KR102609192B1 - Superconducting magnet quench protection device and its control method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 퀀치 발생시 초전도 마그넷을 덤프장치와 연결시켜 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 덤프저항에 의해 1차 감소되도록 하고 초전도 마그넷의 제1쇄교자속의 방향과 2차코일부의 제2쇄교자속의 방향이 동일하도록 함에 따라 초전도 마그넷에 유도 기전력이 생성되도록 하여 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 2차 감소되고 전류 감소 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 제1스위치의 단속에 따라 제1전원부로부터 전원을 공급받으며 제2스위치의 단속에 따라 덤프장치와 연결되는 초전도 마그넷을 포함하는 초전도 마그넷부; 상기 초전도 마그넷부와 이격 형성되며 제3스위치의 단속에 따라 제2전원부로부터 충전된 커패시터부와 연결되어 상기 초전도 마그넷부와 자기적 커플링이 형성되는 2차코일부를 포함하는 자기결합코일부; 및 상기 초전도 마그넷의 전압값에 기초하여 상기 초전도 마그넷의 퀀치 발생여부를 판단하여 상기 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치를 제어하는 제어부;를 포함한다.
The present invention relates to a quench protection device for a superconducting magnet and a control method thereof. More specifically, the present invention relates to a quench protection device for a superconducting magnet and a control method thereof. More specifically, when quenching occurs, the superconducting magnet is connected to a dump device so that the current flowing in the superconducting magnet is first reduced by the dump resistance, and the first By ensuring that the direction of the magnetic flux linkage and the direction of the second flux linkage of the secondary coil are the same, an induced electromotive force is generated in the superconducting magnet, thereby secondary reduction of the current flowing in the superconducting magnet, and a superconducting magnet that can significantly improve the speed of current reduction. It relates to a quench protection device and its control method.
For this purpose, the present invention provides a superconducting magnet unit including a superconducting magnet that receives power from the first power source according to the interruption of the first switch and is connected to a dump device according to the interruption of the second switch; A magnetic coupling coil part including a secondary coil part that is spaced apart from the superconducting magnet part and is connected to a capacitor part charged from the second power source according to the interruption of the third switch to form a magnetic coupling with the superconducting magnet part; and a control unit that determines whether quenching of the superconducting magnet occurs based on the voltage value of the superconducting magnet and controls the first switch, second switch, and third switch.

Description

초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법{Superconducting magnet quench protection device and its control method}Superconducting magnet quench protection device and its control method {Superconducting magnet quench protection device and its control method}

본 발명은 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 퀀치 발생시 초전도 마그넷을 덤프장치와 연결시켜 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 덤프저항에 의해 1차 감소되도록 하고 초전도 마그넷의 제1쇄교자속의 방향과 2차코일부의 제2쇄교자속의 방향이 동일하도록 함에 따라 초전도 마그넷에 유도 기전력이 생성되도록 하여 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 2차 감소되고 전류 감소 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a quench protection device for a superconducting magnet and a control method thereof. More specifically, the present invention relates to a quench protection device for a superconducting magnet and a control method thereof. More specifically, when quenching occurs, the superconducting magnet is connected to a dump device so that the current flowing in the superconducting magnet is first reduced by the dump resistance, and the first By ensuring that the direction of the magnetic flux linkage and the direction of the second flux linkage of the secondary coil are the same, an induced electromotive force is generated in the superconducting magnet, thereby secondary reduction of the current flowing in the superconducting magnet, and a superconducting magnet that can significantly improve the speed of current reduction. It relates to a quench protection device and its control method.

고온초전도(High Temperature Superconductor : HTS) 선재를 이용한 응용기기로써 전력용 케이블, 변압기, 한류기 등을 제외한 거의 모든 기기가 초전도 마그넷 형태로써 사용되고 있는 것이 현실정이다. As application devices using High Temperature Superconductor (HTS) wires, the reality is that almost all devices except power cables, transformers, current limiters, etc. are used in the form of superconducting magnets.

초전도 선재를 사용한 초전도 마그넷 응용에 있어서는 금속계 저온초전도(Low Temperature Superconductor : LTS) 마그넷에 비해 비교적 큰 열용량과 온도마진에 의해 열적인 안정성이 많이 향상되었다고는 하나 초전도 마그넷을 실용화하기 위해 극복해야 할 기본적인 결함에는 크게 변함이 없는 것이 사실이다.In the application of superconducting magnets using superconducting wires, thermal stability has been greatly improved due to relatively large heat capacity and temperature margin compared to metallic low temperature superconductor (LTS) magnets, but there are basic defects that must be overcome to put superconducting magnets into practical use. It is true that there has not been much change.

초전도 마그넷의 실용화를 위해서는 몇 가지 기술적 장애를 극복해야만 하고 그 중에서 초전도 마그넷에 발생이 예상되는 퀀치 현상에 대한 대책이 가장 중요하다고 할 수 있다. In order to commercialize superconducting magnets, several technical obstacles must be overcome, and among them, measures against the quench phenomenon that is expected to occur in superconducting magnets are the most important.

참고로 퀀치(quench)란 초전도체에 가해지는 조건(자기장, 온도, 전류밀도 등)의 변화로 초전도 마그넷의 일부분이 상전도 상태로 전이되어 마그넷의 동작이 비정상적으로 종료되는 현상으로, 상전도 저항에 따른 줄열의 발생으로 초전도체 주변의 온도를 급격하게 상승시키며 냉매 등이 급격하게 기화하는 현상이 일어나기도 한다.For reference, quench is a phenomenon in which a part of a superconducting magnet transitions to a normal conduction state due to changes in conditions (magnetic field, temperature, current density, etc.) applied to the superconductor and the operation of the magnet is terminated abnormally. Due to the generation of Joule heat, the temperature around the superconductor rises rapidly, and refrigerants, etc., rapidly vaporize.

초전도 마그넷 내부에서 어떤 요란(disturbance)에 의해 발생하는 핫스팟(hot spot) 및 냉각 장치의 고장이나 파괴, 과전류 등 열적, 기계적, 전자기적인 현상에 의해 초전도 마그넷에 퀀치 현상이 발생하면, 발생된 상전도 영역에서 과대한 발열이 일어나게 되고 이러한 발열에 의해 마그넷의 구조물 파괴, 초전도 권선의 단선, 고전압 발생, 절연 파괴 등 치명적인 사고로 연결된다.When a quench phenomenon occurs in a superconducting magnet due to thermal, mechanical, or electromagnetic phenomena such as a hot spot caused by any disturbance inside the superconducting magnet, failure or destruction of the cooling device, or overcurrent, the generated normal conduction Excessive heat generation occurs in the area, and this heat generation leads to fatal accidents such as destruction of the magnet structure, disconnection of the superconducting winding, generation of high voltage, and breakdown of insulation.

이처럼, 일반적인 초전도 마그넷은 퀀치 발생시 코일이 쉽게 손상되는 문제점이 있다.As such, general superconducting magnets have a problem in that their coils are easily damaged when quenching occurs.

도 1은 초전도 마그넷의 구동 회로를 개략적으로 도시한 도면이다. Figure 1 is a diagram schematically showing the driving circuit of a superconducting magnet.

