DE1488893A1

DE1488893A1 - Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie in Form von Stromimpulsen

Info

Publication number: DE1488893A1
Application number: DE19661488893
Authority: DE
Inventors: Rebut Paul Henri; Antonie Torossian
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-11-26
Filing date: 1966-11-24
Publication date: 1969-04-17
Also published as: BE689981A; NL6616552A; LU52416A1; CH471489A; US3470454A; GB1125100A; ES333780A1; DE1488893B2; FR1483741A

Description

Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie in Form von Stromimpulsen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere mit hoher Leistung während einer kurzen Zeitdauer, doh. in Form von einseitig gerichteten Stromimpulsen, wie sie insbesondere für die Erzeugung von sehr starken magnetischen Feldern benötigt werden, ohne daß es auf eine längere Aufrechterhaltung des Magnetfeldes ankommt ( bei Plasma- und kernenergetischen Untersuchungen USWo).

Es ist bekannt, daß für die Erzeugung starker magnetischer Felder, wie sie bei Plasmauntersuchungen benötigt werden, elektrische Energiequellen mit sehr hohen Energien erforderlich sind, die in der Größenordnung von mehreren Zehnern von Megajoule mit Leistungen in der Größenordnung von mehreren Hundert von MVA liegen. Diese Untersuchungen erfordem keine permanenten Magnetfelder, so daß es genügt, einseitig gerichtete Stromimpulse zu erzeugen.

Man hat für diese Zwecke vor allem Kondensatorbatterien, Selbstinduktionsspulen, Akkumulatoren und Homopolarmaschinen benutzt.

Diese verschiedenen Einrichtungen haben Vor- und Nachteile. Von den genannten Einrichtungen gilt den rotierenden Ener-

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^PECT,

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-z-

giequellen das größere Interesse. Bei den Homopolarmaschinen, auch Unipolarmaschinen genannt, machen sich vor allem die mechanischen Verluste infolge der erforderlichen Quecksilberkontaktverbindungen zwischen dem feststehenden und dem sich drehenden Maschinenteil unangenehm bemerkbar. Weiterhin verursachen diese Kontakte einen Widerstand, der eine entsprechende Verringerung der Spannung verursacht. Die auf diese Weise erzeugte Spannung ist verhältnismäßig schwach (in der Größenordnung von 100 V), woraus sich auch der schwerwiegende Nachteil erklären läßt, daß die Energie nicht an eine entfernt liegende Stelle übertragen werden kann.

Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, eine Einrichtung zur Erzeugung von Stromimpulsen hoher Leistung unter Verwendung eines rotierenden Generators zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten Einrichtungen dieser Art vermieden werden.

Nach einem Hauptkennzeichen der Erfindung werden die charakteristischen Werte des zur Erzeugung von einseitig gerichteten Stromimpulsen vorgesehenen Wechselstromgenerators in bezug auf die Impedanz des Nutz- bzw. Entladestromkreises derart festgelegt, daß der im Zeitpunkt des Nulldurchganges der Generatorspannung an den Nutzkreis angeschlossene Generator seine Energie bis zum Stillstand des Rotors in einem Zeitintervall abgibt, der im wesentlichen einer Halbperiode der im Generator erzeugten sinusförmigen Spannung entspricht. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung werden bei einer gegebenen Selbstinduktivität L des Nutzstromkreises die Drehzahl Q , der Statorfluß φ_ο und die Ver lust selb stinduktivität N nach der Formel

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festgelegt, wobei K ein Koeffizient mit einem Wert von 1 bis 2 ist. Der Generator arbeitet vorzugsweise mit Selbsterregung.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird ein Asynchrongenerator mit Selbsterregung durch einen Kondensator benutzt und eine Drehzahl oberhalb der Resonanzfrequenz entsprechend der Formel

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gewählt.

Der NutzStromkreis ist gemäß der Erfindung über einen Schalter an den Generator anschließbar, wobei der Schalter im Zeitpunkt des Nulldurchganges der Spannung des Generators geschlossen wird. Ein weiterer Schalter dient gemäß der Erfindung dazu, die Statorwicklung unmittelbar nach Beendigung der Entladung kurzzuschließen.

Der Rotor des Generators ist gemäß der Erfindung mit einem Kupferzylinder verhältnismäßig großer Dicke umgeben. Die länge des Kupferzylinders wird nach der weiteren Erfindung genau der Länge der Statorwicklung angepaßt, um die Selbstinduktionsverluste zwischen Rotor und Stator so klein wie möglich zu halten.

Nach der weiteren Erfindung kann auch ein Synchrongenerator mit einer rotierenden Erregerwicklung vorgesehen sein, die mit Gleichstrom aus einer für diesen Zweck vorgesehenen zweiten Statorwicklung über einen Gleichrichter gespeist wird.

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Zur Steuerung des Schalters, der die Verbindung des Nutzstromkreises mit dem Generator herstellt, ist in weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes ein Phasenregler vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Phase der Spannung des Wechselspannungsgenerators den Schließzeitpunkt des Schalters für die Entladung der Energie in den Nutzstromkreis festlegt.

In einem Generator dieser Art können sehr große Energien gespeichert werden, beispielsweise in der Größenordnung von 1 MegaJoule oder mehr, und es kann weiterhin mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung diese Energie mit hohem Wirkungsgrad zurückgewonnen werden, wobei die Verluste verhältnismäßig gering sind, insbesondere wenn ein massiver Rotor mit einem Kupfermantel benutzt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Rotor eines derartigen Generators genügend widerstandsfähig gegen die auftretenden Zentrifugalkräfte und auch gegen die resultierenden Kräfte beim plötzlichen Abbremsen im Augenblick der Entladung 1st.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der Erfindung ,

Fig. 2 in schematischer Form einen Asynchrongenerator für die Erzeugung von Impulsen in Verbindung mit einem Entladungsstromkreis,

Fig. 3 ein Schalt schema einer Synchronisiereinrichtung für die Anordnung nach Fig. 2,

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die par"Äilel züä Ere is 5 liegt tm& BA ^eÄlttß: der Entladung sill verfaindern.

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reits erwähnt, die Eondensatorlimtteifie 3 und den* Ifetzströiikreis über die Schalter 4- fczw, 6 angeschlossen sind*

Nachfolgend wird mm -outer Bezugnahme auf die Figuren 1, 2 und 4~ die Festlegung der Funktionsfoedingungen einer so-lcben Anordnung toe schrie!) en* Es wird nachfolgend für die Erzeugung eines magnetischen Feldes hoher Intensität in einer Spule 5 mit großen Abmessungen unterstellt, daß die Belastung im wesentliehen aus einer Selbstinduktion "besteht, wobei fur die Seifostinduktivität der Spule 5 äas Seichen "L und für die Selbstinduktivität des Etators das Zeichen TL* zugrundegelegt wird. Eine abweichende Belastung verändert die fförmeln ein wenig, aber sie "bleiben, im wesentlichen gültig·

G-emäß der Erfindung und entsprechend dem Diagramm in Figur 4 muß der Futzstromkreis 5 zur Zeit t (vorzugsweise "frei der Spannung Full des Generators) angeschaltet werden uneH infolge eines angemessenen Verhältnisses zwischen dem Charakteristiken der Haschine und der Selbstinduktion I». die gesamte kinetische Energie der KaseMme in· einen Entladiiingsstrom I im liutzStromkreis umgewandelt werden» "bevor die Spannung ΈΓ sich erneut an den Elemmeii des Stators umfeehrt, d«h» daß die Entladung in einer¹ BalT^eiriödi© entsprechend dem Intervall t^ "bis tvj atslauf t. In ddesem Moment ist der .Sötor zum Stillstand gekommen % man kann EMm noch, wenn es notwendig ist * des Schalter 18 für den EurzsehluJlEr-eis schließen _% s© daß der Generatornicht fflelmf aiisf des fe^vei.s einwirken

Es ergibt sich. &1$®_S

bei der Ehvti&ltaig %ß®mM der liEifimdumg eaehalteiffi wird* der Schli.@Bs@StpaailEifc t d@s; Sdeal.'feer'S & cSt&T Spsffiaauaig Mull

entspricht und wenn der Stillstand des Rotors in einem Moment t^ erfolgt, in dem die Spannung erneut auf Null geht (d.h. nach einer halben Umdrehung für eine zweipolige Maschine ). Es ist su bemerken, daß, wenn der Stillstand des Generators genau im Moment der Spannung ITuIl eintritt, Gleichgewicht vorliegt, so daß der Kurzschlußkreis 18 nicht benötigt wird.

