine Vervierfachung der Verluste in der Spule mit der

Gefahr einer zu großen Erwärmung. Es empfiehlt sich

Damit ist die Feldänderungsspannung begrenzt und deshalb, die Stromversorgungsquelle, soweit man

die gesamte Auferregungszeit bestimmt. Die gesamte 20 nicht rotierende Umformer verwendet, über einen

Spannung, die die Stromquelle abzugeben hat, ist Spannungskonstanthalter SK an das Drehstromnetz

„ DN anzuschließen. Außerdem empfiehlt es sich, bei

u — Uf + Uf—- + R₁-I_n- Verwendung von Gleichrichtern mehrphasige Schal-

R tungen, wie z. B. eine Drehstrombrückenschaltung

25 oder eine 6- oder 12pulsige Mittelpunktschaltung, zu

Da i_m bei konstanter Felderregungsspannung mit benutzen. Statt eines Drehtransformators zur konti-

der Zeit proportional anwächst, besteht die Spannung u nuierlichen Spannungsverstellung kann man auch

aus einem konstanten Teil Silizium-Stromtore zur Spannungsverstellung ein-

η χ setzen. Zur Verkleinerung der Welligkeit wird man

-\ -j 30 Siebketten oder Saugkreise verwenden.

RJ Man kann auf die Unterteilung in mehrere Gleichrichter verzichten, wenn man einen Gleichrichter mit

und einem linear anwachsenden Teil. Sobald der ge- einer Spannungsregelung ausrüstet, die ein bestimmtes

wünschte Spulenfluß erreicht ist, wird die Spannung zeitliches Programm der Ausgangsspannung u er-

. 35 zwingt. Dazu kann man Silizium-Stromtore oder

_UA\ _]_ _ί\ Reihentransistoren verwenden. Dann ist auch kein

V R) Spannungskonstanthalter mehr erforderlich. Eine derartige Speisespannungsquelle ist in den F i g. 4 und 5

zu Null gemacht, und es bleibt bei dem dann erreichten dargestellt. Die Ausgangsspannung des Gleichrich-Magnetisierungsstrom i_m = I_m nur eine Spannung 40 ters Gl wird im Regler R mit der vom Sollwertgeber SG I_m · R₁- Dann ändert sich der Spulenfluß nicht mehr. gelieferten Sollspannung verglichen und das Ver-Die Spule kann mit dem Schalter S supraleitend über- gleichsergebnis dem Steuersatz S¹S bzw. dem Tranbrückt und die Stromversorgung abgeschaltet werden. sistor Tra zugeleitet, der die Ausgangsspannung des In F i g. 2 ist der zeitliche Verlauf der Feldände- Gleichrichters beeinflußt. Die zeitliche Verstellung des rungsspannung iif, der Speisespannung u, des Magne- 45 Sollwertes kann durch einen Motor über ein Getriebe tisierungsstromes i_m mit dem Endwert I_m, des Speise- vorgenommen werden. Besonders einfach wird die stromes I₁ und der Verlustleistung P_v dargestellt. Der Programmgabe, wenn man die Spannung an der supraSpeisestrom I₁ setzt bei dem Beginn der Erregung zur leitenden Wicklung durch Sonden direkt als Istwert Zeit t₀ sprunghaft ein. Die Feldänderungsspannung ist der Regelung einsetzt. Diese Spannung entspricht der mit Ausnahme der Zeitbereiche t_x bis t_z und t_s bis i₄, 50 Feldänderungsspannung Uf. Der Sollwert ist dann, die Gefahrstellen infolge von Flußsprüngen und wegen abgesehen von den Gefahrbereichen, konstant. Der der Annäherung an die kritische Feldstärke andeuten Regler braucht nur eingeschaltet und in bestimmten sollen, konstant. Zur Zeit i₄ ist die Spule auferregt. Zeitabständen sprungweise verändert und abgeschaltet

Die Stromversorgungsquelle kann, wie in F i g. 3 zu werden.

dargestellt aus zwei in Reihe geschalteten Gleich- 55 Die durch Sonden unmittelbar an der supraleitenden

richtern Gl₁ und GZ₂ bestehen, von denen der eine an Spule abgenommene Spannung kann zugleich für die

einen festen oder durch einen Umschalter U in mehrere Abschaltung der Speisespannungsquelle im Falle einer

Stufen umschaltbaren Transformator Tr angeschlossen Transition der Spule verwendet werden. Es wird zu

ist, während der zweite über einen Drehtransfor- diesem Zweck zusätzlich eine weitere Sonde an der

mator DT kontinuierlich in der Spannung verstellbar 60 elektrischen Mitte der Spule vorgesehen, so daß zwei

ist. Ein nicht dargestellter motorischer Antrieb ver- , . , _o c 1 «/ ,, _*··

steUt den Drehtransformator langsam und schaltet zu ^{gleich große} Spulenspannungen -L zur Verfugung

bestimmten Zeitpunkten den Spannungsanteil stehen. Ein Differentialübertrager DU vergleicht die

(_ . Größe dieser beiden Spannungen und liefert ein Stell-

1 -j. J^L j 65 signal für den Schalter Sl, falls sich die Spannungs-

R j werte unterscheiden. Dies ist der Fall bei einer Transition, die immer an einer bestimmten Stelle einsetzt

auf kleinere Werte und zum Schluß auf Null. und sich dann über die Spule ausbreitet.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auf erregen einer supraleitenden Magnetspule, zu deren Windungen wenigstens ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wäh- ·*> rend des Auferregens die Gleichspannung (u) der Speisequelle (SQ) zeitlich derart verändert wird, daß sich an der Spule eine konstante Feldänderungsspannung (uf) einstellt.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekenn- *° zeichnet, daß die Speisespannung in dem Zeitbereich (t_x bis Z₂), in dem Flußsprünge in der Spule auftreten, und kurz vor dem Ende der Auferregungszeit (f₃ bis Z₄) so verläuft, daß die Flußänderungsspannung einen niedrigeren Wert besitzt als während der übrigen Auferregungszeit.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (Sp) aus gleichstromseitig in Reihe geschalteten Gleichrichteranordnungen (G/l, GH) gespeist wird, von denen die erste wechselstromseitig an einen stufenweise umschaltbaren Transformator und die zweite an einen Drehtransformator (DT) angeschlossen ist, dessen Spannung nach einem vorgegebenen Programm durch einen motorischen Antrieb verstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungskonstanthalter (Sk) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule aus einem gesteuerten Gleichrichter (GI) gespeist wird, dessen Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf geregelt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule aus einem ungesteuerten Gleichrichter gespeist wird, dessen Ausgangsspannung durch einen in Reihe liegenden Transistor (Tra) geregelt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Istgröße für den Regler, durch den die Ausgangsspannung der Speisequelle zeitlich verändert wird, die durch Sonden unmittelbar an der supraleitenden Spule abgegriffene Feldänderungsspannung (u/) dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben den beiden Sonden, durch die die Feldänderungsspannung abgegriffen wird, eine weitere Sonde an der elektrischen Mitte der Spule vorgesehen ist, so daß zwei gleich große Spulenspannungen i-y-J zur Verfügung stehen, und daß mittels eines Differentialübertragers (DU) die bei einer Transition der Spule auftretende Differenzspannung zwischen den beiden Spulenhälften als Ausschaltkriterium für die Speisequelle dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen