WO2005004248A2 - Hts-drossel hoher güte und verwendung der drossel - Google Patents

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WO2005004248A2
WO2005004248A2 PCT/EP2004/007334 EP2004007334W WO2005004248A2 WO 2005004248 A2 WO2005004248 A2 WO 2005004248A2 EP 2004007334 W EP2004007334 W EP 2004007334W WO 2005004248 A2 WO2005004248 A2 WO 2005004248A2
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Volker Hussennether
Adolf KÜHN
Martino Leghissa
Peter Massek
Bernd Wacker
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the invention relates to the special design of an HTS (high-temperature superconductivity) choke and its use.
  • High-temperature superconductors are increasingly being used in energy technology due to their high, normally conductive metals current surpasses.
  • Ag / Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x (Bi-2223) strip conductors are currently available as technical HTS wires with current densities of over 100 A / mm at 77K ("IEEE Trans, on Appl. Supercond.” , Vol. 11, 2001, pages 3261 to 3264).
  • the advantages of the HTS lie in the possible weight and volume savings and the increase in the efficiency of equipment. This is offset by the cooling required for operation at cryogenic temperatures. With the expected quality - and cost development of the HTS materials can be expected to commercialize in the next few years.
  • HTS chokes for current limitation are known for example from DE 44 18 050 AI.
  • a lateral leg of a magnetic flux-carrying ring body made of soft magnetic material is enclosed by a cooled HTS hollow cylinder, which surrounds a normal conducting coil at a distance.
  • the coil is inductively coupled to the HTS hollow cylinder by a current-limited circuit.
  • the object of the present invention is to provide a HTS conductor choke which has a high quality factor with high efficiency.
  • the choke is particularly intended for mobile use such as enable in rail vehicles.
  • the inductor should a) a magnetic flux-guiding body made of ferromagnetic material, comprising at least one axial core leg, two parallel yoke legs parallel to it, and two yoke legs magnetically bridging the at least one axial core leg and the yoke legs, b) at least one high-temperature superconductor enclosing the at least one core leg.
  • this design advantageously minimizes the distance between the winding and the yoke leg. In this way, radial field components occurring at the end-side winding ends, which have a disadvantageous effect on the losses of the anisotropic HTS material, are at least largely suppressed.
  • This anisotropic property can be take into account in the throttle according to the invention. This requires special design measures to achieve a high quality or a high efficiency of a choke. Corresponding requirements have to be met with the measures according to the invention.
  • the magnetic flux-carrying body of the choke can preferably have at least one interruption of the ferromagnetic material in its at least one core leg.
  • the interruption can be filled with insulating material, for which in particular a glass fiber reinforced plastic has been selected. In this way, an increase or variability or adjustability of the inductance of the inductor can advantageously be achieved.
  • means for axially clamping the at least one core leg and / or the winding surrounding it can advantageously be provided.
  • Pressure bars are preferably suitable as the clamping angle.
  • the winding and the enclosed leg can be fixed independently of one another between the yoke legs by pressing them against the respective opposite yoke leg.
  • Such clamping serves to avoid forces between the leg and the winding, which e.g. can occur when the throttle cools down or warms up.
  • the at least one winding of the choke can be constructed, in particular, with HTS Roebelle conductors, which preferably have insulated, continuously transposed individual wires.
  • HTS Roebelle conductors which preferably have insulated, continuously transposed individual wires.
  • a width of the yoke legs is advantageously chosen that is at least approximately the outer diameter of the at least corresponds to a winding. In this way and because of the minimal spacing of the winding ends from the yoke legs, radial field components at the winding ends can be kept low.
  • this distance can advantageously be less than 10 times, preferably less than 1 times the difference between the outside and inside diameter of the winding. In this case, sufficient suppression of the radial field components on the end faces of the windings is to be ensured in all cases, even if there are insulation means in the spacing area.
  • a coolant supply through at least one of the yoke legs in the end region of the at least one winding is advantageous.
  • the coolant then reaches the winding directly via corresponding openings in the yoke leg, where it advantageously enters axial cooling channels.
  • the throttle is advantageously arranged in a cryostat that holds a coolant.
  • the body carrying the magnetic flux and the at least one HTS winding are thus at least largely at the same temperature level.
  • the cryostat can be designed so that further components with HTS material such as e.g. a transformer must be accommodated. It is generally constructed with non-magnetic material.
  • the winding in a separate cryostat that holds a coolant.
  • the mass to be cooled is essentially only the at least one core leg that surrounds it To limit winding and the feedthrough areas of the coolant through the at least one yoke leg.
  • Liquid nitrogen can preferably be provided as the coolant.
  • a multilayer structure is preferred for the at least one HTS winding. This embodiment advantageously reduces the winding height and thus allows the entire choke to be compact.
  • the at least one HTS winding can advantageously be contacted with current leads which are guided in isolation through at least one of the yoke legs.
  • a compact structure of the throttle must therefore be ensured.
  • the throttle can advantageously be designed such that it has a high quality factor Q, preferably of at least 300, in particular of at least 700. It can therefore be designed particularly advantageously as a compact throttle for a converter-controlled drive, as a traction throttle or as an auxiliary operating throttle or as a smoothing throttle, in particular for mobile use. It is also advantageous to use an inductor according to the invention for current limitation or in a system for energy transmission such as high-voltage direct current transmission, in particular also for reactive power compensation.
  • FIG. 1 shows an HTS traction throttle according to the invention, partly as a longitudinal sectional view, partly as a side view, FIGS. 2 and 3 show a cross section through the throttle according to FIG. 1 or a top view of the end face thereof,
  • FIG. 4 shows the critical current of the winding and the complete choke in a diagram
  • 5 shows in a diagram the AC losses of the choke at 16.7 Hz
  • FIG. 6 shows the inductance and the overall efficiency of the choke at 16.7 Hz
  • FIG. 7 shows a common cryostat for a choke according to the invention and a transformer
  • FIG. 8 shows a mobile one Possibility of using the cryostat according to FIG. 7,
  • FIG. 9 a cross section through a further choke according to the invention and FIG. 10 another cross section of another choke design.
  • corresponding parts are provided with the same reference symbols.
  • a so-called traction choke with HTS winding is selected as the application example on which the figures are based, and is designed in particular with a view to mobile use in rail vehicles.
  • the throttle is generally denoted by 2, and by 3 is a magnetic flux-guiding body made of sheet metal made from one of the known ferromagnetic, soft-magnetic materials, the body being of the so-called jacket core type (cf. book by R. Feldtkel-1er: “Theory of Coils and transformers ", 4th edition, 1963, publisher S.
  • the central core leg 4 is divided into a plurality of core disks 4a made of the ferromagnetic material, which in turn are spaced apart by interruptions or air gaps 20. These interruptions are filled with insulating material, preferably a glass fiber reinforced plastic (GRP). The corresponding fillings are designated 20a.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the resulting structure of the core leg 4 alternatingly made of ferromagnetic core disks 4a and intermediate GRP fillings 20a is clamped in the axial direction, ie in the direction of expansion of the core leg, with the aid of a pressure bar 18.
  • the structure is pressed against the lower yoke leg 8 by means of screw connections 18a.
  • the winding 9 is pressed against the upper yoke leg 7 by means of a pressure bar 19 and its screw connections 19a.
  • a corresponding clamping can also be carried out for further core legs, not shown, and HTS conductor windings respectively assigned to them.
  • the coolant is passed through the winding through the cooling slots 12 and 13 in the yoke legs 7 and 8.
  • the required power supply conductors 10 and 11 are also insulated through special slots 12a in the upper yoke leg 7. Cooling is carried out accordingly for any windings that may still be present.
  • the throttle 2 is arranged entirely in a cryostat which holds a coolant k and for which non-magnetic material is advantageously used.
  • the magnetic flux-carrying body 3 and the HTS winding 9 are at least largely at the same low temperature level.
  • the mass to be cooled essentially comprises only the central core leg 4, the winding 9 surrounding it and the lead-through areas of the coolant k through the at least one yoke leg.
  • the HTS winding 9 can advantageously be made from strip conductors with one of the known HTS materials, such as in particular of the type Bi- 2223.
  • the strip conductors are preferably wound in multiple layers around a central carrier tube which surrounds the central core leg 4.
  • a structural separation of the HTS winding and core leg can advantageously be used for independent bracing of both parts between the yoke legs. This prevents the occurrence of forces between the winding and the core leg when the choke cools down.
  • HTS conductors with Bi-2223 type material other conductors such as YBCO ribbon conductors can of course also be used.
  • Figure 2 shows a cross section through the throttle 2 of Figure 1 in a central region of the throttle.
  • cooling slots 12 are clearly recognizable in this leg. These cooling slots within the package of electrical sheets 26 of the yoke leg 7 are not shown to scale.
  • the power supply conductors 10 and 11 are insulated and passed through at least one widened slot, designated 12a, in the yoke leg.
  • the slot 12a is partially filled with spacer strips 25 made of an insulating material such as GRP and with the pressure strip 18. Between the individual electrical sheets 26 of the yoke leg 7 there are spacers 27 made of GRP for their spacing and for the formation of the cooling slots 12.
  • the width B of the yoke leg is selected to be at least approximately as large, preferably larger than the diameter D of the cross-sectional area F of the winding 9.
  • the test operation of a specific embodiment of the choke 2 according to FIGS. 1 to 3 shows the correspondence between the electrical characteristics and the design. At rated operation at 87 kVA and 16.7 Hz, the loss of 120 W corresponds to a quality factor of 726. Taking cooling into account, the overall efficiency is 98.5%.
  • the comparison of the HTS test throttle with a conventional copper traction throttle shows the potential for mass and volume reduction of 42% and 60% typical for HTS equipment, as well as a significant increase in efficiency or reduction in forward loss by 3.5%.
  • Table 1 below lists the properties of the selected HTS choke 2 during rated operation. Currents and voltages are described by rms values, fields by amplitudes. Figure 1 shows the selected embodiment of the HTS choke.
  • the throttle has a wound core leg, preferably with a disk core. Yoke legs and yoke legs serve to avoid stray fields.
  • the choke is designed for operation at 16.7 Hz and 87 kVA.
  • the nominal current of 347 corresponds to the typical traction current in regional rail operations.
  • the required current carrying capacity is achieved by using a 13-fold Roebelle conductor made of Bi-2223 ribbon conductors.
  • the Roebelleiter consists of insulated, continuously transposed individual wires (cf. article by V. Hussennether et al.: , ⁇ DC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Conductors Designed for High-Current Applications " , ICMC 2003, Twente, The )etherlands).
  • the brittle, superconducting ceramic is in the form of filaments in the strip conductors manufactured according to the powder-in-tube process, which are connected to a stabilizing metal sheath to form flexible wires
  • a conductor with twisted filaments can advantageously be used for AC losses
  • the inductance of the specific winding is 2.9 mH and is advantageously increased by using a magnet
  • Air gap sheared disc core to 6.9 mH. Furthermore, the throttle has the following design features:
  • the yoke and inference are significantly oversized with the 586 mT induction that occurs during nominal operation.
  • the choke coil contains a 6-layer HTS winding, the layers of which are separated by cooling channels. The cross-sectional share of the cooling channels is, for example, 50%. Cooling slots through which the LN 2 used as the coolant k reaches the cooling ducts of the winding are advantageously kept free in the yoke bridges, for example by GRP inserts.
  • the choke is suspended in a stainless steel cryostat for measurement.
  • the LN temperature is varied between 65 K and 77 K.
  • the electrical measurements are made in 4-point geometry.
  • AC losses P are determined electrically with the aid of a power meter (Siemens Functionmeter B1082) with an accuracy of 10%.
  • the throttle is subjected to several cooling cycles. There are no changes in the winding resistance at room temperature and the critical current of the cooled choke.
  • the current carrying capacity is determined in the temperature range between 65 K and 77 K both for the winding without disc core, yoke and yoke as well as for the fully assembled choke.
  • the critical current I c at which the HTS winding changes from the superconducting to the normally conducting operating state, serves as a measure of the current carrying capacity.
  • the experimentally determined critical currents are shown in FIG. 2 together with the predictions from model calculations. Compared to the winding, the critical current of the choke is shifted by approximately 20% to higher currents. This increase can be attributed to the reduction in the radial magnetic field components at the winding ends by inserting the iron yoke in the immediate vicinity of the end winding ends.
  • the current carrying capacity of the strip conductors is anisotropic with respect to external magnetic fields B and is characterized by a strong decrease for fields Bi directed perpendicular to the conductor surface.
  • the current-voltage characteristic can be described by the following power law:
  • Losses P of the choke as a function of the current I.
  • the values given in Table 1 for the number of turns W, winding height H w , relative permeability of the disk core ⁇ , iron diameter of the disk core D e , inner and outer diameter of the winding D w , D a result in an inductance L of 6.7 mH.
  • the inductance L follows from the loss measurement with the voltage U at the frequency f
  • I is the current through the winding and P is the power loss of the choke.
  • FIG. 6 shows the inductance L for the measurement series from FIG. 5.
  • the choke has an inductance of 6.9 mH, which fluctuates by less than ⁇ 1% over the entire range. It is essential for the constant inductance that the maximum induction occurring in the yoke or disk core of 0.737 T or 1.35 T at a current of 450 A is still below the saturation inductance of iron of 2.03 T.
  • the inductance calculated with the designation (2) deviates by less than 3% from the experimentally determined inductance.
  • the quality factor for the choke is 726, which corresponds to an electrical efficiency of 99.9%. It is therefore clearly above the required size of at least 300, preferably at least 700.
  • the overall efficiency shown in FIG. 6 follows from the relationship (4) assuming a cooling effort of 10 W / W with which the losses are applied. At rated operation, the overall efficiency of the choke is 98.5%. In contrast to inductance, there is an indication of a drop in efficiency above 400 A, which is caused by the increase in losses in the HTS winding during the transition to the resistive operating state.
  • the HTS choke demonstrates a special possibility of using HTS components for power engineering including the required HTS-specific requirements.
  • the extensive agreement between the calculated and experimentally determined properties of the throttle proves the reliability of the computational models required for the design and for predicting the operating behavior.
  • the cooling concept is essential for the use of HTS components. Operation with LN as a coolant k proves to be environmentally friendly compared to the oil cooling of conventional systems.
  • the volume, mass, quality and efficiency of the HTS choke are compared to a conventional 290 kVA copper choke with two wound legs and disk cores provides. Due to the oversized yoke for the HTS choke and the inference leg, only the wound legs are considered.
  • the mass and volume of the HTS choke are scaled in a known manner to the power of the copper choke with the help of transformer growth laws. Since there is no generally applicable scaling for the losses of HTS windings, the quality and efficiency in Table 2 below refer to the measured values of the HTS choke. As with conventional technology, however, quality and efficiency can also be assumed for HTS with increasing performance.
  • Table 2 shows a mass or volume reduction of 42% or 60% for the HTS choke, which represent typical values for HTS windings. Further consideration requires consideration of all system components including the cooling concept.
  • HTS windings are characterized by extremely high quality factors.
  • the concrete HTS choke according to the invention has a quality factor of 726 during rated operation.
  • the electrical quality factor and the overall quality factor reduced by the cooling effort, which characterizes the overall efficiency required for operation, must be used can be distinguished.
  • a central cooling concept consisting of a cryostat, refrigeration system, LN 2 reservoir and LN 2 pump for forced cooling is available for the joint use of several HTS components, eg HTS transformer in conjunction with HTS choke. If possible, system losses can be reduced by jointly supplying power to several components.
  • FIG. 8 A corresponding cooling concept, in which further components with HTS material are arranged in a cryostat, is indicated in FIG. Accordingly, located in a cryostat 22, of k with a coolant such as in particular LN is filled 2, a known HTS transformer 23 and a choke according to the invention 2. It is particularly advantageous, such a cooling technique for a mobile use, as is indicated in Figure 8, for example, ,
  • This figure shows an ICE power car 24 with an installation of such a cryostat for a HTS traction choke 2 according to the invention and an HTS traction transformer 23 with transformer windings 23a and iron core 23b.
  • the HTS traction choke is advantageously connected in series with the undervoltage winding of the HTS traction transformer in order to achieve the short-circuit inductance required for converter operation of the transformer.
  • HTS chokes can be optimized with regard to mass, volume, quality or efficiency or system costs. Depending on the intended use, there are different optimization priorities, some with opposing dependencies.
  • FIGS. 9 and 10 show such embodiments, parts of the chokes not shown corresponding to those according to FIGS. 1 to 3.
  • the throttle 29 according to the invention has a plurality of axial core legs.
  • the body 30 can have at least one further core leg, generally designated 31j, so that a shape of the known jacket type is then given to it.
  • the index j e.g.
  • Each of these core legs is interrupted by magnetic air gaps 20, analogous to the embodiment of the core leg 4 according to FIG.
  • Each of the core legs is enclosed by a HTS conductor winding 32a or 32b or 32j. Since, according to the embodiment indicated, these windings are each arranged in their own cryostat 33a or 33b or 33j, the throttle 29 has a warm magnetic flux-carrying body 30 with the yoke legs 7 and 8. On a representation of the coolant supply to the individual HTS Conductor windings and the required power supply have been omitted in the figure. These parts correspond to those according to FIGS. 1 to 3.
  • Windings 32a and 32b are arranged in a common cryostat 36.
  • the throttle therefore has a cold magnetic net flow body 37, the shape of which is of the so-called UI type.

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  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

Die Hochtemperatursupraleitungs(HTS)-Drossel (2) hoher Güte, insbesondere für einen mobilen Einsatz, enthält einen magnet-flussführenden Körper (3) aus ferromagnetischem Material mit mindestens einem zentralen Kernschenkel (4), zwei dazu paral-lele seitliche Rückschlussschenkel (5, 6) sowie zwei den Kernschenkel und die Rückschlussschenkel magnetisch überbrü-ckende Jochschenkel (7, 8). Den Kernschenkel (4) umschließt eine zu kühlende HTS-Wicklung (9), deren Stromzuführungen (10, 11) durch einen der Jochschenkel (7) im Bereich der Querschnittsfläche (F) der anliegenden Wicklung (9) geführt sind. Die Wicklung (9) erstreckt sich an ihren Stirnseiten (9a, 9a') bis nahe an die jeweiligen Jochschenkel (7, 8).

Description

HTS-Drossel hoher Güte und Verwendung der Drossel
Die Erfindung bezieht sich auf die besondere Ausgestaltung einer HTS (Hochtemperatursupraleitungs) -Drossel sowie deren Verwendung .
Hochtemperatursupraleiter (HTS-Leiter) finden aufgrund ihrer hohen, normalleitende Metalle weit übertreffenden Stromdichten zunehmend Anwendung in der Energietechnik. Als technische HTS-Drähte stehen zum Beispiel Ag/Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223)- Bandleiter gegenwärtig mit Stromdichten von über lOOA/mm bei 77K zur Verfügung („IEEE Trans, on Appl . Supercond.", Vol. 11, 2001, Seiten 3261 bis 3264) .Die Vorteile der HTS liegen in der möglichen Gewicht- und Volumeneinsparung und der Steigerung des Wirkungsgrads von Betriebsmitteln. Diesem steht die für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen erforderliche Kühlung gegenüber. Mit der erwarteten Qualitäts- und Kosten- entwicklung der HTS-Materialien kann von einer Kommerzialisierung in den nächsten Jahren ausgegangen werden.
Ein Einsatzgebiet der HTS-Bandleiter sind AC-Wicklungen. Im Gegensatz zum nahezu verlustlosen Verhalten bei DC-Betrieb erfordern die auftretenden AC-Verluste eine effektive Kühlung der HTS-Komponenten. Als verlässlich hat sich die Zwangskühlung in einem geschlossenen Kreislauf mit flüssigem Stickstoff LN2 bei Temperaturen zwischen 66K und 77K erwiesen (vgl. „Physica C", Vols . 372-376, 2002, Seiten 1688 bis 1693) .
HTS-Drosseln zur Strombegrenzung sind z.B. aus der DE 44 18 050 AI bekannt. Hierbei ist ein seitlicher Schenkel eines magnetflussführenden Ringkörpers aus weichmagnetischem Material von einem gekühlten HTS-Hohlzylinder umschlossen, den beabstandet eine normalleitende Spule umgibt. Über diese Spule ist induktiv ein strommäßig zu begrenzender Stromkreis an den HTS-Hohlzylinder gekoppelt.
Bei HTS-Leitern ist ihr supraleitendes Material anisotrop. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine HTS-Leiter- Drossel anzugeben, die einen hohen Gütefaktor bei hohem Wirkungsgrad aufweist. Die Drossel soll insbesondere einen mobilen Einsatz wie z.B. in Schienenfahrzeugen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll die Drossel a) einen magnetflussführenden Körper aus ferromagnetischem Material, umfassend mindestens einen axialen Kernschenkel, zwei dazu parallele, seitliche Rückschlussschenkel sowie zwei den mindestens einen axialen Kernschenkel und die Rückschlussschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel, b) wenigstens eine den mindestens einen Kernschenkel umschließende Hochtemperatursupraleiter-Wicklung, c) Stromzuführungen der wenigstens einen Wicklung, die durch wenigstens einen der Jochschenkel im Bereich der Querschnittsfläche der anliegenden Wicklung geführt sind, und d) Mittel zur Kühlung der wenigstens einen Wicklung enthalten.
Da die Stromzuführungen in der axialen Mitte der Drossel durch wenigstens einen der brückenartigen Jochschenkel in dem stirnseitigen Bereich des Kernschenkelquerschnitts oder des ringscheibenförmigen Querschnitts der ihn umschließenden
Wicklung führen, lässt sich vorteilhaft mit dieser Bauweise im Gegensatz zu konventionellen Drosseln der Abstand zwischen der Wicklung und dem Jochschenkel minimieren. Auf diese Weise sind an den stirnseitigen Wicklungsenden auftretende radiale Feldkomponenten zumindest weitgehend zu unterdrücken, welche sich nachteilig auf die Verluste des anisotropen HTS- Materials auswirken. Diese anisotrope Eigenschaft lässt sich bei der erfindungsgemäßen Drossel berücksichtigen. Dies bedingt nämlich besondere konstruktive Maßnahmen, um eine hohe Güte bzw. einen hohen Wirkungsgrad einer Drossel zu realisieren. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind entsprechende Forderungen zu erfüllen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drossel gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So kann bevorzugt der magnetflussführende Körper der Drossel in seinem mindestens einen Kernschenkel wenigstens eine Unterbrechung des ferromagnetischen Materials aufweisen. Hierbei kann die Unterbrechung mit isolierendem Material ausgefüllt sein, für das insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff gewählt ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Erhöhung oder Variabilität bzw. Einstellbarkeit der Induktivität der Drossel zu erreichen.
