DE20310389U1

DE20310389U1 - HTS-reactor

Info

Publication number: DE20310389U1
Application number: DE20310389U
Authority: DE
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2013-07-05

Abstract

Drossel (2) mit einem magnetflussführenden Körper (3) aus ferromagnetischem Material vom Manteltyp, umfassend einen zentralen Kernschenkel (4), zwei dazu parallele seitliche Rückschlussschenkel (5, 6) sowie zwei den Kernschenkel und die Rückschlussschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel (7, 8)
– mit einer den zentralen Kernschenkel (4) umschließenden Hochtemperatursupraleiter-Wicklung (9) und
– mit Stromzuführungen (10, 11) der Wicklung (9), die durch wenigstens einen der Jochschenkel (7) im Bereich des Kernschenkels (4) geführt sind.Choke (2) with a magnetic flux-guiding body (3) made of ferromagnetic material of the jacket type, comprising a central core leg (4), two parallel yoke legs (5, 6) parallel to it and two yoke legs (7, 8) bridging the core leg and the yoke legs magnetically
- With a central core leg (4) enclosing high-temperature superconductor winding (9) and
- With current leads (10, 11) of the winding (9), which are guided through at least one of the yoke legs (7) in the region of the core leg (4).

Description

Die Neuerung bezieht sich auf die besondere Ausgestaltung einer Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Drossel.The innovation relates to the Special design of a high-temperature superconductor (HTS) choke.

Hochtemperatursupraleiter (HTS) finden aufgrund ihrer hohen, normalleitende Metalle weit übertreffenden Stromdichten zunehmend Anwendung in der Energietechnik. Als technische HTS-Drähte stehen Ag/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x (Bi-2223)-Bandleiter gegenwärtig mit Stromdichten von über 100A/mm² bei 77 K zur Verfügung ("IEEE Trans. Appl. Supercond." 11 (2001) 3261–3264).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 Kostenentwicklung der HTS-Materialien kann von einer Kommerzialisierung in den nächsten Jahren ausgegangen werden.High-temperature superconductors (HTS) 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 ² at 77 K ("IEEE Trans. Appl. Supercond." 11 (2001) 3261–3264). The advantages of the HTS lie in the possible weight and volume savings and the increase in the efficiency of equipment. This contrasts with the cooling required for operation at cryogenic temperatures. With the expected quality and cost development of HTS materials, commercialization can be expected in the next few years.

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 66 K und 77 K erwiesen (M. Leghissa et al.: "Development and Application of Superconducting Transformers", Physica C 372–376 (2002) 1688 ff).One area of application for the HTS ribbon conductors is AC windings. In contrast to the almost lossless behavior in DC operation, the AC losses that occur require effective cooling of the HTS components. Forced cooling in a closed circuit with liquid nitrogen LN ₂ at temperatures between 66 K and 77 K has proven to be reliable (M. Leghissa et al .: "Development and Application of Superconducting Transformers", Physica C 372-376 (2002) 1688 ff).

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, eine HTS-Leiter-Drossel anzugeben, die einen hohen Gütefaktor bei hohem Wirkungsgrad aufweist. Die Drossel soll insbesondere einen mobilen Einsatz in Schienenfahrzeugen ermöglichen.Abandonment of the present innovation is to choke an HTS ladder specify a high quality factor with high efficiency. The throttle is intended in particular enable mobile use in rail vehicles.

Diese Aufgabe wird nach der Neuerung mit den im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll die Drossel

a) einen magnetflussführenden Körper aus ferromagnetischem Material vom Manteltyp, umfassend einen zentralen Kernschenkel, zwei dazu parallele, seitliche Rückschlussschenkel sowie zwei den Kernschenkel und den Rückschlussschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel, b) eine den zentralen Kernschenkel umschließende Hochtemperatursupraleiter-Wicklung und c) Stromzuführungen der Wicklung, die durch wenigstens einem der Jochschenkel im Bereich des Kernschenkels geführt sind,

enthalten.This task is solved after the innovation with the measures specified in the main claim. Accordingly, the throttle

a) a magnetic flux-guiding body made of ferromagnetic material of the jacket type, comprising a central core leg, two parallel back yoke legs parallel to it and two yoke legs which bridge the core leg and the back yoke leg, b) a high-temperature superconductor winding surrounding the central core leg and c) current leads of the winding, which are guided through at least one of the yoke legs in the region of the core leg,

contain.