도면을 참조하면, 퀀치 발생시 초전도 마그넷의 전류를 빠르게 제거하기 위한 방법으로 병렬 저항인 덤프 저항(Rp)을 증가시키거나 초전도 마그넷의 내부 저항(Rs)를 증가시킬 수 있다.Referring to the drawing, as a way to quickly remove the current of the superconducting magnet when quench occurs, the dump resistance (Rp), which is a parallel resistance, can be increased or the internal resistance (Rs) of the superconducting magnet can be increased.

즉, 도 1에 도시된 초전도 마그넷의 정상적인 운전 상태에서는 Rs ≒ 0 이므로 it = is 가 된다. That is, in the normal operating state of the superconducting magnet shown in FIG. 1, Rs ≒ 0, so it = is.

하지만 퀀치 발생시에는 급격한 Rs의 상승이 발생하여 전원을 차단하더라도 초전도 마그넷이 가지는 에너지가 iq의 형태로 방출된다. 이에 따라 하기와 같은 식이 도출된다.However, when a quench occurs, Rs rapidly rises, and even when the power is turned off, the energy of the superconducting magnet is released in the form of iq. Accordingly, the following equation is derived.

Figure 112022018070071-pat00001
Figure 112022018070071-pat00001

Figure 112022018070071-pat00002
Figure 112022018070071-pat00002

이에 따라 iq를 신속하게 제거하기 위해서 즉, 시상수를 줄이기 위해 Rs와 Rp를 증가시키는 방법이 사용될 수 있는데, 우선 Rp(덤프 저항)을 증가시키는 방법은 전류가 덤프되는 순간 초전도 마그넷 양단에 저항*전류의 전압이 발생하기 때문에 브레이크다운을 막기 위해 증가시킬 수 있는 저항 값이 제한된다. Accordingly, in order to quickly remove iq, that is, to reduce the time constant, a method of increasing Rs and Rp can be used. First, the method of increasing Rp (dump resistance) is to increase the resistance * current at both ends of the superconducting magnet at the moment the current is dumped. Because a voltage of 100% is generated, the resistance value that can be increased to prevent breakdown is limited.

아울러 전류가 어느 정도 감소한 후 추가 저항을 투입하는 방법이 사용되기는 하지만 에너지의 대부분은 초기 높은 전류 영역에서 존재하기 때문에 에너지 제거 측면에서 한계가 있다. In addition, although a method of adding additional resistance after the current has decreased to a certain extent is used, there is a limit in terms of energy removal because most of the energy exists in the initial high current region.

또한 Rs(내부 저항)를 증가시키는 방법은 초전도 마그넷 전역에 퀀치를 강제로 발생시키는 방법으로 기술적으로 한계가 있다. Additionally, the method of increasing Rs (internal resistance) has technical limitations as it forces quenching throughout the superconducting magnet.

아울러 2차코일의 유도전류를 이용하는 방법이 있는데, 초전도 마그넷이 덤프될 때 시변 자기장에 의해 2차코일에 전류유도가 이루어져 2차코일 저항에 의해 에너지 소모에 도움이 될 수 있다. In addition, there is a method of using the induced current in the secondary coil. When the superconducting magnet is dumped, a current is induced in the secondary coil by the time-varying magnetic field, which can help in energy consumption due to the secondary coil resistance.

2차코일에서 소비되는 에너지는 Isec 2R이기 때문에 전류가 크게 유도되어야 하는데, 2차 코일의 큰 전류를 유도시키려면 2차 코일저항이 작아야 하고, 2차코일의 턴수가 큰 쇄교자속을 위해 많아야 할 것이다. Since the energy consumed in the secondary coil is I sec 2 R, a large current must be induced. To induce a large current in the secondary coil, the secondary coil resistance must be small, and the flux linkage with a large number of turns in the secondary coil must be generated. There should be a lot for this.

이에 따라 쇄교자속을 증가시키기 위해 턴수를 증가시키면 도선 길이 증가로 인해 저항이 증가하게 되므로 큰 전류 유도에 한계가 발생된다. Accordingly, if the number of turns is increased to increase the flux linkage, the resistance increases due to the increase in the length of the conductor, which places a limit on inducing a large current.

등록특허공보 제10-1042002호 (등록일자 2011.06.09)Registered Patent Publication No. 10-1042002 (registration date 2011.06.09) 등록특허공보 제10-1531001호 (등록일자 2015.06.17)Registered Patent Publication No. 10-1531001 (registration date 2015.06.17)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 퀀치 발생시 초전도 마그넷을 덤프장치와 연결시켜 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 덤프저항에 의해 1차 감소되도록 하고 초전도 마그넷의 제1쇄교자속의 방향과 2차코일부의 제2쇄교자속의 방향이 동일하도록 함에 따라 초전도 마그넷에 유도 기전력이 생성되도록 하여 초전도 마그넷에 흐르는 전류가 2차 감소되고 전류 감소 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치 및 이의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention was devised to solve the above problems. When quench occurs, the superconducting magnet is connected to a dump device so that the current flowing in the superconducting magnet is first reduced by the dump resistance and is adjusted to the direction of the first flux linkage of the superconducting magnet and the second co. A quench protection device and its control for a superconducting magnet that allows the direction of some of the secondary flux linkages to be the same to generate an induced electromotive force in the superconducting magnet, thereby secondaryly reducing the current flowing in the superconducting magnet and significantly improving the current reduction rate. The purpose is to provide a method.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다. The present invention has the following features to solve the above problems.

본 발명은 제1스위치의 단속에 따라 제1전원부로부터 전원을 공급받으며 제2스위치의 단속에 따라 덤프장치와 연결되는 초전도 마그넷을 포함하는 초전도 마그넷부; 상기 초전도 마그넷부와 이격 형성되며 제3스위치의 단속에 따라 제2전원부로부터 충전된 커패시터부와 연결되어 상기 초전도 마그넷부와 자기적 커플링이 형성되는 2차코일부를 포함하는 자기결합코일부; 및 상기 초전도 마그넷의 전압값에 기초하여 상기 초전도 마그넷의 퀀치 발생여부를 판단하여 상기 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치를 제어하는 제어부;를 포함한다. The present invention provides a superconducting magnet unit that receives power from the first power source according to the opening of the first switch and includes a superconducting magnet connected to a dump device according to the opening of the second switch; A magnetic coupling coil part including a secondary coil part that is spaced apart from the superconducting magnet part and is connected to a capacitor part charged from the second power source according to the interruption of the third switch to form a magnetic coupling with the superconducting magnet part; and a control unit that determines whether quenching of the superconducting magnet occurs based on the voltage value of the superconducting magnet and controls the first switch, second switch, and third switch.

여기서 상기 초전도 마그넷부는 제1전원부와, 상기 제1전원부의 양극과 일단이 연결되는 제1스위치와, 일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되며 타단이 상기 제1전원부의 음극과 연결되는 초전도 마그넷과, 일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되는 제2스위치와, 상기 제2스위치의 타단과 일단이 연결되며 타단이 제1전원부의 음극과 연결되는 덤프장치를 포함한다. Here, the superconducting magnet unit includes a first power unit, a first switch whose one end is connected to the anode of the first power unit, and a superconducting magnet whose one end is connected to the other end of the first switch and the other end is connected to the cathode of the first power unit. and a second switch, one end of which is connected to the other end of the first switch, and a dump device, one end of which is connected to the other end of the second switch, and the other end of which is connected to the cathode of the first power source.