Ferner können vorteilhaft Mittel zu einer axialen Einspannung des mindestens einen Kernschenkels und/oder der ihn umschließenden Wicklung vorgesehen sein. Als Einspannwinkel sind bevorzugt Druckleisten geeignet. Auf diese Weise lassen sich Wicklung und umschlossener Schenkel voneinander unabhängig zwischen den Jochschenkeln fixieren, indem sie gegen den je- weils gegenüberliegenden Jochschenkel gepresst werden. Ein derartiges Einspannen dient zur Vermeidung von Kräften zwischen Schenkel und Wicklung, die z.B. beim Abkühlen oder Erwärmen der Drossel auftreten können.
Die wenigstens eine Wicklung der Drossel kann insbesondere mit HTS-Roebelleitern, die vorzugsweise isolierte, kontinuierlich transponierte Einzeldrähte aufweisen, aufgebaut sein. Die Verwendung entsprechender HTS-Leiter gewährleistet begrenzte Verluste bei einem Wechselstrombetrieb der Drossel.
Vorteilhaft wird ferner eine Breite der Jochschenkel gewählt, die zumindest annähernd dem Außendurchmesser der wenigstens einen Wicklung entspricht. Auf diese Weise und wegen des minimalen Abstands der Wicklungsenden gegenüber den Jochschenkeln können Radialfeldkomponenten an den Wicklungsenden gering gehalten werden.
Dieser Abstand kann bei der Drossel vorteilhaft kleiner als das lOfache, vorzugsweise kleiner als das Ifache der halben Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser der Wicklung sein. Damit ist auf alle Fälle eine hinreichende Unterdrü- ckung der radialen Feldkomponenten an den Wicklungsstirnseiten auch bei vorhandenen Isolationsmitteln in dem Abstandsbereich zu gewährleisten.
Weiterhin ist eine Kühlmittelzufuhr durch wenigstens einen der Jochschenkel im stirnseitigen Bereich der wenigstens einen Wicklung vorteilhaft. Über entsprechende Öffnungen in dem Jochschenkel erreicht dann das Kühlmittel unmittelbar die Wicklung, wo es vorteilhaft in axiale Kühlkanäle eintritt. Diese Ausbildung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zugleich die zur Unterdrückung von Radialfeldkomponenten erforderliche
Annäherung des Jochschenkels an die Wicklung und die für die Kühlung der Wicklung notwendige Zuführung des Kühlmittels gestattet.
Die Drossel ist vorteilhaft in einem ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten angeordnet. Damit liegen der magnetflussführende Körper und die wenigstens eine HTS-Wicklung zumindest weitgehend auf gleichem Temperaturniveau. Der Kryostat kann dabei so ausgestaltet sein, dass in ihm weitere Kompo- nenten mit HTS-Material wie z.B. ein Transformator unterzubringen sind. Er ist im Allgemeinen mit nicht-magnetischem Material aufgebaut .
Stattdessen ist es auch möglich, die Wicklung in einem eige- nen, ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten anzuordnen. In diesem Fall ist die zu kühlende Masse, die im Wesentlichen nur den mindestens einen Kernschenkel, die sie umschließende Wicklung sowie die Durchführungsbereiche des Kühlmittels durch den wenigstens einen Jochschenkel umfasst, zu begrenzen.
Als Kühlmittel kann bevorzugt flüssiger Stickstoff vorgesehen sein.
Für die wenigstens eine HTS-Wicklung kommt bevorzugt ein mehrlagiger Aufbau in Frage. Diese Ausführungsform verringert vorteilhaft die Wicklungshöhe und gestattet damit einen kompakten Aufbau der gesamten Drossel .
Die wenigstens eine HTS-Wicklung kann vorteilhaft mit Stromzuführungen kontaktiert sein, die isoliert durch wenigstens einen der Jochschenkel geführt sind. Ein kompakter Aufbau der Drossel ist somit zu gewährleisten. Vorteilhaft kann die Drossel so ausgebildet sein, dass sie einen hohen Gütefaktor Q, vorzugsweise von mindestens 300, insbesondere von mindestens 700 aufweist. Sie lässt sich deshalb besonders vorteil- haft als eine kompakte Drossel für einen umrichtergesteuerten Antrieb, als eine Traktionsdrossel oder als eine Hilfsbe- triebsdrossel oder als eine Glättungsdrossel, insbesondere für einen mobilen Einsatz ausbilden. Auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Drossel zur Strombegrenzung oder in einem System der Energieübertragung wie der Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung, insbesondere auch zu einer Blindleistungskompensation ist vorteilhaft.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Aus- führungsform noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen deren Figur 1 eine erfindungsgemäße HTS-Traktionsdrossel, teils als Längsschnittansicht, teils in Seitenansicht, Figuren 2 und 3 einen Querschnitt durch die Drossel nach Fi- gur 1 bzw. eine Aufsicht auf deren Stirnseite,
Figur 4 in einem Diagramm den kritischen Strom der Wicklung und der vollständigen Drossel, Figur 5 in einem Diagramm die AC-Verluste der Drossel bei 16,7 Hz, Figur 6 die Induktivität und den gesamten Wirkungsgrad der Drossel bei 16,7 Hz, Figur 7 einen gemeinsamen Kryostaten für eine erfindungsgemäße Drossel und einen Transformator, Figur 8 eine mobile Einsatzmöglichkeit des Kryostaten nach Figur 7 , Figur 9 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Drossel und Figur 10 eine andere Ausbildungsmöglichkeit einer solchen Drossel im Querschnitt. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Als für die Figuren zugrundegelegtes Anwendungsbeispiel ist eine sogenannte Traktionsdrossel mit HTS-Wicklung gewählt, die insbesondere im Hinblick auf einen mobilen Einsatz in Schienenfahrzeugen konzipiert ist. In den Figuren sind bezeichnet mit 2 allgemein die Drossel, mit 3 ein magnetflussführender Körper aus Blechen aus einem der bekannten ferro- magnetischen, weichmagnetischen Materialien, wobei der Körper vom sogenannten Mantelkerntyp ist (vgl. Buch von R. Feldtkel- 1er : „Theorie der Spulen und Übertrager", 4. Auflage, 1963, Verlag S. Hirzel, Stuttgart (DE), Seiten 60 bis 63), mit 4 mindestens ein zentraler Kernschenkel, mit 5 und 6 zwei seitliche, äußere Rückschlussschenkel, mit 7 und 8 ein oberer bzw. unterer, den Kernschenkel und die seitlichen Rück- Schlussschenkel magnetisch überbrückender Jochschenkel, mit 9 wenigstens eine HTS-Leiterwicklung mit Außendurchmesser D und Querschnittsfläche F, mit 10 und 11 zwei durch den oberen Jochschenkel hindurchgeführte Stromzuführungsleiter zur elektrischen Verbindung der Wicklung 9 für einen Strom I, wo- bei die Stromzuführungsleiter durch mit Isolationsmaterial gefüllte Aussparungen 16 in dem Jochschenkel verlaufen. Weiterhin sind in den Figuren mit 12 und 13 Kühlschlitze in dem oberen und unteren Jochschenkel 7 bzw. 8 zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels k zu bzw. aus der Wicklung 9 sowie mit 14 einige der die Blechpakete des magnetflussführenden Körpers 3 zusammenhaltenden Verschraubungen (- weitere sind der Übersichtlichkeit der Darstellung wegen weggelassen -) bezeichnet. Eine die Wicklung 9 umschließende Umhüllung oder Bandage ist mit 15 bezeichnet. Ferner ist mit a bzw. ax der vorteilhaft minimal zu haltende Abstand zwischen den Stirnseiten 9a und 9b der Wicklung 9 und dem jeweils zugeordneten Jochschenkel 7 bzw. 8 bezeichnet. Dieser Abstand wird selbstverständlich auch durch eventuell erforderliche Isolationsmittel zwischen der jeweiligen Wicklungsstirnseite und dem zugeordneten Jochschenkel bestimmt. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass der Abstand a bzw. aλ kleiner als das lOfache, vorzugsweise kleiner als das lfache der Wicklungsbreite b ( = halbe Differenz „Außendurchmesser minus Innendurchmesser" ) ist (vgl. auch Figur 2).
