ITMI20120115A1 - Trasformatore multi-nucleo a superconduttore - Google Patents

Description

TRASFORMATORE MULTI-NUCLEO A SUPERCONDUTTORE

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione concerne i trasformatori di tensione e più in particolare un trasformatore di tensione con avvolgimenti primari composti di materiale superconduttore avvolti su rispettivi nuclei magnetici mutuamente disaccoppiati.

BACKGROUND

Le eccellenti proprietà dei materiali superconduttori permettono di ridurre moltissimo la potenza elettrica dissipata, grazie alle loro caratteristiche di bassa resistenza elettrica. Per questo motivo, fili di materiale superconduttore sono stati utilizzati per realizzare avvolgimenti di trasformatori aventi un nucleo magnetico mantenuto a temperatura criogenica.

Tipicamente, un trasformatore a superconduttore, illustrato schematicamente in figura 1, ha un avvolgimento primario composto da Nsspire di un filo superconduttore avvolto su un nucleo magnetico sul quale à ̈ presente un avvolgimento secondario magneticamente accoppiato al primo e tipicamente composto di Nnspire di materiale non superconduttore. Il vantaggio di utilizzare un superconduttore consiste nel fatto che la resistenza in conduzione à ̈ praticamente nulla ed inoltre l'induttanza dell'avvolgimento primario à ̈ notevolmente ridotta rispetto ai comuni trasformatori utilizzati a temperatura ambiente. Poiché in un trasformatore elevatore di tensione il secondario à ̈ attraversato da una corrente minore rispetto all'avvolgimento primario, l'avvolgimento secondario può essere realizzato anche con un comune materiale conduttore, poiché l’induzione nei materiali conduttori classici à ̈ più efficiente e il maggior costo dei materiali superconduttori non risulta giustificato dall'ulteriore riduzione della già scarsa potenza dissipata al secondario.

In entrambi i casi, il nucleo magnetico con gli avvolgimenti deve essere posto in un ambiente a temperatura estremamente bassa. Infatti, per mantenere la proprietà di superconduzione, il superconduttore deve essere raffreddato ad una temperatura inferiore alla sua temperatura critica, cosa che viene comunemente fatta predisponendo un contenitore riempito di fluido a temperatura criogenica, ad esempio azoto liquido o elio liquido, e immergendo in esso il nucleo magnetico con gli avvolgimenti. Inoltre la proprietà di superconduzione viene mantenuta fintanto che la densità di corrente che attraversa l'avvolgimento di superconduttore e il valore di induzione magnetica a cui à ̈ soggetto l'avvolgimento di superconduttore sono inferiori a rispettivi valori critici.

Per preservare le caratteristiche del materiale superconduttore, bisogna considerare che lo stato di superconduzione non può esistere in presenza di un'induzione magnetica maggiore di un valore critico BC, persino nel caso limite teorico irraggiungibile in cui la temperatura di esercizio coincidesse con lo zero assoluto.

Per evitare quindi che l'avvolgimento di superconduttore perda le sue caratteristiche, bisogna mantenere la temperatura del superconduttore al di sotto della temperatura critica e realizzare il trasformatore in maniera tale da limitare la corrente che attraversa il superconduttore e il valore di induzione magnetica del campo in cui il superconduttore à ̈ immerso.

Infatti, durante il normale funzionamento, il generatore di tensione collegato al primario fa circolare una corrente attraverso di esso, generando un campo magnetico all'interno del nucleo del trasformatore. Gli avvolgimenti del circuito secondario sono concatenati con quelli del circuito primario, per cui ai capi del circuito secondario si manifesterà una tensione di uscita trasformata, che sarà fornita ad un carico. In tutti i trasformatori, in quelli tradizionali come in quelli con almeno un avvolgimento fatto di materiale superconduttore, vale la seguente relazione:

E ω

2= N2SB =4.44fN2SB (1) 2

in cui E2à ̈ il valore efficace (RMS) della tensione indotta al secondario, f à ̈ la frequenza, ω à ̈ la pulsazione, N2à ̈ il numero di spire dell'avvolgimento secondario, S à ̈ la sezione del nucleo e B à ̈ l'intensità del campo magnetico generato dall’ avvolgimento primario. Poiché il campo magnetico concatenato con gli avvolgimenti primario e secondario à ̈ praticamente lo stesso, ne consegue che il rapporto tra le tensioni tra il secondario e il primario corrisponde al rapporto tra gli avvolgimenti del secondario e del primario.

L’intensità del campo magnetico B in un solenoide à ̈ data da:

NI

B= µ (2) l

in cui l à ̈ la lunghezza del circuito magnetico, µ à ̈ la permeabilità magnetica del nucleo e I à ̈ la corrente circolante nell'avvolgimento primario. Poiché l'induzione magnetica B non deve eccedere il valore critico BCnemmeno quando il filo di superconduttore à ̈ attraversato dalla corrente critica IC, dall'equazione (2) ne consegue che il numero di spire al primario N1à ̈ limitato a

B<C>â‹… l

≥N1(3) µ â‹… I C

e quindi il valore efficace E della tensione generata dal trasformatore à ̈ limitato a E≤4.44fN2SBC(4) Indicando con IMAXla massima corrente nominale che può circolare al secondario, si ha che il numero di spire al secondario N2à ̈ limitato a

B<C>â‹… l

≥N2(5) µ â‹… I MAX

Quindi, il fatto che la corrente al primario e l'induzione magnetica non possano eccedere i rispettivi valori critici, comporta una limitazione della potenza che viene trasformata.

SOMMARIO

Studi approfonditi eseguiti dalla richiedente hanno evidenziato che à ̈ possibile soddisfare i rispettivi vincoli di massima corrente critica e di massima intensità magnetica critica oltre le quali il materiale superconduttore perderebbe le sue caratteristiche, nello stesso tempo aumentando la potenza di trasformazione.

Questo eccellente risultato à ̈ ottenuto con una nuova architettura di trasformatore multi-nucleo a superconduttore avente una pluralità di distinti avvolgimenti primari, composti da Nsspire di filo di materiale superconduttore, collegati in serie e avvolti su rispettivi nuclei magneticamente disaccoppiati tra loro. Su ciascun nucleo magnetico à ̈ presente un rispettivo avvolgimento secondario Nn. I nuclei magnetici con i rispettivi avvolgimenti sono alloggiati all'interno di un contenitore e immersi in un fluido a temperatura criogenica presente in esso.

Secondo una forma di realizzazione, i nuclei magneticamente disaccoppiati sono uniformemente disposti lungo una circonferenza.

Opzionalmente, al fine di limitare il valore di corrente che può circolare al primario, e di conseguenza l'intensità magnetica massima, il trasformatore a superconduttore dell'invenzione ha una resistenza di valore appropriato collegata in serie all'avvolgimento primario Nsposta al di fuori del contenitore del fluido a temperatura criogenica.

Opzionalmente ma non necessariamente, i nuclei magnetici disaccoppiati sono magneticamente schermati l'uno dall'altro mediante interposizione di una lastra di materiale schermante, ad esempio di materiale diamagnetico.

L'invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni, che sono intese come parte integrante di questa descrizione e qui incorporate per espresso riferimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La Figura 1 Ã ̈ uno schema di principio di un trasformatore noto a superconduttore.

La Figura 2 mostra uno schema di un nuovo trasformatore con una pluralità di avvolgimenti primari Nsin serie composti di materiale superconduttore connessi ad una resistenza.

La Figura 3 mostra una possibile disposizione degli avvolgimenti primari a superconduttore e dei relativi nuclei magnetici disaccoppiati.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE

La nuova architettura di trasformatore a superconduttore permette di soddisfare le limitazioni di corrente e di intensità magnetica massima dei trasformatori a superconduttore noti aumentando notevolmente la potenza elettrica che viene trasformata e resa disponibile al secondario.

Per raggiungere tale scopo, nella nuova architettura di trasformatore a superconduttore vi sono più nuclei magnetici che costituiscono più circuiti magnetici disaccoppiati, su ciascun circuito magnetico essendo avvolto un corrispondente avvolgimento primario Nscostituito di materiale superconduttore immerso in un ambiente a temperatura criogenica.

