DE3490474C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine supra­ leitende Spulenanordnung, mit einer supraleitenden Spule, mit einem parallel zur supraleitenden Spule geschalteten Dauerstromschalter und mit einer parallel zur supraleitenden Spule und zum Dauerstromschalter geschalteten Diodenanordnung aus zwei antiparallelen Dioden.

Eine derartige Schutzschaltung ist beispielsweise aus der DE-AS 16 14 964 bekannt. Bei der dort beschriebenen Anordnung ist ein auf sehr tiefen Temperaturen gehaltener Kryostat vorgesehen, der sowohl die supraleitende Spule als auch den parallel dazu geschalteten Dauerstromschalter mit ent­ sprechenden Zuleitungen aufnimmt. Die Diodenanordnung selbst, die aus einer Vielzahl von antiparallel geschalteten Dioden­ paaren, jeweils parallel zu einem Teilabschnitt der supra­ leitenden Spule, besteht, ist jedoch außerhalb des Kryostaten vorgesehen und befindet sich somit auf Umgebungstemperatur. Dies ergibt sich auch aus der dort angegebenen üblichen Strom-Spannungs-Charakteristik der Dioden, die für Umgebungs­ temperaturen bei Dioden Gültigkeit hat.

Bei supraleitenden Spulenanordnungen kann im Betrieb das Problem auftreten, daß das Kühlsystem für die supraleitende Spule und den Dauerstromschalter gestört wird, so daß bei einem Supraleitungsausfall eine Beschädigung des Dauerstrom­ schalters auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schutzschaltung für eine supraleitende Spulenanordnung dahingehend zu verbessern, daß Beschädigungen des Dauerstromschalters durch einen Supra­ leitungsausfall zuverlässig verhindert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Dioden­ anordnung auf einer so tiefen Temperatur gehalten wird, daß bei von Null ansteigender Spannung an den Dioden erst bei Erreichen einer Einschalt-Durchlaßspannung ein Durchlaßstrom fließt und bei nunmehr absinkender Durchlaßspannung an den Dioden der Durchlaßstrom steigt.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist vorgesehen, daß die Temperatur so tief gehalten wird, daß die Einschalt-Durchlaßspannung der Dioden mindestens 4 Volt beträgt.

Versuche der Anmelderin haben gezeigt, daß sogar Einschalt- Durchlaßspannungen von etwa 9 Volt bei Temperaturen von 4,2 K erzielt werden können. Wird die entsprechende Einschalt- Durchlaßspannung der Dioden erreicht, fließt ein Durchlaßstrom durch die parallel zur supraleitenden Spule und zum Dauerstrom­ schalter geschaltete Diodenanordnung mit der Folge, daß die Spannung durch diesen Durchlaßstrom abgebaut wird und damit die sonst gefürchteten Überspannungen an der supraleitenden Spule einerseits und dem parallel dazu liegenden Dauerstrom­ schalter andererseits nicht auftreten.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schutzschaltung besteht darin, daß die Diodenanordnung erst oberhalb einer relativ hohen Einschalt-Durchlaßspannung einen Durchlaßstrom fließen läßt, so daß die entsprechende Spannung an den Klemmen der supraleitenden Spulenanordnung selbst ansteht und der Erregerstrom durch die supraleitende Spule selbst fließt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Schaltbild einer supraleitenden Spulen­ anordnung mit einer Schutzschaltung, bei der die Erfindung Anwendung findet;

Fig. 2 eine Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode bei einer normalen Temperatur;

Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode bei einer tiefen Temperatur, die bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung Anwendung findet;

Fig. 4 eine Strom-Spannungs-Charakteristik von zwei antiparallelen Dioden bei einer tiefen Temperatur, die bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung Anwendung finden; und in

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines Anwendungsbeispiels der Erfindung mit hintereinander geschalteten Paaren von antiparallelen Dioden.

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug benommen, die den schematischen Aufbau einer supraleitenden Spulenanordnung mit einer Schutzschaltung zeigt. Man erkennt eine Erregerstrom­ quelle 7, an die eine supraleitende Spule 1 angeschlossen ist. Parallel zur supraleitenden Spule 1 ist ein Dauerstromschalter 2 geschaltet. Dieser Dauerstromschalter 2 weist einen Dauer­ stromschalter-Supraleiter 4 sowie eine Heizung 5 auf, die in einem Heizungsisolator 6 untergebracht sind. Die Heizung 5 ist über Zuleitungen an eine externe Heizungsstromquelle 8 angeschlossen.

Parallel zum Dauerstromschalter 2 sowie zu der supraleitenden Spule 1 ist eine Diodenanordnung 9 geschaltet, die aus zwei antiparallelen Dioden D besteht. Bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird diese Diodenanordnung 9 auf einer tiefen Temperatur gehalten, wie es nachstehend näher erläutert ist.

