DE602004004366T2

DE602004004366T2 - Fehlerstrombegrenzer mit von supraleitenden wicklungen gesättigten kernen

Info

Publication number: DE602004004366T2
Application number: DE602004004366T
Authority: DE
Inventors: Alexander Friedman; Moshe Zarudi; Noam Shaked; Shuki Wolfus; Moshe Sinvani; Yosef Yeshurun
Original assignee: Bar Ilan University
Current assignee: Bar Ilan University
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: US20060158803A1; EP1590866B1; EP1590866A1; ATE352118T1; WO2004068670B1; WO2004068670A1; DE602004004366D1

Description

GEGENSTAND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Strombegrenzungsvorrichtungen für Wechselstromnetzwerke.
REFERENZEN
In der folgenden Beschreibung wird auf folgende, nicht der Patentliteratur gehörenden Publikationen verwiesen:

[1] B. P. Raju, K. C. Parton, T. C. Bartram, "A current limiting device using superconducting d.c. bias: applications and prospects," IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems, Jahrgang 101, Seiten 3173 bis 3177,1982.
[2] J. X. Jin, S. X. Dou., C. Grantham, und D. Sutanto, "Operating principle of a high T-c superconducting saturable magnetic core fault current limiter". Physica C, 282, 4. Teil: Seiten 2643 bis 2644, 1997.
[3] J. X. Jin, S. X. Dou., C. Cook, C. Grantham, M. Apperley, und T. Beals, "Magnetic saturable reactor type HTS fault current limiter for electrical application". Physica C, 2000. 341-348: Seiten 2629 bis 2630.
[4] V. Keilin, I. Kovalev, S. Kruglov, V. Stepanov, I. Shugaev, V. Shcherbakov, I. Akimov, D. Rakov, und A. Shikov, "Model of HTS three-phase saturated core fault current limiter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Jahrgang 10, Seiten 836 bis 839, 2000.
[5] R. F. Giese, "Fault-current limiters – A second look," Argonne Nat. Lab., Argonne, USA 16. März 1995.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Fehlerstrombegrenzer (FSB) fallen erwartungsgemäß unter die ersten und wichtigsten Energieanwendungen von Hochtemperatursupraleitern (HTSL). Die Vorteile der HTSL-FSB, verglichen mit den in den nationalen Stromversorgungsnetzen weltweit benutzten herkömmlichen Unterbrechern, sind ihre schnelle Reaktion und schnelle Erholung, verhältnismäßig niedrige Energiedissipation, Toleranz zu großen Fehlerströmen und die Möglichkeit für praktisch unbegrenzte Zahl von Arbeitsgängen.
Die Erfindung bezieht sich näher auf Strombegrenzungsvorrichtungen, die auf einer supraleitenden Spule mit gesättigtem Kern beruhen. Eine solche Vorrichtung enthält mindestens zwei Spulen mit ferromagnetischen Kernen für jede Phase, die mit einer Last in Reihe geschaltet sind. Auf beiden Kernen sind an eine Gleichstromversorgung angeschlossene supraleitende Vormagnetisierungsspulen angeordnet. Im normalen Betriebszustand werden die Kerne durch die Vormagnetisierungsspulen gesättigt und die Impedanz des Strombegrenzers ist sehr niedrig. Wenn die Last sich verringert, nimmt die Stromstärke scharf zu und die Kerne werden in den aufeinander folgenden Halbzyklen aus dem Sättigungszustand gebracht. Infolgedessen erhöht sich die Impedanz des Strombegrenzers und begrenzt die weitere Zunahme der Stromstärke.
In US 3,671,810 wurde diese Grundregel für vorübergehende Strombegrenzung in elektronischen Stromkreisen vorgeschlagen. US 4,045,823 von K. C. Parton et al., die den nächstliegenden Stand der Technik darstellt, beschreibt eine Strombegrenzungsvorrichtung für Wechselstrom-Versorgungssysteme. Der Strombegrenzer verfügt für jede Phase über ein Paar sättigungsfähige Drosselspulen, die in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind als die supraleitenden Vormagnetisierungsspulen. US 4,117,524 , ebenso von K. C. Parton et al., beschreibt eine veränderte Ausführungsform des Strombegrenzers, die über eine die Vormagnetisierungsspule umgebende Abschirmung aus leitfähigem Material verfügt, um die Vormagnetisierungsspule gegen Magnetwechselfelder abzuschirmen. In diesem Patent ist eine gemeinsame Vormagnetisierungsspule für zwei Drosselspulen verwendet. Raju und andere [1] verwirklichen ihre Strombegrenzungsvorrichtung mit einer supraleitenden Vormagnetisierungsspule, die in einem flüssigen Heliumbad arbeitet, und demonstrieren ihre Leistungsfähigkeit. US 4,257,080 (Bartram und andere) beschreibt eine weitere Verbesserung dieser Strombegrenzungsvorrichtung, wobei die gemeinsamen Vormagnetisierungsspulen auf zentralen Schenkeln von drei oder sechs Kernen einer dreiphasigen Drosselspule angeordnet sind.
"Fault current limiters using superconductors", Cryogenics 1997, Jahrgang 37, Nr. 10, Seiten 657 bis 665 (Norris) lehrt einen FSB, der insoweit zu der Parton-Lösung ähnlich ist, dass eine gemeinsame Vormagnetisierungsspule und geschlossene Kerne verwendet sind.
US 3,219,918 (Trench) beschreibt eine Strombegrenzungseinrichtung, die eine solche Anordnung darstellt, die über eine sättigungsfähige Drosselspule verfügt, an deren Kern eine Gleichstromspule und eine Wechselstromspule gewickelt und derart verbunden sind, dass der Wechselstromfluss, der während des positiven Halbzyklus des in der Wechselstromspule fließenden Wechselstromes entsteht, den Kern entsättigt. Es gibt aber keinen Hinweis für die Verwendung solcher Rückkopplungsspulen, die in dem Zeitpunkt der Spannungserhöhung an dem Strombegrenzer erregt werden, um die Magnetisierungswirkung der Gleichstromspulen im ganzen oder teilweise auszugleichen und dadurch die wirksame Permeabilität der Kerne derart zu erhöhen, dass die Impedanz der Wechselstromspulen zunimmt.
US 4,155,034 (Logan) stellt einen Regelkreis dar, der zwei in Reihe geschaltete Paare von sättigungsfähigen Drosselspulen enthält, wobei die zwei Paare zwischen einer Versorgungsleitung und einer Last parallel geschaltet sind.
US 5,930,095 (Joo et al) stellt eine supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung zum Schutz eines elektrischen Stromkreises von einem Fehlerstrom dar. Die Vorrichtung enthält einen magnetisch sättigungsfähigen Kern mit gesättigten und ungesättigten Zuständen und eine Eingangsspule für die elektrische Kopplung des Kerns mit dem elektrischen Stromkreis, wobei der durch die Eingangsspule aufgenommene Strom einen Magnetfluss in dem Kern hervorruft.
US 3,221,280 (Malsbary et al) beschreibt eine nicht supraleitende mehrphasige sättigungsfähige Drosselspule ohne Rückkopplung.
Verschiedene Labormaßstabmodelle von Strombegrenzern mit einem sättigungsfähigen Kern sind mit aus Hochtemperatursupraleiter (HTS) gebildeten supraleitenden Spulen verwirklicht worden [2, 3, 4]. Diese einphasigen [2, 3] und dreiphasigen [4] Vorrichtungen wurden entsprechend der in den oben erwähnten US Patenten vorgeschlagen Konstruktion gebaut.
Der Strombegrenzer mit gesättigtem Kern hat entscheidende Vorteile, verglichen mit anderen supraleitenden Strombegrenzern:

