JPH07220583A - Permanent current switch - Google Patents

Permanent current switch

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JPH07220583A
JPH07220583A JP6013572A JP1357294A JPH07220583A JP H07220583 A JPH07220583 A JP H07220583A JP 6013572 A JP6013572 A JP 6013572A JP 1357294 A JP1357294 A JP 1357294A JP H07220583 A JPH07220583 A JP H07220583A
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JP
Japan
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switch
superconducting
current
state
iron core
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JP6013572A
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Japanese (ja)
Inventor
Osamu Yoneda
修 米田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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Abstract

PURPOSE:To provide a permanent current switch which has high speed responsiveness, and in which, in addition, resistance in a disconnection condition can be sufficiently high. CONSTITUTION:A permanent current switch 11 comprises a superconductive switch 111 for performing transition between a superconductive condition and a conductive condition by magnetism or heat, and a saturation reactor 112 connected in series. As switch disconnection is started, a control winding 23 of the superconductive switch 111 is excited to set the superconductive switch 111 in the conductive condition. As a current is decreased to be under a saturation current of a saturation core, impedance of the saturation reactor 112 is increased quickly to set the current at the switch 111 almost at zero. Apparant resistance in a switch disconnection condition can thus be set large to reduce heat generation quantity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は永久電流スイッチに係わ
り、特にオフ状態での抵抗を高くすることのできる永久
電流スイッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a persistent current switch, and more particularly to a persistent current switch capable of increasing resistance in an off state.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年液体水素を燃料として使用する電気
自動車あるいはハイブリッド自動車用おいて、超電導コ
イルを適用した超電導エネルギ貯蔵装置(以下SMES
〔Superconducting Magnetic Energy Storage 〕と記
す。)をエネルギ回生用およびエネルギ平準用補助電源
として適用することが考えられている。
2. Description of the Related Art Recently, in an electric vehicle or a hybrid vehicle using liquid hydrogen as a fuel, a superconducting energy storage device (hereinafter referred to as SMES) to which a superconducting coil is applied.
[Superconducting Magnetic Energy Storage]. Is applied as an auxiliary power source for energy regeneration and energy leveling.

【0003】SMESの運転モードを、充電モードから
エネルギ貯蔵モードへ、あるいはエネルギ貯蔵モードか
ら放電モードへ遷移するために、いわゆる永久電流スイ
ッチが必須となる。この永久電流スイッチは以下の性質
を具備することが必要である。 (1)永久電流スイッチオン時、即ちSMESをエネル
ギ貯蔵モードで運転時には永久電流スイッチの電力損失
が少ないこと。 (2)永久電流スイッチオフ時、即ちSMESを充電あ
るいは放電モードで運転時には永久電流スイッチの開放
抵抗が高であること。
A so-called permanent current switch is indispensable for changing the operating mode of the SMES from the charge mode to the energy storage mode or from the energy storage mode to the discharge mode. This persistent current switch must have the following properties. (1) The power loss of the persistent current switch is small when the persistent current switch is turned on, that is, when the SMES is operated in the energy storage mode. (2) The open resistance of the persistent current switch is high when the persistent current switch is off, that is, when the SMES is operated in the charge or discharge mode.

【0004】これは、永久電流スイッチの開放抵抗が小
である場合にはジュール熱が発生し、(1)と同様の不
具合を生じるからである。 (3)高速応答性を有すること。 SMESを電気自動車あるいはハイブリッド自動車用に
使用する場合には自動車の加速あるいは登坂走行時は放
電モードに、減速あるいは降坂走行時は充電モードに、
そして平地定速走行時には貯蔵モードに頻繁かつ迅速に
切替る必要があるからである。
This is because if the open resistance of the permanent current switch is small, Joule heat is generated and the same problem as in (1) occurs. (3) It has a high-speed response. When SMES is used for electric or hybrid vehicles, it is in discharge mode when the vehicle is accelerating or traveling uphill, and in charging mode when it is decelerating or traveling downhill.
In addition, it is necessary to switch to the storage mode frequently and quickly when traveling on a flat ground at a constant speed.

【0005】現在永久電流スイッチとして適用が考えら
れているものには (イ)半導体スイッチ (ロ)機械式スイッチ (ハ)超電導スイッチ がある。 (イ)半導体スイッチは(2)および(3)の性質を具
備するもののスイッチオン時の抵抗が大であるため、貯
蔵モードで運転中にスイッチで発生する熱を無視するこ
とはできない。例えば半導体スイッチとしてGTOを使
用した場合には最大電流1000アンペアを流した場合
に1Kw以上の熱損失が発生する。
At present, there are (a) semiconductor switches, (b) mechanical switches, and (c) superconducting switches that are considered to be applied as permanent current switches. (A) Although the semiconductor switch has the properties of (2) and (3), the resistance when the switch is turned on is large, so the heat generated by the switch during operation in the storage mode cannot be ignored. For example, when GTO is used as a semiconductor switch, heat loss of 1 Kw or more occurs when a maximum current of 1000 amperes is passed.

【0006】また半導体スイッチと超電導コイルとを一
緒に液体水素中に配置することができないために半導体
スイッチ、超電導コイル間の接続が冗長となり、ジュー
ル熱の発生の増大を防止できない。 (ロ)機械式スイッチは、オフ時抵抗を無限大にするこ
とができるため(2)の性質を完全に満足する。
Further, since the semiconductor switch and the superconducting coil cannot be placed together in the liquid hydrogen, the connection between the semiconductor switch and the superconducting coil becomes redundant, and the increase of Joule heat cannot be prevented. (B) The mechanical switch completely satisfies the property (2) because the resistance can be made infinite when off.