또한 상기 자기결합코일부는 제2전원부와, 일단이 제1접점과 제2접점 중 선택된 어느 하나로 연결되며 상기 제2전원부의 양극과 제1접점을 통해 연결되는 제3스위치와, 일단이 상기 제3스위치의 타단과 연결되는 커패시터부와, 일단이 상기 제3스위치의 제2접점과 연결되는 2차코일부를 포함하되, 상기 제2전원부의 음극과 상기 커패시터부 및 2차코일부의 타단은 접지된다. In addition, the magnetic coupling coil unit includes a second power supply unit, a third switch whose one end is connected to one selected from the first contact point and the second contact point, and which is connected to the anode of the second power unit through the first contact point, and one end of which is connected to the third switch. It includes a capacitor part connected to the other end of the switch, and a secondary coil part whose one end is connected to the second contact point of the third switch, and the cathode of the second power source and the other ends of the capacitor part and the secondary coil part are grounded.

아울러 상기 초전도 마그넷에 의한 제1쇄교자속방향과 상기 2차코일부에 의한 제2쇄교자속방향이 동일하도록 이루어지며, 상기 제어부는 상기 초전도 마그넷의 전압값을 검출하는 검출부로부터 전압값을 전달받으며 상기 초전도 마그넷의 전압값을 기초로 하여 퀀치 발생여부를 판단하되, 상기 퀀치 발생여부에 따라 제1 내지 제3제어모드 중 어느 하나로 제어를 수행한다. In addition, the first magnetic flux linkage direction by the superconducting magnet and the second magnetic flux linkage direction by the secondary coil unit are made to be the same, and the control unit receives the voltage value from a detection unit that detects the voltage value of the superconducting magnet. Whether quenching occurs is determined based on the voltage value of the superconducting magnet, and control is performed in one of the first to third control modes depending on whether the quenching occurs.

또한 상기 제1제어모드는 상기 제어부가, 상기 초전도 마그넷의 전압값이 기설정된 전압값 보다 낮은 경우 퀀치가 발생되지 않은 것으로 판단하고, 제1스위치는 단락(Close)시키고 제2스위치는 개방(Open)시키며 제3스위치는 제1접점에 일단이 연결되도록 제어하고, 상기 제2제어모드는 상기 제어부가, 상기 초전도 마그넷의 전압값이 기설정된 전압값 보다 높은 경우 퀀치가 발생된 것으로 판단하고, 제1스위치는 개방시키고 제2스위치는 단락시켜 초전도 마그넷과 덤프장치 간에 전류가 순환되도록 제어한다. In addition, in the first control mode, the control unit determines that quenching has not occurred when the voltage value of the superconducting magnet is lower than a preset voltage value, closes the first switch, and opens the second switch. ) and the third switch is controlled so that one end is connected to the first contact point, and in the second control mode, the control unit determines that quench has occurred when the voltage value of the superconducting magnet is higher than a preset voltage value, and The first switch is opened and the second switch is short-circuited to control current circulation between the superconducting magnet and the dump device.

아울러 상기 제3제어모드는 상기 제어부가, 제2제어모드 제어시점으로부터 기설정된 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치의 일단을 제2접점과 연결시켜 충전된 커패시터부의 방전으로 2차코일부에 전류가 흐르도록 제어한다. In addition, in the third control mode, the control unit connects one end of the third switch to the second contact point after a preset first time (T1) from the second control mode control point, and discharges the charged capacitor portion to the secondary coil. Controls the flow of current.

또한 상기 제어부는 상기 제2제어모드에서 퀀치가 발생된 것으로 판단 시, 상기 제2스위치 단락 후 기설정된 제2시간(T2) 경과 후 상기 제1스위치를 개방시킨다. Additionally, when the control unit determines that quench has occurred in the second control mode, it opens the first switch after a preset second time (T2) has elapsed after the second switch is short-circuited.

또한 상기 초전도 마그넷은 중공부를 가지는 원통형상의 초전도 권취선으로 구성되고, 상기 2차코일부는 상기 초전도 마그넷의 외측으로 일정 간격 이격되며 중공부를 가지는 원통 형상의 구리선으로 구성된다. In addition, the superconducting magnet is composed of a cylindrical superconducting winding wire having a hollow portion, and the secondary coil portion is spaced at a certain distance to the outside of the superconducting magnet and is composed of a cylindrical copper wire having a hollow portion.

아울러 상기 제3제어모드에서 커패시터의 충전 전압량에 따라 상기 초전도 마그넷의 전류 감소량이 제어된다. In addition, in the third control mode, the amount of current reduction of the superconducting magnet is controlled according to the charging voltage of the capacitor.

또한 상기 제2전원부는 커패시터부의 충전 전압을 조절하도록 제어부에 의해 제어되는 가변전원이며, 상기 2차코일부의 높이가 조절되도록 승하강시키며 제어부에 의해 제어되는 구동부를 더 포함한다. In addition, the second power unit is a variable power source controlled by a control unit to adjust the charging voltage of the capacitor unit, and further includes a drive unit controlled by the control unit that raises and lowers the secondary coil unit to adjust the height of the secondary coil unit.

한편 본 발명에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법은 상기 제어부는 (a) 제1스위치는 단락시키고 제2스위치는 개방시키며 제3스위치의 일단을 제1접점에 연결시켜 제2전원부와 커패시터부가 연결되도록 하는 제1제어모드 제어단계; (b) 초전도 마그넷의 전압값을 기초로 퀀치 발생여부를 판단하는 단계; (c) 퀀치가 발생된 것으로 판단되면 제2스위치를 단락시키고 제2시간(T2) 경과 후 제1스위치를 개방시키는 제2제어모드 제어단계; (d) 상기 제2제어모드 제어 후 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치의 일단을 제2접점에 연결시켜 2차코일부와 커패시터부가 연결되도록 하는 제3제어모드 제어단계;를 포함한다. Meanwhile, in the control method of the quench protection device for a superconducting magnet according to the present invention, the control unit (a) shorts the first switch, opens the second switch, and connects one end of the third switch to the first contact point to connect the second power unit and the capacitor. A first control mode control step to allow additional connection; (b) determining whether quench has occurred based on the voltage value of the superconducting magnet; (c) a second control mode control step of short-circuiting the second switch when it is determined that quench has occurred and opening the first switch after a second time (T2); (d) a third control mode control step of connecting one end of the third switch to the second contact point after a first time (T1) has elapsed after controlling the second control mode, so that the secondary coil part and the capacitor part are connected.

본 발명에 따르면 할 수 있는 퀀치가 발생한 초전도 마그넷에 저장된 에너지를 짧은 시간 내에 제거함으로써 초전도 마그넷의 과열, 손상, 절연 파괴, 기계적 변형 등을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to effectively prevent overheating, damage, insulation breakdown, and mechanical deformation of the superconducting magnet by removing the energy stored in the quenched superconducting magnet within a short period of time.

또한 초전도 마그넷 내부 공간을 차지하는 퀀치 히터를 설치하지 않으므로 초전도 마그넷의 구성이 간소화될 수 있어 자기장 집속도를 증가시킬 수 있으며, 초전도 마그넷에 큰 덤프저항을 사용하지 않아도 됨에 따라 터미널 전압(terminal voltage)이 증가하지 않아 절연 파괴에 대한 안정성이 확보될 수 있는 효과가 있다. In addition, since a quench heater that occupies the space inside the superconducting magnet is not installed, the configuration of the superconducting magnet can be simplified and the magnetic field concentration can be increased. Also, since there is no need to use a large dump resistor in the superconducting magnet, the terminal voltage can be reduced. It has the effect of ensuring stability against insulation breakdown as it does not increase.