Zur Erhöhung der Induktivität der Drossel 2 ist der zentrale Kernschenkel 4 in mehrere Kernscheiben 4a aus dem ferromagne- tischen Material unterteilt, die ihrerseits durch Unterbrechungen oder Luftspalte 20 beabstandet sind. Diese Unterbrechungen sind mit isolierendem Material, vorzugsweise einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) ausgefüllt. Die ent- sprechenden Füllungen sind mit 20a bezeichnet. Der sich so ergebende Aufbau des Kernschenkels 4 alternierend aus ferro- magnetischen Kernscheiben 4a und dazwischenliegenden GFK- Füllungen 20a wird mit Hilfe einer Druckleiste 18 in axialer Richtung, d.h. in Ausdehnungsrichtung des Kernschenkels, ein- gespannt. Mittels Verschraubungen 18a wird dabei der Aufbau gegen den unteren Jochschenkel 8 gedrückt . In entsprechender Weise wird die Wicklung 9 mittels einer Druckleiste 19 und deren Verschraubungen 19a gegen den oberen Jochschenkel 7 gepresst. Eine entsprechende Einspannung kann auch für weitere, nicht dargestellte Kernschenkel und ihnen jeweils zugeordnete HTS-Leiter-Wicklungen erfolgen. Zur Kühlung der Wicklung 9 ist diese von konzentrischen, sich in axialer Richtung erstreckenden Kühlkanälen 17 umgeben und gegebenenfalls von noch weiteren axialen Kühlkanälen durchsetzt, durch die das Kühlmittel k, insbesondere flüssiger Stickstoff (LN2) , strömt. Das Kühlmittel wird über die Kühlschlitze 12 und 13 in den Jochschenkeln 7 und 8 durch die Wicklung hindurchgeleitet. Durch besondere Schlitze 12a in dem oberen Jochschenkel 7 sind auch isoliert die erforderlichen Stromzuführungsleiter 10 und 11 hindurchgeführt. Für eventuell weiterhin vorhandene Wicklungen erfolgt die Kühlung entsprechend.
Gemäß dem ausgewählten Ausführungsbeispiel ist die Drossel 2 vollständig in einem ein Kühlmittel k aufnehmenden Kryostaten angeordnet, für den vorteilhaft nicht-magnetisches Material verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform liegen der magnetflussführende Körper 3 und die HTS-Wicklung 9 zumindest weitgehend auf gleichem tiefen Temperaturniveau. Stattdessen ist es auch möglich, nur die HTS-Wicklung 9 in einem eigenen, das Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten anzuordnen. In diesem Fall umfasst die zu kühlende Masse im Wesentlichen nur den zentralen Kernschenkel 4, die sie umschließende Wicklung 9 sowie die Durchführungsbereiche des Kühlmittels k durch den wenigstens einen Jochschenkel .
Die HTS-Wicklung 9 kann vorteilhaft aus Bandleitern mit einem der bekannten HTS-Materialien wie insbesondere vom Typ Bi- 2223 hergestellt sein. Die Bandleiter sind bevorzugt mehrlagig um ein zentrales Trägerrohr gewickelt, das den zentralen Kernschenkel 4 umschließt. Eine bauliche Trennung von HTS- Wicklung und Kernschenkel kann vorteilhaft für eine unabhängige Verspannung beider Teile zwischen den Jochschenkeln ausgenutzt werden. Es lässt sich so das Auftreten von Kräften zwischen der Wicklung und dem Kernschenkel beim Abkühlen der Drossel verhindern. Statt HTS-Leiter mit Material vom Bi-2223-Typ können selbstverständlich auch andere Leiter wie zum Beispiel YBCO- Bandleiter zum Einsatz kommen.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Drossel 2 nach Figur 1 in einem mittleren Bereich der Drossel.
Aus der Aufsicht auf diese Drossel gemäß Figur 3 z.B. bezüglich ihres oberen Jochschenkels 7 sind die Kühlschlitze 12 in diesem Schenkel deutlich erkennbar. Diese Kühlschlitze innerhalb des Pakets aus Elektroblechen 26 des Jochschenkels 7 sind dabei nicht maßstäblich veranschaulicht. Durch mindestens einen verbreiterten, mit 12a bezeichneten Schlitz in dem Jochschenkel sind die Stromzuführungsleiter 10 und 11 iso- liert hindurchgeführt. Der Schlitz 12a ist mit Abstandsleis- ten 25 aus einem isolierenden Material wie zum Beispiel aus GFK sowie mit der Druckleiste 18 teilweise ausgefüllt. Zwischen den einzelnen Elektroblechen 26 des Jochschenkels 7 befinden sich zu deren Beabstandung und zur Ausbildung der Kühlschlitze 12 Distanzstücke 27 ebenfalls aus GFK. Die Figur zeigt auch, dass die Breite B des Jochschenkels wenigstens annähernd so groß, vorzugsweise größer als der Durchmesser D der Querschnittsfläche F der Wicklung 9 gewählt wird.