• seine Strombegrenzungswirkung ist von dem Übergang des supraleitenden Elements in den normalen Zustand unabhängig, d.h. der supraleitende Zustand wird die ganze Zeit beibehalten und es ist keine Erholungszeit notwendig, um nach einem Störfall in Bereitschaftszustand zurückzukehren. Darüber hinaus gibt es keine Energiedissipation des supraleitenden Elements bei einem Übergang in den normalen Zustand;
• das supraleitende Element ist eine aus normiertem supraleitenden Draht in industriellem Maßstab hergestellte Spule;
• die supraleitende Spule arbeitet im Gleichstrommodus und ist niedrigen magnetischen Wechselstromfeldern ausgesetzt.

Die bekannten FSB Ausführungen mit gesättigtem Kern weisen wesentliche Nachteile auf, die die Entwicklung und die Verwirklichung dieser Art von FSB verhindern. Ihr schwächster Punkt sind großes Gewicht und große Abmessungen, die etwa zweimal größer sind als das Gewicht und die Abmessungen eines Transformators gleicher Leistung [5]. Ebenso, in den bekannten FSB dieser Art erreicht die Impedanz der Wechselstromspulen nicht den höchstmöglichen Wert, weil die Vormagnetisierungsspulen einen magnetischen Fluss in den Kernen erzeugen, der die Impedanz der Wechselstromspulen verringert. Diese Eigenschaft ist unter normalen Bedingungen notwendig, aber wirkt unter fehlerhaften Bedingungen nachteilig aus. Außerdem beeinträchtigt das Magnetwechselfeld der Wechselstromspulen die supraleitende Vormagnetisierungsspule durch die Verminderung deren kritischen Stromstärke. In den bekannten Ausführungen wird ein Kälteregler mit den Vormagnetisierungsspulen in einen Kernausschnitt eingesetzt, wodurch die Abmessungen des Kerns erhöht werden.
Eine erste Zielsetzung der Erfindung ist das Gewicht und die Abmessungen des ferromagnetischen Kerns eines Strombegrenzers mit gesättigtem Kern und dadurch auch die Verluste der Vorrichtung zu verringern.
Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist, eine neue Konstruktion des Strombegrenzers mit gesättigtem Kern vorzuschlagen, in der das Vormagnetisierungsfeld während eines Störfalles völlig oder teilweise ausgeglichen wird.
Eine andere Zielsetzung der Erfindung ist, eine modulare Bauweise für den Strombegrenzer mit gesättigtem Kern bereitzustellen, die bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
Zusätzliche Zielsetzungen der Erfindung sind:

• die Auswirkung des Magnetwechselfeldes auf die supraleitenden Vormagnetisierungsspulen zu verringern und dadurch die Verringerung der kritischen Stromstärke zu verhindern;
• eine Gestaltung vorzuschlagen, die genügenden Raum für den Kälteregler der Vormagnetisierungsspulen bietet, ohne die Kernabmessungen zu erhöhen; und
• die Möglichkeit der Einstellung des begrenzten Wertes des Fehlerstromes entsprechend den Systemanforderungen sicherzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Zielsetzungen werden in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung durch einen Strombegrenzer für eine Wechselstromversorgung verwirklicht, der Strombegrenzer enthält für jede Phase der Wechselstromversorgung:

– einen Magnetkreis,
– mindestens eine den Magnetkreis umgebende supraleitende Vormagnetisierungsspule für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; und
– zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen für die Reihenschaltung mit einer Last;
– jede Wechselstromspule ist auf einem jeweiligen Schenkel des Magnetkreises angebracht und zur Herstellung von Magnetfeldern mit entgegengesetzten Polaritäten derart konfiguriert, dass im Betrieb während der nacheinander folgenden Halbzyklen der Wechselstromversorgung die eine Wechselstromspule ein zu einem Magnetfeld der Vormagnetisierungsspule gegenteiliges Magnetfeld erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass
– der erwähnte Magnetkreis ein Paar offene, längliche stabförmige magnetische Schenkel aufweist.