아울러 2차코일부를 통해 초전도 마그넷의 전류 감소를 유도함으로써 초전도 마그넷 내부 공간을 사용하지 않고 전기적 접촉 없이 외부에 보호장치를 설치할 수 있으며, 초전도선의 물리적 성질과 관련이 없어서 다양한 마그넷 시스템(LTS/HTS/소형/대형)에 적용할 수 있고, 커패시터 충전전압에 의해 초전도 마그넷의 전류 감소 속도를 조절할 수 있으므로 2차코일부의 저항, 설치위치(결합계수)에 구애 받지 않는 효과가 있다. In addition, by inducing a decrease in the current of the superconducting magnet through the secondary coil part, a protective device can be installed on the outside without using the space inside the superconducting magnet and without electrical contact. Since it is not related to the physical properties of the superconducting wire, it can be used in various magnet systems (LTS/HTS/ It can be applied to small/large devices, and the rate of current reduction of the superconducting magnet can be adjusted by the capacitor charging voltage, so it has the effect of not being limited by the resistance of the secondary coil part and the installation location (coupling coefficient).

도 1은 초전도 마그넷의 구동 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 개략적인 회로도로서 제1제어모드로 제어되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제2제어모드로 제어되는 회로도이다.
도 5는 도 4에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제3제어모드로 제어되는 회로도이다.
도 7은 도 6에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 제어모드별 스위치 제어 시점을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 제어상태에 따라 각 구성요소별 전류 측정값을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 결합계수에 따른 최적 충전 전압값을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
Figure 1 is a diagram schematically showing the driving circuit of a superconducting magnet.
Figure 2 is a schematic circuit diagram of a quench protection device for a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention, showing a state controlled in the first control mode.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a quench protection device for a superconducting magnet controlled according to FIG. 2.
Figure 4 is a circuit diagram of a superconducting magnet quench protection device controlled in the second control mode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a quench protection device for a superconducting magnet controlled according to FIG. 4.
Figure 6 is a circuit diagram of a superconducting magnet quench protection device controlled in the third control mode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a quench protection device for a superconducting magnet controlled according to FIG. 6.
Figure 8 is a diagram showing switch control timing for each control mode of the control unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing current measurement values for each component according to the control state of the control unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram schematically showing a quench protection device for a superconducting magnet according to another embodiment of the present invention.
Figure 11 is a diagram showing the optimal charging voltage value according to the coupling coefficient according to another embodiment of the present invention.
Figure 12 is a flowchart showing a control method of a quench protection device for a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention, its operational advantages, and the purpose achieved by practicing the present invention, preferred embodiments of the present invention are illustrated and discussed with reference to them.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention, and singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, in the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other It should be understood that this does not exclude in advance the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 개략적인 회로도로서 제1제어모드로 제어되는 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a schematic circuit diagram of a quench protection device for a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention, showing a state controlled in a first control mode, and FIG. 3 is a quench protection device for a superconducting magnet controlled according to FIG. 2. This is a diagram schematically showing.

또한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제2제어모드로 제어되는 회로도이고, 도 5는 도 4에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제3제어모드로 제어되는 회로도이고, 도 7은 도 6에 따라 제어되는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.In addition, FIG. 4 is a circuit diagram of the quench protection device for a superconducting magnet controlled in the second control mode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram schematically showing the quench protection device for a superconducting magnet controlled according to FIG. 4. , FIG. 6 is a circuit diagram of the quench protection device for the superconducting magnet controlled in the third control mode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram schematically showing the quench protection device for the superconducting magnet controlled according to FIG. 6. .

아울러 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 제어모드별 스위치 제어 시점을 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 제어상태에 따라 각 구성요소별 전류 측정값을 나타내는 도면이다. In addition, Figure 8 is a diagram showing the switch control timing for each control mode of the control unit according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 shows the current measurement value for each component according to the control state of the control unit according to an embodiment of the present invention. This is a drawing that represents.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치(1000)는 크게 제1스위치(120)의 단속에 따라 제1전원부(110)로부터 전원을 공급받으며 제2스위치(140)의 단속에 따라 덤프장치(150)와 연결되는 초전도 마그넷(130)을 포함하는 초전도 마그넷부(100)와, 상기 초전도 마그넷부(100)와 이격 형성되며 제3스위치(220)의 단속에 따라 제2전원부(210)로부터 충전된 커패시터부(230)와 연결되어 상기 초전도 마그넷부(100)와 자기적 커플링이 형성되는 2차코일부(240)를 포함하는 자기결합코일부(200) 및 상기 초전도 마그넷(130)의 전압값에 기초하여 상기 초전도 마그넷(130)의 퀀치 발생여부를 판단하여 상기 제1스위치(120), 제2스위치(140) 및 제3스위치(220)를 제어하는 제어부(300)를 포함한다. Referring to the drawings, the superconducting magnet quench protection device 1000 according to an embodiment of the present invention receives power from the first power unit 110 according to the interruption of the first switch 120 and operates on the second switch 140. ), a superconducting magnet unit 100 including a superconducting magnet 130 connected to the dump device 150 is formed and spaced apart from the superconducting magnet unit 100, and according to an interruption of the third switch 220, A magnetic coupling coil unit 200 including a secondary coil unit 240 that is connected to the capacitor unit 230 charged from the second power unit 210 and forms a magnetic coupling with the superconducting magnet unit 100. A control unit ( 300).

여기서 상기 초전도 마그넷부(100)는 초전도 마그넷(130)에 전원을 인가하여 강한 자기장을 발생시키도록 구비되는데, 본 발명에 따른 초전도 마그넷부(100)는 초전도 마그넷(130)에 전원을 공급하기 위한 제1전원부(110)와, 상기 제1전원부(110)의 양극과 일단이 연결되는 제1스위치(120)와, 일단이 상기 제1스위치(120)의 타단과 연결되며 타단이 상기 제1전원부(110)의 음극과 연결되는 초전도 마그넷(130)과, 일단이 상기 제1스위치(120)의 타단과 연결되는 제2스위치(140)와, 상기 제2스위치(140)의 타단과 일단이 연결되며 타단이 제1전원부(110)의 음극과 연결되는 덤프장치(150)로 구성된다. Here, the superconducting magnet unit 100 is provided to generate a strong magnetic field by applying power to the superconducting magnet 130. The superconducting magnet unit 100 according to the present invention is used to supply power to the superconducting magnet 130. A first power unit 110, a first switch 120 having one end connected to the anode of the first power unit 110, one end connected to the other end of the first switch 120, and the other end being connected to the first power unit 120. A superconducting magnet 130 connected to the cathode of (110), a second switch 140 whose one end is connected to the other end of the first switch 120, and one end connected to the other end of the second switch 140. It consists of a dump device 150 whose other end is connected to the cathode of the first power source 110.