Der Testbetrieb einer konkreten Ausführungsform der Drossel 2 nach den Figuren 1 bis 3 zeigt die Übereinstimmung der elektrischen Kenndaten mit der Auslegung. Bei Nennbetrieb mit 87 kVA und 16,7 Hz entspricht den Verlusten von 120 W ein Gütefaktor von 726. Unter Berücksichtigung der Kühlung ergibt sich ein gesamter Wirkungsgrad von 98,5 % . Die Gegenüberstellung der HTS-Testdrossel mit einer konventionellen Kupfertraktionsdrossel zeigt das für HTS-Betriebsmittel typische Potenzial in der Massen- und Volumenreduktion von 42 % und 60 %, sowie eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads bzw. Verminderung der Durchlassverluste um 3,5 %. In der nachfolgend aufgeführten Tabelle 1 sind die Eigenschaften der ausgewählten HTS-Drossel 2 bei Nennbetrieb zusammengestellt. Ströme und Spannungen werden durch Effektivwerte, Felder durch Amplituden beschrieben. Figur 1 zeigt die ausgewählte Ausführungsform der HTS-Drossel. Die Drossel besitzt einen bewickelten Kernschenkel vorzugsweise mit Scheibenkern. Jochschenkel und Rückschlussschenkel dienen zur Vermeidung von Streufeldern. Die Drossel ist für Betrieb bei 16,7 Hz und 87 kVA ausgelegt. Der Νennstrom von 347
Figure imgf000012_0001
ent- spricht dem typischen Traktionsstrom im Regionalbahnbetrieb. Die erforderliche Stromtragfähigkeit wird durch Verwendung eines 13fachen Roebelleiters aus Bi-2223 Bandleitern erreicht. Um eine gleichmäßige Stromaufteilung sicherzustellen, besteht der Roebelleiter aus isolierten, kontinuierlich transponierten Einzeldrähten (vgl. Beitrag von V. Hussen- nether et al . : ,ΛDC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Con- ductors Designed for High-Current Applications", ICMC 2003, Twente, The Νetherlands) . In den nach dem Pulver-im-Rohr Verfahren hergestellten Bandleitern liegt die spröde, supralei- tende Keramik in Form von Filamenten vor, die mit einer stabilisierenden Metallhülle zu flexiblen Drähten verbunden sind. Zur Verringerung der AC-Verluste kann vorteilhaft ein Leiter mit verdrillten Filamenten verwendet werden. Die Induktivität der konkreten Wicklung beträgt 2,9 mH und erhöht sich vorteilhaft durch Verwendung eines durch magnetische
Luftspalte gescherten Scheibenkerns auf 6,9 mH. Des weiteren weist die Drossel folgende konstruktiven Merkmale auf:
• Um die Eisenverluste relativ zu den HTS-Wicklungsverlusten möglichst gering zu halten, werden Joch und Rückschluss mit der bei Nennbetrieb auftretenden Induktion von 586 mT deutlich überdimensioniert.
• Die isolierten Kupferstromzuführungen führen vorteilhaft in der axialen Mitte der Drossel durch die obere Jochbrücke. Im Gegensatz zu konventionellen Drosseln erlaubt es diese Bauweise, den Abstand a bzw. a' zwischen Wicklung und Joch zu minimieren und damit die an den Wicklungsenden auftretenden radialen Feldkomponenten zu unterdrücken. Dieser räumlich gesehene, geometrische Abstand kann so vorteilhaft unter 1 mm gehalten werden. • Die Drosselspule enthält eine 6-lagige HTS-Wicklung, deren Lagen durch Kühlkanäle getrennt sind. Der Querschnittsan- teil der Kühlkanäle beträgt beispielsweise 50 %. Vorteilhaft werden in den Jochbrücken beispielsweise durch GFK- Beilagen Kühlschlitze freigehalten, durch die der als Kühlmittel k verwendete LN2 die Kühlkanäle der Wicklung erreicht. Zur Messung befindet sich die Drossel hängend in einem Edelstahlkryostat . Die LN-Temperatur wird zwischen 65 K und 77 K variiert. Die elektrischen Messungen erfolgen in 4-Punkt Geometrie. DC-Transportmessungen werden über ein E-Feld- Kriterium von Ec = lμV/cm für den kritischen Strom Ic ausge- wertet. AC-Verluste P werden elektrisch mit Hilfe eines Leistungsmessgeräts (Siemens Functionmeter B1082) mit einer Genauigkeit von 10 % bestimmt . Im Verlauf des Messprogramms wird die Drossel mehreren Abkühlzyklen unterworfen. Dabei treten keine Veränderungen des Wicklungswiderstands bei Raum- temperatur und des kritischen Stroms der abgekühlten Drossel auf .
Tabelle 1: Eigenschaften der HTS-Drossel
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Die Stromtragfähigkeit wird im Temperaturbereich zwischen 65 K und 77 K sowohl für die Wicklung ohne Scheibenkern, Joch und Rückschlussschenkel als auch für die vollständig montierte Drossel bestimmt. Als Maß der Stromtragfähigkeit dient der kritische Strom Ic, bei dem die HTS-Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Betriebszustand übergeht. In Figur 2 sind die experimentell ermittelten kritischen Ströme zusammen mit den Vorhersagen aus Modellrechnungen dargestellt. Im Vergleich zur Wicklung ist der kritische Strom der Drossel um etwa 20 % zu höheren Strömen verschoben. Zurückzuführen ist diese Steigerung auf die Verringerung der radialen Magnetfeldkomponenten an den Wicklungsenden durch das Einfügen des Eisenjochs in unmittelbarer Nähe der stirnseitigen Wicklungsenden .
Die Stromtragfähigkeit der Bandleiter verhält sich anisotrop gegenüber äußeren Magnetfeldern B und ist durch eine starke Abnahme für senkrecht zur Leiteroberfläche gerichtete Felder Bi gekennzeichnet. Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann durch folgendes Potenzgesetz beschrieben werden:
E ' I (1) Ec V∑cy
Mit dem in „Supercond. Sei. Technol . " 16 (2003), Seiten 339 bis 354 angegebenen analytischen Verlauf von IC(B, T) und n(B, T) für die verwendeten Bi-2223-Bandleiter ergibt sich ein einfaches Modell, das den kritischen Strom einer Lagenwicklung aus der Kennlinie (1) unter Berücksichtigung des ma- ximalen Radialfelds an den Wicklungsenden berechnet. Die durchgezogenen Linien in Figur 4 geben die auf diese Weise berechneten kritischen Ströme wieder.
Der verschwindende ohmsche DC-Widerstand bewirkt in Supraleitern im AC-Betrieb das Auftreten magnetisch hysteretischer Effekte, welche die Ursache für AC-Verluste bilden. Im Detail hängen diese von den AC-Strom- und AC-Feldkomponenten ab (vgl. die genannte Literaturstelle aus „Supercond. Sei. Tech- nol.") . Figur 5 zeigt die bei Nennfrequenz von f = 16,7 Hz bestimmten AC-Verluste P der Drossel in Abhängigkeit des Stroms I. Im Gegensatz zum annähernd verlustlosen DC-Betrieb führen die auftretenden AC-Verluste zu einer Erwärmung der Drossel. Wesentlich für den Betrieb ist dabei, dass sich über den gesamten Strombereich eine stationäre Temperaturverteilung einstellt. Zum Vergleich sind zwei nach dem in der genannten Literaturstelle aus „Supercond. Sei. Technol . " beschriebenen Verfahren berechneten AC-Verlustkurven eingezeichnet. Diese entsprechen der LN2-Temperatur von 68 K zu Beginn der Messreihe und der am Ende auftretenden maximalen
Temperatur der Drossel von 74 K. Die experimentell bestimmten Verluste werden von den beiden berechneten Verlustkurven eingeschlossen. Insbesondere ist mit zunehmendem Strom eine Annäherung an die für die maximale Temperatur von 74 K berech- neten Verluste zu erkennen. Bei Nennstrom von 347 A betragen die Verluste der Drossel 120 W. Der Einsatz in Figur 5 zeigt die relativen Anteile der Verlustkomponenten bei Nennstrom und 74 K. Für die HTS-Wicklung werden Eigenfeldverluste, Wirbelstromverluste in der Ag-Hülle der Bandleiter, Magnetisie- rungsverluste und dynamischer Widerstand berücksichtigt. Wie für die beschriebene Drossel angenommen, beträgt der Anteil des Eisens nur 6 % an den Gesamtverlusten. Der Hauptbeitrag von 56 % stammt von den parallel zur Bandleiteroberfläche wirkenden Axialfeldern. Die senkrecht zur Bandleiteroberflä- ehe wirkenden Radialfelder tragen 36 % zu den Gesamtverlusten bei. Bei der vorstehend angesprochenen konstruktiven Auslegung einer Drossel kann der Beitrag der senkrecht zur Band- leiteroberflache wirkenden Radialfelder deutlich verringert werden .
