DE2920355A1

DE2920355A1 - Vorrichtung zum speichern von energie mit supraleitenden spulen

Info

Publication number: DE2920355A1
Application number: DE19792920355
Authority: DE
Inventors: Roger Prof Boom; Masayoshi Prof Masuda
Original assignee: National Laboratory for High Energy Physics
Current assignee: National Laboratory for High Energy Physics
Priority date: 1978-05-29
Filing date: 1979-05-19
Publication date: 1979-12-06
Anticipated expiration: 1999-05-20
Also published as: JPS54154989A; DE2920355C2; FR2427722A1; GB2021881A; GB2021881B; FR2427722B1

Description

Patentanmeldung

THE DIRECTOR-GENERAL OF NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS

No* 1-1, üehara, Oohoinachi, Tsukuba=Gun,

Ibaraki-Ken, Japan

Vorrichtung zum Speichern von Energie mit supraleitenden Spulen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit supraleitenden Spulen, welche einen supraleitenden Magnet aufweist, der über einen Thyristor-Konverter an eine Wechselstrom-Speiseleitung angeschlossen ist.

Es ist allgemein bekannt, daß gewisse Metalle und leitende Verbindungen, wenn sie auf annähernd O⁰K eis 15⁰K abgekühlt werden, plötzlich ihren elektrischen Widerstand verlieren bezw. supraleitend werden.

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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Mosch, Patentanwälte in Essen

Wenn in eine supraleitende Spule, deren elektrischer Widerstand praktisch gleich Null ist, Strom geleitet wird, v/ird die Zeitkonstante der Spule infolgedessen sehr groß, wodurch der Strom innerhalb der Spule selbst nach einer langen Zeitperiode mit geringer Dämpfung fließen kann. Infolgedessen wird elektrische Energie lange Zeit hindurch gespeichert.

Bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Speicherung von Energie der eingangs genannten Art wird der eingespeiste Wechselstrom über den als Gleichrichter arbeitenden Thyristor-Konverter in Gleichstrom umgewandelt* Dieser Gleichstrom ξι regt den supraleitenden Magnet, sodaß, nachdem der demselben zugeführte Strom den maximal zulässigen Wert erreicht hat, ein Dauerstromschalter geschlossen wird, wodurch Dauerstrom durch den vom supraleitenden Magnet und diesem Schalter gebildeten geschlossenen Stromkreis hindurchströmt, sodaß elektrische Energie in Form eines elektromagnetischen Feldes im supraleitenden Magnet gespeichert wird.

Wenn die den supraleitenden Magnet umgebende Raumtemperatur lokal K. ansteigt oder die Stromdichte und die Magnetflußdichte in demselben bestimmte Werte überschreiten, wird der supraleitende Magnet innerhalb sehr kurzer Zeit zu einem normal leitenden Magneten, entwickelt Joul'sche Wärme und erzeugt an beiden Enden eine hoLe Spannung. Bei derartigen Gelegenheiten wird der Dauerstromschalter schnell geöffnet, um die gespeicherte Energie an einen Schutz-Widerstand abzuleiten. Da der Widerstand sehr schnell die gespeicherte Energie verbraucht, wird ein Ausfall der Isolierung des supraleitenden Magneten und eine schnelle Vergasung des zu seiner Kühlung vorgesehenen flüssigen Heliums verhindert.

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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Bei einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung zur Speicherung von Energie verbraucht der Schutz-Widerstand die gesamte gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit, wenn der supraleitende Magnet wie erwähnt zu einem normal leitenden Magneten wird. Wenn mittels einer derartigen Vorrichtung eine derartige Menge an elektrischer Energie gespeichert wird, wie sie beispielsweise /■- von einem Pumpspeicherwerk erzeugt werden kann, ergibt sich nicht ~ nur ein gewaltiger Energieverlust, sondern die Abmessungen der Vorrichtungen müssen auch sehr groß sein.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß die vorgenannten Schwierigkeiten einwandfrei behoben werden.

Dabei v/erden erfindungsgemäß in der Speichervorrichtung supraleitende Spulen verwendet, wodurch der Verlust an gespeicherter Energie infolge der Entladung zum Schutz des supraleitenden Magneten und der Verbrauch von flüssigem Helium im Niedrigsttemperaturbehälter infolge einer beim Übergang des supraleitenden ■(_ Magneten in einei normal leitenden Magneten ntstehenden Vergasung wesentlich reduziert werden.

Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung irn wesentlichen dadurch, daß der supraleitende Magnet mehrere supraleitende Spulen enthält, deren jede mit einem Schüfcz-Thyristor zur Ausbildung eines lokal geschlossenen Stromkreises versehen ist.

Eine genauere Erläuterung der erfindung ergibt sieh aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigt

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Fig.l den Schaltplan einer herkömmlichen Vorrichtung zur Speicherung von Energie;

Fig.2 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig.3 ein Stromfluß-Diagramm zur Darstellung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei der in B'ig.l dargestellten herkömmlichen Speichervorrichtung wird Wechselstrom über die Leitung a in einen Transformator b eingespeist, welcher die Spannung des Wechselstromes umwandelt. Zusammen mit diesem Transformator b sind Thyristoren c (siliziumgesteuerte Gleichrichterelemente) zu einem Thyristor-Konverter TC zusammengefaßt. Die Vorrichtung besitzt außerdem einen in einen Niedrigsttemperaturbehälter T, welcher flüssiges Helium oder dgl. enthält, versenkten supraleitenden Magneten d, in diesem Behälter T einen DauerStromsehalter e und schließlich einen Schutz-Widerstand f, dessen Widerstand ausreichend höher ist als der Widerstand des Magneten d in supraleitendem Zustand und ausreichend niedriger ist als der Magnet-Widerstand in normal leitendem Zustande.

Da die Arbeitsweise dieser herkömmlichen Speichervorrichtung und ihre Nachteile bereits eingangs erläutert wurden, erübrigt sich eine Wiederholung an dieser Stelle.

Bei der in Fig.2 dargestellten erfindungsgemäßen Speichervorrichtung führt eine Wechselstrom-Speiseleitung 1 zu einem Thyristor-Konverter TC, welcher aus einem Transformator 2 und einem Thyris-

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tor 3 (siliziumgesteuertes Gleichrichterelement) besteht. Dieser Thyristor-Konverter TC arbeitet sowohl als Gleichrichter wie als Inverter. Er kann ohne weiteres Wechselstrom in Gleichstron, umwandeln und umgekehrt.

Der Thyristor-Konverter TC ist mit einem supraleitendem Magnet SM (\ verbunden, der in einen Niedrigsttemperaturbehälter T (Kryostat) versenkt ist, welcher flüssiges Helium enthält. Der supraleitende Magnet SM besitzt drei supraleitende Spulen 4, 4' und 4", Vielehe parallel geschaltet sind. Dementsprechend befinden sich diese supraleitenden Spulen 4, 4' und 4" gemeinsam im Behälter T.

Die supraleitenden Spulen 4, 4¹ und 4" sind jeweils parallel mit Schutz-Thyristoren 5, 5' und 5" verbunden, sodaß sie mit diesen Thyristoren jeweils lokal geschlossene Stromkreise bilden, welche bei eingeschalteten Thyristoren 5* 5' und 5" hintereinander geschaltet sind, wodurch kein Strom abfließt, aondern innerhalb der auf diese V/eise ausgebildeten geschlossenen Stromkreise fließt.

J Zwischen den Thyristor-Konverter TC und den supraleitenden Magnet SM ist ein Bypass-Thyristor 6 geschaltet, welcher zum supraleitenden Magnet SM parallel liegt. Beim Einschalten des Bypass-Thyristors 6 bildet, während die Schutz-Thyristoren 5, 5' und 5" abgeschaltet sind, der supraleitende Magnet SM und der Bypass-Thyristor 6 einen geschlossenen Stromkreis, sodaß in diesem der LJtrom ohne Entladung fließt.

Zum Speichern von elektrischer Energie in dem supraleitenden Magnet SM der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Speichervorrichtung

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unter Verwendung von supraleitenden Spulen arbeitet der Thyristor-Konverter TC zunächst als Gleichrichter, um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Dann wird jede der supraleitenden Spalen 4, 4¹ und 4" aufgeladen, bis ihr maximal zulässiger Strompegel erreicht ist.

Während dieser Zeit bleiben die Schutz-Thyristoren 5.» 5^r und 5" sowie der Bypass-Thyristor 6 abgeschaltet. Naca beendeter Aufladung wird 1er 3ypass-Thyristor 6 eingeschaltet.