Wahlweise können auch solche Rückkopplungsspulen angebracht werden, die im Zeitpunkt der Spannungserhöhung am FSB erregt werden und dadurch die magnetisierende Wirkung der Vormagnetisierungsspulen völlig oder teilweise ausgleichen und die effektive Permeabilität der Kerne erhöhen, derart, dass die Impedanz der Wechselstromspulen erhöht wird. Die Rückkopplungsspulen können zum Beispiel von einer durch den Spannungsabfall am FSB gesteuerten unabhängigen Gleichstromversorgung oder durch eine dem FSB parallel geschaltete und einen Abspanntransformator und einen Gleichrichter enthaltende Spannungsversorgung gespeist werden. Im letzten Fall ist die Eingangsspannung der Spannungsversorgung zum Spannungsabfall am FSB proportional. Im Normalbetrieb ist die Stromstärke in den Rückkopplungsspulen sehr niedrig und hat keinen Einfluss auf den Betrieb des FSB. Unter Fehlerbedingungen nimmt der Strom in den Rückkopplungsspulen zu, um die magnetisierende Wirkung der Vormagnetisierungsspulen auszugleichen. Es ist wichtig, dass der Strom in den Rückkopplungsspulen den notwendigen Schwellwert während des ersten Halbzyklus nach einem Störfall erreicht, um den anfänglichen Anstieg der Stromstärke zu verringern. Die Rückkopplungsspulen können aus Kupferdraht mit verhältnismäßig niedrigem Querschnitt gefertigt werden, da diese nur kurzzeitig (4-5 Halbzyklen) belastet sind und folglich die sich daraus ergebende Erwärmung geringfügig bleibt.
Eine zusätzliche Auswirkung der Verwendung der Rückkopplungsspulen besteht (aus der Erhöhung der Kernpermeabilität resultierend) in einer starken Abnahme jenes Wechselstreufeldes, der einen negativen Einfluss auf die supraleitende Vormagnetisierungsspule ausübt.
Die Rückkopplungsspulen ermöglichen die Verringerung der Masse der Vorrichtung unabhängig von dem Typ des eingesetzten Kerns. Zu diesem Zweck wird in Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Strombegrenzer für eine Wechselstromversorgung vorgeschlagen, dieser Strombegrenzer enthält für jede Phase der Wechselstromversorgung:

– mindestens zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen für die Reihenschaltung mit einer Last, genannte Spulen sind auf jeweiligen Schenkeln mindestens eines Magnetkreises angebracht;
– mindestens eine supraleitende Vormagnetisierungsspule für jeden Magnetkreis für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; dadurch gekennzeichnet, dass
– mindestens eine Rückkopplungsspule für jede Vormagnetisierungsspule für Erzeugung eines Magnetflusses, der von dem Spannungsabfall am Strombegrenzer abhängig und gegen die Richtung des Magnetflusses der zugehörigen Vormagnetisierungsspule gerichtet ist, um den Magnetkreis aus dem Sättigungszustand zu bringen und dadurch die Impedanz des Magnetkreises zu erhöhen und den Strom über den Strombegrenzer zu verringern.

In Übereinstimnung mit einem anderen Aspekt der Erfindung, es ist ein Verfahren zur Verringerung der Masse des erwähnten Strombegrenzers für eine Wechselstromversorgung vorgesehen, der besagte Strombegrenzer enthält für jede Phase der Wechselstromversorgung:

– einen Magnetkreis,
– mindestens eine den Magnetkreis umgebende supraleitende Vormagnetisierungsspule für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; ûnd
– zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen für die Reihenschaltung mit einer Last;

(a) Verringerung der Masse des Magnetkreises mittels: i) Ausbildung den Magnetkreis in Form eines Paares offener, länglichen stabförmigen magnetischen Schenkel; ii) Anordnung jeder Wechselstromspule auf dem jeweiligen Schenkel; und iii) Konfigurierung der Wechselstromspulen zur Herstellung von Magnetfeldern mit entgegengesetzten Polaritäten, so dass im Betrieb während der nacheinander folgenden Halbzyklen der Wechselstromversorgung die eine Wechselstromspule ein zu einem Magnetfeld der Vormagnetisierungsspule gegenteiliges Magnetfeld erzeugt; und/oder
(b) die Verringerung der Masse der Wechselstromspulen mittels: i) Zuordnung mindestens einer Rückkopplungsspule den Wechselstromspulen, wobei die Rückkopplungsspule einen Magnetfluss aufweist der gegen die Richtung des Magnetflusses der Vormagnetisierungsspulen gerichtet ist, um den Magnetkern aus dem Sättigungszustand zu bringen und dadurch die Verringerung der Zahl der Wicklungen oder der Querschnittsfläche der Vormagnetisierungsspulen zu ermöglichen.

