DE2143568C3 - Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie über einen Transformator - Google Patents
Hochleistungsvorrichtung für aufeinanderfolgende Ladung und Speicherung oder Abgabe von Energie über einen TransformatorInfo
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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 (6)
- 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.
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