DE3005227A1

DE3005227A1 - Generator zur erzeugung eines starken magnetfelds und verfahren zum betreiben desselben

Info

Publication number: DE3005227A1
Application number: DE19803005227
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Sato
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-02-13
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1980-08-14
Also published as: JPS6115565B2; US4349853A; DE3005227C2; JPS55107209A; CH650120A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung eines starken Magnetfelds unter Verwendung von Schutzspulen in Verbindung mit supraleitenden Spulen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Generators.

Bei Geräten, die ein starkes Magnetfeld erfordern, etwa bei Kernfusionsanlagen und Teilchenbeschleunigern, werden im Starkmagnetfeldgenerator supraleitende Spulen verwendet . ■

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel für einen Starkmagnetfeldgenerator bei einer Kernfusionsanlage. Dabei ist ein ringförmiges bzw. toroidförmiges Vakuumgefäß 1, in welchem ein Plasma eingeschlossen ist, mit acht supraleitenden Spulen 2-9 versehen, die mit gleichen gegenseitigen Abständen auf die Außenfläche des Toroids gewickelt sind.

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Die Spule 2 ist zur Speisung mit einer Stromquellenschaltung 10 verbunden. Die anderen Spulen 3-9 sind ebenfalls zur Speisung durch die Stromquellenschaltung 10 an diese angeschlossen, doch sind die Anschlüsse nicht dargestellt.

Die Stromquellenschaltung 10 besitzt beispielsweise den Aufbau gemäß Fig. 2 mit einer Stromversorgung 11, die aus der Kombination einer Wechselstromquelle und eines Thyristor-Gleichrichters besteht. Gleichstrom von der Stromversorgung 11 wird dabei über einen Gleichstrom-Schutz- oder Leistungsschalter 12 zu den supraleitenden Spulen 2-9 geliefert, die ihrerseits mit einem Entladungswiderstand 13 parallelgeschaltet und jeweils dadurch hergestellt sind, daß- ein Supraleiter 15 (Fig„ 3) in Form eines zentralen supraleitenden Drahts 16 und eines diesen umschließenden, äußeren Leiters 17 in Spulenform gewickelt ist. Im Supraleitzustand fließt Strom durch den supraleitenden Draht 16, während in dessen normalem Leitzustand ein Teil des Stroms aus dem supraleitenden Draht 16 austritt und durch den Außenleiter 17 fließt. Die supraleitenden Spulen 2-9 sind zur Kühlung in einem nicht dargestellten Kühlmedium angeordnet.

Der supraleitende Draht 16 kann von einem bestimmten Höchst- oder Schwellenwertstrom durchflossen werden, der eine Funktion der Temperatur des supraleitenden Drahts 16 und des externen Magnetfelds ist. Wenn somit aufgrund einer Ursache» wie Temperaturanstieg oder Magnetfeldänderung, ein Teil des supraleitenden Drahts 16 in den normalen Leitzustand übergeht, wandert ein Teil des Stroms, der vorher durch den Draht 16 floß, von diesem in den Außenleiter 17. Diese Erscheinung wird als "Löschung" (quenching) bezeichnet. In den supraleitenden Spulen 2-9

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auftretende Löschung kann zu einem schweren Unfall in der Kernfusionsanlage infolge von im Außenleiter 17 erzeugter Joulscher Wärme, thermischer Ausdehnung oder Verdampfung des Kühlmediums, Bruch oder Brand der supraleitenden Spulen 2-9 oder aufgrund anderer Ursachen führen, sofern keine geeigneten Schutzmaßnahmen getroffen werden.

Ein bisheriges Schutzsystem für den Fall des Auftretens von Löschung in einer supraleitenden Spule verwendet einen Entladungswiderstand 13 gemäß Fig. 2. Wenn dabei beispielsweise in der Spule 2 Löschung auftritt, wird der Schutzschalter 12 augenblicklich geöffnet, um die Stromversorgung 11 von der Spule 2 zu trennen und die in der Spule verbleibende elektrische Energie über den Widerstand zu entladen und damit den Löschzustand der Spule 2 zu beenden. Dieses bisherige Schutzsystem ist sehr einfach aufgebaut und dann wirtschaftlich, wenn der Starkmagnetfeldgenerator nur eine einzige supraleitende Spule enthält. Bei Anwendung dieses Systems auf eine Anlage mit mehreren supraleitenden Spulen, wie in Fig. 1 gezeigt, ergeben sich jedoch die folgenden Probleme:

1. Wenn ein Löschzustand z.B. der supraleitenden Spule bei der Anlage nach Fig. 1 durch schnelle Verringerung des Stroms in dieser Spule 2 mittels des Schutzsystems nach Fig. 2 beendet wird, steigen die Stromstärken in den anderen Spulen 3-9 gemäß dem Gesetz des konstanten Magnetflusses schnell an, und zwar mit gegenseitiger Induktion zwischen diesen Spulen, wobei der Strom häufig den Schwellenwert übersteigt. Mit anderen Worten: ein in einer der supraleitenden Spulen entstehender Löschzustand breitet sich fortschreitend auf die anderen Spulen aus, so daß die Gefahr für einen Ausfall der gesamten Anlage besteht.

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2. Wenn bei einer Anlage mit mehreren supraleitenden Spulen (Fig. 1) ein Löschzustand in einer der Spulen auftritt undfäer Strom in der in Löschung befindlichen Spule verringert wird, wird ein Fehlabgleichzustand des Magnetfelds hervorgerufen, durch den Kräfte erzeugt werden, die das System der supraleitenden Spulen abzuschalten (to turn down) bestrebt sind. Dabei kann ein gefährlicher Bruch der Anlage auftreten, sofern nicht die einzelnen supraleitenden Spulen mit großen mechanischen Kräften unterstützt werden.

3. Wenn ein Löschzustand in einer der supraleitenden Spulen durch Verringerung des Stroms in der betreffenden Spule beendet wird, tritt ein Magnetfeld-ünabgleich auf, der im Hinblick auf das eingeschlossene (trapped) Plasma sehr ungünstig ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit in erster Linie die Ausschaltung der vorstehend geschilderten Mängel und Nachteile des Stands der Technik durch Schaffung eines einfachen und kostensparenden Generators zur Erzeugung eines starken Magnetfelds, der einen hohen Sicherheitsgrad gewährleistet und bei dem die ungünstigen Auswirkungen eines Löschzustands in einer oder mehreren supraleitenden Spulen weitgehend ausgeschaltet werden können. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Magnetfeldgenerators.

Diese Aufgabe wird bei einem Starkmagnetfeldgenerator der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Vakuumbehälter, durch eine Anzahl von um die Außenumfangsfläche des Vakuumbehälters herumgewickelten supraleitenden Spulen, durch eine Anzahl von ebenfalls um die Außenfläche des Vakuumbehälters herumgewickelten, den

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supraleitenden Spulen ähnelnden Schutzspulen und durch eine Steuereinrichtung, die beim Auftreten eines Löschzustands (quenching) in mindestens einer der supra- · leitenden Spulen schnell den Strom in dieser Spule bzw. diesen Spulen verringert,, um den Löschzustand zu beenden, während sie gleichzeitig in den Schutzspulen einen Strom fließen läßt,,welcher dem verringerten Strom in der (den) vom Löschzustand betroffenen supraleitenden Spule(n) entspricht.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bisherigen Starkmagnetfeldgenerators,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Erregungs-Stromquellenschaltung für den Magnetfeldgenerator nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teildarstellung eines üblichen Leiters einer supraleitenden Spule,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Starkmagnetfeldgenerators gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Konstruktion und Arbeitsweise einer Rechenschaltung bei der Ausführungsform nach Fig. 4,

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Fig. 6 ein Zeit(Steuer)diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Ausfuhrungsform nach Fig. 4,

Fig. 7 eine Fig. 5 ähnelnde Darstellung zur Veranschaulichung von Konstruktion und Arbeitsweise der Rechenschaltung bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Teils einer Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 4.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein toroidförmiger Vakuumbehälter 21 mit vier auf gleiche Abstände verteilten supraleitfähigen Spulen 22a - 22d, die auf seine Außenfläche gewickelt sind, sowie mit vier Schutzspulen 23a - 23d versehen, die in Positionen praktisch zwischen benachbarten supraleitfähigen Spulen ebenfalls auf die Außenfläche des Vakuumbehälters gewickelt sind. Weiterhin sind acht Magnetfelddetektoren 25a - 25h jeweils zwischen benachbarten supraleitfähigen Spulen 22a

22d und Schutzspulen 23a - 23d angeordnet. Die Magnetfelddetektoren 25a - 25h brauchen allerdings nicht zwischen allen benachbarten Spulen angeordnet zu sein, so daß ihre Zahl entsprechend verkleinert werden kann. Die einzelnen Spulen sind an zugeordnete Thyristor-Wandler angeschlossen. In Fig. 4 sind aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung nur die mit der supraleitfähigen Spule 22a und der Schutzspule 23a verbundenen Thyristor-Wandler 26 bzw. 27 veranschaulicht. Diese Wandler 26 und 27 sind tatsächlich mit einer Erregungs-Stromquellenschaltung verbunden, so daß die Spulen 22a

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und 23a über diese Wandler 26 bzw. 27 erregbar sind. Die Magnetfelddetektoren 25a - 25h bestimmen bzw. messen die Intensität des Magnetfelds in den betreffenden Abschnitten des Vakuumbehälters 21, wobei ihre Meßausgangssignale einer arithmetischen bzw. Rechenschaltung 28 zugeliefert werden. Letztere liefert Gate-Steuersignale zu den Thyristor-Gate-Elektroden der Wandler 26 und 27 zum Ausgleichen oder Abgleichen der gemessenen Magnetfeldintensitäten. Aufbau und Arbeitsweise der Rechenschaltung 28 sind im folgenden anhand der Fig. und 6 näher erläutert.

Gemäß Fig. 5 werden die Ausgangssignale ^_n bis cp _o der betreffenden Magnetfelddetektoren 25a - 25h (mit η = bei der dargestellten Ausführungsform) zusammenaddiert, und die Summe wird durch η dividiert, um eine Durchschnittsgröße φ zu erzielen. Diese Berechnung, nämlich

Ί ⁿ

φ = ± 5" <n ' 0 η .^r₁ f±0

wird in einer ersten Stufe I der Rechenschaltung 28 durchgeführt.

Wenn eine Feldintensitätsänderung Af aufgrund eines Löschzustands in einer der supraleitenden Spulen 22a 22d, beispielsweise in der Spule 22a, auftritt, wird die Operation

durch eine zweite Stufe II durchgeführt, um die Inten sität cp . des durch die einzelnen Schutzspulen 23a 23d aufgebauten Magnetfelds abzuleiten und die Größe

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/h

{Δ ep) ,d.h. den Unterschied zwischen ψ . und ψ oder die Änderung vom Magnetfeld ψ im Normalzustand auf das Magnetfeld ψ _i bei bestehendem Löschzustand, weitgehend zu verringern.

Wenn ψ. abgeleitet oder berechnet worden ist, wird der durch die Schutzspulen 23a - 23d zur Erzeugung dieses Felds zu leitende Strom I. durch eine dritte Stufe III berechnet, und der Thyristor-Gate-Steuer- oder -Zündwinkel Qc ., der zur Lieferung dieses Stroms I. erforderlich ist, wird durch eine vierte Stufe IV bestimmt. Der Gate-Zündwinkel des Thyristor-Wandlers 27 wird sodann auf den auf oben beschriebene Weise ermittelten Steuerwinkel Qt . eingestellt, um den berechneten Strom I. durch die Schutzspule 23a fließen zu lassen.

Auf die vorstehend beschriebene Weise wird bei einem Löschzustand z.B. in der supraleitenden Spule 22a der durch diese Spule 22a fließende Strom unter Beseitigung des Löschzustandes schnell reduziert, während gleichzeitig ein der Verringerung des Löschstroms entsprechender Strom durch die Schutzspulen 23a - 23d geleitet wird, so daß die restlichen, einwandfrei arbeitenden supraleitenden Spulen 22b - 22d durch den Löschzustand in der Spule 22a in keiner Weise beeinflußt werden. Dies bedeutet, daß die vom Löschzustand betroffene Spule 22a allein vom System getrennt werden kann, wobei weder die Möglichkeit für eine Ausbreitung der in dieser Spule bestehenden Löschung auf die anderen Spulen, noch die Möglichkeit für eine ungünstige Beeinflussung bzw. Herbeiführung eines Unabgleichs des Magnetfelds am Plasma, der sich andernfalls ergeben könnte, besteht. Nach der Beendigung des Löschζustandes wird die supraleitende Spule 22a erneut erregt, während der Strom in der Schutzspule

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unterdrückt oder verringert wird, so daß der normale Betriebszustand wieder hergestellt wird.

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise ist in Fig. graphisch veranschaulicht. Beim Auftreten eines Löschzustands in der supraleitenden Spule 22a zu einem Zeitpunkt t., wird der in dieser Spule fließende Strom vom genannten Zeitpunkt aus auf die durch die ausgezogene Kurve a angedeutete Weise durch Betätigung des Thyristor-Wandlers 26 als Umsetzer oder Stromwandler (inverter) verringert. Gleichzeitig wird zum Zeitpunkt t die Schutzspule 23a erregt, so daß der durch diese Spule fließende Strom auf die durch die gestrichelte Linie b angedeutete Weise ansteigt und somit die Abschwächung des von der Spule 22a erzeugten Magnetfelds durch das durch den Strom b in der Spule 23a erzeugte Magnetfeld kompensiert wird, um damit den Einfluß des Löschzustandes auf die anderen, einwandfrei arbeitenden supraleitenden Spulen 22b - 22d weitgehend herabzusetzen. Nach der Beendigung des Löschzustands zum Zeitpunkt t_ wird der in der supraleitenden Spule 22a fließende Strom auf den anfänglichen Wert zurückgeführt, während gleichzeitig der Strom in der Schutzspule 23a verringert wird, so daß die Rückstellung der Anlage zu einem Zeitpunkt t- abgeschlossen ist.

Während Fig. 6 zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die Stromänderungen in der supraleitenden Spule 22a bei bestehendem Löschzustand und den Stromfluß in der Schutzspule 23a veranschaulicht, werden tatsächlich bei Auftreten eines Löschzustands in einer der supraleitenden Spulen gemäß Fig. 4, beispielsweise in der Spule 22a, alle supraleitenden Spulen 22a - 22d und Schutzspulen 23a - 23d synchron gesteuert, um den konstanten Dauerbetrieb der Anlage aufrechtzuerhalten und ungünstige

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Einflüsse auf das Plasma weitgehend zu verhindern. Insbesondere wird der Thyristor-Wandler 26 für die vom Löschzustand betroffene supraleitende Spule 22a unmittelbar als Umsetzer oder Stromwandler zur Verringerung des in der Spule 22a fließenden Stroms betätigt, während die Stromstärken in den unbeeinflußten supraleitenden Spulen 22b - 22d und in den Schutzspulen 23a - 23d gekoppelt bzw.

2 synchron gesteuert werden, um die Größe (A ψ ) =

( ψ - φ ) zu minimieren, worin ψ_ die mittlere Flußdichte vor dem Auftreten des Löschzustands und ψ die Flußdichte nach dem Auftreten des Löschzustandes bedeuten.

Auf diese Weise ist es möglich, einen für das Plasma günstigen Zustand des Magnetfelds aufrechtzuerhalten, wobei die Induktivität einer eine Last darstellenden Spule, vom Thyristor als Stromversorgung her gesehen, sehr klein ist, so daß auch die Steuerspannung sehr niedrig sein kann. Dies bedeutet, daß in äußerst wirtschaftlicher Weise der Strom unter Verwendung von Thyristor-Wandlern mit niedriger Ausgangsspannung schnell erhöht und verringert werden kann.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher in den Weg des vom Thyristor-Wandlers 26 zur supraleitenden Spule 22a gelieferten Stroms ein Stromtransformator 31a zur Strommessung eingeschaltet ist, während in der Strecke des vom Thyristor-Wandlers 27 zur Schutzspule 23a gelieferten Stroms ein anderer Stromtransformator 32a für Strommeßzwecke angeordnet ist. In diesem Fall bewirkt eine Rechenschaltung 28a eine Regelung zur Minimierung der Größe (ΔΙ)² = £ ^(Ii " ¹Io^ ^durch^führt/ wobei den Strom in jeder supraleitenden Spule 22a - 22d vor dem Auftreten des Löschzustands und I. den Strom nach

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dem Auftreten des Löschzustands bedeuten. Auf diese Weise kann ebenfalls der vorteilhafteste Zustand für die supraleitenden Spulen 22a bis 22d aufrechterhalten werden.

Insbesondere wird gemäß Fig. 7 der Strom I._Q in jeder supraleitenden Spule 22a - 22d zum Zeitpunkt t = O in einer ersten Operationsstufe I der Rechenschaltung 28a abgeleitet bzw. berechnet. Wenn in einer der supra leitenden Spulen , beispielsweise in der Spule 22a, zum Zeitpunkt t = t₁ ein Löschzustand auftritt wird der in dieser Spule fließende Strom durch Anregung der innerhalb der Kapazität der Stromversorgung für diese Spule liegenden maximalen negativen Spannung gemäß der Berechnung in einer zweiten Stufe II reduziert.

Als nächstes wird in einer dritten Stufe III ein Strom

2
I. zur Minimierung von (ΔΙ) anhand einer Gleichung

_ η¹ ₉

berechnet, in welcher I den mittleren Strom in den supraleitenden Spulen 22a - 22d im Normalzustand und n¹ die Zahl aller Spulen, d.h. sowohl der supraleitenden Spulen als auch der Schutzspulen, bedeuten.

In einer vierten Stufe IV wird sodann ein Thyristor-Zündsteuerwinkel oo . berechnet, mit welchem der Strom I. durch die einzelnen Spulen 22a - 22d und 23a - 23d geleitet werden kann, und die einzelnen Thyristoren in den Thyristor-Wandlern 26 und 27 werden entsprechend dem Winkel oc . angesteuert.

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Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein toroidförmiger Vakuumbehälter zur Aufnahme von Plasma vorgesehen ist, kann gemäß Fig. 8 auch ein geradzylindrischer Vakuumbehälter 33 verwendet werden. In Fig. 8 sind die den.Teilen von Fig. 4 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht erneut beschrieben.

Der vorstehend beschriebene Starkmagnetfeldgenerator gemäß der Erfindung weist also eine Anzahl von supraleitenden Spulen sowie eine Anzahl von Schutzspulen und Thyristor-Wandlern zur Erregung der supraleitenden Spulen und der Schutzspulen auf, wobei beim Auftreten eines Löschzustands in einer der supraleitenden Spulen die in den supraleitenden Spulen und in den Schutzspulen fließenden Ströme im Gleichlauf bzw. synchron gesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Löschzustand in der betreffenden supraleitenden Spule mit Hilfe von Thyristor-Wandlern mit niedriger Spannung schnell zu beenden und den Normalzustand wieder herzustellen und außerdem ungünstige Auswirkungen auf die anderen, unbeeinflußten supraleitenden Spulen und auf das Plasma weitgehend zu verhindern. Infolgedessen wird mit der Erfindung ein sehr wirtschaftlicher, höchst zuverlässiger und besonders vorteilhafter Generator zur Erzeugung eines starken Magnetfelds geschaffen.

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Claims

Patentansprüche

Λ
L.

Generator zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes, gekennzeichnet durch einen Vakuumbehälter (21), durch eine Anzahl von um die Außenumfangsflache des Vakuumbehälters herumgewickelten supraleitenden Spulen (22a usw.), durch eine Anzahl von ebenfalls um die Außenfläche des Vakuumbehälters herumgewickelten, den supraleitenden Spulen ähnelnden Schutzspulen (23a usw.) und durch eine Steuereinrichtung (25, 28), die beim Auftreten eines Löschzustands (quenching) in mindestens einer der supraleitenden Spulen schnell den Strom in dieser Spule bzw. diesen Spulen verringert, um den Löschzustand zu beenden, während sie gleichzeitig in den Schutzspulen einen Strom fließen läßt, welcher

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dem verringerten Strom in der (den) vom Löschzustand betroffenen supraleitenden Spule(n) entspricht,
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Spulen und die Schutzspulen einander abwechselnd um den Vakuumbehälter herumgewickelt sind.
3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen am Außenumfang des Vakuumbehälters angeordneten Magnetfelddetektor und eine arithmetische bzw. Rechenschaltung umfaßt, die in Abhängigkeit von einer Änderung des Ausgangssignals des Magnetfelddetektors ein Strombegrenzungssignal zur Gate-Elektrode eines oder mehrerer Thyristor-Wandler liefert, der bzw. die mit der (den) vom Löschzustand betroffenen supraleitenden Spule(n) verbunden ist bzw. sind, während sie gleichzeitig Gate-Signale zu mit den einzelnen Schutzspulen verbundenen Thyristor-Wandlern liefert, um durch alle Schutzspulen einen Strom zum Kompensieren der Strombegrenzung in der bzw. den vom Löschzustand betroffenen supraleitenden Spule(n) fließen zu lassen.
4. Verfahren zum Betreiben eines Generators zur Erzeugung eines starken Magnetfelds mit einem Vakuumbehälter sowie um diesen herumgewickelten supraleitenden Spulen und Schutzspulen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten eines Löschzustands (quenching) in einer oder einigen der supraleitenden Spulen der Löschzustand beendet wird, während gleichzeitig die Schutzspulen so

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erregt werden, daß die Änderung des Magnetfelds im Vakuumbehälter möglichst klein gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzspulen so erregt werden, daß die Stromänderung in allen supraleitenden Spulen möglichst klein gehalten wird.

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