Da die Stormzuführungen in der axialen Mitte der Drossel durch wenigstens einen der brückenartigen Jochschenkel 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. Damit lässt sich vorteilhaft die geforderte hohe Güte bei einem hohen Wirkungsgrad erreichen.Because the storm leads in the axial center the throttle can be led through at least one of the bridge-like yoke legs advantageous with this construction in contrast to conventional ones Throttling the distance between the winding and the yoke leg minimize. In this way, are at the end ends of the winding to at least largely suppress occurring radial field components. In order to let yourself advantageous the required high quality with high efficiency to reach.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Drossel nach der Neuerung als Traktionsdrossel für einen mobilen Einsatz ausbilden.Can be particularly advantageous the throttle after the innovation as a traction throttle for one train mobile use.

Die Neuerung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen derenThe innovation is listed below Hand of a preferred embodiment explained further, wherein reference is made to the drawing. They show

1 eine HTS-Traktionsdrossel gemäß der Neuerung, teils als Schnittansicht, teils in Seitenansicht, 1 an HTS traction throttle according to the innovation, partly as a sectional view, partly in a side view,

2 in einem Diagramm dem kritischen Strom der Wicklung und der vollständigen Drossel, 2 in a diagram the critical current of the winding and the complete choke,

3 in einem Diagramm die AC-Verluste der Drossel bei 16,7 Hz und 3 the AC losses of the choke at 16.7 Hz and

4 die Induktivität und den gesamten Wirkungsgrad der Drossel bei 16,7 Hz. 4 the inductance and the overall efficiency of the choke at 16.7 Hz.

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 der Figur sind bezeichnet mit 2 allgemein die Drossel, mit 3 ein magnetflussführender Körper vom Mantelkerntyp, mit 4 ein zentraler Kernschenkel, mit 5 und 6 zwei seitliche, äußere Rückschlussschenkel, mit 7 und 8 ein oberer bzw. unterer, den Kernschenkel und die seitlichen Rückschlussschenkel magnetisch überbrückender Jochschenkel, mit 9 eine HTS-Leiterwicklung, mit 10 und 11 zwei durch den oberen Jochschenkel hindurchgeführten Stromzuführungsleitern zur elektrischen Verbindung der Wicklung 9 für einen Strom I, mit 12 und 13 Kühlschlitze in dem oberen Jochschenkel 7 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 –). Eine die Wicklung 9 umschließende Umhüllung ist mit 15 bezeichnet. Sie wird von der Außenwand eines Kryostaten gebildet. Ferner ist mit a bzw. a' der vorteilhaft minimale Abstand zwischen den Stirnseiten der Wicklung 9 und dem jeweils zugeordneten Jochschenkel 7 bzw. 8 bezeichnet.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. In the figure are labeled 2 generally the throttle, with 3 a shell core type body carrying magnetic flux, with 4 a central core leg, with 5 and 6 two lateral, outer yoke legs, with 7 and 8th an upper or lower yoke leg, which bridges the core leg and the lateral yoke legs, with 9 an HTS conductor winding, with 10 and 11 two power supply conductors passed through the upper yoke leg for the electrical connection of the winding 9 for a current I, with 12 and 13 Cooling slots in the upper yoke leg 7 for supplying and discharging a coolant K to and from the winding 9 as well as with 14 some of the laminations of the body carrying the magnetic flux 3 holding screw connections (- more are omitted for the sake of clarity of the illustration -). A the winding 9 enclosing wrapping is with 15 designated. It is formed by the outer wall of a cryostat. Furthermore, a or a 'is the advantageously minimal distance between the end faces of the winding 9 and the respective assigned yoke leg 7 respectively. 8th designated.

Vorteilhaft wird die HTS-Traktionsdrossel der Unterspannungswicklung eines HTS-Traktionstranformators in Reihe geschaltet, um die für den Umrichterbetrieb des Transformators geforderte Kurzschlussinduktivität zu erreichen.The HTS traction choke is advantageous the undervoltage winding of a HTS traction transformer in series switched to the for to achieve the short-circuit inductance required for converter operation.

Der Testbetrieb einer konkreten Ausführungsform der Drossel 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 um 3,5%.The test operation of a specific embodiment of the choke shows the agreement of the electrical characteristics with the design. At nominal operation with 87 kVA and 16.7 Hz corresponds to the losses of 120 W is a quality factor of 726. Taking cooling into account, the overall efficiency is 98.5%. The comparison of the HTS test choke with a conventional copper traction choke shows the potential for mass and volume reduction of 42% and 60% typical for HTS equipment, as well as a significant increase in efficiency by 3.5%.