Während so der Bypass-Thyristox' 6 eingeschaltet wird, bleiben die Schutz-Thyristoren 5, 5' und 5" abgeschaltet. Daher fließt kein Dauerstrom von den Spulen 4, 4¹ und 4" nach außen, sondern fließt innerhalb des durch den Bypass-Thyristor 6 und den supraleitenden Magnet SM gebildeten geschlossenen Stromkreises. Infolgedessen wird die elektrische Energie in Form eines elektromagnetischer» Feldes im supraleitenden Magnet SM gespeichert.

Beim Übergang der supraleitenden Spule 4' in normal leitenden Zustand werden beispielsweise die Schutz-Thyristoren 5 und 5"> welche jeweils zu den supraleitenden Spulen 4 und 4" parallel geschaltet sind, sofort eingeschaltet. Der Schutz-Thyristor 5^f bleibt abgeschaltet.

Beim Einschalten der Schutz-Thyristoren 5 und 5" fließt, während der Schutz-Thyristor 5¹ abgeschaltet bleibt, in den supraleiten-

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sehen Stromes innerhalb der durch die supraleitenden Spulen 4 und 4" und die entsprechenden Schutz-Thyristoren 5 und 5" gebil-

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deten geschlossenen Stromkreise, wie dies in Fig.5 in vollen Linien eingezeichnet ist. Infolgedessen wird die Energie ohne Entladung nach außen innerhalb der lokal geschlossenen Stromkreise in Form eines zirkulierenden Stromes gespeichert.

Durch Betätigung des Thyristor-Konverters TG als Inverter, wird die Energie in der supraleitenden Spule 4¹ als Wechselstrom über die supraleitenden Spulen 4, 4' und 4" und die Schutz-Thyristoren 5 und 5" entsprechend einer punktierten Linie in Fig.3 in die Speiseleitung 1 abgegeben.

Zu dieser Zeit fließt der Strom in der supraleitenden Spule 4¹ (entsprechend der punktierten Linie in Fig.5) auch durch die Schutz-Thyristoren 5 und 5", und zwar entgegen dem darin fliessenden Strom, wodurch der Stromfluß in diesen lokal geschlossenen Kreisen herabgesetzt wird. Der Betrieb des Thyristor-Konverters TC ist jedoch begrenzt, sodaß der Strom in den geschlossenen Kreisen nicht unter den durch die Schutz-Thyristoren 5 und 5" gehaltenen Strom absinkt. Daher schalten die Schutz-Thyristoren 5 und 5" ab, um die in diesen beiden lokal geschlossenen Kreisen gespeicherte Energie nicht zu entladen oder abzugeben.

Infolgedessen führt ein partieller Übergang in normal leitenden Zustand innerhalb des supraleitenden Magneten SM nicht zu einer Gesamtentladung, sondern nur zu einer Teilentladung der gespeicherten Energie. Daher ergibt sich bei der erfindungsgemaßen Vm"T»"i ρ.ΐτί-.ιιηορ oin uoBoni".! ΐ nh ffcT>i ησοτΌΤ" Κηοτ>σί οτΓοτΊπα+-. τ nf λ! σο riav

Entladung als bei der in Fig.l dargestellten herkömmlichen Vorrichtung.

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Der durch den übergang induzierte Stromwechsel entwickelt im supraleitenden Magnet SM Spannung, welche jedoch, da sie recht gering ist, keinen Ausfall in der Isolierung des supraleitenden Magneten SM verursacht.

Wenn die supraleitende Spule 4¹ erneut in supraleitenden Zustand gelangt, d.h. wieder die Fähigkeit besitzt, Energie zu speichern, wird der Thyristor-Konverter TC als Gleichrichter betätigt, um Viechseistrom in Gleichstrom umzuwandeln, der allmählich in die supraleitende Spule V eingespeist wird.

Wenn dieser Strom den maximal zulässigen Wert für diese supraleitende Spule 4' erreicht, schalten die Schutz-Thyristoren 5 und 5" augenblicklich ab und sacken under die Höhe des darin gehaltenen Stromes. Beim Einschalten des Bypass-Thyristors 6 in diesem Zustand, fließt der Strom als Dauerstrom durch den vom supraleitenden Magnet SM und dem Bypass-Thyristor gebildeten geschlossenen Stromkreis, woraufhin elektrische Energie erneut in Form eines elektromagnetischen Feldes in dem supraleitenden Magnet SM gespeichert wird.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Schutz-Thyristoren 5i 5^! und 5" als Schaltelemente benutzt, sie können jedoch auch als Konverter benutzt werden« Wenn diese supraleitende Spule 4' in normal leitenden Zustand übergeht, kann beispielsweise die darin gespeicherte Energie durch Verwendung eines Thy-

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enthält, entladen werden.

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Selbst wenn der vorbeschriebene Thyristor-Konverter verwendet wird, fließt in den -supraleitenden Spulen 4 und 4", Vielehe nicht normal leitend ge;;orü .n sind, gespeicherte Energie durch diese beiden lokal geschlossenen Stromkreise. Wenn Energie in normalem Zustand gespei ^i3rt wird, fließt die gespeicherte Energie innerhalb des den Lypass-Thyristor 6 aufweisenden geschlossenen Stromkreises.

Wie vorstehend besehrieben wurde, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie einen supraleitenden Magnet, welcher in mehrere Abschnitte unterteilt ist, deren jeder eine supraleitende Spule enthält, welche jeweils mit einem entsprechenden Schutz-Thyristor verbunden ist. Wenn daher eine supraleitende Spule normal leitend wird, können die mit den anderen supraleitenden Spulen verbundenen Schutz-Thyristoren eingeschaltet werden, ohne daß der mit der nunmehr normal leitenden Spule verbundene Schutz-Thyristor eingeschaltet wird. Dadurch strömt die gespeicherte Energie innerhalb der lokal geschlossenen Kreise, welche durch die supraleitenden Spulen und die mit ihnen verbundenen jeweiligen Schutz-Thyristoren gebildet werden, wodurch eine Entladung verhindert wird. Außerdem wird in der in Normalzustand übergegangenen Spule gespeicherte Energie durch den Thyristor-Konverter schnell in die Wechselstmm-Speiseleitung entladen. Dadurch wird der sich aus dem Übergang in normal leitenden Zustand ergebende Energieverlust und der Verbrauch an Helium oder anderem Kühlmittel gegenüber der in Pig.l dargestellten herkömmlichen Vorrichtung vj^sentlich ^B'8ri^nD'6r ^cPi?h.8.1te^Ti· Σηί¹'"*"'¹ wird der supraleitende Magnet adäquat geschützt.

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Da der supraleitende Magnet mehrere supraleitende Spulen enthält, verbraucht die Schnellentladung der Energie von der in Normalzustand übergegangenen Spule nur einen Teil der insgesamt gespeicherten Energie. Dadurch kann die Maximalspannung des Thyristor-Konverters vorteilhaft gesenkt werden.

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Liste der Bezugszeichen.

1 Weehselstrom-Speiseleitung

2 Transformator

2 Thyristor |

4, 4', 4" Supraleitende Spulen

5, 5^t, 5" Schutz-Thyristoren 6 Bypass-Thyrxstor

TC Thyristor-Konverter

T Niedrigsttemperaturbehalter

SM Supraleitender Magnet.

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Claims

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Patentansprüche:

IJ Vorrichtung zum Speichern von Energie mit supraleitenden Spulen, welche einen supraleitenden Magnet aufweist, der durch einen Thyristor-Konverter an eine Wechselstrom-Speiseleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Magnet (SM) mehrere supraleitende Spulen (4, 4', 4") enthält, deren jede mit einem Schutz-Thyristor (5, 5*, 5") zur Ausbildung eines lokal geschlossenen Stromkreises verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Jeweils aus einer· supraleitenden Spule (4, 4¹, 4") und dem betreffenden Schutz-Thyristor (5, 5¹, 5") bestehenden lokal geschlossenen Stromkreise zu einer Kaskadenschaltung miteinander verbunden, d.h. hintereinander geschaltet sind.
J). Vorrichtung nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß für den supraleitenden Magnet (SM) ein mit ihm einen geschlossenen Stromkreis bildender Bypass-Thyristor (6) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Spulen (4, 4¹^ 4") in einem gemeinsamen Niedrigsttempera turbehälter (T) eingetaucht sind.

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