Dies vorausgesetzt, läßt sich beweisen, daß die wichtigste Bedingung für die Verwirklichung der Entladung gemäß der Erfindung in einer Halbperiode folgende ist:

wobei:

Q die Drehzahl des Rotors im Moment t ist (Schließen des

Schalters 6 für den Anschluß der Selbstinduktionsspule 5 mit dem Wert L_u),

φ der Gesamtfluß des Generators ist, der durch den Stator geht,

E das Trägheitsmoment des Rotors ist,

N die auf den Stator zurückgeführte Verlusteelbstinduktivität ist, und

§t ein durch den Widerstand des Generators und des Nutz Stromkreises gegebener Koeffizient ist.

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Es ist bekannt, daß die Verlusteelbetinduktivität N durch die Formel

(2)

gegeben ist, wobei L^ und Lo die Selbstinduktivitäten des Stators und des Rotors im Leerlauf sind und M die Gegeninduktivität zwischen diesen beiden Selbstinduktionen ist.

Der Wert von ^ kann zwischen dem Wert 1, wenn die Widerstände Null sind, und dem Wert 2 variieren für die Widerstände in dem Generator entsprechend der "Hüllenstärke".

Für eine gegebene Selbstinduktivität L ist die Energie, die man infolge eines einzigen Impulses erhalten kann, definiert durch:

2 το u ₍₃₎

Dieser Wert erreicht ein Maximum, wenn L^ oLN ist. Daraue folgt:

Es ergibt sich aus der vorgenannten Formel, daß es darauf an· kommt,das Maximum des Induktionsflusses ψ_Q zn erhöhen und N zu verringern. Diese beiden Bedingungen bestimmen teilweise die Charakteristik des Generators.

Man stell; ferner fest, daß ein solcher Generator in der Lage ist, Impulse gleicher Richtung mit großer Leistung zu liefern, ohne irgendeine Umschaltung, d.h. ohne eine andere Operation als das Schließen eines Schalters.

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Die vorgenannten Bedingungen erfordern die Auswahl verschiedener konstruktiver Maßnahmen.

Die Forderung nach einer sehr schwachen Verlustselbstinduktion N läßt sich erfüllen durch die Verwendung der "bereits erwähnten Kupferschicht 7> die den Rotor umgibt, oder durch einen angepaßten Kurzschlußkäfig. Man benutzt andererseits einen Stator mit einer einschichtigen Wicklung 2.

Im übrigen ist es erforderlich, den Wert der magnetischen Feldinduktion so hoch wie möglieh zu wählen, damit der Fluß (Ρ ein Maximum erreicht. Man wird folglich sehr hohe magnetische Feldstärken, z.B. in der Größenordnung von 27.000 Gauß, das entspricht einer extremen Sättigung des Eisens Mittel = 5), wählen.

Die Erzeugung der magnetischen Feldinduktion erfordert Ströme hoher Intensität, die während einer kurzen Zeitspanne, beispielsweise unterhalb einer Sekunde, zu liefern sind. Die notwendige Energie, die hierfür ausreichend ist, kann vorteilhafterweise aus der kinetischen Energie des Rotors gewonnen werden. Man benutzt hierfür Maschinen mit Selbsterregung, die wie folgt betrieben werden:

a) Anfahren des. Generators im Leerlauf ohne Erregung bis zu einer Drehzahl, die höher liegt als der kritische Bereich entsprechend der Selbstinduktion des Nutzkreises (definiert durch die Formel 1).

b) Abkuppeln des Antriebsmotors von dem Generator und Einschaltung der Selbsterregung durch Schließen des Schalters 4 bis zum nachlassen auf die gewählte kritische Geschwindigkeit .

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c) Anschluß der Belastung an den Generator durch den Schal-¹ ter 6.

d) Kurzschließen des Generators durch den Schalter 18, wenn der Rotor praktisch zum Stillstand gekommen ist (diese Maßnahme ist nicht unbedingt notwendig; sie ermöglicht andererseits die Unterdrückung einer Restschwingung).

Für die Selbsterregung gibt es verschiedene Möglichkeiten in Abhängigkeit von der gewählten Maschine.

