DE1281604B - Circuit to stabilize the current of the alternating current excited electromagnet of a betatron or synchrotron - Google Patents

Circuit to stabilize the current of the alternating current excited electromagnet of a betatron or synchrotron

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DE1281604B
DE1281604B DE1960C0022402 DEC0022402A DE1281604B DE 1281604 B DE1281604 B DE 1281604B DE 1960C0022402 DE1960C0022402 DE 1960C0022402 DE C0022402 A DEC0022402 A DE C0022402A DE 1281604 B DE1281604 B DE 1281604B
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Inventor
Ladislav Sipek
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL: Int. CL:

H 05 hH 05 h

Deutsche Kl.: 21g-36German class: 21g-36

Nummer: 1281604Number: 1281604

Aktenzeichen: P 12 81 604.5-33 (C 22402)File number: P 12 81 604.5-33 (C 22402)

Anmeldetag: 23. September 1960 Filing date: September 23, 1960

Auslegetag: 31. Oktober 1968Opening day: October 31, 1968

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Stabilisierung des Stromes des wechselstromerregten Elektromagneten eines Betatrons oder Synchrotrons, bei der zwischen der Wicklung des Elektromagneten und der Speisespannungsquelle mindestens eine lineare Impedanz angeordnet ist, und die Strom-Spannungs-Charakteristik der Magnetwicklung nichtlinear ist.The invention relates to a circuit for stabilizing the current of the alternating current excited electromagnet a betatron or synchrotron, in which between the winding of the electromagnet and the supply voltage source is arranged at least one linear impedance, and the current-voltage characteristic the magnet winding is non-linear.

Die Magneten eines Betatrons oder Synchrotrons werden in der Regel von einem Strom mit Netzfrequenz gespeist, der entweder direkt oder über einen Transformator dem Netz entnommen wird. Der induktive Blindstrom, den die Betatron- oder Synchrotronmagneten dem Netz entnehmen, pflegt beträchtlich zu sein und wird in bekannten Schaltungen üblicherweise durch eine mit dem Magneten in Parallel- oder Serienresonanz bezüglich der Netzfrequenz verbundene Kondensatorbatterie kompensiert, so daß dem Netz lediglich der Wirkstrom zum Ausgleich der Verluste entnommen wird.The magnets of a betatron or synchrotron are usually powered by a current with mains frequency which is taken from the network either directly or via a transformer. The inductive reactive current that the betatron or synchrotron magnets draw from the network is maintained to be considerable and is in known circuits usually by one with the magnet capacitor bank connected in parallel or series resonance with respect to the mains frequency compensated, so that only the active current is taken from the network to compensate for the losses.

Bei einer sparsamen Ausführung des Magneten mit möglichst großer Eisensättigung wird die Charakteristik des Magneten nichtlinear; dies bedeutet, daß die Impedanz nicht mehr unabhängig vom durchfließenden Strom ist und demgemäß sich mit der angelegten Netzspannung ändert. Eine Schwankung der Netzspannung bewirkt dann auf Grund dieser nichtlinearen Charakteristik eine Verstimmung des Resonanzkreises, so daß ein erheblicher Blindstrom zu fließen beginnt, der die Speisevorrichtungen oder auch die Magnetwicklung überlasten kann.With an economical design of the magnet with the greatest possible iron saturation, the characteristic of the magnet non-linear; this means that the impedance is no longer independent of the flowing through Current and accordingly changes with the applied mains voltage. A fluctuation in the Mains voltage then causes a detuning of the resonance circuit due to this non-linear characteristic, so that a considerable reactive current begins to flow, which the feed devices or can also overload the magnet winding.

Um diese Gefahr zu vermeiden, werden bei bekannten Schaltungen die Netzspannungsschwankungen dadurch abgeschwächt, daß der Magnet aus dem Netz über einen Regeltransformator gespeist wird, mit welchem das die Vorrichtung bedienende Personal eine konstante Spannung am Magneten einregelt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kapazität der Kondensatorbatterie nachzuregeln und damit den Resonanzkreis nachzustimmen.In order to avoid this risk, the mains voltage fluctuations are used in known circuits weakened by the fact that the magnet is fed from the mains via a regulating transformer with which the personnel operating the device regulates a constant voltage on the magnet. Another possibility is to readjust the capacity of the capacitor bank and so to re-tune the resonance circuit.

Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen und Verfahren ist eine erhebliche Verkomplizierung der Vorrichtung durch die Regelelemente sowie der durch die notwendigen Eingriffe des Bedienungspersonals schwerfällige Betrieb.A disadvantage of these known devices and methods is a considerable complication of the Device by the control elements as well as by the necessary interventions by the operating personnel cumbersome operation.

Die Verwendung bekannter ferromagnetischer Stabilisatoren, bei denen die stabilisierte Spannung von einer mit einer linearen Induktivität in Reihe liegenden nichtlinearen Induktivität, der eine Kapazität parallel liegt, abgenommen wird, würde bei der Anwendung zur Stabilisierung des Magnetstroms eines Betratrons oder Synchrotrons Vorrichtungen von großem Ausmaß erfordern. Außerdem ergeben Schaltung zur Stabilisierung des Stromes des wechselstromerregten Elektromagneten eines Betatrons oder SynchrotronsThe use of known ferromagnetic stabilizers, in which the stabilized voltage of a non-linear inductance in series with a linear inductance, which is a capacitance parallel is removed, would be used to stabilize the magnetic current of an Betratron or Synchrotron require large scale devices. Also surrendered Circuit for stabilizing the current of the alternating current excited electromagnet of a Betatrons or Synchrotrons

Anmelder:Applicant:

Ceskoslovenskä akademie ved, PragCeskoslovenskä academy ved, Prague

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. K. Siebert, Patentanwalt, 8130 Starnberg, Almeidaweg 12Dipl.-Ing. K. Siebert, patent attorney, 8130 Starnberg, Almeidaweg 12

Als Erfinder benannt:
Ladislav Sipek, PragNamed as inventor:
Ladislav Sipek, Prague

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 30. September 1959 (5601-59)Claimed priority:
Czechoslovakia September 30, 1959 (5601-59)

sieh technische Schwierigkeiten dadurch, daß der vom Beschleunigermagneten und der Kondensator-see technical difficulties in that the accelerator magnet and the capacitor

a5 batterie entnommene Strom einen vom Sinusverlauf stark abweichenden Verlauf aufweist, wobei jedoch ferromagnetische Stabilisatoren die Stabilisierung gerade durch eine Änderung des Inhalts an Harmonischen in der Grundkurve der Spannung bewirken.a5 battery drawn from the sine wave has a very different course, but ferromagnetic stabilizers provide the stabilization caused by a change in the content of harmonics in the basic voltage curve.

Die erwähnten Nachteile werden durch die Erfindung mittels einer Schaltung der eingangs genannten Art in überraschender Weise dadurch gelöst, daß entweder die durch die Magnetwicklung gebildete nichtlineare Impedanz in Reihe mit mindestens einer linearen Kapazität an die Quelle der Speisespannung geschaltet ist, wobei parallel zu der aus nichtlinearer Impedanz und linearer Kapazität gebildeten Serienschaltung eine lineare Induktivität geschaltet ist, oder daß die nichtlineare Impedanz in Reihe mit mindestens einer linearen Induktivität an die Quelle der Speisespannung geschaltet ist, wobei parallel zur nichtlinearen Impedanz eine lineare Kapazität geschaltet ist, derart, daß durch die Parallelschaltung der linearen Induktivität bzw. der linearen Kapazität eine gegenüber der Wirkung der übrigen Impedanzen entgegengesetzte Phasendrehung bewirkt wird und der Blindstrom der Serienschaltung der linearen und nichtlinearen Impedanzen kompensiert wird.The disadvantages mentioned are alleviated by the invention by means of a circuit of the type mentioned at the beginning Art solved in a surprising manner in that either the one formed by the magnet winding non-linear impedance in series with at least one linear capacitance at the source of the supply voltage is connected, in parallel with the series circuit formed from non-linear impedance and linear capacitance a linear inductance is connected, or that the nonlinear impedance is in series with at least a linear inductance is connected to the source of the supply voltage, being parallel to the non-linear impedance a linear capacitance is connected in such a way that through the parallel connection the linear inductance or the linear capacitance compared to the effect of the other impedances opposite phase rotation is caused and the reactive current of the series connection of the linear and non-linear impedances is compensated.

Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stabilisiert den Magnetstrom in engen Grenzen, erfordert keinerlei Bedienung und vergrößert weder die Ausmaße noch die Kosten der Vorrichtung.This circuit arrangement according to the invention stabilizes the magnet current within narrow limits, which is required no operation and neither increases the size nor the cost of the device.

809 629/1183809 629/1183

Claims (4)

Mit den erfindungsgemäßen Schaltungen können die Schwankungen des dem Netz entnommenen Stromes sogar kleiner gehalten werden, als dies durch die Verwendung von Magneten mit linearer Charakteristik möglich ist. Die Stabilisierung wirkt in einem sehr breiten Bereich einwandfrei und völlig selbständig. Die Kontrolle des Magnetstromes durch das Bedienungspersonal und die bisher üblichen komplizierten, kostspieligen und umfangreichen Regelvorrichtungen entfallen. Die Erfindung und ihre Wirkungsweise wird im folgenden an Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungsfonn, F i g. 2 eine zweite mögliche Ausführungsform, F i g. 3 die Strom-Spannungs-Charakteristik der in F i g. 2 dargestellten Schaltung und Fig. 4 dieselbe Charakteristik für die Schaltung gemäß Fig. 1. Gemäß F i g. 1 ist die Wicklung des Magneten 6 so des Beschleunigers, die eine nichtlineare Charakteristik aufweist, mit den linearen Kondensatoren 4 und 5 in Serie geschaltet. Aus Symmetriegründen sind zwei Kondensatoren 4 und 5 vorgesehen. Die Speisespannung aus dem Netz wird den Klemmen 1,2 zugeführt. Mit 3 ist die parallelgeschaltete lineare Induktivität, eine Abstimmdrosselspule, bezeichnet. Die»Größe der Kondensatorbatterie 4, S wird derart gewählt, daß der Arbeitspunkt des Magneten 6 nicht mit dem Resonanzpunkt zusammenfällt, sondern die an den Klemmen 1 und 2 ohne die Induktivität 3 gemessene Impedanz der Schaltung kapazitiv ist. Die Abstimmdrosselspule 3 bewirkt die Kompensation des kapazitiven Blindstromes. Die stabilisierende Wirkung dieser Schaltung ist an Hand der in F i g. 4 dargestellten Kurven verständlich. Wenn auf der Abszisse der Strom / und auf der Ordinate die Spannung E aufgetragen werden, dann ist die Strom-Spannungs-Charakteristik der Kondensatorbatterie durch die Gerade Xq gegeben, die Charakteristik des Magneten durch die Kurve Xn und die resultierende Charakteristik der Serienschaltung der Kondensatorbatterie 4, 5 und des Magneten 6 durch die Kurve Z3. Die den Klemmen 1, 2 zugeführte Netzspannung U ruft im Stromkreis einen Strom Ip hervor, woraus sich der Arbeitspunkt P auf der Kurve XM des Magneten 6 ergibt. Die stabilisierende Wirkung der Schaltung ist in der Abbildung gut zu erkennen: Eine Änderung der Wechselspannung um UU = 50% ergibt eine nur geringe Verschiebung des Arbeitspunktes zum Punkt P', so daß sich auch nur eine unwesentliche Änderung bei dem aus dem Netz entnommenen Strom ergibt. Bei der Wahl des Arbeitspunktes muß beachtet werden, daß aus Stabilisierungsgründen der dem Arbeitspunkt P des Magneten 6 entsprechende Punkt P2 auf der Kurve Z5 einen größeren Abstand von der Abszisse hat, als jeder Punkt des nichtlinearen Teils der Kurve Z5. Bei Einhaltung dieser Bedingung kann somit P2 nicht in dem nichtlinearen Teil der Kurve Z3 liegen. Eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist in Fi g. 2 wiedergegeben. Hier sind der Magnet 6 und die den Blindstrom des Magneten kompensierende Kondensatorbatterie 7 parallel geschaltet. Den Klemmen 1, 2 wird die Netzspannung zugeführt. In Serie mit der Parallelschaltung 6, 7 ist die eine lineare Strom-Spannungs-Charakteristik aufweisende Drosselspule 8 angeordnet. Die stabilisierende Wirkung dieser Schaltung geht aus F i g. 3 hervor, wo die Charakteristik der Kondensatorbatterie 7 durch die Gerade Xc, die Charakteristik des Magneten 6 durch die Kurve XM, und die Charakteristik der Drosselspule 8 durch die Gerade XL wiedergegeben ist. Die Charakteristik der Parallelschaltung des Magneten 6 und der Kondensatorbatterie 7 ist durch die Kurve ZP dargestellt. Der Verlauf der an den Klemmen 1 und 2 gemessenen resultierenden Charakteristik der ganzen Schaltung wird durch die Kurve Z veranschaulicht. Der Arbeitspunkt auf der Charakteristik des Magneten 6 ist wieder mit P bezeichnet. Ihm entspricht auf der Charakteristik Z der Punkt P2. Bei entsprechender Wahl der Schaltelemente herrscht im Punkt P2 Resonanz mit der Frequenz der Speisespannung. Selbst bei der beträchtlichen Erhöhung der Netzspannung um dU = 50 % verschiebt sich auch hier der Arbeitspunkt P2 nur um einen geringen Wert zum Punkt P2. Der Arbeitspunkt P auf der Charakteristik des Magneten verschiebt sich zu dem nahegelegenen Punkt P'. Die stabilisierende Wirkung ist weiterhin durch die Betrachtung der Kurve ZP erkennbar, gemäß welcher durch eine Erhöhung der Netzspannung um aU = 5Ofl/o der dem Netz entnommene Strom zu einer unzulässigen Größe anwachsen würde. Im Rahmen der Erfindung können mannigfache Änderungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann in F i g. 1 die aus den zwei Kondensatoren 4, S bestehende Kondensatorbatterie zu einem Ganzen verbunden werden. Ferner kann z. B. die Wicklung der Drosselspule 3 gemäß F i g. 1 mit Abzweigungen versehen werden, so daß sie gleichzeitig als ein Autotransformator zur Anpassung dere Netzspannung an die geforderte Spannung zur Speisung des Magneten arbeiten kann. Weiter kann man auf dem Kern der Drosselspule weitere zur Speisung anderer Vorrichtungen des Betatrons oder Synchrotrons erforderliche Hilfswicklungen anbringen. Schließlich kann man z.B. in der Schaltung gemäß Fig. 2 die Drosselspule 8 weglassen und ihre Funktion durch die Streuinduktivität des Speisetransformators ersetzen, welch letzterer dann als Transformator mit großer Streuung ausgeführt sein muß. Patentaasprüche:With the circuits according to the invention, the fluctuations in the current drawn from the network can even be kept smaller than is possible through the use of magnets with linear characteristics. The stabilization works perfectly and completely independently in a very wide range. The control of the magnetic current by the operating personnel and the previously usual complicated, expensive and extensive control devices are no longer required. The invention and its mode of operation are explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to drawings. 1 shows a first possible embodiment, FIG. 2 shows a second possible embodiment, FIG. 3 the current-voltage characteristic of the in FIG. The circuit shown in FIG. 2 and FIG. 4 have the same characteristics for the circuit according to FIG. 1. According to FIG. 1, the winding of the magnet 6 of the accelerator, which has a non-linear characteristic, is connected in series with the linear capacitors 4 and 5. Two capacitors 4 and 5 are provided for reasons of symmetry. The supply voltage from the mains is fed to terminals 1, 2. The parallel-connected linear inductance, a tuning choke coil, is denoted by 3. The size of the capacitor battery 4, S is chosen so that the working point of the magnet 6 does not coincide with the resonance point, but the impedance of the circuit measured at terminals 1 and 2 without the inductance 3 is capacitive. The tuning inductor 3 compensates for the capacitive reactive current. The stabilizing effect of this circuit is shown in FIG. 4 are understandable. If the current / is plotted on the abscissa and the voltage E on the ordinate, then the current-voltage characteristic of the capacitor bank is given by the straight line Xq, the characteristic of the magnet by the curve Xn and the resulting characteristic of the series connection of the capacitor bank 4 , 5 and the magnet 6 by the curve Z3. The mains voltage U supplied to the terminals 1, 2 causes a current Ip in the circuit, from which the operating point P on the curve XM of