Um das Gewicht und die Abmessungen der Vorrichtung zu verringern, können die ferromagnetischen Kerne länglich stabförmig im Gegensatz zu dem geschlossenen Magnetkreis in den bekannten FSB ausgebildet sein. Dadurch ist der Rauminhalt der Kerne ungefähr halbiert. Gleichzeitig ist die wirksame Permeabilität eines Stabs viel niedriger, als die wirksame Permeabilität eines geschlossenen Magnetkreises, wie es ihre Weber-Ampere Charakteristiken zeigen. Infolgedessen ist der maximale Strom des Strombegrenzers mit einem Stabkern bei gleichen Parametern der Spule und des Kernquerschnitts höher. So sollte der Strombegrenzer mit dem Stabkern vorzugsweise derart betrieben werden, dass die Flussverkettung nicht den oberen Abschnitt seiner Weber-Ampere Charakteristik übertrifft, um die wirksame Impedanz des FSB zu verringern. Im Gegensatz zu den geschlossenen Magnetkreisen sind die Eigenschaften der Stäbe von ihrem Positionsverhältnis abhängig, das beim Entwurf des Strombegrenzers beachtet werden soll. Durch die Wahl eines korrekten Positionsverhältnisses der Stäbe kann die notwendige Zahl der Amperewindungen der Wechselstromspulen und/oder Vormagnetisierungsspulen und Rückkopplungsspulen verringert werden.
Eine andere Lösung zur Verringerung des Gewichts und der Abmessungen der Vorrichtung ist die Benutzung einer kombinierten Struktur, in der die Wechselstromspulen auf zwei Schenkeln des länglichen geschlossenen Magnetkreises angeordnet sind. Mit solchen Mitteln gibt es nur einen Kern anstelle von gewöhnlich in bekannten Konfigurationen verwendeten zwei Kernen. In der erfindungsgemäßen Konfiguration ist die Induktivität der zwei Wechselstromspulen ungefähr viermal höher als die Induktivität einer Spule, weil beide Wechselstromspulen in einem einzelnen Magnetkreis mit additiver Polarität angeordnet sind. Das ermöglicht die Verwendung von Kernen mit kleinerem Querschnitt und/oder die Verwendung von Wechselstromspulen mit wenigeren Wicklungen. Jede Vormagnetisierungsspule und Rückkopplungsspule umfasst beide langen Schenkel des Magnetkreises. Diese Anordnung stellt minimales Magnetwechselfeld, derart minimale Wechselspannung an die Vormagnetisierungsspule und der Rückkopplungsspule sicher, da fast der volle Magnetwechselfluss innerhalb dieser Spulen eingefangen bleibt. Das Magnetwechselfeld übt einen starken Einfluss auf die kritische Stromstärke der supraleitenden Spulen aus und für zusätzliche Verringerung dieses Feldes kann eine leitfähige und magnetische Abschirmung um die Vormagnetisierungsspule angebracht werden.
Die Einführung eines kleinen Luftspaltes in diese geschlossene längliche Kernkonfiguration ermöglicht die Einstellung der FSB-Parameter. Um die Zahl der Amperewindungen der Vormagnetisierungsspule zu verringern, können zwei Magnetkreise mit entgegengesetzten Vormagnetisierungsrichtungen sehr nahe zueinander angeordnet werden, wodurch die Reluktanz des Magnetkreises der Vormagnetisierungsspulen vermindert wird.
Die vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ausführungen, also die mit dem Stabkern und die mit dem kombinierten geschlossenen Kern, haben den zusätzlichen Vorteil, genügenden Raum zum Anbringen des Kältereglers mit den supraleitenden Vormagnetisierungsspulen freizulassen. Diese Vorteile sind davon unabhängig greifbar, ob eine Rückkopplungsspule, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, benutzt wird. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des FSB durch die Verwendung einer zusätzlichen Rückkopplungsspule erhöht werden, während die physikalische Größe des FSB durch die neue erfindungsgemäße magnetische Struktur verringert werden kann, und diese Vorteile können einzeln oder miteinander kombiniert benutzt werden.
Eine weitere Verwirklichung der Erfindung ist mit der Hinzufügung eines dritten zentralen Schenkels zu den oben beschriebenen geschlossenen Magnetkernen offensichtlich. Die Vormagnetisierungsspule und die wahlweise freigestellte Rückkopplungsspule sind auf dem besagten zentralen Schenkel angebracht. Die zwei Wechselstromspulen sind auf den äußersten Schenkeln angeordnet. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführung verglichen mit der oben beschriebenen Ausführung ist der geschlossene Magnetkreis für die Vormagnetisierungsspule und die Rückkopplungsspule, die erlaubt, ihre Amperewindungen zu verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, zwecks die Fertigungskosten des Strombegrenzers zu vermindern, ist der Strombegrenzer aus serienmäßigen Modulen zusammengebaut, die optimale Größe zur Zweckdienlichkeit der Herstellung und Installation aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in der Praxis durchgeführt werden kann, werden nachstehend einige bevorzugten Ausführungsformen an Hand nicht begrenzenden Beispiele, mit Bezug auf die angelegten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 zeigt bildhaft eine zum Stand der Technik gehörende geschlossene Kernkonfiguration eines einphasigen FSB mit gesättigtem Kern;
2 ist ein schematischer Schaltplan, der den Betrieb eines zum Stand der Technik gehörenden einphasigen FSB aus 1 zeigt;
3 zeigt Flussverkettung-Strom Ψ(I_AC) Kennlinien des FSB mit gesättigtem Kern aus 1 mit und ohne Rückkopplungsspulen;
4a, 4b und 4c zeigen stabförmige Kerne für einen einphasigen FSB entsprechend unterschiedlichen Ausführungen der Erfindung;
