DE2143568C3

DE2143568C3 - Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie über einen Transformator

Info

Publication number: DE2143568C3
Application number: DE2143568A
Authority: DE
Inventors: Jean Paris Denel; Jean- Pierre Chatenay-Malabry Krebs; Enrique Villiers-Sur-Orge Santa-Maria
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1970-09-07
Filing date: 1971-08-31
Publication date: 1980-07-17
Also published as: BE771734A; GB1327500A; LU63820A1; DE2143568A1; NL7111892A; DE2143568B2; FR2105430A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie, bestehend aus einer Energiequelle, einer daraus aufgeladenen supraleitenden Speicherspu-Ie mit daran anliegender supraleitender Umschalteinnchlung, die in Parallelschaltung aus der Energiequelle gespeist werden, ferner bestehend aus einer einen Verbraucherstromkreis speisenden Sekundärwicklung, die zusammen mit der Speicherspule einen Transformator bildet, sowie aus ersten Steuervorrichtungen, welche die Umschalteinrichtung während der Speicherung in den supraleitenden Zustand nahe dem Widerstanswert Null und während der Ladung in den Normalzustand mit einem endlichen Widerstandswert versetzen.

Es ist bekannt magnetische Energie in supraleitenden Spulen zu speichern. Das Prinzip dieser Speicherung beruht auf einer Eigenschaft bestimmter Metalle oder Legierungen, einen Widerstandswert nahe Null bei einer am absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur aufzuweisen, also supraleitend zu werden. Wenn Energie in einer Spule mit einem Widerstandswert nahe Null gespeichert wird, kann sie in ihr eine sehr lange Zeit, beispielsweise mehrere Jahre, gespeichert I leiben.

Eine Hochleistungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus »Proceedings of the lEE«, Januar 1966, S. 67—68, bekannt.

Das Laden der supraleitenden Speicherspule und die Verwendung der gespeicherten Energie in Form schneller Impulse hoher Leistung erfordern eine Umschalteinrichtung, die parallel zu den Klemmen der supraleitenden Speicherspule angeordnet ist. Zur Ladung wird eine elektrische Spannungsquelle parallel zu der aus Umschalteinrichtung und Spule bestehenden Anordnung geschaltet. Die Abgabe der Energie erfolgt über einen Transformator, in dem die Speicherspule die Primärwicklung darstellt, und eine zweite, nicht supraleitende Spule bildet die Sekundärwicklung, an deren Klemmen ein Nutzwiderstand angeschlossen wird. Beim Betrieb der Vorrichtung unterscheidet man die Ladung, bei der die Umschalteinrichtung einen hohen Widerslandswert haben muß, die Speicherung, bei der die Umschalteinrichtung gesperrt ist, um die supraleitende Spule kurzzuschließen, und die Energieabgabe, in der die Umschalteinrichtung einen sehr hohen Widerstandswert hat, der höher ist als der auf die Primärwicklung bezogene Wert des Nutzwiderstandes. Die Umschalteinrichtung muß einen sehr hohen Widerstandswert in der Entladephase aufweisen, damit Energie in den Nutzwiderstand abgegeben werden kann. Bei der Umschalteinrichtung kann es sich um eine supraleitende Einrichtung handeln, die vom supraleitenden in den Normalzustand übergehen kann. Der Übergang vom supraleitenden Zustund in den Normalzustand hängt von drei Parametern aD, der Temperatur, der Stromstärke und dem magnetischen Feld. Der Übergang kann bei einer gegebenen Temperatur durch Erzeugung eines zusätzlichen magnetischen Feldes erfolgen. Dieses magnetische Feld übersteigt den kritischen Wert, und der supraleitende Zustand wird plötzlich aufgehoben. Dieses Prinzip wird im allgemeinen für den Übergang der Umschalteinrichtung vom supraleitenden in den normalen Zustand und umgekehrt angewandt. Bei der bekannlen Vorrichtung bleibt die Speicherwicklung während der Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie supraleitend, oder sie weist während dieser einen sehr schwachen Widerstand auf. Zum Zeitpunkt der Entladung weist die Umschalteinrichtung einen hohen Widerstand auf, und an den Klemmen der Speicherwicklung liegt eine Überspannung.

Es ist schwierig, eine Spannung von 100 kV auf der Primärseite des Transformators der Vorrichtung bedingt durch die derzeitig gegebenen Möglichkeiten zu überschreiten. Da der die Speicherspule durchfließende Strom zur Zeit 100000 A im Dauerbetrieb nicht übersteigen kann, beträgt die kurzzeitige Höchstleistung 10 GW; im übrigen muß die Umschalteinrichtung im Normalzustand einen hohen Widerstand aufweisen. Dies erfordert eine sehr lange supraleitende Spule. Preis und Platzbertarf der Umschaltwicklung liegen im wesentlichen in der gleichen Größenordnung wie die Werte der Speicherspule.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Größenordnung der Hauptwicklung der Umschalteinrichtung kleiner zu halten als die der Speichereinrichtung und die von der Speichereinrichtung kurzzeitig abgebbare Leistung zu erhöhen. ί

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei- in spiels in Form eines elektrischen Schaltplans der Hochleistungsvorrichtung erläutert:

Eine supraleitende Speicherspule 1 ist schematisch durch ein Rechteck dprgestellt. In ihr sind die Hauptwicklung 2 und zwei Klemmen 3 und 4 einer nicht ι ϊ veranschaulichten Steuerwicklung als zweite Steuervorrichtung zur Überführung der Speicherspule 1 vom supraleitenden in den Normalzustand enthalten. Die Steuerwicklung kann an eine nicht dargestellte Vorrichtung wie eine Kondensatorbatterie angeschlossen jo werden, wodurch ein starker elektrischer Impuls entsteht. Die Steuerung kann ebenfalls thermirch erfolgen. Die Hauptwicklung 2 ist als Spule großen Durchmessers und geringer Länge ausgebildet. Sie besteht beispielsweise aus einem mehradrigen supralei r> tenden Kabel aus Niob, das mit 40% Titan legiert ist, wodurch hohe Stromstärken erzielt werden können. Das supraleitende Kabel weist einen leitenden Metallmantel auf, der aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand n> bestehen kann. Wenn die Speicherspule 1 sich im supraleitenden Zustand befindet, ist ihr Widerstandswert Null. Im Normalzustand ist ihr elektrischer Widerstand hoch, und zwar aufgrund des hohen Widerstands des parallel zur Hauptwicklung 2 angeord- Ji neten Mantels.

Durch ein weiteres Rechteck ist eine Umschalteinrichtung 5 schematisch dargestellt, in der sich eine .supraleitende Hauptwicklung und eine durch die Klemmen 6 und 7 bezeichnete Steuerwicklung befinden, ι» Die Hauptwicklung besteht beispielsweise aus einem Kabel aus Niob-Drähten, die mit 40% Titan legiert sind; die Steuerwicklung, die magnetisch sein kann, besteht aus einem nicht supraleitenden Metalldraht, beispielsweise Kupfer. Die Umschalteinrichtung kann so aus -r. dem supraleitenden in den Normalzui'and übergehen.

Die Umschalteinrichtung ist als kleine, längliche Spule ausgebildet. Der Mantel, der ihre Hauptwicklung umgibt, besteht aus einem leitenden Metall oder einer leitenden Legierung wie Kupfer, Kupfer-Nickel-Legie- in rung. Silber oder Gold. Die Umschalteinrichtung weist im Normalzustand einen schwachen Widerstand auf. Es ist zu bemerken, daß die Umschalteinrichtung wegen der geringen Länge ihrer Hauptwicklung wenig supraleitendes Kabel aufweist. ^r,^r>

Die aus Metallfolie»! hergestellte und an die Speicherspule 1 angeschlossene Sekundärwicklung 8 weist einige Windungen, gegebenenfalls nur eine einzige Windung auf, so di>ß ein hohes Übersetzungsverhältnis vorliegt. t>n

Der Widerstand 9 stallt den Ersätzwiderstand des Verbraucherstromkreises dar, auf den die Entladeimpulse gegeben werden.

Das aus der Speicherspule 1, der Umschalteinrichtung 5 und der Sekundärwicklung 8 bestehende Ganze ist in ω einem Tieftemperaturbehälter 10 untergebracht. Die Kühlung wird durch flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,2° K gewährleistet.

Die Spannungsquelle 11 gibt eine Spannung Uab und weist einen Innenwiderstand 12 auf.

Der Schalter 13 ermöglicht die völlige Isolierung des Speicherstromkreises von der Spannungsquelle 11.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist folgende:

Wenn der Schalter 13 geschlossen ist, fließt Gleichstrom in die Speicherspule 1, die im supraleitenden Zustand verbleibt, während die Umschalteinrichtung 5 mittels eines auf die Klemmen 6 und 7 gegebenen Steuerimpulses in den Normalzustand versetzt wird. Es erfolgi: eine Verstärkung des durch die Speicherspule 1 fließenden Stromes. Das Laden wird infolge des Widerstandes möglich, den die Umschalteinrichtung 5 im Normalzustand darstellt und der an den Klemmen der Speicherspule 1 anliegt. Dieser Vorgang ist die Ladung.

In einem zweiten Betriebsfall ist der Schalter 13 geöffnet, und die Umschalteinrichtu.y 5 wird dadurch supraleitend, daß der auf die Klemmen 6 u.id 7 gegebene Steuerstrom unterbrochen wird. Die Speicherspule 1 verbleibt im supraleitenden Zustand. Der Strom fließt in dem von der Speicherspule 1 und der Hauptwicklung der Un.oChalteinrichtung 5 gebildeten Ganzem, das einen Widerstandswert bei Null aufweist. In der Sekundärwicklung 8 fließt kein Strom, weil der Widerstand 9 als Nutzwiderstand sich gegenüber den supraleitenden Wicklungen der Umschalteinrichtung 5 und der Speicherspule 1 wie ein unendlich großer Widerstand verhält. Dieser zweite Betriebsfall ist die Speicherung.

In einem dritten Betriebsfall, der Entladung, bleibt die Umschalteinrichtung 5 supraleitend. Der Schalter 13 bleibt geöffnet, und die Steuerwicklung mit den Klemmen 3 und 4 wird betätigt. Die Speicherspule I geht in den Normalzustand über und weist einen hohen Widerstandswert auf. Dieser Widerstandsweri ist größer als das Produkt des Wertes des Widerstandes 9mal dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses η des durch die Hauptwicklung 2 und die Sekundärwicklung 8 gebildeten Transformators.

Das Übersetzungsverhältnis π ist sehr groß.

Der Zustandswechsel der Speicherspule 1 rrfolgt dadurch, daß die Hauptwicklung 2 kurzgeschlossen bleibt, da der Widerstandswert der Umschalteinrichtung 5 Null ist. Da die Hauptwicklung 2 einen geschlossenen Stromkreis aufweist, tritt an den Klemmen der Primärwicklung keine Spannung auf. Das ermöglicht die Erzeugung höherer Spannungen auf der Sekundärseite. Es können Spannungen von 100 kV auf der Sekundärseite auftreten. Da das Übersetzungsverhältnis groß ist, k::nn ,ie:' an die Sekundärwicklung abgegebene Strom 10⁷ A erreichen. Die kurzzeitige Höchstleistung is' in diesem Fall gleich 1000 GW.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht somit zusammenfassend darin, daß sie in allen den Fällen angewendet werden kann, in denen die abgegebene kurzzeitige Leistung erhöht werden soll, wobei die Speicherspule bestimmte Aufgaben einer Umschalteinrichtung zu erfüllen hat.

Die Vorrichtung kann für die Speicherung und Abgabe hoher Energien in Laserblitzlampen und für Plasmaentladungen "erwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie, bestehend aus einer Energiequelle, einer daraus aufgeladenen supraleitenden Speicherspule, mit daran anliegender supraleitender Umschalteinrichtung, die in Parallelschaltung aus der Energiequelle gespeist werden, ferner bestehend aus einer einen Verbraucherstromkreis speisenden Sekundärwicklung, die zusammen mit der Speicherspule einen Transformator bildet, sowie aus ersten Steuervorrichtungen, welche die Umschalteinrichtung während der Speicherung in den supraleitenden Zustand nahe dem Widerstandswert Null und während der Ladung in den Normalzustand mit einem endlichen Widerstandwert versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherspule (1), zweite Steuervorrichtungen (Klemmen 3,4) aufweist, die sie während der Energieabgabe aus dem supraleitenden in den Normalzustand versetzen.
2. Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Steuervorrichtungen (Klemmen 3,4), die den Zustandswechsel der Speicherspule (1) bewirken, Steuerwicklungen zur Übertragung eines Steuerimpulses aufweisen.
3. Hochleistungsvorrichtuiig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherspule (1) im Noiiiialzustand einen Widerstandswert aufweist, der in Bezug auf den auf die Primärwicklung des Transformators bezogenen Widerstand des Verbrauchei .Stromkreises hoch ist.
4. HochleistungsvcrrichtiT'g nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherspule (1) in Parallelschaltung mit der supraleitenden Wicklung einen Mantel sehr hohen, spezifischen elektrischen Widerstands aufweist.
5. Hochleistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (5) eine Hauptwicklung aufweist, deren Widerstandswert im Normalzustand in Bezug auf den auf die Primärwicklung des Transformators bezogenen Widerstand des Vei · braucherstromkrcises niedrig ist.
6. Hochleislungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Steuervorrichtungen so ausgelegt sind, daß sie die Umschalteinrichtung (5) während der Energieabgabe in ihrem supraleitenden Zustand halten.