【0007】しかしながら機械式スイッチはオン時の接
触抵抗が約10μΩ残留するため貯蔵電力が熱として消
費されてしまう。またオフ状態への移行時にいわゆる零
電流遮断としないとアークが発生し、接触面に酸化皮膜
が形成されオン時の接触抵抗が増大するおそれがある。
即ち(1)の性質を満足しない。 (ハ)超電導スイッチは熱あるいは磁界を印加すること
によって超電導状態から常電導状態へ、熱あるいは磁界
を除去することによって常電導状態から超電導状態へ遷
移させることができることを利用した永久電流スイッチ
であり、(1)の性質を満足する。
However, the mechanical switch has a residual contact resistance of about 10 μΩ when turned on, so that the stored power is consumed as heat. If the so-called zero current interruption is not performed when shifting to the off state, an arc may be generated, an oxide film may be formed on the contact surface, and the contact resistance at the time of on may increase.
That is, the property of (1) is not satisfied. (C) A superconducting switch is a persistent current switch that utilizes the fact that it is possible to make a transition from the superconducting state to the normal conducting state by applying heat or a magnetic field and from the normal conducting state to the superconducting state by removing the heat or magnetic field. , (1) is satisfied.

【0008】しかしながら熱式超電導スイッチは(3)
の性質を具備しないだけでなく熱損失を伴うという課題
を有する。また磁気式超電導スイッチは(3)の性質を
具備するものの強磁界発生源が必要となり装置として規
模が大きくなることは避けることができない。そこで低
熱損失化およびコンパクト化を目的とした変圧器式超電
導スイッチが提案されている(特開平4−335582
公報参照)。
However, the thermal superconducting switch is (3)
Not only does it not have the above property, but it also has the problem of being accompanied by heat loss. Further, although the magnetic superconducting switch has the property (3), it requires a strong magnetic field source and inevitably becomes large in scale. Therefore, a transformer-type superconducting switch has been proposed for the purpose of reducing heat loss and downsizing (Japanese Patent Laid-Open No. 4-335582).
See the bulletin).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記提案
にかかる超電導スイッチであっても(2)の性質を具備
していない。即ち超電導線中には超電導状態を維持する
ために超電導材中に安定化材が混入されることが一般的
であり、永久電流スイッチオフ状態における抵抗を充分
に高とすることができず、熱損失が発生するという課題
が残る。
However, even the superconducting switch according to the above proposal does not have the property (2). That is, it is common that a stabilizer is mixed in the superconducting material in order to maintain the superconducting state in the superconducting wire, and the resistance in the permanent current switch-off state cannot be sufficiently high. There remains the problem of loss.

【0010】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、高速応答性を有するだけでなくオフ状態における
抵抗を充分高とすることのできる永久電流スイッチを提
供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a persistent current switch having not only a high-speed response but also a sufficiently high resistance in an off state.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】第1の発明にかかる永久
電流スイッチは、超電導線の電導状態を超電導状態から
常電導状態へあるいは常電導状態から超電導状態に転移
させることによりオンオフ状態を切り換える超電導スイ
ッチと、飽和開始電流が超電導スイッチに印加される常
用電圧を超電導スイッチが遮断状態である時の抵抗であ
る遮断抵抗で除して得られる遮断時電流よりも十分に小
である可飽和鉄心と可飽和鉄心に巻回され超電導スイッ
チに直列に接続される超電導線の一次巻線とから構成さ
れ超電導スイッチに直列に接続される可飽和リアクトル
と、を具備する。
A persistent current switch according to a first aspect of the present invention is a superconducting switch for switching an on / off state by changing a conducting state of a superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state or from a normal conducting state to a superconducting state. A switch and a saturable core whose saturation start current is sufficiently smaller than the breaking current obtained by dividing the normal voltage applied to the superconducting switch by the breaking resistance which is the resistance when the superconducting switch is in the breaking state; And a saturable reactor which is connected to the superconducting switch in series and which is composed of a primary winding of a superconducting wire wound around a saturable core and connected in series to the superconducting switch.

【0012】第2の発明にかかる永久電流スイッチは、
可飽和リアクトルが可飽和鉄心に巻回される超電導線の
二次巻線を有し、超電導スイッチの接続開始時に可飽和
鉄心を飽和させる方向に磁束を印加し遮断開始時に二次
巻線に可飽和鉄心を不飽和とする方向に磁束を印加する
電流パルスを発生するパルス電源を、さらに具備する。
The persistent current switch according to the second invention is
The saturable reactor has a secondary winding of a superconducting wire wound around a saturable core.When the superconducting switch is connected, a magnetic flux is applied in a direction that saturates the saturable core, and the secondary winding can be applied at the start of disconnection. It further comprises a pulsed power supply that generates a current pulse that applies a magnetic flux in a direction that makes the saturated iron core unsaturated.

【0013】第3の発明にかかる永久電流スイッチは、
超電導線の電導状態を超電導状態から常電導状態へある
いは常電導状態から超電導状態に転移させることにより
オンオフ状態を切り換える超電導スイッチと、鉄心と鉄
心に巻回され超電導スイッチに直列に接続される超電導
線の一次巻線と鉄心に巻回される二次巻線とから構成さ
れ超電導スイッチに直列に接続されるトランスと、超電
導スイッチの遮断中にトランスの一次巻線に超電導スイ
ッチに流れる電流と逆向きの電流を発生させる電圧をト
ランスの二次巻線に印加する制御部と、を具備する。
The persistent current switch according to the third invention is
A superconducting switch that switches the superconducting wire from the superconducting state to the normal conducting state or from the normal conducting state to the superconducting state to switch the on / off state, and the superconducting wire wound around the iron core and the iron core and connected in series to the superconducting switch. A transformer that consists of a primary winding and a secondary winding that is wound around an iron core and that is connected in series to the superconducting switch, and the direction opposite to the current that flows through the superconducting switch in the primary winding of the transformer while the superconducting switch is shut off. And a control unit for applying a voltage for generating the current to the secondary winding of the transformer.

【0014】第4の発明にかかる永久電流スイッチは、
半導体スイッチと、鉄心と鉄心に巻回され半導体スイッ
チに直列に接続される超電導線の一次巻線と鉄心に巻回
される二次巻線とから構成され超電導スイッチに直列に
接続されるトランスと、超電導スイッチの遮断中にトラ
ンスの一次巻線に超電導スイッチに流れる電流と逆向き
の電流を誘起する電圧をトランスの二次巻線に印加する
制御部と、を具備する。
The persistent current switch according to the fourth invention is
A transformer that is composed of a semiconductor switch, a primary winding of a superconducting wire that is wound around the iron core and connected in series to the semiconductor switch, and a secondary winding that is wound around the iron core, and that is connected in series to the superconducting switch. A control unit for applying to the secondary winding of the transformer a voltage that induces a current in the primary winding of the transformer in the opposite direction to the current flowing through the superconducting switch while the superconducting switch is shut off.

【0015】[0015]

【作用】第1の発明にかかる永久電流スイッチにあって
は、永久電流スイッチ遮断開始時に永久電流スイッチを
流れる電流を減少せしめ可飽和リアクトルを不飽和状態
としてインピーダンスを高くすることにより充電モード
運転中に永久電流スイッチを流れる電流を小とする。
In the persistent current switch according to the first aspect of the present invention, the current flowing through the persistent current switch is reduced at the start of the interruption of the persistent current switch, and the saturable reactor is made into an unsaturated state to increase the impedance, thereby performing the charging mode operation. The current flowing through the permanent current switch is low.

【0016】第2の発明にかかる永久電流スイッチにあ
っては、可飽和リアクトルの二次巻線に電流パルスを印
加し可飽和リアクトルの不飽和状態あるいは飽和状態を
制御することにより充電モードあるいは放電モード運転
中に永久電流スイッチを流れる電流を小とする。第3の
発明にかかる永久電流スイッチにあっては、トランスの
二次巻線を介して永久電流スイッチを流れる電流と逆向
きの電流を発生するバイアスが印加され超電導スイッチ
遮断時に超電導スイッチを流れる電流が減少される。
In the permanent current switch according to the second aspect of the invention, the current pulse is applied to the secondary winding of the saturable reactor to control the unsaturated state or the saturated state of the saturable reactor to thereby charge or discharge the saturable reactor. The current flowing through the permanent current switch during mode operation is small. In the persistent current switch according to the third aspect of the present invention, a bias that generates a current in the opposite direction to the current flowing through the permanent current switch is applied via the secondary winding of the transformer, and the current flowing through the superconducting switch when the superconducting switch is cut off. Is reduced.

【0017】第4の発明にかかる永久電流スイッチにあ
っては、トランスの二次巻線を介して永久電流スイッチ
を流れる電流と逆向きの電流を発生するバイアスが印加
され超電導スイッチ遮断時に半導体スイッチに印加され
る遮断電圧が減少される。
In the permanent current switch according to the fourth aspect of the present invention, a bias is applied through the secondary winding of the transformer to generate a current in the opposite direction to the current flowing through the permanent current switch. The cut-off voltage applied to is reduced.

【0018】[0018]

【実施例】図1は第1および第2の発明にかかる永久電
流スイッチを適用したSMESの構成図であって、電気
自動車あるいはハイブリッド自動車搭載用超電導エネル
ギ貯蔵装置の構成を示す。永久電流スイッチ11は超電
導スイッチ111と可飽和リアクトル112とが直列に
接続された構成を有し、エネルギ貯蔵用超電導コイル1
2に並列に接続される。
1 is a block diagram of an SMES to which the persistent current switch according to the first and second aspects of the invention is applied, showing the structure of a superconducting energy storage device mounted on an electric vehicle or a hybrid vehicle. The persistent current switch 11 has a configuration in which a superconducting switch 111 and a saturable reactor 112 are connected in series, and the superconducting coil 1 for energy storage is provided.
2 connected in parallel.

【0019】エネルギ貯蔵用超電導コイル12はエネル
ギ変換器13を介して、車載用電源14に接続される。
車載用電源14は並列に接続されるコンデンサ15を介
してPWM制御装置16の入力端に接続され、PWM制
御装置16の出力端は例えばモータである負荷17に接
続される。
The superconducting coil 12 for energy storage is connected to a vehicle-mounted power source 14 via an energy converter 13.
The on-vehicle power supply 14 is connected to the input end of the PWM control device 16 via the capacitor 15 connected in parallel, and the output end of the PWM control device 16 is connected to the load 17 which is, for example, a motor.