the magnet 6 results. The stabilizing effect of the circuit can be clearly seen in the figure: A change in the alternating voltage by UU = 50% results in only a slight shift in the operating point to point P ', so that there is only an insignificant change in the current drawn from the network . When choosing the operating point, it must be noted that, for reasons of stabilization, the point P2 on the curve Z5 corresponding to the operating point P of the magnet 6 is at a greater distance from the abscissa than any point on the non-linear part of the curve Z5. If this condition is met, P2 cannot lie in the non-linear part of curve Z3. Another possible embodiment of the invention is shown in FIG. 2 reproduced. Here the magnet 6 and the capacitor bank 7, which compensates for the reactive current of the magnet, are connected in parallel. The mains voltage is fed to terminals 1, 2. The choke coil 8, which has a linear current-voltage characteristic, is arranged in series with the parallel circuit 6, 7. The stabilizing effect of this circuit is based on FIG. 3, where the characteristic of the capacitor bank 7 is shown by the straight line Xc, the characteristic of the magnet 6 is shown by the curve XM, and the characteristic of the choke coil 8 is shown by the straight line XL. The characteristic of the parallel connection of the magnet 6 and the capacitor battery 7 is shown by the curve ZP. The course of the resulting characteristic of the entire circuit measured at terminals 1 and 2 is illustrated by curve Z. The operating point on the characteristic of the magnet 6 is again designated by P. Point P2 on characteristic Z corresponds to it. If the switching elements are selected accordingly, there is resonance at point P2 with the frequency of the supply voltage. Even with the considerable increase in the mains voltage by dU = 50%, the operating point P2 only shifts by a small amount to the point P2. The working point P on the characteristic of the magnet shifts to the nearby point P '. The stabilizing effect can also be seen by looking at the curve ZP, according to which an increase in the network voltage by aU = 501 / o would increase the current drawn from the network to an impermissible level. Various changes can be made within the scope of the invention. For example, in FIG. 1, the capacitor bank consisting of the two capacitors 4, S can be connected to form a whole. Furthermore, z. B. the winding of the inductor 3 according to F i g. 1 are provided with branches so that they can work as an autotransformer to adapt their mains voltage to the voltage required to feed the magnet. Further auxiliary windings required to feed other devices of the betatron or synchrotron can be attached to the core of the choke coil. Finally, in the circuit according to Fig. 2, for example, the choke coil 8 can be omitted and its function can be replaced by the leakage inductance of the feed transformer, which must then be designed as a transformer with a large spread. Patent claims: 1. Schaltung zur Stabilisierung des Stromes des wechselstromerregten Elektromagneten eines Betatrons oder Synchrotrons, bei der zwischen der Wicklung des Elektromagneten und der Speisespannungsquelle mindestens eine lineare Impedanz angeordnet ist, und die Strom-Spannungs-Charäkteristik der Magnetwieklung nichtlinear ist, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die durch die Magnetwieklung (6) gebildete nichtlineare Impedanz in Reihe mit mindestens einer linearen Kapazität (4, 5) an die Quelle (1, 2) der Speisespannung geschaltet ist, wobei parallel zu der aus niehtlmearer Inpedanz (6) und linearer Kapazität (4, 5) gebildeten Serienschaltung eine lineare Induktivität (3) geschaltet ist (Fig. 1), oder daß die nichtlineare Impedanz (6) in Reihe mit mindestens einer linearen Induktivität {8) an die Quelle (1, 2) der Speisespannung geschaltet ist, wobei parallel zur