Die Induktivität L der Drossel ergibt sich für ein axiales Modell zu
L_μ0W2π (μ-l)D 2+D 2 + 4H„ X. D„ (2)
Für die HTS-Drossel folgt aus den in Tabelle 1 angegebenen Werte für die Windungszahl W, Wicklungshöhe Hw, relative Per- meabilität des Scheibenkerns μ, Eisendurchmesser des Scheibenkerns De, Innen- und Außendurchmesser der Wicklung Dw, Da eine Induktivität L von 6,7 mH. Experimentell folgt die Induktivität L aus der Verlustmessung mit der Spannung U bei der Frequenz f
Figure imgf000017_0001
Dabei sind I der Strom durch die Wicklung und P die Verlustleistung der Drossel.
In Figur 6 ist die Induktivität L für die Messreihe aus Figur 5 dargestellt. Die Drossel besitzt eine Induktivität von 6,9 mH, die über den gesamten Bereich um weniger als ±1 % schwankt. Wesentlich für die konstante Induktivität ist dabei, dass die maximalen bei einem Strom von 450 A auftreten- den Induktionen in Joch bzw. Scheibenkern von 0,737 T bzw. 1,35 T noch unterhalb der Sättigungsinduktivität des Eisens von 2,03 T liegen. Die mit der Bezeichnung (2) berechnete Induktivität weicht um weniger als 3 % von der experimentell bestimmten Induktivität ab.
Weitere wesentliche Kenndaten der Drossel sind Gütefaktor Q und Wirkungsgrad η _ UI , _ 2πφLP , - 1 . ..
0 =— bzw. 0 =— und rι - \ , (4) P P Q
die ebenfalls aus der Verlustmessung folgen. Bei Nennbetrieb ergibt sich ein Gütefaktor von 726 für die Drossel, der einem elektrischen Wirkungsgrad von 99,9 % entspricht. Er liegt somit deutlich über der geforderten Größe von mindestens 300, vorzugsweise von mindestens 700.
Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrads der Drossel muss zu- sätzlich die für die Abfuhr der Verluste erforderliche Kühlung berücksichtigt werden. Der in Figur 6 dargestellte gesamte Wirkungsgrad folgt aus der Beziehung (4) unter der Annahme eines Kühlaufwands von 10 W/W, mit dem die Verluste beaufschlagt werden. Bei Nennbetrieb beträgt der gesamte Wir- kungsgrad der Drossel 98,5 %. Im Gegensatz zur Induktivität deutet sich ein Abfall des Wirkungsgrads oberhalb von 400 A an, der durch den Anstieg der Verluste der HTS-Wicklung beim Übergang in den resistiven Betriebszustand hervorgerufen wird.
Die HTS-Drossel demonstriert eine besondere Möglichkeit, HTS- Komponenten für die Energietechnik einschließlich der erforderlichen HTS-spezifischen Anforderungen zu verwenden. Die weitgehende Übereinstimmung zwischen berechneten und experi- mentell ermittelten Eigenschaften der Drossel belegt die Ver- lässlichkeit der für die Konstruktion und für die Vorhersage des Betriebsverhaltens erforderlichen Rechenmodelle.
Wesentlich für den Einsatz von HTS-Komponenten ist das Kühl- konzept. Der Betrieb mit LN als Kühlmittel k erweist sich als umweltfreundlich gegenüber der Ölkühlung konventioneller Systeme .
Nachfolgend werden Volumen, Masse, Güte und Wirkungsgrad der HTS-Drossel einer konventionellen 290 kVA-Kupferdrossel mit zwei bewickelten Schenkeln und Scheibenkernen gegenüberge- stellt. Aufgrund des für die HTS-Drossel überdimensionierten Jochs und der Rückschlussschenkel werden nur die bewickelten Schenkel betrachtet. Masse und Volumen der HTS-Drossel werden in bekannter Weise mit Hilfe von Transformatorwachstumsge- setzten auf die Leistung der Kupferdrossel skaliert. Da es keine allgemein gültige Skalierung für die Verluste von HTS- Wicklungen gibt, beziehen sich Güte und Wirkungsgrad in der nachfolgenden Tabelle 2 auf die Messwerte der HTS-Drossel. Wie für konventionelle Technik ist jedoch auch für HTS von einer Zunahme der Güte und des Wirkungsgrads mit zunehmender Leistung auszugehen.
Aus Tabelle 2 folgt für die HTS-Drossel eine Massen- bzw. Volumenreduktion von 42 % bzw. 60 %, die typische Werte für HTS-Wicklungen darstellen. Eine weitergehende Betrachtung erfordert die Berücksichtigung aller Systemkomponenten einschließlich des Kühlkonzepts.
Verglichen mit konventionellen Wicklungen zeichnen sich HTS- Wicklungen durch äußerst hohe Gütefaktoren aus. Die konkrete HTS-Drossel nach der Erfindung besitzt bei Nennbetrieb einen Gütefaktor von 726. Im Gegensatz zu konventionellen Drosseln muss für HTS-Drosseln zwischen dem elektrischen Gütefaktor und dem durch den Kühlaufwand verringerten gesamten Gütefak- tor, der den für den Betrieb erforderlichen gesamten Wirkungsgrad kennzeichnet, unterschieden werden.
Tabelle 2 : Vergleich Kupfer- und HTS-Drossel
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Für den gemeinsamen Einsatz mehrerer HTS-Komponenten, z.B. HTS-Transformator in Verbindung mit HTS-Drossel, bietet sich ein zentrales Kühlkonzept bestehend aus Kryostat, Kälteanla- ge, LN2-Reservoir und LN2-Pumpe zur Zwangskühlung an. Nach Möglichkeit lassen sich die Systemverluste durch gemeinsame Stromzuführungen mehrerer Komponenten verringern.
Ein entsprechendes Kühlkonzept, bei dem in einem Kryostaten weitere Komponenten mit HTS-Material angeordnet sind, ist in Figur 7 angedeutet. Dementsprechend befindet sich in einem Kryostaten 22, der mit einem Kühlmittel k wie insbesondere LN2 gefüllt ist, ein bekannter HTS-Transformator 23 sowie eine erfindungsgemäße Drossel 2. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Kühltechnik für einen mobilen Einsatz, wie z.B. in Figur 8 angedeutet ist. Diese Figur zeigt einen ICE-Triebkopf 24 mit einem Einbau eines derartigen Kryostaten für eine erfindungsgemäße HTS-Traktionsdrossel 2 und einen HTS- Traktionstransformator 23 mit Transformatorwicklungen 23a und Eisenkern 23b. Hierbei wird vorteilhaft die HTS- Traktionsdrossel mit der Unterspannungswicklung des HTS- Traktionstranformators in Reihe geschaltet, um die für einen Umrichterbetrieb des Transformators geforderte Kurzschlussinduktivität zu erreichen.
Das Design von erfindungsgemäßen HTS-Drosseln kann bezüglich Masse, Volumen, Güte bzw. Wirkungsgrad oder Systemkosten optimiert werden. Entsprechend dem vorgesehenen Einsatz ergeben sich unterschiedliche Optimierungsschwerpunkte mit zum Teil gegenläufigen Abhängigkeiten.
Bei den vorstehend angesprochenen Figuren wurde davon ausgegangen, dass die Drossel jeweils nur einen einzigen zentralen, von einer HTS-Wicklung umschlossenen Kernschenkel be- sitzt. Die erfindungsgemäßen Gestaltungsmerkmale sind jedoch vorteilhaft auch auf Ausführungsformen von Drosseln anwendbar, die, ausgehend von den dargestellten Ausführungsformen, statt des einen zentralen Kernschenkels mehrere solcher axialen Kernschenkel aufweisen, wobei diesen jeweils eine HTS- Wicklung oder zumindest Teile einer solchen zugeordnet sind. Die nachfolgend erläuterten Figuren 9 und 10 zeigen derartige Ausführungsformen, wobei nicht dargestellte Teile der Drosseln denen nach den Figuren 1 bis 3 entsprechen.
So geht aus Figur 9 eine Drossel 29 nach''der Erfindung mit einem magnetflussführenden Körper 30 hervor, der mehrere axi- ale Kernschenkel aufweist. Neben seinen zwei solchen Schenkeln 31a, 31b kann der Körper 30 mindestens einen weiteren, allgemein mit 31j bezeichneten Kernschenkel aufweisen, so dass für ihn dann eine Form des bekannten Manteltyp gegeben ist. Mit dem Index j z.B. bzgl. des Kernschenkels 31j soll dabei angedeutet sein, dass die erfindungsgemäße Drossel 29 mindestens zwei Kernschenkel (31a, 31b) aufweist und gemäß einer besondere Ausführungsform mindestens einen weiteren Kernschenkel (31j; mit j= c,d, ...) umfasst. Jeder dieser Kernschenkel ist analog zu der Ausführungsform des Kernschen- kels 4 nach Figur 1 durch magnetische Luftspalte 20 unterbrochen. Jeder der Kernschenkel ist dabei von einer HTS-Leiter- Wicklung 32a bzw. 32b bzw. 32j umschlossen. Da gemäß der angedeuteten Ausführungsform diese Wicklungen jeweils in einem eigenen Kryostaten 33a bzw. 33b bzw. 33j angeordnet sind, be- sitzt die Drossel 29 einen warmen magnetflussführenden Körper 30 mit den Jochschenkeln 7 und 8. Auf eine Darstellung der Kühlmittelzufuhr zu den einzelnen HTS-Leiter-Wicklungen und der erforderlichen Stromzuführungen wurde in der Figur verzichtet. Diese Teile entsprechen denen nach den Figuren 1 bis 3.
Bei der in Figur 10 angedeuteten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drossel 34 wird davon ausgegangen, dass ihre beiden axialen Kernschenkel 35a und 35b, die in axialer Rich- tung nicht unterteilt sind, zusammen mit sie umschließenden
Wicklungen 32a und 32b in einem gemeinsamen Kryostaten 36 angeordnet sind. Die Drossel besitzt deshalb einen kalten mag- netflussführenden Körper 37, dessen Form vom sogenannten UI- Typ ist.

Claims

Patentansprüche
1. Drossel (2, 29, 34) mit einem magnetflussführenden Körper (3, 30, 37) aus fer- romagnetischem Material, umfassend mindestens einen axialen Kernschenkel (4; 31a bis 31j ; 35a, 35b), zwei dazu parallele seitliche Rückschlussschenkel (5, 6) sowie zwei den mindestens einen axialen Kernschenkel und die Rückschlussschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel (7, 8), mit wenigstens einer den mindestens einen Kernschenkel (4; 31a bis 31j ; 35a, 35b) umschließenden Hochtemperatursupraleiter-Wicklung (9; 32a bis 32j), mit Stromzuführungen (10, 11) der wenigstens einen Wick- lung (9; 32a bis 32j), die durch wenigstens einen der Jochschenkel (7) im Bereich der Querschnittsfläche (F) der anliegenden Wicklung geführt sind, und mit Mitteln zur Kühlung der wenigstens einen Wicklung (9; 32a bis 32j) .
2. Drossel (2, 29, 34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetflussführende Körper (3, 30, 37) mindestens zwei axiale Kernschenkel (4; 31a bis 31j; 35a, 35b) sowie zwei die Kernschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel (7, 8) umfasst, die axialen Kernschenkel (4; 31a bis 31j; 35a, 35b) von Hochtemperatursupraleiter-Wicklungen (9; 32a bis 32j) um- schlössen sind und die Stromzuführungen (10, 11) der Wicklungen durch wenigstens einen der Jochschenkel (7) im Bereich der Querschnittsfläche (F) der jeweils anliegenden Wicklung ge- führt sind.
3. Drossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetflussführende Körper (3; 30) in seinem mindestens einen Kernschenkel (4; 31a bis 31j) wenigstens eine Unterbrechung (20) des ferromagnetischen Materials aufweist.
4. Drossel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Unterbrechung (20) mit isolierendem Material ausgefüllt ist.
5. Drossel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Unterbrechung (20) mit einem glasfaserverstärktem Kunststoff ausgefüllt ist.
6. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zu einer axialen Einspannung des mindestens einen Kernschenkels (4; 31a bis 31j) und/oder der ihn umschließenden Wicklung (9; 32a bis 32j ) vorgesehen sind.
7. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch einen Aufbau der wenigstens einen Wicklung (9; 32a bis 32j) mit Hochtemperatursupraleitungs-Roebelleitern, die vorzugsweise isolierte, kontinuierlich transponierte Einzeldrähte aufweisen.
8. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Jochschenkel (7, 8) zumindest annähernd dem Außendurchmesser (D) der wenigstens einen Wicklung (9; 32a bis 32j) entspricht.
9. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a, al) der Stirnseiten (9a, 9a N der wenigstens einen Wicklung (9) von dem jeweiligen Jochschenkel (7, 8) kleiner als das lOfache, vorzugsweise kleiner als das lfache der halben Differenz (b) zwischen Au- ßen- und Innendurchmesser der Wicklung (9) ist.
10. Drossel nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a, aλ) der Stirnseiten (9a, 9aλ) der einzelnen Wicklungen (9; 32a bis 32j) von dem jeweiligen Jochschenkel (7, 8) kleiner als das lOfache, vorzugsweise kleiner als das lfache der halben Differenz (b) zwischen Außen- und Innendurchmesser der jeweiligen Wicklung ist.
11. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch eine Kühlmittelzufuhr durch wenigstens einen der Jochschenkel (7, 8) in stirnseitigen Bereichen der wenigstens einen Wicklung (9; 32a bis 32j ) .
12. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wicklung (9; 32a bis
32j) axiale Kühlkanäle (17) aufweist.
13. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung in einem ein Kühlmittel (k) aufnehmenden Kryostaten (36) .
14. Drossel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kryostaten weitere Komponenten mit Hochtemperatursupraleiter-Material angeordnet sind.
15. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wicklung (9) in einem eigenen, ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten angeordnet sind.
16. Drossel nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungen (9; 32a bis 32j) jeweils in einem eigenen, ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten (33a bis 33j) angeordnet sind.
17. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Kühlmittel (k) flüssiger Stickstoff (LN ) vorgesehen ist.
18. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau der mindestens einen Wicklung (9; 32a bis 32j).
19. Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch einen Gütefaktor Q von mindestens 300, vorzugsweise von mindestens 700.
20. Verwendung der Drossel nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem umrichtergesteuerten Antrieb.
21. Verwendung der Drossel nach Anspruch 20 als Traktionsdrossel oder als Hilfsbetriebsdrossel oder als Zwischenkreis- drossel oder als Glättungsdrossel, insbesondere für einen mobilen Einsatz.
22. Verwendung der Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Strombegrenzung.
23. Verwendung der Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in einem System der Energieübertragung, insbesondere zu einer
Blindleistungskompensation.
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