【0020】エネルギ貯蔵用超電導コイル12が充電モ
ードで運転中であるときは、永久電流スイッチ11はオ
フ状態とされ、車載用電源14の発生する電力をエネル
ギ貯蔵用超電導コイル12に充電される。エネルギ貯蔵
用超電導コイル12が放電モードで運転中であるとき
は、永久電流スイッチ11はオフ状態とされ、エネルギ
貯蔵用超電導コイル12に蓄積された電力がPWM制御
装置16を介して負荷17に供給される。
When the energy storage superconducting coil 12 is operating in the charging mode, the permanent current switch 11 is turned off, and the electric power generated by the vehicle-mounted power source 14 is charged in the energy storage superconducting coil 12. When the energy storage superconducting coil 12 is operating in the discharge mode, the permanent current switch 11 is turned off, and the electric power stored in the energy storage superconducting coil 12 is supplied to the load 17 via the PWM control device 16. To be done.

【0021】エネルギ貯蔵用超電導コイル12が貯蔵モ
ードで運転中であるときには、永久電流スイッチ11は
オン状態とされ、エネルギ貯蔵用超電導コイル12と永
久電流スイッチ11とで構成される閉回路を電流が循環
する。図2は第1および第2の発明で使用される超電導
スイッチ111の断面図であって、鉄心21の周囲に超
電導線で構成される超電導巻線22が無誘導巻に巻回さ
れている。
When the energy storage superconducting coil 12 is operating in the storage mode, the permanent current switch 11 is turned on, and the closed circuit composed of the energy storage superconducting coil 12 and the persistent current switch 11 is turned on. Circulate. FIG. 2 is a cross-sectional view of the superconducting switch 111 used in the first and second inventions, in which a superconducting winding 22 constituted by a superconducting wire is wound around an iron core 21 in a non-inductive winding.

【0022】超電導巻線22の内側および外側には、超
電導スイッチが磁気式の場合は常電導線の制御巻線23
が配置されている。なお超電導スイッチが熱式である場
合には制御巻線23の代わりにヒータが配設される。図
3は第1および第2の発明で使用される可飽和リアクト
ル112の断面図であって、可飽和鉄心31に超電導線
で構成される一次巻線32が巻回されている。
When the superconducting switch is of the magnetic type, the control winding 23 of the normal conducting wire is provided inside and outside the superconducting winding 22.
Are arranged. When the superconducting switch is of a thermal type, a heater is provided instead of the control winding 23. FIG. 3 is a cross-sectional view of the saturable reactor 112 used in the first and second inventions, in which a primary winding 32 composed of a superconducting wire is wound around a saturable iron core 31.

【0023】なお超電導スイッチ111の超電導巻線2
2と可飽和リアクトル112の一次巻線32とは直列に
接続されている。制御部18はエネルギ変換器13を構
成するブリッジ接続された半導体スイッチの中の対角に
配置される半導体スイッチ131および132のオンオ
フ状態を制御するために設置され、貯蔵モードで運転中
にあっては、半導体スイッチ131はオン状態に、半導
体スイッチ132はオフ状態に維持される。
The superconducting winding 2 of the superconducting switch 111
2 and the primary winding 32 of the saturable reactor 112 are connected in series. The control unit 18 is installed to control the on / off states of the semiconductor switches 131 and 132 diagonally arranged among the bridge-connected semiconductor switches that form the energy converter 13, and is provided during operation in the storage mode. The semiconductor switch 131 is maintained in the ON state and the semiconductor switch 132 is maintained in the OFF state.

【0024】エネルギ貯蔵用超電導コイル12を充電モ
ードで運転するために永久電流スイッチ11を遮断する
際には、制御部18によって超電導スイッチ111の制
御巻線23を励磁して超電導スイッチ111を超電導状
態から常電導状態に切替える。すると永久電流スイッチ
11を流れる電流は急激に減少する。
When the permanent current switch 11 is cut off in order to operate the energy storage superconducting coil 12 in the charging mode, the control section 18 excites the control winding 23 of the superconducting switch 111 to bring the superconducting switch 111 into the superconducting state. To normal conduction state. Then, the current flowing through the permanent current switch 11 sharply decreases.

【0025】図4は可飽和リアクトル112の可飽和鉄
心31の磁化特性図であって、縦軸に磁束を、横軸に電
流をとる。即ち可飽和鉄心31は角型の磁化特性を有す
るため、電流が飽和電流以下に減少すると可飽和鉄心3
1は不飽和状態に移行し可飽和リアクトル112のイン
ダクタンスのインピーダンスは急激に増大する。
FIG. 4 is a magnetization characteristic diagram of the saturable iron core 31 of the saturable reactor 112, wherein the vertical axis represents magnetic flux and the horizontal axis represents current. That is, since the saturable iron core 31 has a square-shaped magnetization characteristic, when the current decreases below the saturation current, the saturable iron core 3
1 shifts to the unsaturated state, and the impedance of the inductance of the saturable reactor 112 rapidly increases.

【0026】さらに半導体スイッチ132をオンとし永
久電流スイッチに貯蔵モードで運転中に印加される電流
と逆向きの電圧を印加することによりオフ時の抵抗を一
層増加することができる。図5は第1の発明にかかる永
久電流スイッチの動作説明図であって、縦軸には上から
エネルギ貯蔵用超電導コイル12に流れる電流、永久電
流スイッチに流れる電流、永久電流スイッチにおける消
費電力、半導体スイッチ131のオンオフ状態および半
導体スイッチ132のオンオフ状態を、横軸には時間を
とる。
Further, by turning on the semiconductor switch 132 and applying a voltage opposite to the current applied during the operation in the storage mode to the permanent current switch, the resistance at the off time can be further increased. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the permanent current switch according to the first aspect of the present invention, in which the vertical axis represents the current flowing from above in the energy storage superconducting coil 12, the current flowing in the permanent current switch, the power consumption in the permanent current switch, The on / off state of the semiconductor switch 131 and the on / off state of the semiconductor switch 132 represent time on the horizontal axis.