nichtlinearen Impedanz (6) eine lineare Kapa-1. Circuit to stabilize the current of the alternating current excited electromagnet of a Betatrons or synchrotrons, in which between the winding of the electromagnet and the Supply voltage source is arranged at least one linear impedance, and the current-voltage characteristics the magnetic oscillation is non-linear, characterized in that either the non-linear impedance formed by the magnetic swing (6) in series with at least a linear capacitance (4, 5) is connected to the source (1, 2) of the supply voltage, being formed in parallel with the linear impedance (6) and linear capacitance (4, 5) Series connection a linear inductance (3) is connected (Fig. 1), or that the non-linear Impedance (6) in series with at least one linear inductance {8) to the source (1, 2) of the Supply voltage is switched, with a linear capacitance parallel to the non-linear impedance (6) zität (7) geschaltet ist (F i g. 2), derart, daß durch die Parallelschaltung der linearen Induktivität (3) bzw. der linearen Kapazität (7) eine gegenüber der Wirkung der übrigen Impedanzen (4, 5, 6 bzw. 8, 6) entgegengesetzte Phasendrehung bewirkt wird und der Blindstrom der Serienschaltung der linearen und nichtlinearen Impedanzen kompensiert wird.(7) is connected (Fig. 2), such that the parallel connection of the linear inductance (3) or the linear capacitance (7) compared to the effect of the other impedances (4, 5, 6 or 8, 6) opposite phase rotation is effected and the reactive current of the series circuit the linear and non-linear impedances is compensated. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Elektromagnetwicklung (6) eine Kapazität (4, 5) von einem solchen Wert, daß die Reihenschaltung (4, 5, 6) im Strom-Arbeitspunkt einen kapazitiven Charakter besitzt, geschaltet ist (F i g. 1).2. Circuit according to claim 1, characterized in that in series with the electromagnetic winding (6) a capacitance (4, 5) of such a value that the series circuit (4, 5, 6) has a capacitive operating point at the current operating point Has character, is switched (Fig. 1). 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Elektromagnetwicklung (6) eine lineare Induktivität (8) und parallel zur Elektromagnetwicklung (6) eine3. A circuit according to claim 1, characterized in that in series with the electromagnetic winding (6) a linear inductance (8) and one parallel to the solenoid winding (6) IOIO Kapazität (7) solcher Größe geschaltet ist, daß diese Parallelschaltung des Magneten (6) und der Kapazität (7) im Strom-Arbeitspunkt mit der Speisespannungsfrequenz in Resonanz abgestimmt ist (Fig. 2).Capacitance (7) is connected to such a size that this parallel connection of the magnet (6) and the Capacitance (7) in the current operating point matched in resonance with the supply voltage frequency is (Fig. 2). 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Induktivität (8), welche in Reihe mit der Elektromagnetwicklung (6) geschaltet ist, durch die Streuinduktivität des Speisetransformators ersetzt ist.4. A circuit according to claim 3, characterized in that the linear inductance (8), which is connected in series with the electromagnetic winding (6), due to the leakage inductance of the Supply transformer is replaced. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 564 892, 578 321,
600 456, 753 322, 846 754, 900 853, 947 990;
britische Patentschrift Nr. 637 124;
»Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 4, 1959, Nr. 2, S. 68.Considered publications:
German patents Nos. 564 892, 578 321,
600 456, 753 322, 846 754, 900 853, 947 990;
British Patent No. 637 124;
"Nuclear Instruments and Methods", Vol. 4, 1959, No. 2, p. 68. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings 809 629/1183 10.6t © Bundesdruckerei Berlin809 629/1183 10.6t © Bundesdruckerei Berlin
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