여기서 상기 제1스위치(120) 및 제2스위치(140)는 초전도 마그넷(130)의 전압값을 검출하는 검출부(400)를 통해 제어부(300)가 초전도 마그넷(130)에 퀀치가 발생된 것으로 판단하는 경우 즉각적으로 초전도 마그넷(130)에 흐르는 전류를 감소시키도록 제1전원부(110)의 전원 공급을 차단하도록 제1스위치(120)를 개방하고, 덤프장치(150)와 초전도 마그넷(130)을 연결시키기 위한 제2스위치(140)를 단락시킴으로써 덤프장치(150)를 통해 초전도 마그넷(130)의 전류가 일정 속도로 감소될 수 있도록 한다. Here, the first switch 120 and the second switch 140 determine that a quench has occurred in the superconducting magnet 130 through the detection unit 400 that detects the voltage value of the superconducting magnet 130. In this case, the first switch 120 is immediately opened to cut off the power supply to the first power source 110 to reduce the current flowing in the superconducting magnet 130, and the dump device 150 and the superconducting magnet 130 are opened. By short-circuiting the second switch 140 for connection, the current of the superconducting magnet 130 can be reduced at a constant rate through the dump device 150.

따라서 정상 상태인 경우 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이 제1전원부(110)와 초전도 마그넷(130) 간을 연결하는 제1스위치(120)는 단락(Close)된 상태로, 덤프장치(150)와 초전도 마그넷(130) 간을 연결하는 제2스위치(120)는 개방(Open)된 상태로 제어부(300)가 제어한다. Therefore, in the normal state, as shown in FIGS. 2 and 3, the first switch 120 connecting the first power supply unit 110 and the superconducting magnet 130 is in a short-circuited state, and the dump device 150 ) and the superconducting magnet 130, the second switch 120 is controlled by the control unit 300 in an open state.

하지만, 검출부(400)가 측정한 초전도 마그넷(130)의 전압값이 기설정된 전압값을 초과하여 퀀치가 발생된 것으로 제어부(300)가 판단하면 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1스위치(120)를 개방하고, 제2스위치(140)를 단락시키게 되는 것이다. However, if the control unit 300 determines that quenching has occurred because the voltage value of the superconducting magnet 130 measured by the detection unit 400 exceeds the preset voltage value, the first switch as shown in FIGS. 4 and 5 (120) is opened and the second switch 140 is short-circuited.

본 발명의 일실시예에서는 이와 같은 퀀치가 발생된 경우 제1전원부(110)의 전원 공급을 차단하고 덤프장치(150)와 초전도 마그넷(130) 간을 연결시킴으로써 초전도 마그넷(130)의 전류를 1차 감소시키도록 한다. In one embodiment of the present invention, when such a quench occurs, the power supply to the first power unit 110 is cut off and the current of the superconducting magnet 130 is reduced to 1 by connecting the dump device 150 and the superconducting magnet 130. Let's reduce it.

아울러 상기 초전도 마그넷(130)은 초전도 선재의 권선으로 형성되는 초전도 코일(131)과 해당 초전도 코일(131)의 내부저항(132)으로 나타낼 수 있다. In addition, the superconducting magnet 130 can be represented by a superconducting coil 131 formed by a winding of superconducting wire and an internal resistance 132 of the superconducting coil 131.

한편 본 발명에서는 자기결합코일부(200)를 통해 1차 감소 중인 초전도 마그넷(130)의 전류 감소 속도를 보다 증가시키게 되는데, 이러한 자기결합코일부(200)는 커패시터부(230)에 충전 전압을 공급하기 위한 제2전원부(210)와, 일단이 제1접점(221)과 제2접점(222) 중 선택된 어느 하나로 연결되며 상기 제2전원부(210)의 양극과 제1접점(221)을 통해 연결되는 제3스위치(220)와, 일단이 상기 제3스위치(220)의 타단과 연결되는 커패시터부(230)와, 일단이 상기 제3스위치(220)의 제2접점(222)과 연결되는 2차코일부(240)를 포함하고, 상기 제2전원부(210)의 음극과 상기 커패시터부(230) 및 2차코일부(240)의 타단은 접지된다. Meanwhile, in the present invention, the current reduction rate of the superconducting magnet 130, which is in primary decline, is further increased through the magnetic coupling coil part 200. This magnetic coupling coil part 200 provides a charging voltage to the capacitor part 230. A second power unit 210 for supply, one end of which is connected to one selected among the first contact point 221 and the second contact point 222, is connected through the positive electrode of the second power unit 210 and the first contact point 221. A third switch 220 is connected, a capacitor portion 230 whose one end is connected to the other end of the third switch 220, and one end of which is connected to the second contact point 222 of the third switch 220. It includes a secondary coil unit 240, and the cathode of the second power unit 210 and the other end of the capacitor unit 230 and the secondary coil unit 240 are grounded.

이때 상기 초전도 마그넷(130)에 의한 제1쇄교자속방향과 상기 2차코일부(240)에 의한 제2쇄교자속방향이 도 7에 도시된 바와 같이 동일하도록 형성되도록 해당 초전도 마그넷(130) 및 2차코일부(240)에 흐르는 전류의 방향이 설정된다. At this time, the corresponding superconducting magnet 130 and The direction of the current flowing in the secondary coil portion 240 is set.

즉, 상기 제2전원부(210)에 의해 충전된 커패시터부(230)로부터 충전 전압을 퀀치 발생시 2차코일부(240)가 전달받도록 하여 2차코일부(240)에 증가하는 제2쇄교자속을 생성시키고 이러한 제2쇄교자속은 초전도 마그넷(130)에 역기전력이 발생시키게 된다. That is, the secondary coil unit 240 receives the charging voltage from the capacitor unit 230 charged by the second power unit 210 when quenching occurs, thereby generating a second flux linkage that increases in the secondary coil unit 240. This second flux linkage generates a back electromotive force in the superconducting magnet 130.

이와 같은 역기전력은 초전도 마그넷(130)의 전류 방향과 반대 방향으로 작용하여 초전도 마그넷의 전류 감소 효과를 극대화시킬 수 있게 된다. This back electromotive force acts in the opposite direction to the current direction of the superconducting magnet 130, thereby maximizing the current reduction effect of the superconducting magnet.

이러한 상기 2차코일부(200)는 초전도 마그넷(130)의 외측에 일정 간격 이격되어 형성되어 정상 상태인 경우에는 개방 상태이므로 초전도 마그넷(130)에 어떠한 영향도 주지 않고, 퀀치 발생시 초전도 마그넷(130)과 자기 결합되어 역기전력을 통한 초전도 마그넷(130) 전류 감소를 보다 촉진시키는 것이다. The secondary coil portion 200 is formed on the outside of the superconducting magnet 130 at a certain interval and is in an open state in a normal state, so it does not have any effect on the superconducting magnet 130, and when quench occurs, the superconducting magnet 130 It is magnetically coupled to further promote the reduction of the superconducting magnet 130 current through back electromotive force.

여기서 상기 2차코일부(200)는 일실시예에 따라 구리선으로 구성되며 초전도 마그넷(130)의 외측에 환형 권취된 형태로 형성될 수 있다. Here, the secondary coil part 200 is made of copper wire according to one embodiment and may be formed in a ring-shaped shape wound around the outside of the superconducting magnet 130.

이와 같은 2차코일부(200) 또한 구리선이 권취된 2차코일(241)과 이의 내부저항인 2차내부저항(242)으로 나타낼 수 있다. This secondary coil part 200 can also be represented by a secondary coil 241 in which a copper wire is wound and a secondary internal resistance 242 that is its internal resistance.

아울러 상기 초전도 마그넷(130)은 중공부를 가지는 원통형상의 초전도 권취선으로 구성될 수 있다. In addition, the superconducting magnet 130 may be composed of a cylindrical superconducting winding wire having a hollow portion.