【0027】時刻t1 において貯蔵モードから充電モー
ドに移行させる場合には、半導体スイッチ132をオン
状態とし永久電流スイッチ11に逆電圧を印加する。す
ると可飽和リアクトル112のインピーダンスが急激に
増大し、永久電流スイッチ11の遮断状態におけるイン
ピーダンスは高となる。従って充電中に永久電流スイッ
チ11に流れる電流を超電導スイッチ111のみの場合
よりも大幅に低減することが可能となり、超電導スイッ
チにおける消費電力を小とすることができる。なお一点
鎖線は永久電流スイッチ11が超電導スイッチ111の
みで構成された場合を示す。
When shifting from the storage mode to the charging mode at time t 1 , the semiconductor switch 132 is turned on and a reverse voltage is applied to the permanent current switch 11. Then, the impedance of the saturable reactor 112 rapidly increases, and the impedance of the persistent current switch 11 in the cutoff state becomes high. Therefore, the current flowing through the permanent current switch 11 during charging can be significantly reduced as compared with the case of only the superconducting switch 111, and the power consumption of the superconducting switch can be reduced. The alternate long and short dash line shows the case where the persistent current switch 11 is composed of only the superconducting switch 111.

【0028】しかし第1の発明にあっては以下の課題を
解決することができない。 1.時刻t2 において充電モードから貯蔵モードへ移行
する際には、超電導スイッチ111を常電導状態から超
電導状態としても可飽和リアクトル112の可飽和鉄心
31は不飽和であるためインピーダンスが高い状態にあ
る。従ってエネルギ貯蔵用超電導コイル12に貯蔵され
た電流は、可飽和リアクトル112の可飽和鉄心31が
飽和するまではダイオード133および半導体スイッチ
131で構成される閉回路で消費される。 2.時刻t3 において貯蔵モードから放電モードへ移行
する際には、可飽和リアクトル112の可飽和鉄心31
を不飽和状態にすることができないため、永久電流スイ
ッチ11の遮断状態における消費電力量を低減すること
ができない。
However, the first invention cannot solve the following problems. 1. When shifting from the charging mode to the storage mode in time t 2, the saturable core 31 also saturable reactor 112 superconducting switch 111 as a superconducting state from the normal conducting state are in a high impedance state because it is unsaturated. Therefore, the electric current stored in the energy-conducting superconducting coil 12 is consumed in the closed circuit including the diode 133 and the semiconductor switch 131 until the saturable iron core 31 of the saturable reactor 112 is saturated. 2. When transitioning from the storage mode to the discharge mode at time t 3 , the saturable core 31 of the saturable reactor 112 is
Cannot be made into an unsaturated state, so that the power consumption in the cutoff state of the persistent current switch 11 cannot be reduced.

【0029】以上の課題を解決するために、第2の発明
にかかる永久電流スイッチにあっては可飽和リアクトル
112に超電導線の二次巻線33を巻回し、制御部18
から二次巻線33にパルス電流を印加することにより可
飽和鉄心31の飽和状態あるいは不飽和状態を制御す
る。図6は第2の発明にかかる永久電流スイッチの動作
説明図であって、5図に示すパラメータに加えて、可飽
和リアクトル112の二次巻線33に印加される電流を
示す。
In order to solve the above problems, in the persistent current switch according to the second invention, the secondary winding 33 of the superconducting wire is wound around the saturable reactor 112, and the control unit 18
To apply a pulse current to the secondary winding 33 to control the saturated state or the unsaturated state of the saturable iron core 31. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the permanent current switch according to the second aspect of the invention, showing the current applied to the secondary winding 33 of the saturable reactor 112 in addition to the parameters shown in FIG.

【0030】即ち時刻t1 において貯蔵モードから充電
モードへ移行する場合および時刻t 3 において貯蔵モー
ドから放電モードへ移行する場合には、二次巻線33に
可飽和鉄心31を飽和から不飽和状態に移行させる方向
に電流パルスを印加する。時刻t2 において充電モード
から貯蔵モードへ移行する場合および時刻t4 において
放電モードから貯蔵モードへ移行する場合には、二次巻
線33に可飽和鉄心31を不飽和から飽和状態に移行さ
せる方向に電流パルスを印加する。
That is, time t1Charging from storage mode at
When switching to mode and time t 3Storage at
When switching from the discharge mode to the discharge mode, the secondary winding 33
Direction to move saturable iron core 31 from saturated to unsaturated state
A current pulse is applied to. Time t2In charging mode
From storage to storage mode and at time tFourAt
When changing from discharge mode to storage mode,
Connect the saturable iron core 31 to the wire 33 from the unsaturated state to the saturated state.
A current pulse is applied in the direction of turning on.

【0031】第2の発明にかかる永久電流スイッチによ
れば、放電モードで運転中も充電モードで運転中と同様
消費電力を低減できるだけでなく、充電モードから貯蔵
モードへ移行する際の電力消費を少なくすることが可能
となる。例えば図3に示す可飽和リアクトル112の長
さを100ミリメートル、外径を300ミリメートル、
鉄心をフェライトとすると、鉄心が飽和時のインダクタ
ンスは100ミリヘンリであるのに対し不飽和時は10
0ヘンリ程度と約1万倍となる。
According to the second aspect of the present invention, not only the power consumption can be reduced during the operation in the discharge mode as in the operation in the charge mode, but also the power consumption during the transition from the charge mode to the storage mode can be reduced. It is possible to reduce the number. For example, the saturable reactor 112 shown in FIG. 3 has a length of 100 mm and an outer diameter of 300 mm,
If the iron core is ferrite, the inductance when the iron core is saturated is 100 millihenry, while it is 10 when unsaturated.
It is about 10,000 times, about 0 henry.