5a, 5b, 5c und 5d zeigen einen FSB mit gesättigtem Kern für eine Phase, versehen mit einem geschlossenen gesättigten Kern entsprechend unterschiedlichen Ausführungen;
6 zeigt einen FSB mit gesättigtem Kern entsprechend einer weiteren Ausführung der Erfindung, der zwei Wechselstromspulen auf den äußersten Schenkeln und Vormagnetisierungs- und Rückkopplungsspulen auf einem zentralen Schenkel eines Mantelkerns aufweist; und
7a ist ein schematischer Schaltplan, der einen erfindungsgemäßen einphasigen FSB mit unabhängiger Spannungsversorgung der Rückkopplungsspulen darstellt;
7b ist ein schematischer Schaltplan, der einen erfindungsgemäßen einphasigen FSB darstellt, wobei die Spannungsversorgung der Rückkopplungsspulen parallel zum FSB geschaltet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungen beschrieben. Da viele Merkmale ebenso für unterschiedliche Ausführungen gültig sind, werden identische Bezugsziffern eingesetzt, um sich auf Komponenten zu beziehen, die für mehr als eine Figur gemeinsam sind.
Um die Vorteile der Erfindung im vollen Umfang zu verstehen, es ist lehrreich, einen typischen einphasigen FSB des Standes der Technik zuerst zu betrachten. Zu diesem Zweck zeigt 1 bildlich einen zum Stand der Technik gehörenden einphasigen FSB mit gesättigtem Kern, das im Allgemeinen mit 1 bezeichnet ist und ein Paar geschlossene Magnetkerne 2a und 2b aufweist, die jeweils eine Wechselstromspule 3a und 3b tragen. Die Kerne tragen weiterhin ein Paar supraleitende Gleichstrom-Vormagnetisierungsspulen 4a und 4b.
2 zeigt schematisch einen Schaltplan, der den einphasigen FSB 1 im Betrieb darstellt. Eine Wechselstromversorgung 5, gewöhnlich aus dem Wechselstromnetz, ist an eine Last 6 über einen Unterbrecher 7 angeschlossen. Die zwei Wechselstromspulen 3a und 3b des FSB sind mit der Last 6 in Reihe geschaltet. Die jeweiligen supraleitenden Vormagnetisierungsspulen 4a und 4b sind an eine Gleichstromversorgung 10 angeschlossen. In jedem Zeitpunkt stimmt die Richtung des vormagnetisierenden Magnetflusses 11 in dem einen Kern mit der Richtung des Magnetflusses 12 der Wechselstromspule überein, während die Richtung des vormagnetisierenden Magnetflusses 11' in dem anderen Kern der Richtung des Magnetflusses 12' der Wechselstromspule gegenseitig ist. Unter normalen Bedingungen sättigen die Vormagnetisierungsspulen 4a und 4b die jeweiligen Kerne 2a und 2b. Im Störfall entsättigen die Wechselstromspulen 3a und 3b die jeweiligen Kerne 2a und 2b während der gegenseitigen Halbzyklen der Wechselspannung und veranlassen dadurch die Erhöhung derer durchschnittlichen Induktivität und begrenzen dadurch die Stromzunahme.
3 zeigt graphisch in Kennlinie 21 die Flussverkettung-Strom Ψ(I_AC) Kennlinie des zum Stand der Technik gehörenden FSB mit gesättigtem Kern aus der 1. Die Kennlinien 22 und 23 seitlich von der Kennlinie 21 sind entsprechende Flussverkettung-Strom Y(I_AC) Charakteristiken eines erfindungsgemäßen FSB mit gesättigtem Kern und werden nachstehend näher erläutert. Die Amplitude der Flussverkettung der Spule ist zu der Amplitude des Spannungsabfalls an dem FSB proportional. Wenn die Flussverkettung unter dem unteren Abschnitt 29 der Kennlinie 21 liegt, sind die Kerne gesättigt und der Spannungsabfall an dem FSB hat einen niedrigen Wert. Im Störfall kann jedoch der Spannungsabfall an dem FSB die Netzspannung annähern und die Stromstärke nimmt zu. Doch nach dem unteren Abschnitt 29 der Kennlinie 21, das einem ungesättigten Kern entspricht, steigt der Magnetfluss steiler für eine gegebene Änderung der Stromstärke, da der FSB eine größere durchschnittliche Induktivität aufweist, die eine Zunahme der Stromstärke bei einer gegebenen Spannungsveränderung verlangsamt.
Wie oben bemerkt, ist ein Aspekt der Erfindung die Verwendung von Rückkopplungsspulen. 3 zeigt auch die Kennlinie 22 Ψ(I_AC) des Kerns mit Rückkopplungsspulen, die die Magnetflusse der Vormagnetisierungsspulen völlig ausgleichen, die den Ausgangspunkt schneidet und nur dem steilen Teil der Kennlinie 21 des Kerns ohne Rückkopplungsspulen entspricht. Dadurch kann die zu einer gegebenen Flussverkettung (und einer Spannung) gehörende höchste Stromstärke im Störfall verringert werden. Eine gegebene Flussverkettung 28 entspricht einer Stromstärke 27 für einen FSB ohne Rückkopplungsspulen und einer niedrigen Stromstärke 26 für einen FSB mit Rückkopplungsspulen. Wenn der durch die Rückkopplungsspulen erzeugte Fluss niedriger ist als der Fluss der Vormagnetisierungsspule, die Kennlinie 24 Ψ(I_AC) vermittelt einen Zwischenwert für die durchschnittliche Induktivität der Wechselstromspulen.
Es ist aus den Obigen verständlich, dass der Rückkopplungsspulen eine verbesserte Leistung verschafft, selbst wenn diese mit dem zum Stand der Technik gehörenden Kern aus der 1 verwendet werden. Erfindungsgemäß können also die Rückkopplungsspulen in beliebig ausgebildetem FSB mit gesättigtem Kern ausdrücklich benutzt werden.
Die Verwendung der Rückkopplungsspulen macht möglich, die Ausbildung des Magnetkerns so zu verändern, dass die Masse des Kerns niedriger wird. Die Aufhebung des Vormagnetisierungsfeldes während eines Störfalls erhöht die wirksame Permeabilität des Magnetkerns. Infolgedessen kann der Kernquerschnitt verglichen mit einem FSB mit gleicher Impedanz der Primärspule und ohne Rückkopplungsspule verringert werden. Nachstehend werden drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt.