In Fig. 1 bezeichnet I _s den Ausgangsstrom der Erregerstromquelle 7, während der durch die supraleitende Spule 1 fließende Erregerstrom mit I _coil bezeichnet ist.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der Dioden­ anordnung in einer Schutzschaltung für die supraleitende Spulenanordnung näher erläutert werden. Fig. 2 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode bei einer normalen Temperatur. Dabei beträgt die Einschalt-Durchlaßspannung V _{t 1} üblicherweise 1 Volt oder weniger; bei dieser geringen Durch­ laßspannung erfolgt ein Einschalten der Diode, so daß ein Durchlaßstrom zu fließen beginnt.

Hingegen ist die Erregerspannung einer supraleitenden Spule 1 häufig höher als die genannte Einschalt-Durchlaß­ spannung und beträgt 1 Volt oder mehr. Wenn dementsprechend die Diodenanordnung 9 gemäß Fig. 1 bei normaler Temperatur verwendet wird, also in einem Temperaturbereich zwischen etwa -40°C und +175°C, so wird bei geringen Spannungen bereits die Einschalt-Durchlaßspannung der Diodenanordnung 9 erreicht, der Durchlaßstrom fließt durch die Diodenanordnung, und die supraleitende Spule 1 kann nicht ausreichend erregt werden.

Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode ändert sich jedoch gravierend, wenn diese auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt wird, wobei sich dann eine Strom-Spannungs-Charak­ teristik gemäß Fig. 3 ergibt. Dabei ändert sich sowohl der Wert der Einschalt-Durchlaßspannung als auch der Kurven­ verlauf der Strom-Spannungs-Charakteristik.

Die Einschalt-Durchlaßspannung V _{t 2} der Diode liegt dann bei ausreichend tiefen Temperaturen in der Größenordnung von einigen Volt. Beispielsweise hat eine für 100 A ausgelegte Diode dann eine Einschalt-Durchlaßspannung V _{t 2} von ungefähr 4 Volt. Der Verlauf der Strom-Spannungs-Charakteristik läßt sich aus Fig. 3 entnehmen.

Man erkennt, daß bei geringen Spannungen an der Diode zunächst einmal überhaupt kein Durchlaßstrom durch die Diode fließt. Erst wenn die Spannung an der Diode den Wert der Einschalt- Durchlaßspannung V _{t 2} überschreitet, beginnt ein Durchlaßstrom zu fließen, woraufhin bei nunmehr absinkender Durchlaßspannung an der Diode der Durchlaßstrom ansteigt.

Fig. 4 zeigt eine entsprechende Strom-Spannungs-Charakteristik für ein antiparallel geschaltetes Paar von Dioden D einer Diodenanordnung 9, die in Fig. 1 eingezeichnet ist. Diese Strom-Spannungs-Charakteristik zeigt die zu erwartende Symmetrie.

Aus diesen Strom-Spannungs-Charakteristiken ergibt sich, daß dann, wenn die Einschalt-Durchlaßspannung der Diodenanordnung 9 so eingestellt wird, daß sie größer ist als die Erregungs­ spannung der supraleitenden Spule 1, der elektrische Widerstand der Diodenanordnung 9 im wesentlichen unendlich ist, unabhängig von der Richtung des Erregerstromes I _s für die supraleitende Spule 1.

Da die Einschalt-Durchlaßspannung der Diodenanordnung 9 bei entsprechend tiefen Temperaturen einige Volt beträgt, ist dies für die Erregung der supraleitenden Spule 1 im allgemeinen ausreichend. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Erregerspannung für die supraleitende Spule 1 weiter zu erhöhen, kann die Diodenanordnung 9 aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Paaren von Dioden bestehen, die jeweils antiparallel geschaltet sind, so daß sich die entsprechenden Teilspannungen aufaddieren.

Im Hinblick auf die Schutzfunktion der Schutzschaltung für die supraleitende Spulenanordnung wird die Einschalt-Durchlaß­ spannung V _t der Diodenanordnung 9 so gewählt, daß die Bedingung

V _t < Iop × RN,

wobei Iop den Betriebsstrom der supraleitenden Spule 1 be­ zeichnet und RN der Widerstand des Dauerstrom-Supraleiters 4 im Normalzustand ist, auch dann erfüllt ist, wenn eine Supra­ leitungsstörung beim Dauerstromschalter 2 auftritt, damit eine Beschädigung des Dauerstromschalters 2 verhindert wird.

Das bedeutet, wenn der Dauerstromschalter 2 einen Supraleitungs­ ausfall erlitten hat, überschreitet seine Spannung (Iop × RN) die Einschalt-Durchlaßspannung V _t der Diodenanordnung 9, so daß diese einschaltet und ein Durchlaßstrom zu fließen beginnt.

Auf diese Weise wird der durch den Dauerstromschalter 2 fließende Strom durch die Diodenanordnung 9 umgeleitet und damit eine Beschädigung des Dauerstromschalters 2 verhindert.

Auch in einem solchen Falle, wo die Dämpfungszeit des supra­ leitungsspulenstromes ausreichend lang ist, tritt bei dieser Gelegenheit keine Beschädigung des Dauerstromschalters 2 auf, wenn die Schaltungsanordnung so getroffen ist, daß die nachstehende Bedingung erfüllt ist:

V _t ≲ io × RN,

wobei io der zulässige Leitungsstrom des Supraleiters 4 des Dauerstromschalters 2 beim Supraleitungsdurchbruch ist und RN den Widerstand des Supraleiters 4 im Normalzustand angibt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind zwei Dioden D in antiparalleler Schaltung vorgesehen. In Ausnahmefällen, wo die Stromrichtung der supraleitenden Spule 1 jederzeit in ihrer Richtung festliegt, kann die Diodenanordnung 9 aus einer einzigen Diode bestehen, die dann in Durchlaßrichtung bezüglich des Supraleitungsstromes geschaltet ist, also mit ihrer Kathode an die positive Elektrode und mit ihrer Anode an die negative Elektrode der supraleitenden Spule 1 im Erregungszustand angeschlossen ist.

Nachstehend wird ein Fall erläutert, bei dem eine derartige supraleitende Spulenanordnung mit Schutzschaltung bei einer kernmagnetischen Resonanzapparatur Anwendung findet. Die Hauptspule einer Spulenanordnung, die ein sehr homogenes Magnetfeld für die kernmagnetische Resonanz erzeugt, besteht aus der supraleitenden Spule 1. Dabei hat die Diodenanordnung 9 die oben beschriebene Schutzfunktion. Zusätzlich ist eine Anordnung von Trimmspulen vorgesehen, die als Magnetfeld-Korrekturspulen zusammen mit der Hauptspule verwendet werden. Fig. 5 zeigt eine supraleitende Spulenanordnung mit Trimmspulen 1 A, 1 B und 1 C, die in Reihe und parallel zur Erregerstromquelle 7 geschaltet sind. Die jeweiligen Dauerstromschalter 2 A, 2 B und 2 C sind jeweils parallel zu den entsprechenden Trimmspulen 1 A, 1 B und 1 C geschaltet, wobei sie eine entsprechende Reihenschaltung bilden und jeweils an eigene Heizungsstromquellen 8 A, 8 B bzw. 8 C angeschlossen sind. Aufbau und Wirkungsweise der Dauer­ stromschalter 2 A, 2 B und 2 C entsprechen der des Dauerstrom­ schalters 2 in Fig. 1.

Die Schutzschaltung umfaßt in diesem Falle eine Reihenschaltung von Diodenanordnungen 9, die jeweils aus zwei antiparallelen Dioden bestehen, wobei jede Diodenanordnung 9 parallel zu einer der Trimmspulen 1 A, 1 B bzw. 1 C und zugleich parallel zum jeweiligen Dauerstromschalter 2 A, 2 B bzw. 2 C geschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung für eine supraleitende Spulenanordnung kann selbstverständlich nicht nur für eine kernmagnetische Resonanzapparatur verwendet werden, sondern beispielsweise auch für eine supraleitende Anordnung in einem Fahrzeug mit Linearmotor.

In sämtlichen Fällen kann in vorteilhafter Weise dafür gesorgt werden, daß bei Erreichen der Einschalt- Durchlaßspannung der Dioden diese einen Durchlaßstrom fließen lassen und damit bei nunmehr absinkender Durchlaßspannung unerwünschte Überspannungen an der Spulenanordnung sowie den parallel dazu liegenden Dauerstromschaltern zuverlässig ver­ hindern.

Claims (2)

1. Schutzschaltung für eine supraleitende Spulenanordnung, mit einer supraleitenden Spule (1), mit einem parallel zur supraleitenden Spule (1) geschalteten Dauerstromschalter (2) und mit einer parallel zur supraleitenden Spule (1) und zum Dauerstromschalter (2) geschalteten Diodenanordnung (9) aus zwei antiparallelen Dioden, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenanordnung (9) auf einer so tiefen Temperatur gehalten wird, daß bei von Null ansteigender Spannung an den Dioden erst bei Erreichen einer Einschalt-Durchlaßspannung ein Durchlaßstrom fließt und bei nunmehr absinkender Durch­ laßspannung an den Dioden der Durchlaßstrom steigt.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur so tief gehalten wird, daß die Einschalt- Durchlaßspannung der Dioden mindestens 4 Volt beträgt.