DE2143568B2 - High performance device for sequential charging and storage or delivery of energy via a transformer - Google Patents
High performance device for sequential charging and storage or delivery of energy via a transformerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie, bestehend aus einer Energiequelle, einer daraus aufgeladenen supraleitenden Speicherspule mit daran anliegender supraleitender Llmschalteinrichtung, die in Parallelschaltung aus der Energiequelle gespeist werden, ferner bestehend aus einer einen Verbraucherstromkreis speisenden Sekundärwicklung, die zusammen mit der Speicherspule einen Transformator bildet, sowie aus ersten Steuervorrichtungen, welche die Umschalteinrichtung während der Speicherung in den supraleitenden Zustand nahe dem Widerstanswert Null und während der Ladung in den Normalzustand mit einem endlichen Widerstandsweri versetzen.The invention relates to a high performance device for sequential charging and storage or Delivery of energy, consisting of an energy source, a superconducting storage coil charged from it with superconducting switching device attached to it, which is connected in parallel from the energy source are fed, furthermore consisting of a secondary winding feeding a consumer circuit, which together with the storage coil forms a transformer, as well as first control devices which the switching device during storage in the superconducting state close to the resistance value Zero and put it in the normal state with a finite resistance value during charging.
Es ist bekannt magnetische Energie in supraleitenden Spulen zu speichern. Das Prinzip dieser Speicherung beruht auf einer Eigenschaft bestimmter Metalle oder Legierungen, einen Widerstandswert nahe Null bei • einer am absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur aufzuweisen, also supraleitend zu werden. Wenn Energie in einer Spule mit einem Widerstandswert nahe Null gespeichert wird, kann sie in ihr eine sehr lange Zeit, beispielsweise mehrere Jahre, gespeichert bleiben.It is known to store magnetic energy in superconducting coils. The principle of this storage is based on a property of certain metals or alloys, with a resistance value close to zero • to have a temperature close to absolute zero, ie to become superconducting. if Energy is stored in a coil with a resistance value close to zero, it can stay in it for a very long time Time, for example several years.
i" Eine Hochleistungsvorriehtung der eingangs genannten Art ist aus »Proceedings of the lEE«. lanuar I9b6, S. 67—68, bekannt.i "A high-performance device of the aforementioned Art is from "Proceedings of the IEE". January 19b6, pp. 67-68.
Das Laden der supraleitenden Speicherspule und die Verwendung der gespeicherten Energie in Form schneller Impulse hoher Leistung erfordern eine Umschalteinrichiung, die parallel zu den Klemmen der supraleitenden Speicherspule angeordnet ist. Zur Ladung wird eine elektrische Spannungsquelle parallel zu der aus Umschlageinrichtung und Spule bestehendenThe charging of the superconducting storage coil and the use of the stored energy in the form fast, high power pulses require a Switching device that is parallel to the terminals of the superconducting storage coil is arranged. An electrical voltage source is connected in parallel to the charge to the one consisting of the handling device and spool
-0 Anordnung geschaltet. Die Abgabe der Energie erfolgt über einen Transformator, in dem die Speicherspule die Primärwicklung darstellt, und eine zweite, nicht supraleitende Spule bildet die Sekundärwicklung, an deren Klemmen ein Nutzwiderstand angeschlossen-0 arrangement switched. The energy is released Via a transformer, in which the storage coil is the primary winding, and a second, not The secondary winding is formed by a superconducting coil, with a useful resistor connected to its terminals
- > wird. Beim Betrieb der Vorrichtung unterscheidet man die Ladung, bei der die Umschalteinrichtung einen hohen Widerstandswert haben muß, die Speicherung, bei der die Umschalteinrichtung gesperrt ist. um die supraleitende Spule kurzzuschließen, und die Energie--> will. A distinction is made when operating the device the charge, for which the switching device must have a high resistance value, the storage, in which the switching device is blocked. to short-circuit the superconducting coil, and the energy
1(1 abgabe, in der die Umschalteinrichtung einen sehr hohen Widerstandswert hat, der höher ist als der auf die Primärwicklung bezogene Wert des Nutzwiderstandes. Die Umschalteinrichtung muß einen sehr hohen Widersiandswert in der Enüadephase aufweisen, damit 1 (1 output in which the switching device has a very high resistance value, which is higher than the value of the useful resistance related to the primary winding. The switching device must have a very high resistance value in the enuadephase
'"> Energie in den Nutzwiderstand abgegeben werden kann. Bei der Umschlageinrichtung kann es sich um eine supraleitende Einrichtung handeln, die vom supraleitenden in den Normalzustand übergehen kann. Der Übergang vom supraleiienden Zustand in den Normalzustand hängt von drei Parametern ab. der Temperatur, der Stromstärke und u<:m magnetischen Feld. Der Übergang kann bei einer gegebenen Temperatur durch Erzeugung eines zusätzlichen magnetischen Feldes erfolgen. Dieses magnetische Feld übersteigt den'"> Energy can be released into the useful resistor can. The transshipment facility can be a act superconducting device, which can pass from the superconducting to the normal state. Of the The transition from the superconducting state to the normal state depends on three parameters. the temperature, the current strength and u <: m magnetic field. Of the Transition can occur at a given temperature by generating an additional magnetic field take place. This magnetic field exceeds the