【0032】従って超電導スイッチ遮断時の抵抗を10
0オーム、エネルギ蓄積用超電導コイル12の端子電圧
を300ボルトとすると、可飽和リアクトル112が無
い場合に10秒の充電時間に超電導スイッチで消費され
るエネルギPSWは9000ワット秒であるのに対し、可
飽和リアクトル112がある場合には超電導スイッチで
消費されるエネルギPLSは2000ワット秒以下とな
り、消費電力量を1/3以下に低減できる。
Therefore, the resistance when the superconducting switch is cut off is 10
Assuming that the terminal voltage of the superconducting coil 12 for energy storage is 0 ohm and 300 V, the energy P SW consumed by the superconducting switch in the charging time of 10 seconds without the saturable reactor 112 is 9000 watt seconds. When there is the saturable reactor 112, the energy P LS consumed by the superconducting switch is 2000 watt seconds or less, and the power consumption can be reduced to 1/3 or less.

【0033】図7は第3の発明にかかる永久電流スイッ
チを適用したSMESの構成図であって、永久電流スイ
ッチ11は超電導スイッチ111とトランス113とが
直列に接続された構成を有する。トランス113は第2
の発明で使用される可飽和リアクトル112と同一の構
造を有し、鉄心41に超電導線の一次巻線42および二
次巻線43が巻回される。
FIG. 7 is a block diagram of an SMES to which the persistent current switch according to the third invention is applied. The persistent current switch 11 has a configuration in which a superconducting switch 111 and a transformer 113 are connected in series. Transformer 113 is the second
Has the same structure as the saturable reactor 112 used in the present invention, and the primary winding 42 and the secondary winding 43 of the superconducting wire are wound around the iron core 41.

【0034】即ち超電導スイッチ111とトランス11
3の一次巻線42とが直列接続され、トランス113の
二次巻線43には制御部18が接続される。なお制御部
18には超電導スイッチ111のオンオフを制御する制
御巻線23も接続される。図8は第3の発明にかかる永
久電流スイッチの動作原理図であって、運転モードの移
行状況およびトランス113によるバイアスの印加方向
を表している。
That is, the superconducting switch 111 and the transformer 11
3 is connected in series with the primary winding 42, and the controller 18 is connected to the secondary winding 43 of the transformer 113. The control unit 18 is also connected to a control winding 23 that controls on / off of the superconducting switch 111. FIG. 8 is an operation principle diagram of the permanent current switch according to the third aspect of the present invention, and shows the transition state of the operation mode and the bias application direction by the transformer 113.

【0035】トランス113の機能は、超電導スイッチ
111が遮断状態にある充電あるいは放電モードにおい
て、永久電流スイッチ11が接続状態にあるとした時に
永久電流スイッチを流れる電流と逆向きの電流を印加す
ることである。充電あるいは放電モードにおける超電導
コイル両端の電圧をV、制御部18から二次巻線33に
出力する電圧をV2 とし、トランス113の巻線比を、 一次巻線:二次巻線 = n:1 とする。
The function of the transformer 113 is to apply a current in the opposite direction to the current flowing through the permanent current switch when the permanent current switch 11 is in the connected state in the charge or discharge mode in which the superconducting switch 111 is in the cutoff state. Is. The voltage across the superconducting coil in the charge or discharge mode is V, the voltage output from the control unit 18 to the secondary winding 33 is V 2, and the winding ratio of the transformer 113 is as follows: primary winding: secondary winding = n: Set to 1.

【0036】この時、 V= n・V2 が満足されれば、超電導スイッチ111を流れる電流は
“0”となり、遮断状態において超電導スイッチが発熱
することを完全に防止することが可能となる。超電導ス
イッチ111の遮断状態における抵抗をR、超電導スイ
ッチ111遮断状態における許容発熱量をPとしたとき
に、 P>(V−n・V2 2 /R が成立するようにパラメータを定めることが実際的であ
る。
At this time, if V = n · V 2 is satisfied, the current flowing through the superconducting switch 111 becomes “0”, and it is possible to completely prevent the superconducting switch from generating heat in the cutoff state. When the resistance of the superconducting switch 111 in the cut-off state is R and the allowable heat generation amount in the cut-off state of the superconducting switch 111 is P, the parameters can be set so that P> (Vn · V 2 ) 2 / R holds. It is practical.

【0037】即ち制御部18において、制御部18から
二次巻線33に出力する電圧をV2を上記式を満たすよ
うに制御することが望ましい。図9は第3の発明にかか
る永久電流スイッチの動作説明図であって、縦軸には上
からエネルギ貯蔵用超電導コイル12に流れる電流、永
久電流スイッチに流れる電流、永久電流スイッチにおけ
る消費電力およびトランス二次巻線への印加電圧を、横
軸には時間をとる。
That is, in the control unit 18, it is desirable to control the voltage output from the control unit 18 to the secondary winding 33 so that V 2 satisfies the above expression. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the permanent current switch according to the third aspect of the present invention, in which the vertical axis represents the current flowing from above in the energy storage superconducting coil 12, the current flowing in the permanent current switch, and the power consumption in the permanent current switch. The horizontal axis represents the voltage applied to the secondary winding of the transformer.