한편 상기 제어부(300)는 전술한 바와 같이 상기 초전도 마그넷(130)의 전압값에 기초하여 상기 초전도 마그넷(130)의 퀀치 발생여부를 판단하여 상기 제1스위치(120), 제2스위치(140) 및 제3스위치(220)를 제어하도록 구비되는데, 이러한 상기 제어부(300)는 상기 초전도 마그넷의 전압값을 기초로 한 퀀치 발생 판단에 따라 제1 내지 제3제어모드 중 어느 하나로 제어를 수행하게 된다. Meanwhile, as described above, the control unit 300 determines whether quenching of the superconducting magnet 130 has occurred based on the voltage value of the superconducting magnet 130 and operates the first switch 120 and the second switch 140. and a third switch 220. The control unit 300 performs control in one of the first to third control modes according to the judgment of quench occurrence based on the voltage value of the superconducting magnet. .

이러한 제어부(300)의 제어는 제1스위치(120), 제2스위치(140) 및 제3스위치(220)의 스위칭 제어를 통해 수행되는데, 우선 상기 제1제어모드는 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같은 초전도 마그넷(130)의 정상상태에서 제어부(300)가 제어하는 제어상태이다. Control of the control unit 300 is performed through switching control of the first switch 120, the second switch 140, and the third switch 220. First, the first control mode is shown in FIGS. 2 and 3. This is a control state controlled by the control unit 300 in the normal state of the superconducting magnet 130.

이와 같은 제1제어모드에서의 제어부(300)는 상기 초전도 마그넷(130)의 전압값이 기설정된 전압값 보다 낮아 퀀치가 발생되지 않은 것으로 판단할 때, 제1스위치(120)는 단락(Close)시키고 제2스위치는 개방(Open)시키며 제3스위치(220)는 제1접점(221)에 일단이 연결되도록 제어한다. When the control unit 300 in this first control mode determines that quenching has not occurred because the voltage value of the superconducting magnet 130 is lower than the preset voltage value, the first switch 120 is closed. The second switch is opened and the third switch 220 is controlled so that one end is connected to the first contact point 221.

아울러 상기 제2제어모드는 상기 제어부(300)가 상기 초전도 마그넷의 전압값이 기설정된 전압값 보다 높은 경우 퀀치가 발생된 것으로 판단하고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1스위치(120)는 개방시키고 제2스위치(140)는 단락시켜 초전도 마그넷(130)과 덤프장치(150) 간에 전류가 순환되도록 제어한다. In addition, in the second control mode, the control unit 300 determines that quench has occurred when the voltage value of the superconducting magnet is higher than a preset voltage value, and as shown in FIGS. 4 and 5, the first switch 120 ) is opened and the second switch 140 is short-circuited to control current circulation between the superconducting magnet 130 and the dump device 150.

이때 제어부(300)는 도 8에 도시된 바와 같이 제2제어모드에서 제2스위치(140)를 먼저 단락(Close)시켜 초전도 마그넷(130)에 흐르는 전류가 덤프장치(150)로 흐르도록 한 다음 제2시간(T2) 경과 후 제1스위치(120)를 개방(Open)시켜 제1전원부(110)의 전원을 차단하도록 한다. At this time, as shown in FIG. 8, the control unit 300 first closes the second switch 140 in the second control mode to allow the current flowing in the superconducting magnet 130 to flow to the dump device 150. After the second time (T2) has elapsed, the first switch 120 is opened to cut off the power to the first power unit 110.

이는 제2스위치(140)를 먼저 단락시키지 않고 제1스위치(120)를 개방시키는 경우 또는 동시에 개방시키는 경우에 발생될 수 있는 큰 서지저항에 초전도 마그넷(130)이 노출되지 않도록 하기 위함이다. This is to prevent the superconducting magnet 130 from being exposed to a large surge resistance that may be generated when the first switch 120 is opened without first short-circuiting the second switch 140 or when the first switch 120 is opened simultaneously.

한편 상기 제3제어모드는 상기 제어부(300)가, 제2제어모드 제어시점으로부터 기설정된 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치(220)의 일단을 제2접점(222)과 연결시켜 충전된 커패시터부(230)의 방전으로 2차코일부(240)에 전류가 흐르도록 제어한다.Meanwhile, in the third control mode, the controller 300 connects one end of the third switch 220 to the second contact point 222 after a preset first time (T1) has elapsed from the second control mode control point to charge. The discharge of the capacitor unit 230 controls the current to flow in the secondary coil unit 240.

이에 따라 상기 2차코일부(240)에 흐르는 전류로 인해 초전도 마그넷(130)에 역기전력이 발생되어 초전도 마그넷(130)의 전류 감소 속도를 보다 증가시키게 된다. Accordingly, a back electromotive force is generated in the superconducting magnet 130 due to the current flowing in the secondary coil portion 240, thereby further increasing the current reduction rate of the superconducting magnet 130.

여기서 초전도 마그넷(130)과 2차코일부(240)의 제2쇄교자속 변화로 인해 유도되는 기전력은 하기 식과 같다.Here, the electromotive force induced due to the change in the second flux linkage of the superconducting magnet 130 and the secondary coil portion 240 is expressed as the following equation.

Figure 112022018070071-pat00003
Figure 112022018070071-pat00003

여기서 λ1(t)은 초전도 마그넷(130)이 발생시키는 쇄교자속이며, λ12(t)는 초전도 마그넷(130)에 영향을 주는 2차코일부(240)에 의해 발생되는 쇄교자속이다.Here, λ 1 (t) is the flux linkage generated by the superconducting magnet 130, and λ 12 (t) is the flux linkage generated by the secondary coil portion 240 that affects the superconducting magnet 130.

한편 상기 제3제어모드에서 상기 초전도 마그넷(130)의 전류 감소 속도 또는 전류 감소량은 커패시터부(230)의 충전 전압량에 따라 달라질 수 있으며, 이를 위해 커패시터부(230)의 용량을 필요에 따라 설정할 수 있다. Meanwhile, in the third control mode, the current reduction rate or amount of current reduction of the superconducting magnet 130 may vary depending on the charging voltage of the capacitor unit 230, and for this purpose, the capacity of the capacitor unit 230 may be set as necessary. You can.

이에 따라 도 9에 도시된 바와 같이 제어모드별 제1전원부(110), 초전도 마그넷(130), 덤프장치(150), 2차코일부(240)의 시뮬레이션 전류 측정값(sim), 실제 측정값(meas)을 나타낸 것으로 초전도 마그넷(130)의 전류가 퀀치 발생에 따라 제2제어모드가 수행된 후 감소되다가 제3제어모드가 수행되면 급격히 감소되는 것을 알 수 있다. Accordingly, as shown in FIG. 9, the simulated current measurement value (sim) and the actual measurement value ( meas), it can be seen that the current of the superconducting magnet 130 decreases after the second control mode is performed according to the occurrence of quench, and then rapidly decreases when the third control mode is performed.

아울러 2차코일부(240)의 전류는 제3제어모드가 수행되면 급격히 증가한 후 점차 감소되는 것을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the current in the secondary coil unit 240 rapidly increases and then gradually decreases when the third control mode is performed.