In der nachfolgend aufgeführten Tabelle 1 sind die Eigenschaften der HTS-Drossel bei Nennbetrieb zusammengestellt. Ströme und Spannungen werden durch Effektivwerte, Felder durch Amplituden beschrieben. 1 zeigt die vollständig montierte HTS-Drossel. Die Drossel besitzt einen bewickelten Schenkel vorzugsweise mit Scheibenkern. Joche und Rückschlussschenkel dienen zur Vermeidung von Streufeldern. Die Drossel ist für Betrieb bei 16,7 Hz und 87 kVA ausgelegt. Der Nennstrom von 347 A_rms entspricht dem typischen Traktionsstrom im Regionalbahnbetrieb. Die erforderliche Stromtragfähigkeit wird durch Verwendung eines 13-fachen Roebelleiters aus Bi-2223 Bandleitern erreicht. Um eine gleichmäßige Stromaufteilung sicherzustellen, besteht der Roebelleiter aus isolierten, kontinuierlich transponierten Einzeldrähten (V. Hussennether et al.: "DC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Conductors Designed for High-Current Applications", ICMC 2003, Twente, The Netherlands). In den nach dem Pulver-im-Rohr Verfahren hergestellten Bandleitern liegt die spröde, supraleitende Keramik in Form von Filamenten vor, die mit einer stabilisierenden Metallhülle zu flexiblen Drähten verbunden sind. Die Induktivität der 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 Jochbrü cke. 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 Querschnittsanteil der Kühlkanäle beträgt beispielsweise 50%. Vorteilhaft werden in den Jochbrücken beispielsweise durch GFK-Beilagen Kühlschlitze freigehalten, durch die der als Kühlmittel verwendete LN₂ die Kühlkanäle der Wicklung erreicht.

Table 1 below lists the properties of the HTS choke during rated operation. Currents and voltages are described by rms values, fields by amplitudes. 1 shows the fully assembled HTS choke. The throttle has a wound leg, preferably with a disk core. Yokes and inference legs serve to avoid stray fields. The choke is designed for operation at 16.7 Hz and 87 kVA. The nominal current of 347 A _rms 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. To ensure an even distribution of current, the Roebelleiter consists of insulated, continuously transposed individual wires (V. Hussennether et al .: "DC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Conductors Designed for High-Current Applications", ICMC 2003, Twente, The Netherlands) , 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. The inductance of the winding is 2.9 mH and advantageously increases to 6.9 mH by using a disc core sheared by magnetic air gaps. Furthermore, the throttle has the following design features

- In order to keep the iron losses relative to the HTS winding losses as low as possible, the yoke and inference are significantly oversized with the induction of 586 mT occurring during nominal operation.
- The insulated copper power supply leads lead advantageously in the axial center of the choke through the upper yoke bridge. In contrast to conventional chokes, this design allows the distance a or a 'between the winding and the yoke to be minimized and thus the radial field components occurring at the winding ends to be suppressed. This spatial, geometrical distance can advantageously be kept below 1 mm.
- The choke coil contains a 6-layer HTS winding, the layers of which are separated by cooling channels. The cross-sectional proportion of the cooling channels is, for example, 50%. Cooling slots through which the LN ₂ used as the coolant reaches the cooling channels of the winding are advantageously kept free in the yoke bridges, for example by means of GRP inserts.

Zur Messung befindet sich die Drossel hängend in einem Edelstahlkryostat. Die LN₂-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 E_c = 1 μV/cm für den kritischen Strom I_c ausgewertet. 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 Raumtemperatur und des kritischen Stroms der abgekühlten Drossel auf.The choke is suspended in a stainless steel cryostat for measurement. The LN ₂ temperature is varied between 65 K and 77 K. The electrical measurements are made in 4-point geometry. DC transport measurements are evaluated using an E-field criterion of E _c = 1 μV / cm for the critical current I _c . AC losses P are determined electrically with the aid of a power meter (Siemens Functionmeter B1082) with an accuracy of 10%. In the course of the measurement program, the throttle is subjected to several cooling cycles. There are no changes in the winding resistance at room temperature or in the critical current of the cooled choke.

Tabelle 1: Eigenschaften der HTS-Drossel

Table 1: Properties of the HTS choke

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 I_c, bei dem die HTS-Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Betriebszustand übergeht. In 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.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. In 2 the experimentally determined critical currents are shown 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.