Un esempio di questa nuova architettura di trasformatore à ̈ illustrato schematicamente in figura 2. Gli avvolgimenti Ns, Nnsu ciascun nucleo magnetico saranno composti da un numero di spire determinato in maniera da non superare, durante il funzionamento del trasformatore, i valori di corrente critica e di intensità magnetica critica del materiale superconduttore, utilizzando le equazioni (3) e (5) menzionate in precedenza. Collegando gli avvolgimenti in serie, si aumenta la potenza elettrica trasformata resa disponibile al secondario - rispetto ai trasformatori a superconduttore noti - e allo stesso tempo vengono soddisfatte le specifiche di corrente e di intensità magnetica critiche.

Secondo una forma di realizzazione, al fine di limitare la corrente circolante al primario, il trasformatore dell'invenzione à ̈ dotato di una resistenza collegata in serie installata al di fuori del contenitore del fluido a temperatura criogenica. Qualsiasi tecnico esperto saprà certamente stabilire il valore di tale resistenza in funzione della tensione nominale al secondario e della potenza massima erogabile, per cui questo aspetto non verrà discusso ulteriormente.

La figura 3 mostra un possibile modo di disporre i nuclei magnetici in maniera da risultare disaccoppiati tra loro. Opzionalmente ma non necessariamente, i nuclei magnetici disaccoppiati sono magneticamente schermati l'uno dall'altro mediante interposizione di uno strato di materiale diamagnetico. I nuclei magneticamente disaccoppiati possono essere uniformemente disposti lungo una circonferenza oppure, nel caso di tre o più nuclei magnetici disaccoppiati, essi possono essere disposti in corrispondenza di vertici di triangoli equilateri adiacenti.

Secondo una forma di realizzazione ciascuno nucleo magnetico può essere del tipo a due o a tre colonne.

Il materiale superconduttore di cui sono costituiti gli avvolgimenti può essere di qualsiasi tipo. Una ricerca di mercato e test specifici eseguiti dalla richiedente per realizzare questo tipo di trasformatore con nuclei magnetici disaccoppiati, hanno portato ad identificare l’ossido di bismuto stronzio calcio e rame (BiSCCO - Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) e il diboruro di magnesio (MgB2) come materiali superconduttori particolarmente adatti e preferiti per questo tipo di architettura.

La temperatura critica del primo à ̈ di 110 gradi Kelvin, quella del secondo à ̈ di 39 gradi Kelvin ed entrambi sono prodotti in modalità PIT (powder in tube).

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasformatore multi-nucleo a superconduttore, comprendente: un contenitore riempito di fluido a temperature criogenica; almeno due avvolgimenti primari (Ns) collegati in serie e disposti attorno a rispettivi nuclei magnetici, detti almeno due nuclei magnetici definendo altrettanti circuiti magnetici magneticamente disaccoppiati tra loro, detti avvolgimenti primari (Ns) essendo costituiti da spire di filo di materiale superconduttore ed essendo contenuti in detto contenitore e immersi in detto fluido a temperature criogenica; altrettanti avvolgimenti secondari (Nn) non superconduttori ciascuno disposto attorno un rispettivo nucleo magnetico di detti nuclei magnetici.
2. 2. Trasformatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti nuclei magnetici disaccoppiati sono magneticamente schermati l’uno dall’altro mediante interposizione di una lastra di materiale schermante.
3. 3. Trasformatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto materiale superconduttore à ̈ ossido di bismuto, stronzio, calcio e rame (BiSCCO) o diboruro di magnesio (MgB2).
4. 4. Trasformatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un componente resistivo (R) connesso in serie a detti avvolgimenti primari (Ns) e installato al di fuori di detto contenitore riempito di fluido a temperatura criogenica, detto componente resistivo (R) essendo determinato in modo tale che, in condizioni nominali di funzionamento del trasformatore, non venga superata una corrente critica.
5. 5. Trasformatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti avvolgimenti primari (Ns) sono composti da un numero di spire determinato in modo che, in condizioni nominali di funzionamento del trasformatore, non venga superata un’intensità magnetica critica del materiale superconduttore.
6. 6. Trasformatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei magneticamente disaccoppiati sono uniformemente disposti lungo una circonferenza.
7. 7. Trasformatore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, comprendente tre o più di detti nuclei magneticamente disaccoppiati, disposti in corrispondenza di vertici di triangoli equilateri adiacenti.