【0038】時刻t1 において貯蔵モードから充電モー
ドへ切り替えるものとすると、制御部18からトランス
113の二次巻線33に電圧を印加し、超電導スイッチ
111に流れる電流を打ち消す。時刻t3 において貯蔵
モードから放電モードへ切り替える時には、制御部18
からトランス113の二次巻線33に逆向きの電圧を印
加する。
If the storage mode is switched to the charging mode at time t 1 , a voltage is applied from the control unit 18 to the secondary winding 33 of the transformer 113 to cancel the current flowing through the superconducting switch 111. When switching from the storage mode to the discharge mode at time t 3 , the control unit 18
Applies a reverse voltage to the secondary winding 33 of the transformer 113.

【0039】第4の発明にかかる永久電流スイッチは、
第3の発明にかかる永久電流スイッチ11と同一の構成
であって超電導スイッチに代えて半導体スイッチを使用
する点、および超電導スイッチの制御巻線に代えて半導
体スイッチのゲートが制御部18に接続される点が相違
する。前述のように半導体スイッチは一般に接続状態に
おける抵抗が大きいことが欠点であるが、この半導体ス
イッチとしてMOS−FETを使用することでこの欠点
をある程度克服できる。
The permanent current switch according to the fourth invention is
The same configuration as the permanent current switch 11 according to the third invention, a semiconductor switch is used instead of the superconducting switch, and the gate of the semiconductor switch is connected to the control unit 18 instead of the control winding of the superconducting switch. Are different. As described above, the semiconductor switch generally has a drawback that the resistance in the connected state is large, but by using a MOS-FET as the semiconductor switch, this drawback can be overcome to some extent.

【0040】そしてMOS−FETは耐圧を十分に高く
とれないという課題を回避するためにトランス113を
直列に接続し、遮断時MOS−FETにかかる電圧を低
減する。即ちMOS−FETの許容耐圧をVmax とする
と、各パラメータは次式を満足するように設定する必要
がある。
In order to avoid the problem that the withstand voltage of the MOS-FET cannot be sufficiently high, the transformer 113 is connected in series to reduce the voltage applied to the MOS-FET at the time of interruption. That is, when the allowable breakdown voltage of the MOS-FET is V max , each parameter must be set so as to satisfy the following equation.

【0041】V−Vmax <n・V2 即ち制御部18において、制御部18から二次巻線33
に出力する電圧をV2を上記式を満たすように制御する
ことが望ましい。
V-V max <n · V 2 That is, in the control unit 18, the secondary winding 33 from the control unit 18
It is desirable to control the voltage output to V 2 so that V 2 satisfies the above formula.

【0042】[0042]

【発明の効果】第1の発明にかかる永久電流スイッチに
よれば、永久電流スイッチ遮断開始時に永久電流スイッ
チを流れる電流を減少し可飽和リアクトルを不飽和状態
としてインピーダンスを高くすることにより充電モード
運転中に永久電流スイッチを流れる電流を小とし、超電
導スイッチにおける発熱を減少することが可能となる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the charging mode operation is performed by decreasing the current flowing through the permanent current switch at the start of the interruption of the permanent current switch and making the saturable reactor into an unsaturated state to increase the impedance. It is possible to reduce the current flowing through the permanent current switch and reduce heat generation in the superconducting switch.

【0043】第2の発明にかかる永久電流スイッチによ
れば、可飽和リアクトルの二次巻線に電流パルスを印加
し可飽和リアクトルの不飽和状態あるいは飽和状態を制
御することにより充電モードあるいは放電モード運転中
に永久電流スイッチを流れる電流を小とし、超電導スイ
ッチにおける発熱を減少することが可能となる。第3の
発明にかかる永久電流スイッチによれば、トランスの二
次巻線を介して永久電流スイッチを流れる電流と逆向き
の電流を発生するバイアスを印加し超電導スイッチ遮断
時に超電導スイッチを流れる電流を減少し、超電導スイ
ッチにおける発熱を減少することが可能となる。
According to the second aspect of the present invention, in the permanent current switch, a current pulse is applied to the secondary winding of the saturable reactor to control the unsaturated state or the saturated state of the saturable reactor, thereby controlling the charge mode or the discharge mode. It is possible to reduce the current flowing through the permanent current switch during operation and reduce heat generation in the superconducting switch. According to the third aspect of the present invention, the bias that generates a current in the opposite direction to the current flowing through the permanent current switch is applied via the secondary winding of the transformer, so that the current flowing through the superconducting switch is prevented when the superconducting switch is cut off. It is possible to reduce the heat generation in the superconducting switch.

【0044】第4の発明にかかる永久電流スイッチにあ
っては、トランスの二次巻線を介して永久電流スイッチ
を流れる電流と逆向きの電流を発生するバイアスを印加
し超電導スイッチ遮断時に半導体スイッチに印加される
遮断電圧を減少することが可能となる。
In the permanent current switch according to the fourth aspect of the invention, the semiconductor switch is applied when the superconducting switch is cut off by applying a bias for generating a current in the opposite direction to the current flowing through the permanent current switch through the secondary winding of the transformer. It is possible to reduce the cutoff voltage applied to the.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は第1および第2の発明にかかる永久電流
スイッチを適用したSMESの構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an SMES to which a persistent current switch according to the first and second inventions is applied.

【図2】図2は第1および第2の発明で使用される超電
導スイッチの断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of a superconducting switch used in the first and second inventions.

【図3】図3は第1および第2の発明で使用される可飽
和リアクトルの断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of a saturable reactor used in the first and second inventions.

【図4】図4は可飽和鉄心の磁化特性図である。FIG. 4 is a magnetization characteristic diagram of a saturable iron core.