*'' kritischen Wert, und der supraleitende Zustand wird plötzlich aufgehoben. Dieses Prinzip wird im allgemeinen für den Übergang der Umschalteinrichtung vom supraleitenden in den normalen Zustand und umgekehrt angewandt. Bei der bekannten Vorrichtung bleibt die * '' critical value, and the superconducting state is suddenly canceled. This principle is generally used for the transition of the switching device from the superconducting to the normal state and vice versa. In the known device remains the
'" Speicherwicklung während der Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie supraleitend, oder sie weist während dieser einen sehr schwachen Widerstand auf. Zum Zeitpunkt der Entladung weist die 'Jnischalt· einrichtung einen hohen Widerstand auf. und an den'"Storage winding during charging and storage or release of energy superconducting, or it has a very weak resistance during this on. At the time of discharge, the 'Jnischalt · device has a high resistance. and to the
>5 Klemmen der Speicherwicklung liegt eine überspannung. > 5 clamps of the accumulator winding there is an overvoltage.
Es ist schwierig, eine Spannung von 100 kV auf der Primärseite des Transformators der Vorrichtung bedingt durch die derzeitig gegebenen Möglichkeiten zuIt is difficult to get a voltage of 100 kV on the Primary side of the transformer of the device due to the current possibilities
6Ü überschreiten. Da der die 5ρείς·1ιεΓ5ρυΙο durchfließende Strom zur Zeit 100 000 A im Dauerbetrieb nicht übersteigen kann, beträgt die kurzzeitige Höchstleistung IO GW; im übrigen muß die Umschalieinnchtung im Normalzustand einen hohen Widerstand aufweisen. 6Ü exceed. Since the current flowing through the 5ρείς · 1ιεΓ5ρυΙο cannot currently exceed 100,000 A in continuous operation, the short-term maximum output is IO GW; In addition, the cladding device must have a high resistance in the normal state.
^ Dies erfordert eine sehr lange supraleitende Spule. Preis und Platzbedarf der Umschaltwicklung liegen im wesentlichen in der gleichen Größenordnung wie die Werte der Speicherspule. ^ This requires a very long superconducting coil. The price and space requirement of the switchover winding are essentially of the same order of magnitude as the values of the storage coil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Größenordnung der Hauptwicklung der Umschalteinrichtung kleiner zu halten als die der Speichereinrichtung und die von der Speichereinrichtung kurzzeitig abgebbare Leistung zu erhöhen.The invention is based on the task of determining the order of magnitude of the main winding of the switching device to be kept smaller than that of the storage device and that of the storage device for a short time to increase deliverable power.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features characterized in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei- ι spiels in Form eines elektrischen Schaltplans der Hochleistungsvorrichtung erläutert:The invention is based on an exemplary embodiment game explained in the form of an electrical circuit diagram of the high-performance device:
Eine supraleitende Spe'oherspule 1 ist schematisch durch ein Rechteck dargestellt. In ihr sind die Hauptwicklung 2 und zwei Klemmen 3 und 4 einer nicht : veranschaulichten Steuerwicklung als zweite Steuervorrichtung zur Überführung der Speicherspule 1 vom supraleitenden in den Normalzustand enthalten. Die Steuerw icklung kann an eine nicht dargestellte Vorrichtung wie eine Kondensatorbatterie angeschlossen werden, wodurch ein starker elektrischer impuls entsteht. Die Steuerung kann ebenfalls inermisch erfolgen. Die Hauptwicklung 2 ist als Spule großen Durchmessers und geringer Länge ausgebildet. Sie besteht beispielsweise aus einem mehradrigen supraleitenden Kabel aus Niob, das mit 40% Titan legiert ist. wodurch hohe Stromstärken erzielt werden können. Das supraleitende Kabel weist einen leitenden Metallmantel auf. der aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand bestehen kann. Wenn die Speicherspule 1 sich im supraleitenden Zustand befindet, ist ihr Widerstandswert Null. Im Normalzustand ist ihr elektrischer Widerstand hoch, und zwar aufgrund des hohen Widerstands des parallel zur Hauptwicklung 2 angeordneten Mantels.A superconducting Spe'oherspule 1 is shown schematically represented by a rectangle. In it the main winding 2 and two terminals 3 and 4 are not one: illustrated control winding as a second control device for transferring the storage coil 1 from superconducting included in the normal state. The control winding can be connected to a device (not shown) Can be connected like a capacitor bank, creating a strong electrical pulse arises. The control can also be carried out intermixed. The main winding 2 is large as a coil Diameter and short length. It consists, for example, of a multi-core superconducting one Cable made of niobium alloyed with 40% titanium. whereby high currents can be achieved. The superconducting cable has a conductive metal jacket. made of a copper-nickel alloy with can consist of a high specific electrical resistance. When the storage reel 1 is in is in a superconducting state, its resistance value is zero. In its normal state it is electric Resistance high, due to the high resistance of the parallel to the main winding 2 arranged Coat.