Die Stromtragfähigkeit der Bandleiter verhält sich anisotrop gegenüber äußeren Magnetfeldern B und ist durch eine starke Abnahme für senkrecht zur Leiteroberfläche gerichtete Felder B_⊥ gekennzeichnet. Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann durch folgendes Potenzgesetz beschrieben werden:

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 B _⊥ directed perpendicular to the conductor surface. The current-voltage characteristic can be described by the following power law:

Mit dem in "Supercond. Sci. Technol." 16 (2003) 339 ff. angegebenen analytischen Verlauf von I_c(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 maximalen Radialfelds an den Wicklungsenden berechnet. Die durchgezogenen Linien in 2 geben die auf diese Weise berechneten kritischen Ströme wieder. Die modellierten kritischen Ströme unterschätzen die experimentellen Werte um 10% zeigen jedoch ein ähnliches relatives Verhalten.With the in "Supercond. Sci. Technol." 16 (2003) 339 ff. Specified analytical course of I _c (B, T) and n (B, T) for the Bi-2223 ribbon conductors used results in a simple model that determines the critical current of a layer winding from the characteristic curve ( 1 ) calculated taking into account the maximum radial field at the winding ends. The solid lines in 2 reflect the critical currents calculated in this way. The modeled critical currents underestimate the experimental values by 10%, however, show a similar relative behavior.

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. Sci. Technol."). 3 zeigt die bei Nennfrequenz von f = 16,7 Hz bestimmten AC-Verluste der Drossel in Abhängigkeit des Stroms. 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. Sci. 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 berechneten Verluste zu erkennen. Bei Nennstrom von 347 A betragen die Verluste der Drossel 120 W. Der Einsatz in 3 zeigt die relativen Anteile der Verlustkomponenten bei Nennstrom und 74 K. Für die HTS-Wicklung werden Eigenfeldverluste, Wirbelstromverluste in der Ag-Hülle der Bandleiter, Magnetisierungsverluste 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 Bandleiteroberfläche wirkenden Radialfelder tragen 36% zu den Gesamtverlusten bei. Beide Berechnungen weichen im Mittel um 24% von den Messwerten ab, liegen jedoch im Rahmen des in der genannten Literaturstelle aus "Supercond. Sci. Technol." für eine Vielzahl von HTS-Wicklungen angegebenen Genauigkeitsbereichs.The disappearing ohmic DC resistance causes the occurrence of magnetic hysteretic effects in superconductors in AC operation, which form the cause of AC losses. These depend in detail on the AC current and AC field components (cf. the cited reference from "Supercond. Sci. Technol."). 3 shows the AC losses of the choke as a function of the current, determined at a nominal frequency of f = 16.7 Hz. In contrast to the almost lossless DC operation, the AC losses that occur cause the choke to heat up. It is essential for operation that a steady temperature distribution is established over the entire current range. For comparison, two after the in the cited reference from "Supercond. Sci. Technol." AC loss curves calculated method described. These correspond to the LN ₂ temperature of 68 K at the beginning of the series of measurements and the maximum temperature of the choke of 74 K that occurs at the end. The experimentally determined losses are included in the two calculated loss curves. In particular, with increasing current, an approximation to the losses calculated for the maximum temperature of 74 K can be seen. At a nominal current of 347 A, the losses of the choke are 120 W. Use in 3 shows the relative proportions of the loss components at nominal current and 74 K. For the HTS winding, inherent field losses, eddy current losses in the Ag sheath of the strip conductors, magnetization losses and dynamic resistance are taken into account. As assumed for the choke described, the proportion of iron in the total losses is only 6%. The main contribution of 56% comes from the axial fields acting parallel to the strip conductor surface. The radial fields acting perpendicular to the conductor surface contribute 36% to the total losses. Both calculations deviate on average by 24% from the measured values, but are within the scope of the reference in "Supercond. Sci. Technol." for a variety of HTS windings specified accuracy range.

Die Induktivität L der Drossel ergibt sich für ein axiales Modell zu

The inductance L of the choke results for an axial model

Für die HTS-Drossel folgt aus den in Tabelle 1 angegebenen Werte für die Windungszahl W, Wicklungshöhe H_w, relative Permeabilität des Scheibenkerns μ, Eisendurchmesser des Scheibenkerns D_e, Innen- und Auflendurchmesser der Wicklung D_w, Da eine Induktivität von 6,7 mH. Experimentell folgt die Induktivität aus der Verlustmessung mit der Spannung U

For the HTS choke, the values for the number of turns W, winding height H _w , relative permeability of the disk core μ, iron diameter of the disk core D _e , inner and outer diameter of the winding D _w , Da result from the values given in Table 1, an inductance of 6.7 mH. Experimentally, the inductance follows from the loss measurement with the voltage U

In 4 ist die Induktivität für die Messreihe aus 3 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 auftretenden 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.In 4 is the inductance for the series of measurements 3 shown. 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 a 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.