【図5】図5は第1の発明にかかる永久電流スイッチの
動作説明図である。
FIG. 5 is an operation explanatory view of the persistent current switch according to the first invention.

【図6】図6は第2の発明にかかる永久電流スイッチの
動作説明図である。
FIG. 6 is an operation explanatory view of the permanent current switch according to the second invention.

【図7】図1は第3の発明にかかる永久電流スイッチを
適用したSMESの構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an SMES to which a persistent current switch according to a third invention is applied.

【図8】図8は第3の発明にかかる永久電流スイッチの
動作原理図である。
FIG. 8 is an operation principle diagram of a persistent current switch according to a third invention.

【図9】図9は第3の発明にかかる永久電流スイッチの
動作説明図である。
FIG. 9 is an operation explanatory view of the permanent current switch according to the third invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…永久電流スイッチ 111…超電導スイッチ 112…可飽和リアクトル 113…トランス 13…エネルギ変換器 14…直流電源 15…コンデンサ 16…PWM制御装置 17…負荷 18…制御部 11 ... Permanent current switch 111 ... Superconducting switch 112 ... Saturable reactor 113 ... Transformer 13 ... Energy converter 14 ... DC power supply 15 ... Capacitor 16 ... PWM control device 17 ... Load 18 ... Control unit

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超電導線の電導状態を超電導状態から常
電導状態へあるいは常電導状態から超電導状態に転移さ
せることによりオンオフ状態を切り換える超電導スイッ
チと、 飽和開始電流が前記超電導スイッチに印加される常用電
圧を前記超電導スイッチが遮断状態である時の抵抗であ
る遮断抵抗で除して得られる遮断時電流よりも十分に小
である可飽和鉄心と、前記可飽和鉄心に巻回され前記超
電導スイッチに直列に接続される超電導線の一次巻線
と、から構成され前記超電導スイッチに直列に接続され
る可飽和リアクトルと、を具備する永久電流スイッチ。
1. A superconducting switch for switching an on / off state by changing a conducting state of a superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state or from a normal conducting state to a superconducting state, and a saturation start current applied to the superconducting switch. A saturable iron core that is sufficiently smaller than the breaking current obtained by dividing the voltage by the breaking resistance that is the resistance when the superconducting switch is in the breaking state, and the superconducting switch wound around the saturable iron core. A persistent current switch comprising: a primary winding of a superconducting wire connected in series; and a saturable reactor that is connected to the superconducting switch in series.
【請求項2】 前記可飽和リアクトルが前記可飽和鉄心
に巻回される超電導線の二次巻線を有し、 前記超電導スイッチの接続開始時に前記可飽和鉄心を飽
和させる方向に磁束を印加し、遮断開始時に前記二次巻
線に前記可飽和鉄心を不飽和とする方向に磁束を印加す
る電流パルスを発生するパルス電源をさらに具備する永
久電流スイッチ。
2. The saturable reactor has a secondary winding of a superconducting wire wound around the saturable iron core, and a magnetic flux is applied in a direction to saturate the saturable iron core at the start of connection of the superconducting switch. A permanent current switch further comprising a pulse power supply for generating a current pulse for applying a magnetic flux to the secondary winding in a direction in which the saturable iron core is unsaturated at the start of interruption.
【請求項3】 超電導線の電導状態を超電導状態から常
電導状態へあるいは常電導状態から超電導状態に転移さ
せることによりオンオフ状態を切り換える超電導スイッ
チと、 鉄心と、前記鉄心に巻回され前記超電導スイッチに直列
に接続される超電導線の一次巻線と、前記鉄心に巻回さ
れる二次巻線と、から構成され前記超電導スイッチに直
列に接続されるトランスと、 前記超電導スイッチの遮断中に、前記トランスの一次巻
線に超電導スイッチに流れる電流と逆向きの電流を発生
させる電圧を前記トランスの二次巻線に印加する制御部
と、を具備する永久電流スイッチ。
3. A superconducting switch for switching an on / off state by transitioning a superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state or from a normal conducting state to a superconducting state, an iron core, and the superconducting switch wound around the iron core. A primary winding of a superconducting wire that is connected in series, and a secondary winding that is wound around the iron core, and a transformer that is connected in series to the superconducting switch, and while the superconducting switch is cut off, A controller for applying to the secondary winding of the transformer a voltage for generating a current in the primary winding of the transformer in the opposite direction to the current flowing through the superconducting switch.
【請求項4】 半導体スイッチと、 鉄心と、前記鉄心に巻回され前記半導体スイッチに直列
に接続される超電導線の一次巻線と、前記鉄心に巻回さ
れる二次巻線と、から構成され前記超電導スイッチに直
列に接続されるトランスと、 前記超電導スイッチの遮断中に、前記トランスの一次巻
線に超電導スイッチに流れる電流と逆向きの電流を誘起
する電圧を前記トランスの二次巻線に印加する制御部
と、を具備する永久電流スイッチ。
4. A semiconductor switch, an iron core, a primary winding of a superconducting wire wound around the iron core and connected in series to the semiconductor switch, and a secondary winding wound around the iron core. And a transformer connected in series to the superconducting switch, and a voltage that induces a current in the primary winding of the transformer in the opposite direction to the current flowing through the superconducting switch while the superconducting switch is shut off. And a controller for applying the voltage to the permanent current switch.
JP6013572A 1994-02-07 1994-02-07 Permanent current switch Pending JPH07220583A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007221082A (en) * 2006-01-20 2007-08-30 Central Japan Railway Co Permanent current switch system

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