Die 4a und 4b zeigen eine erste Ausführungsform, die zwei verlängerte stabförmige Kerne 41a, 41b für eine Phase anstelle von den zwei geschlossenen Kernen aufweist, die in bekannten Ausführungen verwendet sind (gezeigt in 1). Der Rauminhalt der stabförmigen Kerne ist ungefähr die Hälfte des Rauminhaltes der in der 1 dargestellten geschlossenen Kerne. Die Wechselstromspule 3a, die Vormagnetisierungsspule 4a und gegebenenfalls eine Rückkopplungsspule 42a werden koaxial auf dem stabförmigen Kern 41a angebracht. Auf ähnliche Art und Weise werden die Wechselstromspule 3b, die Vormagnetisierungsspule 4b und die wahlweise freigestellte Rückkopplungsspule 42b koaxial auf dem stabförmigen Kern 41b angebracht.
Auf jedem Kern können einzelne Vormagnetisierungsspulen mit einer Rückkopplungsspule benutzt werden (wie in 5a gezeigt), oder eine gemeinsame Vormagnetisierungsspule 4a und eine optionale Rückkopplungsspule 42 können auf beide Kerne gewickelt werden (wie in 4b gezeigt). Die Verwendung gemeinsamer Vormagnetisierungsspulen verursacht vorteilhaft niedrigere induzierte Wechselspannung an den Vormagnetisierungsspulen sowie die Herabsetzung der Kernmasse.
4c zeigt schematisch in Draufsicht einen Zusammenbau von zwei Paaren in 4b dargestellter Kerne, die derart gegenüber gestellt sind, dass die Magnetfelder der benachbarten Vormagnetisierungsspulen sich addieren. Für jedes Kernpaar sind nur die Wechselstromspulen 3a, 3b und die Vormagnetisierungsspule 4a dargestellt. Im unteren Teil der Abbildung (entsprechend dem in der 4b in Seitenansicht dargestellten Kern), umgibt eine einzelne Vormagnetisierungsspule 4a Kerne 2a und 2b. Der obere Teil der Abbildung entspricht einem anderen Kern, der dem in der 4b in Seitenansicht dargestellten Kern entspricht und ähnliche Bezugsziffern hat, die durch einen Apostroph (') unterscheidet sind. Auch in diesem Fall umgibt eine einzige Vormagnetisierungsspule 4a' beide Kerne 2a' und 2b'. Die Magnetflüsse der zwei Vormagnetisierungsspulen 4a und 4a' sind jedoch einander entgegengesetzt gerichtet: der eine Fluss sinkt in das Blatt und der andere Fluss hebt sich aus dem Blatt, so dass die resultierenden magnetischen Kräfte einander gegenseitig anziehen. Die als Beispiel gezeigten Kerne haben einen geöffneten Magnetkreis, aber ein geschlossener Magnetkreis kann ebenso benutzt werden.
Die 5a und 5b zeigen eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 50a beziehungsweise 50b, die für jede Phase mindestens einen länglichen geschlossenen Kern 50a aufweist, der über Schenkel 41a und 41b verfügt, die je eine Wechselstromspule tragen. Die Schenkel 41a und 41b sind an ihren gegenüberliegenden Enden durch jeweilige magnetische Anne 51 verbunden, die den Magnetkreis schließen. In der Vorrichtung 50a ist der Magnetkreis vollständig geschlossen, während in der Vorrichtung 50b ein Luftspalt 52 ausgebildet ist. Durch die Einstellung der Länge des Luftspaltes 52 können die magnetischen Eigenschaften des im Wesentlichen geschlossenen Kerns verändert werden.
Die 5c und 5d zeigen Vorrichtungen 50c beziehungsweise 50d, die in ihrer Anordnung den in den 5a beziehungsweise 5b dargestellten Vorrichtungen ähnlich sind. Doch während in den, in den 5a beziehungsweise 5b dargestellten Vorrichtungen 50a und 50b einzelne Wechselstromspulen und Vormagnetisierungsspulen um jeden Schenkel 41a, 41b des Kerns gewickelt sind, sind in den Vorrichtungen 50c und 50d einzelne Wechselstromspulen 3a, 3b um jeden Schenkel 41a, 41b des Kerns gewickelt, und eine einzige Vormagnetisierungsspule 4a ist um beide Schenkel gewickelt wie die optionale Rückkopplungsspule 42, die Masse des Kerns derart weiter verringert.
Zurückverweisend auf 3, es ist sichtbar, dass der geschlossene Kern eine viel steilere Ψ(I_AC) Kennlinie 23 hat, als ein geöffneter Kern. Das stellt eine niedrigere Stromstärke 25 sicher oder ermöglicht die Verringerung des Kernquerschnitts und/oder Zahl der Amperewindungen der Wechselstromspulen. Die beförderliche Verbindung der Wechselstromspulen stellt ungefähr zweimal höhere Induktivität für die beiden Wechselstromspulen verglichen mit anderen Ausführungen sicher, da die Wechselstromspulen einen gemeinsamen Magnetfluss haben. Die Vormagnetisierungsspule 3a und die Rückkopplungsspule 42 umringen beide Schenkel des Kerns und umgeben beide Wechselstromspulen. Fast der volle Magnetfluss der Wechselstromspulen fließt innerhalb des Kerns, so verschwindet fast der volle Magnetfluss innerhalb der Vormagnetisierungsspulen und der Rückkopplungsspulen und die Wechselspannung an diesen Spulen ist sehr niedrig.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform die für jede Phase mindestens einen Mantelkern 71 mit zwei Wechselstromspulen 3a, 3b auf seinen äußersten Schenkeln und eine gemeinsame Vormagnetisierungsspule 4a und eine wahlweise freigestellte Rückkopplungsspule 42 (punktiert dargestellt) auf seinem zentralen Schenkel 72 aufweist. Der Mantelkern 71 kann magnetisch als ein geschlossener Kern, wie in 5a oder 5c dargestellt, betrachtet werden, dessen Schenkel 2a, 2b die äußersten Schenkel des Mantelkerns 71 bilden, aber einen zusätzlichen Schenkel zwischen den Schenkeln 2a, 2b aufweist. Diese Ausführung hat die gleichen Vorteile wie die vorhergehende Ausführung. Der Magnetfluss der Wechselstromspulen fließt nicht innerhalb des zentralen Schenkels des Kerns und folglich innerhalb der Vormagnetisierungsspule und der Rückkopplungsspule. Genau genommen, unter normalen Bedingungen gibt es keine induzierte Wechselspannung an den Vormagnetisierungsspulen, weil der volle Wechselmagnetfluss innerhalb der Vormagnetisierungsspule gleich null ist. Im Störfall ist die Vormagnetisierungsspule jedoch Wechselmagnetfeldern ausgesetzt, die die kritische Stromstärke der supraleitenden Vormagnetisierungsspule verringern und ihre Leistung vermindern. Bei dem Entwurf der Spule sollen die Wechselfelder während der Dauer des Störfalls in Betracht genommen werden. Eine leitfähige elektromagnetische Abschirmung kann zur Minimieren dieser Felder verwendet werden. Der dreiphasige FSB umfasst mindestens drei identische Elemente, mindestens ein Element für jede Phase.
7a ist ein schematischer Schaltplan, der einen FSB gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Es ist sichtbar, dass der FSB alle Elemente des bekannten FSB, wie oben mit Bezug auf 5a beschrieben, sowie zusätzlich zwei Rückkopplungsspulen 42a und 42b enthält, die durch eine Gleichstromversorgung 33a gespeist werden. Während eines Störfalls nimmt der Spannungsabfall an den Wechselstromspulen 3a und 3b zu. Die Spannungsversorgung wird entsprechend diesem Spannungsabfall erregt und ruft dadurch auch die Stromzunahme durch die Rückkopplungsspulen hervor. Der durch die Rückkopplungsspulen erzeugte Magnetfluss 34 und 34' hat entgegengesetzte Richtung zu den jeweiligen Magnetflüssen 11 und 11' der Vormagnetisierungsspulen 4a und 4b und bringt folglich den ganzen Kern aus dem Sättigungszustand. In diesem Zustand weisen beide Wechselstromspulen hohe Impedanz während beider Hälften des Zyklus auf. Infolgedessen ist der Spannungsabfall an jeder Wechselstromspule nur die Hälfte des Spannungsabfalls an dem FSB. Das ermöglicht die Verringerung der Zahl der Wicklungen der Wechselstromspulen. In diesem Zusammenhang soll es bemerkt werden, dass die Induktivität ergibt aus L ~ μ·A·N². Die Rückkopplung erhöht μ, wodurch entweder A (Kernquerschnitt) oder N (Zahl der Wicklungen der Wechselstromspule) bei Beibehaltung der gesamten FSB Impedanz verringert werden kann. Derart bietet die Rückkopplungsspule einen anderen Weg, die Zielsetzung der Erfindung für die Verringerung der Kerngröße zu erreichen. 7b zeigt schematisch einen FSB, der die gleichen Komponenten wie in der 7a dargestellt enthält, die Spannungsversorgung 33b der Rückkopplungsspulen ausgenommen, die entweder zum FSB oder zum Paar dessen mit diesen Rückkopplungsspulen zusammenwirkenden Wechselstromspulen parallel geschaltet ist. In diesem Fall ist die Rückkopplung unmittelbar verwirklicht. Während eines Störfalls erhöht sich der Spannungsabfall an dem FSB und folglich auf der Spannungsversorgung und ergibt eine zunehmende Stromstärke in den Rückkopplungsspulen.
Die Erfindung schlägt ferner eine FSB Baueinheit vor, die über einen gesättigten Kern mit serienmäßigen Elementen (Module) solcher Größe verfügt, die ermöglicht, eine FSB Baueinheit mit notwendigen Parametern zu bauen, indem eine erforderliche Anzahl von Modulen in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Jedes Modul ist ein früher in den 4 bis 6 dargestellter FSB. Es ist beim Zusammenbau der Module notwendig, die Parameter der FSB Baueinheit zu errechnen, wobei die Überlagerung der Magnetflüsse der angrenzenden Module berücksichtigt werden soll. Diese Überlagerung kann wenigere Amperewindungen für die Vormagnetisierungsspulen und Wechselstromspulen sicherstellen. Jedes Modul kann separate Vormagnetisierungsspulen und Rückkopplungsspulen aufweisen, oder die Vormagnetisierungs- und Rückkopplungsspulen können für einige Module gemeinsam sein. Z.B., wie es in 4c schematisch dargestellt ist, können zwei Module mit geschlossenen Kernen so nahe zueinander angeordnet werden, dass die Magnetflüsse ihrer Vormagnetisierungsspulen gegenteilige Richtungen haben. Es ist einzusehen, dass die Vormagnetisierungsspule einen offenen Magnetkreis in der länglichen Kernkonfiguration hat, so dass die Anordnung zwei benachbarter Module in entgegengesetzte Richtungen das Schließen deren Magnetkreis bewirkt. In diesem Fall ist die Reluktanz des Magnetkreises dieser Spulen niedriger, und eine kleinere Zahl von Amperewindungen wird benötigt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung jede der in den 4 bis 6 dargestellten Kernausführungen kann in einem FSB mit gesättigtem Kern oder in einer, solche FSB Module mit oder ohne Rückkopplungsspulen enthaltenden FSB Baueinheit verwendet werden.
Beispiel für einen FSB mit einem geschlossenen Kern für jede Phase
Dieses Beispiel für eine FSB Baueinheit besteht aus Modulen, die für eine Phase einen geschlossenen gesättigten Kern haben, der zwei Wechselstromspulen aufweist: eine Spule auf jedem Schenkel; die Vormagnetisierungsspule und die Rückkopplungsspule sind um den Kern mit Wechselstromspulen gewickelt. Es ist als ein Modul in der dreiphasigen FSB Baueinheit verwendet.
Parameter:
Abmessungen und Massen:
Dreiphasen-FSB mit einem geschlossenen Kern für jede Phase

Claims

Strombegrenzer (40a) für eine Wechselstromversorgung, enthaltend für jede Phase der Wechselstromversorgung: – einen Magnetkreis, – mindestens eine den Magnetkreis umgebende supraleitende Vormagnetisierungsspule (4a, 4b) für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; und – zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen (3a, 3b) für die Reihenschaltung mit einer Last; – jede Wechselstromspule (3a, 3b) ist auf einem jeweiligen Schenkel des Magnetkreises angebracht und zur Herstellung von Magnetfeldern mit entgegengesetzten Polaritäten derart konfiguriert, dass im Betrieb während der nacheinander folgenden Halbzyklen der Wechselstromversorgung die eine Wechselstromspule ein zu einem Magnetfeld der Vormagnetisierungsspule gegenteiliges Magnetfeld erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass – der erwähnte Magnetkreis ein Paar offene, längliche stabförmige magnetische Schenkel (41a, 41b) aufweist.
Strombegrenzer (50c, 50d) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Vormagnetisierungsspule (4a) entweder eine um beiden Schenkeln des Magnetkreises gewickelte Spule oder ein Paar Spulen (4a, 4b) enthält, die um einem jeweiligen Schenkel des Magnetkreises gewickelt sind.
Strombegrenzer (50a, 50b, 50c, 50d) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die benachbarten Enden beider Schenkel (41a, 41b) derart magnetisch gekoppelt sind, dass der Magnetkreis an jedem Ende der Schenkel geschlossen ist.
Strombegrenzer (50b, 50d) nach Anspruch 3, wobei ein Luftspalt (52) in dem Magnetkreis ausgebildet ist.
Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend weiterhin mindestens eine Rückkopplungsspule (42) für jede Vormagnetisierungsspule, für die Erzeugung eines Magnetflusses der von dem Spannungsabfall am Strombegrenzer abhängig und gegen die Richtung des Magnetflusses der zugehörigen Vormagnetisierungsspule gerichtet ist, um den Magnetkreis aus dem Sättigungszustand zu bringen und dadurch die Impedanz des Magnetkreises zu erhöhen und den Strom über den Strombegrenzer zu verringern.
Strombegrenzer nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Rückkopplungsspule mittels einer unabhängigen Spannungsversorgung (33a) gespeist wird, die einen Strom mit einer durch den am Strombegrenzer anfallenden Spannungsabfall gesteuerten Stromstärke liefert.
Strombegrenzer nach Anspruch 5, wobei im Betrieb die mindestens eine Rückkopplungsspule mittels einer; zum Strombegrenzer parallel geschalteten gleichgerichteten Spannungsversorgung (33b) gespeist wird.
Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, wobei: – das erwähnte Paar Schenkel die äußersten Schenkel eines geschlossenen Mantelmagnetkreises (71) bildet, der auch einen mittleren Schenkel (72) aufweist, der eine jeweilige Vormagnetisierungsspule (4a) trägt, und – der mittlere Schenkel (72) eine Rückkopplungsspule (42) trägt.
Strombegrenzer nach Anspruch 8, ausgebildet als ein Mehrphasen-Fehlerstrombegrenzer mit mindestens zwei, zu unterschiedlichen Phasen zugeordneten Kernen, wobei der Strombegrenzer eine einzige, für mindestens zwei mittlere Schenkel der jeweiligen Kerne des Magnetkreises gemeinsame Vormagnetisierungsspule aufweist.
Strombegrenzer nach Anspruch 9, der eine einzige, für mindestens zwei mittlere Schenkel der jeweiligen Kerne des Magnetkreises gemeinsame Rückkopplungsspule aufweist.
Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die mindestens eine supraleitende Vormagnetisierungsspule (4a) ein Paar um einen jeweiligen Schenkel des Magnetkreises gewickelte Spulen (4a, 4b), sowie mindestens eine, für mehrere Schenkel des Magnetkreises gemeinsame Vormagnetisierungsspule enthält.
Strombegrenzungs-Baueinheit, die über mindestens zwei Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verfügt, wobei jeder Strombegrenzer mindestens eine jeweilige Vormagnetisierungsspule enthält.
Strombegrenzungs-Baugruppe nach Anspruch 12, die über mindestens eine jeweilige Rückkopplungsspule verfügt.
Strombegrenzungs-Baueinheit nach Anspruch 12 oder 13, die mindestens zwei Strombegrenzer oder Strombegrenzungs-Baueinheiten enthält.
Strombegrenzungs-Baugruppe, die über mindestens zwei benachbarte Strombegrenzer (40a, 40b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verfügt und derart konfiguriert ist, dass die Magnetflusse der jeweiligen Vormagnetisierungsspulen (4a, 4a') von benachbarten Strombegrenzern gegenseitig gegenteilig gerichtet sind.
Strombegrenzer (40a) für eine Wechselstromversorgung, enthaltend für jede Phase der Wechselstromversorgung: – mindestens zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen (3a, 3b) für die Reihenschaltung mit einer Last, genannte Spulen sind auf jeweiligen Schenkeln (41a, 41b) mindestens eines Magnetkreises angebracht, – mindestens eine supraleitende Vormagnetisierungsspule (4a, 4b) für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; dadurch gekennzeichnet, dass – der Strombegrenzer mindestens eine Rückkopplungsspule (42a, 42b) für jede Vormagnetisierungsspule für die Erzeugung eines Magnetflusses enthält, der von dem Spannungsabfall am Strombegrenzer abhängig und gegen die Richtung des Magnetflusses der zugehörigen Vormagnetisierungsspule gerichtet ist, um den Magnetkreis aus dem Sättigungszustand zu bringen und dadurch die Impedanz des Magnetkreises zu erhöhen und den Strom über den Strombegrenzer zu verringern.
Strombegrenzer nach Anspruch 16, wobei die mindestens eine supraleitende Vormagnetisierungsspule (4a, 4b) entweder eine gemeinsam um den Schenkeln (41a, 41b) des Magnetkreises gewickelte Spule (4a) oder ein Paar Spulen (4a, 4b) enthält, die um einem jeweiligen Schenkel (41a, 41b) des Magnetkreises gewickelt sind.
Strombegrenzer (50a, 50b, 50c, 50d) nach Anspruch 16 oder 17, wobei die benachbarten Enden beider Schenkel (41a, 41b) derart magnetisch gekoppelt sind, dass der Magnetkreis an jedem Ende des Kerns geschlossen ist.
Strombegrenzer (50b, 50d) nach Anspruch 18, wobei ein Luftspalt (52) in dem Magnetkreis ausgebildet ist.
Verfahren zur Verringerung der Masse eines Strombegrenzers (40a) nach Anspruch 1 oder 16 für eine Wechselstromversorgung, der genannte Strombegrenzer enthält für jede Phase der Wechselstromversorgung: – einen Magnetkreis, – mindestens eine den Magnetkreis umgebende supraleitende Vormagnetisierungsspule (4a, 4b) für die Vormagnetisierung des Magnetkreises in Sättigungszustand unter normalen Bedingungen; und – zwei in Reihe geschaltete Wechselstromspulen (3a, 3b) für die Reihenschaltung mit einer Last; das genannte Verfahren umfasst: (a) Verringerung der Masse des Magnetkreises mittels: i) Ausbildung den Magnetkreis in Form eines Paares offener, länglichen stabförmigen magnetischen Schenkel (41a, 41b) ii) Anordnung jeder Wechselstromspule auf dem jeweiligen Schenkel; und iii) Konfigurierung der Wechselstromspulen zur Herstellung von Magnetfeldern mit entgegengesetzten Polaritäten, so dass im Betrieb während der nacheinander folgenden Halbzyklen der Wechselstromversorgung die eine Wechselstromspule ein zu einem Magnetfeld der Vormagnetisierungsspule gegenteiliges Magnetfeld erzeugt; und/oder (b) die Verringerung der Masse der Wechselstromspulen mittels: i) Zuordnung mindestens einer Rückkopplungsspule (42a, 42b) den Wechselstromspulen, wobei die Rückkopplungsspule einen Magnetfluss (34, 34') aufweist, der gegen die Richtung des Magnetflusses (11, 11') der Vormagnetisierungsspulen (4a, 4b) gerichtet ist, um den Magnetkreis aus dem Sättigungszustand zu bringen und dadurch die Verringerung der Zahl der Wicklungen oder der Querschnittsfläche der Vormagnetisierungsspulen zu ermöglichen.