Durch ein weiteres Rechteck ist eine Umschalteinrichtung 5 schematisch dargestellt, in der sich eine supraleitende Hauptwicklung und eine durch die Klemmen 6 und 7 bezeichnete Steuerwicklung befinden. Die Hauptwicklung besteht beispielsweise aus einem Kabel aus Niob-Drähten, die mit 40% Titan legiert sind; die .Steuerwicklung, die magnetisch sein kann, besteht aus einem nicht supraleitenden Metalldraht, beispielsweise Kupfer. Die Umschaltcinrichtung kann so aus dem supraleitenden in den Normalzustand übergehen.Another rectangle is a switching device 5 is shown schematically in which a superconducting main winding and a control winding designated by terminals 6 and 7 are located. The main winding consists of one, for example Cables made from niobium wires alloyed with 40% titanium; the .Control winding, which can be magnetic, exists from a non-superconducting metal wire, for example Copper. The switching device can thus change from the superconducting to the normal state.
Die Umschalteinrichtung ist als kleine, längliche Spule ausgebildet. Der Mantel, der ihre Hauptwicklung umgibt, besteht aus einem leitenden Metall oder einer leitenden Legierung wie Kupfer. Kupfer-Nickel-Legierung. Silber oder Gold. Die Umschalteinrichtung weist im Normalzustand einen schwachen Widerstand auf Es ist zu bemerken, daß die Umschalteinrichiung wegen der geringen Länge ihrer Hauptwicklung wenig supraleitendes Kabel aufweist.The switching device is designed as a small, elongated coil. The coat that is her main winding is made of a conductive metal or alloy such as copper. Copper-nickel alloy. Silver or gold. The switching device has a weak resistance Es in the normal state it should be noted that the switching device because of the short length of their main winding has little superconducting cable.
Die aus Metallfolien hergestellte und an die .Speicherspule 1 angeschlossene Sekundärwicklung 8 weist einige Windungen, gegebenenfalls nur eine einzige Windung auf, so daß ein hohes Übersetzungsvcrhähnis vorliegt.The secondary winding 8 made of metal foils and connected to the storage coil 1 has a few turns, possibly only a single turn, so that a high gear ratio is present.
Der Widerstand 9 stellt den Ersatzwiderstand des Vet braucherstromkreises dar, auf den die Entladeimpulse gegeben werden.The resistor 9 represents the equivalent resistance of the Vet user circuit on which the discharge pulses are given.
Das aus der Speicherspule 1, der Umschalteinrichtung 5 und der Sekundärwicklung 8 bestehende Ganze ist in einem Tieftemperaturbehälter to untergebracht. Die Kühlung w'rd durch flüssiges Helium mit einet Temperatur von 4,2° K gewährleistet.The whole consisting of the storage coil 1, the switching device 5 and the secondary winding 8 is shown in FIG housed a cryogenic container to. The cooling is combined with liquid helium Temperature of 4.2 ° K guaranteed.
Die Spannungsquelle 11 gibt eine Spannung Uab und weist einen Innenwiderstand 12 auf.The voltage source 11 emits a voltage U and has an internal resistance 12.
Der Schalter 13 ermöglicht die völlige Isolierung des Speicherstromkreises von der Spannungsquelle 11. Die Betriebsweise der Vorrichtung ist folgende: Wenn der Schalter 13 geschlossen ist, fließt Gleichstrom in die Speicherspule 1, die im supraleitenden Zustand verbleibt, während die Umschalieinricntung 5 mittels eines auf die Klemmen 6 und 7 gegebenen Steuerimpulses in den Normalzustand versetzt wird. Es erfolgt eine Verstärkung des durch die Speicherspule 1 fließenden Stromes. Das Laden wird infolge des Widerstandes möglich, den die Umschalteinrichiung 5 im Normalzustand darstellt und der an den Klemmen der Speicherspule 1 anliegt. Dieser Vorgang ist die Ladung.The switch 13 enables the storage circuit to be completely isolated from the voltage source 11. The operation of the device is as follows: When the switch 13 is closed, flows Direct current in the storage coil 1, which remains in the superconducting state, during the Umschalieinricntung 5 is set to the normal state by means of a control pulse applied to terminals 6 and 7. It the current flowing through the storage coil 1 is amplified. Loading is stopped as a result of the Resistance possible, which the Umschalteinrichiung 5 represents in the normal state and that at the terminals the storage reel 1 is applied. This process is the charge.