Wenn, wie bereits vorstehend erwähnt, wurde, ein Asynchrongenerator verwendet wird, wird die Selbsterregung durch eine Bank von Kondensatoren 5 mit der Kapazität 0 bewirkt.

Um die Selbsterregung zu erhalten, genügt es, daß die Drehzahl Q des Generators oberhalb der Frequenz U) des Systems gewählt wird, d.h.

wobei:

Das Anwachsen des magnetischen Feldes erfolgt nach einer Exponentialfunktion, während die Abnahme nur gering ist und die Sättigung nicht eintritt. Das Maximum des magnetischen Feldes ist gegeben durch:

Q? L₁ (B_o),G = 2 (5) 9 0 9816/0389 -11-

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Der Generator enthält, mit Ausnahme der äußeren Stromkreise, keine andere Wicklung als die in Figur 2 dargestellte.

Um die Selbsterregung einzuleiten, schließt man die Kondensatorbatterie 5 mit Hilfe des Schalters 4 an, sobald die oben genannte Bedingung erfüllt ist»

Sas magnetische Feld B wächst dann mit der Zeit von einem schwachen remanenten Feld an.

Nach der weiteren Erfindung kann aber auch ein Synchrongenerator verwendet werden, wie er beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist. In diesem Fall enthält der Generator zwei zusätzliche Wicklungen ·

Der Rotor 1 ist unterhalb der Kurzschlußwicklung mit einer Wicklung 20 ausgerüstet, die mit einem Gleichstrom gespeist wird und zur Erzeugung der magnetischen Feldinduktion B dient. Diese Wicklung ist an zwei Ringe 21 angeschlossen und wird über einen Schalter 22 von einer Zusatzwicklung 23 (I·*) des Wechselstromgenerators, unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters 24 gespeist.

Die Erfindung erstreckt sich ferner noch auf folgende Einrichtungen:

Es ist vorstehend bereits auf die Bedeutung der Festlegung der Zeit t im Punkt A, in dem die Spannung U Null ist, hingewiesen worden. .

Es sind daher Kittel vorgesehen, um in Abhängigkeit von der

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Spannungskurve in einer entsprechenden Phase den Schaltzeitpunkt, d.h. das Schließkommando, für den Schalter 6 festzulegen. Diese Mittel, die in der Anordnung nach Figur 2 schematisch durch ein Kästchen 9 dargestellt sind und durch das Schließen eines Hilfsschalters 10 eingeschaltet werden, steuern durch ein Relais 11 den Schalter 6. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform enthalten diese Mittel im einzelnen folgende Teile:

einen veränderbaren Phasenregler 12, der an die Klemmen des Generators angeschlossen ist;

einen Widerstand 19;

ein Diodensystem 13 mit Schwellwert, das zur Erzeugung einer Sinuskurve dient;

ein Ableitungssystem 14, 15i die gesamte Anordnung ermöglicht es, eine bestimmte Phasenverschiebung und, ausgehend von der phasenverschobenen Sinuskurve, Impulse zu erhalten, die der Spannung Null entsprechen;

einen Unterbrecher 10, der den Durchgang der Impulse auf das Gitter eines Thyratrons 17 steuert, und

eine Zeitschalteinrichtung 16, die durch das Thyratron 17 gesteuert wird und in Abhängigkeit von dem ersten empfangenen Impuls die Auslösung des Heiais 11 und damit den Abfall des Schalters 6 mit einer angemessenen und fein regulierbaren Phasenverzögerung bewirkt.

Weiterhin können analoge Mittel benutzt werden für das Schließen des Schalters 18 im gewünschten Moment, sofern ein solcher Schalter vorgesehen ist.

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Man erhält somit eine Anordnung, die in Verbindung mit dem Generator nach. Figur 2 wie folgt arbeitet:

Zunächst bringt man den Rotor auf die gewünschte Drehzahl V, die oberhalb der Resonanzfrequenz des Kreises liegt, der durch die Selbstinduktion (im Leerlauf) des Stators und der Kapazität der Kondensatorbatterie C, die noch nicht angeschlossen ist (Schalter 4 ist geöffnet), gebildet wird;

danach wird durch Schließen des Schalters 4 die Kondensatorbatterie angeschlossen, es tritt Selbsterregung ein, an den Klemmen a und b entsteht eine Wechselspannung;

für die Entladung in den Nutzstromkreis 5 schließt man schließlich den Schalter 10.

Aufgrund der rechnerisch festgelegten Bedingungen erfolgt die Entladung in sehr kurzer Zeit, wobei die Maschine zum Stillstand kommt.

Für den Fall, daß der Generator sich mit geringer Drehzahl weiterdreht, kann man, wie vorstehend bereits erwähnt, den Generator durch den Schalter 18 kurzschließen, wenn der Stromimpuls durch Null geht; Restschwingungen werden dann verhindert .

Man hat folglich die Möglichkeit, sehr hohe Leistungen in Form eines Impulses zu entladen, und zwar mit gutem Wirkungsgrad, wobei die inneren Selbstinduktions- und Widerstandsverluste schwach sind.

Die beschriebene Einrichtung ist robust und bietet für die

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Fabrikation keine Schwierigkeiten. Für den LeistungsStromkreis werden keine Schleifkontakte benötigt; es ist ferner keine !Commutation vorhanden; die Einrichtung enthält lediglich Schaltkontakte, die bei der Spannung Null geschlossen werden.

Die Einrichtung nach der Erfindung läßt sich daher vorteilhafterweise in allen Fällen anwenden, in denen es darum geht, große Leistungen in sehr kurzer Zeit freizugeben, insbesondere bei der Erzeugung starker Magnetfelder in pulsierender Form in großen Volumen.

Für eine praktisch ausgeführte Einrichtung mit einem Generator mit synchroner Selbsterregung werden nachfolgend einige charakteristischen Zahlenwerte genannt:

Radius des Rotors 15 cm

Länge des Rotors 90 cm

Gewicht des Rotors , 800 kg

Gesamtgewicht 5000 kg

maximale Drehzahl 6000 Umdr./min

Polzahl 2

Induktion im Rotor 27000 G

Anzahl der Windungen im Stator 20

induzierte Spannung 7500 Y

Nutzenergie 500 kJ

Stromstärke 70000 A

Selbstinduktivität (Stator) 500 η Ε

Diese Einrichtung ist für EntladungenAn einem Kreis mit einer Selbstinduktivität von

L_u =

vorgesehen.

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Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich nicht nur für die Benutzung eines einzigen Generators, sondern kann auch für mehrere Generatoren in Serien- und/oder Parallelschaltung, z.B. in Kombination mit einer bekannten Batterie von Kondensatoren, verwendet werden. Die Generatoren können auch als mehrpolige Maschinen ausgebildet sein.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie in Form von einseitig gerichteten Stromimpulsen mit einem rotierenden Generator, dadurch gekennzeichnet , daß die charakteristischen Verte des Wechselstromgenerators in bezug auf die Impedanz des Nutzbzw. Entladestromkreises derart festgelegt sind, daß der im Zeitpunkt des Nulldurchganges der Generatorspannung an den Nutzkreis angeschlossene Generator seine Energie bis zum Stillstand des Rotors in einem Zeitintervall abgibt, der im wesentlichen einer Halbperiode entspricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gegebene Selbstinduktivität L des Nutzstromkreises die Drehzahl ζ? , der Statorfluß φ_ο und die Verlustselbstinduktion N der folgenden Bedingung entsprechen:

²« *Vo

KT

wobei K ein allgemeiner Koeffizient mit einem Wert von 1 bis 2 ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator mit Selbsterregung vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Asynchrongenerator mit Selbsterregung durch einen Kondensator C vorgesehen ist und daß die Drehzahl oberhalb der Resonanzfrequenz entsprechend der Formel

liegt,

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5· Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzstromkreis über einen Schalter an den Generator anschließbar ist, wobei der Schalter im Zeitpunkt des Nulldurchganges der Spannung des Generators geschlossen wird.■

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schalter für den Kurzschluß der Statorwicklung unmittelbar nach der Beendigung der Entladung vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Generators mit einem Kupferzylinder verhältnismäßig großer Dicke überzogen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchrongenerator mit einer rotierenden Wicklung vorgesehen ist, die mit Gleichstrom aus einer für diesen Zweck vorgesehenen zweiten Statorwicklung über einen Gleichrichter gespeist wird.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenregler vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Phase der Spannung des Wechselspannungsgenerators den Schließzeitpunkt des Schalters für die Entladung der Energie in den Nutzstromkreis festlegt.

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