이와 같이 본 발명의 초전도 마그넷의 퀀치 발생시 덤프장치(150)를 통한 1차 전류 감소와 자기결합코일부(200)를 통한 2차 전류 감소를 통해 초전도 마그넷 전류를 신속하게 감소시킬 수 있도록 한다. In this way, when the quench of the superconducting magnet of the present invention occurs, the superconducting magnet current can be quickly reduced by reducing the primary current through the dump device 150 and the secondary current through the magnetic coupling coil unit 200.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 결합계수에 따른 최적 충전 전압값을 나타내는 도면이다.Figure 10 is a diagram schematically showing a quench protection device for a superconducting magnet according to another embodiment of the present invention, and Figure 11 is a diagram showing the optimal charging voltage value according to the coupling coefficient according to another embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 본 실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치는 초전도 마그넷(130)과 2차코일부(240) 간의 중심 높이차를 구동부(500)를 통해 초전도 마그넷(130)과 2차코일부(240) 간의 결합계수를 조절할 수 있다. Referring to the drawing, the quench protection device for the superconducting magnet according to this embodiment is configured to adjust the center height difference between the superconducting magnet 130 and the secondary coil portion 240 through the driving unit 500. ) can be adjusted.

아울러 도 11에서와 같이 결합계수별 최적 충전전압을 인가하기 위해 제2전원부(210)를 가변전원으로 구성할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 11, the second power unit 210 can be configured as a variable power source to apply the optimal charging voltage for each coupling coefficient.

이에 따라 도 11에서와 같이 덤프장치(150)로만 초전도 마그넷(130)의 전류 감소를 구성할 경우 초전도 마그넷의 에너지 로드(FEL)는 564.07A2s이나, 본 발명이 적용될 경우 에너지 로드(FEL)는 135.69A2s로 75.24%가 감소됨을 알 수 있다.(본 발명에서의 충전전압은 45V, 결합계수(k)=0.7009)Accordingly, when the current reduction of the superconducting magnet 130 is configured only with the dump device 150 as shown in FIG. 11, the energy load (FEL) of the superconducting magnet is 564.07A 2 s, but when the present invention is applied, the energy load (FEL) is 564.07A 2 s. It can be seen that it is reduced by 75.24% to 135.69A 2 s (the charging voltage in the present invention is 45V, coupling coefficient (k) = 0.7009).

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법을 나타내는 순서도이다. Figure 12 is a flowchart showing a control method of a quench protection device for a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법은 상기 제어부(300)는 제1스위치(120)는 단락시키고 제2스위치(140)는 개방시키며 제3스위치(220)의 일단을 제1접점(221)에 연결시켜 제2전원부(210)와 커패시터부(230)가 연결되도록 하는 제1제어모드 제어단계(S100)와, 초전도 마그넷(130)의 전압값을 검출부(400)로부터 전달받아 이를 기초로 퀀치 발생여부를 판단하는 단계(S200)와, 퀀치가 발생된 것으로 판단되면 제2스위치(140)를 단락시키고 제2시간(T2) 경과 후 제1스위치(120)를 개방시키는 제2제어모드 제어단계(S300)와, 상기 제2제어모드 제어 후 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치(220)의 일단을 제2접점(222)에 연결시켜 2차코일부(240)와 커패시터부(230)가 연결되도록 하는 제3제어모드 제어단계(S400)를 포함한다. Referring to the drawings, the control method of the quench protection device for a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention includes the control unit 300 shorting the first switch 120, opening the second switch 140, and operating the third switch. A first control mode control step (S100) of connecting one end of (220) to the first contact point 221 to connect the second power unit 210 and the capacitor unit 230, and the voltage value of the superconducting magnet 130. receiving from the detection unit 400 and determining whether quench has occurred based on this (S200); if it is determined that quench has occurred, the second switch 140 is short-circuited and the first switch is turned on after the second time (T2) A second control mode control step (S300) of opening (120), and connecting one end of the third switch (220) to the second contact point (222) after a first time (T1) has elapsed after controlling the second control mode. It includes a third control mode control step (S400) to connect the secondary coil unit 240 and the capacitor unit 230.

이러한 제어부(300)의 제어모드별 제어 구성은 전술한 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치에서 설명한 바와 동일하므로 별도의 설명은 생략하도록 한다. The control configuration for each control mode of the control unit 300 is the same as that described in the above-described superconducting magnet quench protection device, so a separate description will be omitted.

아울러 상기 제1시간(T1)은 제1스위치(120)의 개방 동작시간 및 제2스위치(140)의 단락 동작시간을 고려하여 중첩되지 않도록 하되 가장 짧게 설정하는 것이 바람직하고, 상기 제2시간(T2)는 제1스위치(120)의 개방 동작시간 및 제3스위치(220)의 일단이 제2접점(222)에 연결되는 동작시간을 고려하여 가장 짧게 설정하는 것이 바람직하다.In addition, the first time (T1) is preferably set as short as possible so as not to overlap in consideration of the open operation time of the first switch 120 and the short-circuit operation time of the second switch 140, and the second time ( T2) is preferably set to the shortest in consideration of the opening operation time of the first switch 120 and the operation time during which one end of the third switch 220 is connected to the second contact point 222.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. In other words, a person skilled in the art to which the present invention pertains can make numerous changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications can be made. Equivalents should be considered as falling within the scope of the present invention.

100 : 초전도 마그넷부
110 : 제1전원부 120 : 제1스위치
130 : 초전도 마그넷 131 : 초전도 코일
132 : 내부저항 140 : 제2스위치
150 : 덤프장치
200 : 자기결합코일부
210 : 제2전원부 220 : 제3스위치
230 : 커패시터부 240 : 2차코일부
241 : 2차코일 242 : 2차내부저항
250 : 가변전원부
300 : 제어부
400 : 검출부
500 : 구동부
1000 : 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치
100: Superconducting magnet part
110: first power unit 120: first switch
130: Superconducting magnet 131: Superconducting coil
132: Internal resistance 140: Second switch
150: dump device
200: Self-coupled coil part
210: second power unit 220: third switch
230: capacitor part 240: secondary coil part
241: secondary coil 242: secondary internal resistance
250: Variable power unit
300: control unit
400: detection unit
500: driving unit
1000: Quench protection device of superconducting magnet

Claims (14)