In einem zweiten Betriebsfall is: Jer Schalter 13 geöffnet, und die umschaitemrieniüng 5 wire! dadurch supraleitend, daß der auf die Klemmen 6 und 7 gegebene Steuerstrom unterbrochen wird. Die Speicherspule 1 verbleibt im supraleitenden Zustand. Der Strom Hießt in dem vor der Speicherspule 1 und der Hauptwicklung der Umschalteinrichtung 5 gebildeten Ganzem, das einen Widerstandswert bei Null aufweist. In der Sekundärwicklung 8 fließt kein Strom, weil det Widerstand 9 als Nutzwidersiand sich gegenüber den supraleitenden Wicklungen der Umschalteinrichtung 5 und der Speicherspule 1 wie ein unendlich großer Widerstand verhält. Dieser zweite Betriebsfall ist die Speicherung.In a second operating case: Jer switch 13 is open, and the switching circuit 5 wire! through this superconducting that the control current applied to terminals 6 and 7 is interrupted. The storage reel 1 remains in the superconducting state. The current is called in front of the storage coil 1 and the main winding the switching device 5 formed whole, which has a resistance value at zero. In the Secondary winding 8 no current flows because the resistor 9 as a useful resistance to the superconducting windings of the switching device 5 and the storage coil 1 like an infinitely large one Resistance behaves. This second operational case is storage.
In einem dritten Betriebsfall, der Entladung, bleibt die Umschalteinrichtung 5 supraleitend. Der Schalter 13 bleibt geöffnet, und die Steucrwicklung mit den Klemmen 3 und 4 wird betätigt. Die Speicherspule 1 geht in den Normalzustand über und weist einen hohen Widerstandswert auf. Dieser Widerstandswert ist größer als das Produkt des Wertes des Widerstandes 9ma. dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses η des durch die Hauptwicklung 2 und die Sekundärwicklung 8 gebildeten Transformators.In a third operating case, the discharge, the switching device 5 remains superconducting. The switch 13 remains open and the control winding with terminals 3 and 4 is actuated. The storage coil 1 changes to the normal state and has a high resistance value. This resistance value is greater than the product of the value of the resistor 9ma. the square of the transformation ratio η of the transformer formed by the main winding 2 and the secondary winding 8.
Das Übersetzungsverhältnis π ist sehr groß. Der Zustandswechsel der Speicherspule 1 erfolgt dadurch, daß die Hauptwicklung 2 kurzgeschlossen bleibt, da der Widerstandswert der Umschaltcinrichtung 5 Null ist. Da die Haupiwicklung 2 einen geschlossenen Stromkreis aufweist, tritt an den Klemmen der Primärwicklung keine Spannung auf. Das ermöglicht die Erzeugung höherer Spannungen auf der Sekunclärseitc. Es können Spannungen von ICOkV auf der Se.kundäiseite "urtreten. Da das Übersetzungsverhältnis groß ist. kann der an die Sekundärwicklung abgegebene Stroin } 10'A erreichen. Dc kurzzeitige Höchstleistung ist in diesem Fall gleich 1000 GW.The transmission ratio π is very large. The change of state of the storage coil 1 takes place in that the main winding 2 remains short-circuited, since the resistance value of the switching device 5 is zero. Since the main winding 2 has a closed circuit, no voltage occurs at the terminals of the primary winding. This enables higher voltages to be generated on the secondary side. It may apply voltages of ICOkV on the Se.kundäiseite "u r. Since the transmission ratio is great., The power delivered to the secondary winding Stroin} 10'A reach. Dc short-term peak performance in this case is equal to 1000 GW.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht somit zusammenfassend darin, daß sie in allen den Fällen angewendet werden kann, in denen die i abgegebene kurzzeitige Leistung erhöht werden soll, wobei die Speicherspule bestimmte Aufgaben einer Umschalteinrichtung zu erfüllen hat.In summary, the advantage of the device according to the invention is that it is in all can be used in cases in which the short-term output i delivered is to be increased, wherein the storage coil has to fulfill certain tasks of a switching device.
Die Vorrichtung kann für die Speicherung und Abgabe hoher Energien in Laserblitzlampen und für > Plasmaentladungen verwendet werden.The device can be used for the storage and delivery of high energies in laser flash lamps and for > Plasma discharges are used.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| BI | Miscellaneous see part 2 | ||
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |