DE3403982A1

DE3403982A1 - Verfahren fuer eine stoerfeldgeregelte magnetische eigenschutzanlage (smes-anlage)

Info

Publication number: DE3403982A1
Application number: DE19843403982
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2112 Jesteburg Geisler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Priority date: 1984-02-04
Filing date: 1984-02-04
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE3403982C2; FR2559303A1; GB2154031B; GB8502610D0; SE8406479L; US4823081A; SE464996B; GB2154031A; SE8406479D0; FR2559303B1

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH * PTL-HH/Sa/bl

Theodor-Stern-Kai 1 HH 84/02

D-6000 Frankfurt 70

"Verfahren für eine störfeldgeregelte magnetische Eigenschutzanlage (SMES-Anlage)"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1·

Aus der DE-OS 29 29 964 ist ein Verfahren bekannt, bei dem gemessene Magnetfelddifferenzen aufintegriert und über einen geschlossenen Regelkreis zur Erzeugung eines KompensationsRtrornes verwendet werden. Der Repelvorgang ist abgeschlossen, sobald die gemessene Magnetfelddifferenz ziu Null geworden ist. Die Magnetfelddifferenzsonden sollen dabei dort aufgestellt werden, wo Sonden-Null mit dem Eigenfeld-Null über einstimmt. Falls sich kein derartiger Ort finden läßt, soll dem Sondenmeßeffekt ein einstellbarer konstanter oder feldabhängiger Effekt überlagert werden, der die Nu11-Differenz ausgleicht. Dieses bekannte Verfahren weist noch gewisse Mängel auf, z.B. die, daß veränderliche Objektmagnetisierungen nicht hinreichend kompensiert werden können und im Störungsfall kein ausreichender Notbetrieb möglich ist.

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Der Erfindung· liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kompensationsverfahren anzugeben, mit dem Änderungen des magnetischen Zustandes eines Objektes erfaßt und möglichst optimal kompensiert werden können.

Diese Aufgahe vird durch die im Konnzeichen des Hauptanepruchs angegebenen Merkmale gelöst. Mit diesem Verfahren wird eine wesentliche Verbesserung der Langzeitstabilität gegenüber bekannten Anlagen erreicht.

Für die Beschreibung des Verfahrens kann das Problem auf ein Objekt mit einem veränderlichen magnetischen Moment reduziert werden, dessen Störmagnetfeld in einer Raumebene außerhalb des Objektes optimal kompensiert, d.h. möglichst zum Verschwinden gebracht werden soll.

Das magnetische Störfeld eines Objektes ist im allgemeinen in den hier interessierenden Objektabständen nicht durch einen einzigen Dipol als Quelle beschreibbar, zumindest muß für eine angenäherte Beschreibung des Störfeldes eine räumlich ausgedehnte Anhäufung von gleichgerichteten Dipolen als Quelle zugrunde gelegt werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Objekt mit vertikalen Störmomenten und den Verlaufen für Magnetfelddifferenz bzw. Magnetfeld oberhalb bzw. unterhalb des Objektes,

Fig. 2 den optimalen Kompensationszustand,

Fig. 3 den Fall, daß unabhängig von Änderungen der Magnetisierung des Objektes am Ort der maximalen Felddifferenz diese zu Null kompensiert ist, und
Fig. 4 ein Blockschaltbild für einen SMES-Regelkreis

In Fig. 1 sind nur die vertikalen Komponenten dargestellt. Das Störmagnetfeld H ist maximal unterhalb des magnetischen Schwerpunktes des Objektes.Entsprechendes gilt für die Magnetfelddifferenz Δ Η oberhalb

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■. icdes Objektes. Es sind die Werte für H bzw. Λ Η sowohl bei positiver

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als auch tei negativer Magnetisierung des Objektes eingezeichnet. Der größte Meßeffekt in Δ Ή als Regelgröße für einen SMES-Regelkreis ergibt pich hier, wenn die Fluchtlinie der Differenzsonde auf den magnetischen Schwerpunkt zeigt.

Der optimale Kompensationpzustand nach Fig. 2 ergibt sich für die gegewählte Kompensationsmethode mit einer von einem Strom I durchflossenen Stromspule, wenn der Strom optimal eingestellt wird, d.h. I=I . Die Kompensation wird als optimal angesehen, wenn der maximal in der Meßebene auftretende Feldstärkebetrag |H| minimal wird. Es sind

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auch andere Definitionen des optimalen Kompensationszustandes möglich. Das hier beschriebene Verfahren kann auch bei anderen Definitionen sinngemäß angewendet werden. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß bei optimaler Kompensation ein von Null verschiedener Wert in Δ Η auftritt, der sich hei negativer Magnetisierung und damit auch negativem Strom I umkehrt.

Der aus dem vorerwähnten Stand der Technik bekannte Begriff "Eigenfeld-Null" soll hier zum besseren Verständnis durch "optimale Kompensation¹¹ ersetzt werden. Bei dieser optimalen Kompensation gibt es zwar Punkte, bei räumlicher Betrachtung Linien, auf denen Sonden-Null auftritt, die aber nicht für eine SMES-Regelung verwendet werden können. An diesen Punkten bleibt nämlich das Δ Η-Signal unabhängig von der jeweiligen Magnetisierung konstant bei Null. Es ist. daher zweckmäßig, im Sonden-Maximum gemäß Fig. 1 zu arbeiten. Wird mit einem Integrator ein Regelkreis aufgebaut, ergibt sich die Darstellung nach Fig. 3.

Hier ist dargestellt, daß unabhängig von Änderungen der Magnetisierung des Objektes am Ort des maximalen Δ H (gemäß Fig. 1) dieses zu Null kompensiert wird. Damit entspricht die Feldstärke H aber nicht mehr der optimalen Kompensation nach Fig. 2 und verändert sich bei Änderungen der Magnetisierung des Objektes. In dem hier gezeigten Fall ist das

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Störfeld in der Raumebene sogar deutlich größer geworden als es ohne Konpensationsschleife der Fall gewesen ist. Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung muß die Regelung einer SMES-AnIage derart ausgelegt werden, daß der optimale Kompensationszustand gemäß Fig. 2 auch und gerade bei Änderungen der Magnetisierung weitgehend eingehalten wird.

Dazu darf das AH durch den Regelkreis im allgemeinen nicht ^u Null werden, sondern muß auf einen zusätzlichen von Null verschiedenen Sollwert geregelt werden. Dieser Sollwert muß in Abhängigkeit von der Magnetisierung des Objektes variiert werden.

Nun ist im allgemeinen die Magnetisierung eines Objektes nicht bekannt. Daher werden in der Praxis abgeleitete Größen verwendet. Eine solche Größe für die mittlere Magnetisierung bzw. für das magnetische Moment steht z.B. in dem für die optimale Kompensation benötigten Strom I ,

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zur Verfügung. Wird ein von diesem Strom abgeleitetes Signal als Sollwert für Δ H im eingeschwungenen SMES-Regelkreis verwendet, wird eine gleitende Sollwertbildung während des Einschwingvorganges des Regelkreises und bei Veränderungen des magnetischen Zustandes des Objektes erzielt. Auf diese Weise kann ein optimaler Kpmpensationszustand auch bei Veränderungen des magnetischen Momentes des Objektes gewährleistet werden . Das Stromsignal kann direkt proportional oder nach angepaßten allgemeinen funktionalen Zusammenhang mit der Differenzfeldinformation verknüpft werden. Diese Verknüpfung ist eine Funktion der Geometrie des Objektes und der Kompensationsschleifen sowie des Aufstellungsortes der Differenzfeldsonde. Außerdem gilt die Verknüpfung für einen festen Gefährdungsabstand und muß bei anderen Abständen neu angepaßt werden.

Die Verknüpfung kann durch elektronische Addition der Signale oder durch magnetische Addition, z.B. vermittels einer Hilfs- bzw. Teilspule erfolgen, die den Kompensationsstrom vorwiegend bzw. besonders auf das Differenzmagnetometer wirken läßt.

Mit einem solchen SMES-ftegelkreis können grundsätzlich alle Anforderungen im Normalbetrieb erfüllt werden. Tn Störungsfall muß möglicherweise

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in Kauf genommen werden, dnß der Kompensationsstrom auf seinen maximalen Wert hochläuft. Der betreffende Kreis kann mit diesem maximalen Strom weitergefahren oder komplett abgeschaltet werden. Beides hnt ein erheblich vergrößertes Störfeld des Objektes zur Folge.

Diese unerwünschten Begleiterscheinungen einer Störung können durch die zusätzliche Verwendung eines Magnetometers zur Erfassung des kursabhängigen äußeren Magnetfeldes vermieden werden. Hierdurch kann, wie bei den herkömmlichen MES-Systemen, eine Kompensation der induzierten Magnetisierung erfolgen, indem das kursabha'ngige äußere Magnetfeld additiv auf den Leistungsverstärker für den Kompensationsstrom aufgeschaltet wird. Entsprechend kann mit konstantem Vorstrom der mittlere permanente Anteil der Magnetisierung kompensiert werden. Der Stromregelbereich für den SMES-Regelkreis kann dadurch soweit eingeschränkt werden, wie es aufgrund der Veränderungen der magnetischen Momente noch zulässig ist. Daher kann bei einer Störung der SMES-Regelkreis abgeschaltet werden, so daß als Notbetrieb noch eine herkömmliche MES-Kompensation zur Verfügung steht.

Als Magnetometer kann ein MES-Magnetometer verwendet werden. Bei entsprechender Auslegung des Differenzmagnetometers liegt die Magnetfeldinformation ohne zusätzlichen Aufwand ohnehin vor. Venn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist bzw. die auftretenden Magnetfelddifferenzen groß gegen ein großräumiges äußeres Magnetfeld sind, kann die Magnetfelddifferenzmessung ersatzweise auch durch eine Magnetfeldmessung des Störfeldes ersetzt werden.

Es ist auch möglich, derartige SMES-Regelkreise mehrfach für unterschiedliche Teilelemente eines Objektes anzuwenden. Hierbei können die Hegelkreise weitgehend unabhängig voneinander arbeiten oder aus einem Haupt- und mehreren Unterregelkreisen bestehen.

Wenn bisher vorwiegend von einer Magnetisierungsrichtung und einer Kompensationsspule die Rede war, so ist das Verfahren aber auch auf mehrere Magnetieierungs- bzw. Kompensationsachsen anwendbar.

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Als wesentliche Erleichterung für den Aufbau komplexer SMES- Regelkreise werden Verkopplungen durch das Übersprechen einzelner Regelkreise untereinander hzw. Rückwirkungen aus anderen Koitipensation^rinrichtunken auf den jeweils betrachteten Regelkreis durch Kompensation minimiert .

Die Kompensation kann auch durch eine Matrix erfolgen, deren Koeffizienten durch Messungen bzw. Berechnungen bestimmt werden.

Die Kompensation der Verkopplungen bzw. Rückwirkungen kann auch durch elektronische Verknüpfung mit den Ausgängen der Differenzmagnetometer oder durch magnetische Einwirkung auf die Sonden erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die Verkopplungen bzw. Rückwirkungen dadurch zu kompensieren, daß die Spulenströme bzw. deren Kompensationsfelder miteinander verknüpft werden. Diese Maßnahmen zur Kompensation können einzeln oder auch miteinander kombiniert angewendet werden.

Eine Optimierung der SMES-Kreise kann auch derart vorgenommen werden, daß in dem betrachteten Gefährdungsabstand die Differenzen bzw. die Gradienten im Störfeld minimal werden.

eine spezielle Auslegung der Kompensationswicklunrssysteme kann zu einer weitgehenden Übereinstimmung des Magnetfeld- und Magnetfelddifferenzverlaufes zwischen dem Objektfeld und dem Wicklungsfeld führen. In der Praxis wird man sich dabei auf den Gefährdungsabstand und/oder auf alle bzw. einige Sondenorte beschränken. Hierbei kann auch z. B. bezüglich der Marpietfelddifferenzen eine Uberanpassung vorgenommen werden, was bedeutet, daß die Magnetfelddifferenzen des jei^eiligen Wicklungssystems größer als die zu kompensierenden Objektdifferenzfelder gemacht werden. Dadurch erhöht sich der Meßeffekt, bzw. die Qualität der Differenzsonden braucht nicht so hoch zu sein. Diese Anpassung bzw. Uberanpassung kann in der Praxis vorteilhaft z.B. mit Zusatz- bzw. Teilspulen vorgenommen werden. Mit der gleitenden Sollwertbildung des

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SMES-Regclkveises über den Wicklungstrom wird nach geeigneter Skalierung die verbleibende Fehlanpassung ausgeglichen.

In dem Blockschaltbild eines SMES-Regclkreises nach Fig. 4 ist das Objekt 1 als vertikal magnetisiert dargestellt. Die vertikale Magnetfelddiffrrenz Δ H wird mit dem Differenzmagnetometer 2 erfaßt und über die Elektronik 3 in eine Spannung gewandelt. Über einen Regler 4 und einen Spannungs-/Stromwandler 5 wird ein Strom in der Kompensationsschleife β erzeugt, dessen Magnetfeld der Magnetisierung des Objektes entgegenwirkt. Ein Teil des Stromes wird über einen Strom-/Spannungswandler 7 und eine Anpaßschaltung 8 zu dem Differenzfeldsignal bei 9 vorzeichenrichtig addiert.

Zur Kompensation der Verkopplungen aus den in dieser Figur der Einfachheit halber nicht dargestellten übrigen Raumachsen des Objektes und den zugehörigen Kompensationsschleifen werden die Magnetfelddifferenzen und/oder die Kompensationsströme der übrigen Raumachsen in einer V-Matrix 10 verknüpft und. das Ergebnis in einer Additionstelle 11 in den Regelkreis eingespeist.
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Zur Kompensation der Rückwirkungen aus anderen benachbarten MES-bzw. SMES-Kompensationseinrichtungen des gesamten Objektes bzw. v«n Teileinrichtungen dieses Objektes werden die Kompensationströme und/oder die Magnetfelddifferenzen aus diesen Kompensationseinrichtungen in einer R-Matrix 12 verknüpft und das Ergebnis additiv bei 13 in den Regelkreis eingespeist.

Mit dem Magnetfeldsensor 14 wird das bewegungsabhängige Magnetfeld des Objektes gemessen und in einer Elektronik 15 in eine geeignet skalierte Spannung gewandelt und hinter den Regler 4 additiv bei 16 in den Kreis eingeführt. Über eine einstellbare KonstantspannungsquelIe 17 wird der Strom-/Spannungswandler 5 mit einer konstanten Vorspannung, die bei in den Regelkreis eingespeist wird, beaufschlagt.

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Die additiven Einweisungen bei 1.6 und 18 dienen einer Grobkompensation des induzierten bzw. des permanenten Anteiles der Objektmaprnetisierung und sind auch als Notbetrieb jeeoignet, sofern der SMER-Regelkreis ausgefallen ist .

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-HH/Sa/bl

Theodor-Stern-Kai 1 HH 84/02

D-6000 Frankfurt 70

Patentansprüche

1I Verfahren zur Kompensation von magnetischen Störfeidern von Objekten mittels störfeidgeregelter magnetischer Ei genschutzanlagen (SMES-Anlagen), bestehend aus Magnetometern, Verknüpfungs- und Regelungseinrichtungen, Leistungeverstärkerstufen und Wicklungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Kompensation benötigten Wicklungsströrae aus Magnetfelddifferenzen der Anordnung und aus den Magnetisierungen bzw. den magnetischen Momenten des Objektes abgeleitet werden,
2. Verfahren nach^Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das äußere Magnetfeld für die Ableitung der Kompensationsströme verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Differenzfeldern, die groß gegen ein äußeres wirksames Feld sind, die Mapnetfelddifferenz durch Magnetfeldmessung ersetzt wird.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Moment des Objektes als abgeleitete Größe näherungsweise bekannt ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungen bzw. die magnetischen Momente bzw. die abgeleiteten Größen direkt oder nach einer angepaßten allgemeinen Punktion in den Regelkreis einbe^open werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis R, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Regelkreise parallel nebeneinander sowie hierachisch gestaffelt angewendet werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis β, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren auf mehrere Raumachsen des Objektes angewendet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in der Nachbarschaft zu anderen Kompensationseinrichtungen angewendet wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auftretenden Kopplungen bzw. Rückwirkungen kompensiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation durch eine Matrix erfolgt, deren Koeffizienten durch Messung oder Berechnung der Verkopplungen bzw. Rückwirkungen ermittelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation elektronisch auf die Ausgänge der Differenzmagnetometer bzw. magnetisch auf die Sonde einwirkt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Verkopplungen bzw. Rückwirkungen die Spulenströme bzw. deren Kompensationsfelder vorzeichenrichtig miteinander verknüpft werden.

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13. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der SMES-Kreiee und die Einstellung der Parameter der Regelkreise derart vorgenommen wird, daß die Störfelddifferenzen

b7> . die Störfeldgradienten im GefKhrdungsabstand minimal werden. 05
14. Verfahren narh den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kotnpensationswicklungssysteme durch ihre Geometrie, durch Zusatz- oder Ttilspulen bezüglich ihres Magnetfeld- und Magnetfelddifferenzverlaufes dem Objektfeld angepaßt oder unter- bzw. iiberangepaßt werden.