제1스위치의 단속에 따라 제1전원부로부터 전원을 공급받으며 제2스위치의 단속에 따라 덤프장치와 연결되는 초전도 마그넷을 포함하는 초전도 마그넷부;
상기 초전도 마그넷부와 이격 형성되며 제3스위치의 단속에 따라 제2전원부로부터 충전된 커패시터부와 연결되어 상기 초전도 마그넷부와 자기적 커플링이 형성되는 2차코일부를 포함하는 자기결합코일부; 및
상기 초전도 마그넷의 전압값에 기초하여 상기 초전도 마그넷의 퀀치 발생여부를 판단하여 상기 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 초전도 마그넷부는
제1전원부와,
상기 제1전원부의 양극과 일단이 연결되는 제1스위치와,
일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되며 타단이 상기 제1전원부의 음극과 연결되는 초전도 마그넷과,
일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되는 제2스위치와,
상기 제2스위치의 타단과 일단이 연결되며 타단이 제1전원부의 음극과 연결되는 덤프장치를 포함하며,
상기 자기결합코일부는
제2전원부와,
일단이 제1접점과 제2접점 중 선택된 어느 하나로 연결되며 상기 제2전원부의 양극과 제1접점을 통해 연결되는 제3스위치와,
일단이 상기 제3스위치의 타단과 연결되는 커패시터부와,
일단이 상기 제3스위치의 제2접점과 연결되는 2차코일부를 포함하되,
상기 제2전원부의 음극과 상기 커패시터부 및 2차코일부의 타단은 접지되는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
A superconducting magnet unit including a superconducting magnet that receives power from the first power source according to the opening of the first switch and is connected to a dump device according to the opening of the second switch;
A magnetic coupling coil part including a secondary coil part that is spaced apart from the superconducting magnet part and is connected to a capacitor part charged from the second power source according to the interruption of the third switch to form a magnetic coupling with the superconducting magnet part; and
A control unit that determines whether quenching of the superconducting magnet occurs based on the voltage value of the superconducting magnet and controls the first switch, second switch, and third switch,
The superconducting magnet part
The first power unit,
A first switch whose one end is connected to the anode of the first power supply unit,
A superconducting magnet, one end of which is connected to the other end of the first switch and the other end of which is connected to the cathode of the first power supply unit,
A second switch, one end of which is connected to the other end of the first switch,
It includes a dump device whose other end is connected to the other end of the second switch and whose other end is connected to the negative electrode of the first power supply unit,
The magnetic coupling coil part
A second power unit,
A third switch, one end of which is connected to a selected one of the first contact point and the second contact point, and which is connected to the positive electrode of the second power supply unit through the first contact point,
A capacitor portion whose end is connected to the other end of the third switch,
One end includes a secondary coil portion connected to the second contact point of the third switch,
The cathode of the second power supply unit and the other end of the capacitor unit and secondary coil unit are grounded.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 초전도 마그넷에 의한 제1쇄교자속 방향과 상기 2차코일부에 의한 제2쇄교자속 방향이 동일한 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to paragraph 1,
The first magnetic flux linkage direction by the superconducting magnet and the second magnetic flux linkage direction by the secondary coil unit are the same.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제4항에 있어서,
상기 제어부는
상기 초전도 마그넷의 전압값을 검출하는 검출부로부터 전압값을 전달받으며 상기 초전도 마그넷의 전압값을 기초로 하여 퀀치 발생여부를 판단하되,
상기 퀀치 발생여부에 따라 제1제어모드, 제2제어모드 및 제3제어모드 중 어느 하나로 제어를 수행하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to paragraph 4,
The control unit
The voltage value is received from a detector that detects the voltage value of the superconducting magnet, and whether quench has occurred is determined based on the voltage value of the superconducting magnet.
Performing control in one of the first control mode, second control mode, and third control mode depending on whether the quench occurs or not.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제5항에 있어서,
상기 제1제어모드는
상기 제어부가,
상기 초전도 마그넷의 전압값이 기설정된 전압값 보다 낮은 경우 퀀치가 발생되지 않은 것으로 판단하고,
제1스위치는 단락(Close)시키고 제2스위치는 개방(Open)시키며 제3스위치는 제1접점에 일단이 연결되도록 제어하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to clause 5,
The first control mode is
The control unit,
If the voltage value of the superconducting magnet is lower than the preset voltage value, it is determined that quench has not occurred,
The first switch is shorted, the second switch is opened, and the third switch is controlled so that one end is connected to the first contact point.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제6항에 있어서,
상기 제2제어모드는
상기 제어부가,
상기 초전도 마그넷의 전압값이 기설정된 전압값 보다 높은 경우 퀀치가 발생된 것으로 판단하고,
제1스위치는 개방시키고 제2스위치는 단락시켜 초전도 마그넷과 덤프장치 간에 전류가 순환되도록 제어하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to clause 6,
The second control mode is
The control unit,
If the voltage value of the superconducting magnet is higher than the preset voltage value, it is determined that quench has occurred,
The first switch is opened and the second switch is shorted to control current circulation between the superconducting magnet and the dump device.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제7항에 있어서,
상기 제3제어모드는
상기 제어부가,
제2제어모드 제어시점으로부터 기설정된 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치의 일단을 제2접점과 연결시켜 충전된 커패시터부의 방전으로 2차코일부에 전류가 흐르도록 제어하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
In clause 7,
The third control mode is
The control unit,
After a preset first time (T1) has elapsed from the control point in the second control mode, one end of the third switch is connected to the second contact point to control the current to flow in the secondary coil due to the discharge of the charged capacitor.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 제2제어모드에서 퀀치가 발생된 것으로 판단 시,
상기 제2스위치를 단락 후 기설정된 제2시간(T2) 경과 후 상기 제1스위치를 개방시키는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
In clause 7,
The control unit
When it is determined that quench has occurred in the second control mode,
Short-circuiting the second switch and opening the first switch after a preset second time (T2) has elapsed.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제4항에 있어서,
상기 초전도 마그넷은
중공부를 가지는 원통형상의 초전도 권취선으로 구성되고,
상기 2차코일부는
상기 초전도 마그넷의 외측으로 일정 간격 이격되며 중공부를 가지는 원통 형상의 구리선으로 구성되는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to paragraph 4,
The superconducting magnet is
It is composed of a cylindrical superconducting winding wire with a hollow portion,
The secondary coil part is
Consisting of cylindrical copper wires spaced at a certain distance outside the superconducting magnet and having a hollow portion.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제9항에 있어서,
상기 제3제어모드에서
커패시터의 충전 전압량에 따라 상기 초전도 마그넷의 전류 감소량이 제어되는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to clause 9,
In the third control mode
The amount of current reduction of the superconducting magnet is controlled according to the charging voltage of the capacitor.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제1항에 있어서,
상기 제2전원부는
커패시터부의 충전 전압을 조절하도록 제어부에 의해 제어되는 가변전원인 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to paragraph 1,
The second power unit
It is a variable power source controlled by a control unit to adjust the charging voltage of the capacitor unit.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제12항에 있어서,
상기 2차코일부의 높이가 조절되도록 승하강시키며 제어부에 의해 제어되는 구동부를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치.
According to clause 12,
Further comprising a driving unit that raises and lowers the secondary coil unit to adjust the height and is controlled by a control unit.
Quench protection device for superconducting magnets featuring.
제1항, 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 의한 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법으로서
상기 제어부는
(a) 제1스위치는 단락시키고 제2스위치는 개방시키며 제3스위치의 일단을 제1접점에 연결시켜 제2전원부와 커패시터부가 연결되도록 하는 제1제어모드 제어단계;
(b) 초전도 마그넷의 전압값을 기초로 퀀치 발생여부를 판단하는 단계;
(c) 퀀치가 발생된 것으로 판단되면 제2스위치를 단락시키고 제2시간(T2) 경과 후 제1스위치를 개방시키는 제2제어모드 제어단계;
(d) 상기 제2제어모드로 제어 후 제1시간(T1) 경과 후 제3스위치의 일단을 제2접점에 연결시켜 2차코일부와 커패시터부가 연결되도록 하는 제3제어모드 제어단계;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 초전도 마그넷의 퀀치 보호장치의 제어방법.
As a control method for the quench protection device of a superconducting magnet according to any one of claims 1, 4 to 13,
The control unit
(a) a first control mode control step of shorting the first switch, opening the second switch, and connecting one end of the third switch to the first contact point so that the second power unit and the capacitor unit are connected;
(b) determining whether quench has occurred based on the voltage value of the superconducting magnet;
(c) a second control mode control step of short-circuiting the second switch when it is determined that quench has occurred and opening the first switch after a second time (T2);
(d) a third control mode control step of connecting one end of the third switch to the second contact point after a first time (T1) after controlling in the second control mode so that the secondary coil part and the capacitor part are connected; thing
A control method for the quench protection device of a superconducting magnet, characterized by:
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