Weitere wesentliche Kenndaten der Drossel sind Gütefaktor Q und Wirkungsgrad η

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.Further essential characteristics of the choke are quality factor Q and efficiency η

which also follow from the loss measurement. At rated operation, the quality factor for the choke is 726, which corresponds to an electrical efficiency of 99.9%.

Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrads der Drossel muss zusätzlich die für die Abfuhr der Verluste erforderliche Kühlung berücksichtigt werden. Der in 4 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 Wirkungsgrad 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.To determine the overall efficiency of the throttle, the cooling required to dissipate the losses must also be taken into account. The in 4 The overall efficiency shown 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.

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 experimentell ermittelten Eigenschaften der Drossel belegt die Verlässlichkeit der für die Konstruktion und für die Vorhersage des Betriebsverhaltens erforderlichen Rechenmodelle.The HTS choke demonstrates one special way HTS components for the Energy technology including the required HTS-specific requirements. The broad agreement between calculated and experimentally determined properties the throttle proves reliability the for the construction and for the prediction of operating behavior required computing models.

Wesentlich für den Einsatz von HTS-Komponenten ist das Kühlkonzept. Der Betrieb mit LN₂ als Kühlmittel erweist sich als umweltfreundlich gegenüber der Ölkühlung konventioneller Systeme. Für den gemeinsamen Einsatz mehrerer HTS-Komponenten, z.B. HTS-Transformator in Verbindung mit HTS-Drossel, bietet sich ein zentrales Kühlkonzept bestehend aus Kryostat, Kälteanlage, LN₂-Reservoir und LN₂-Pumpe zur Zwangskühlung an.The cooling concept is essential for the use of HTS components. Operation with LN ₂ as a coolant proves to be environmentally friendly compared to the oil cooling of conventional systems. 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, e.g. HTS transformer in connection with HTS choke.

Nach Möglichkeit lassen sich die Systemverluste durch gemeinsame Stromzuführungen mehrerer Komponenten verringern.If possible, the system losses through common power supplies reduce several components.

Nachfolgend werden Volumen, Masse, Güte und Wirkungsgrad der HTS-Drossel einer konventionellen 290 kVA-Kupferdrossel mit zwei bewickelten Schenkeln und Scheibenkernen gegenübergestellt. 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 Transformatorwachstumsgesetzten 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.Volume, mass, Goodness and Efficiency of the HTS choke of a conventional 290 kVA copper choke juxtaposed with two wrapped legs and disc cores. Because of the for the HTS choke oversized Yokes and the inference leg only the wrapped legs are considered. Mass and volume the HTS choke are implemented in a known manner with the help of transformer growth scaled to the performance of the copper choke. Since there is no general valid Scaling for the losses of HTS windings there are goodness and efficiency in Table 2 below on the measured values the HTS choke. As for However, conventional technology is also increasing for HTS Goodness and of efficiency with increasing performance.

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.Table 2 shows for the HTS choke a mass or volume reduction of 42% or 60%, the typical Values for Represent HTS windings. Further consideration is required the consideration all system components including the cooling concept.

Verglichen mit konventionellen Wicklungen zeichnen sich HTS-Wicklungen durch äußerst hohe Gütefaktoren aus. Die konkrete HTS-Drossel nach der Neuerung 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 Gütefaktor, der den für den Betrieb erforderlichen gesamten Wirkungsgrad kennzeichnet, unterschieden werden.Compared to conventional windings stand out HTS windings by extremely high quality factors out. The concrete HTS choke according to the innovation has at nominal operation a quality factor from 726. In contrast to conventional chokes must be used for HTS chokes between the electrical quality factor and that through the cooling effort reduced overall quality factor, who the for characterizes the overall efficiency required for operation become.

Tabelle 2: Vergleich Kupfer- und HTS-Drossel

Table 2: Comparison of copper and HTS chokes

Das Design von HTS-Drosseln nach der Neuerung kann bezüglich Masse, Volumen, Güte bzw. Wirkungsgrad oder Systemkosten optimiert werden. Entsprechend dem vorgesehenen Einsatz ergeben sich unterschiedliche Optimierungsschwerpunkte mit zum Teil gegenläufigen Abhängigkeiten.The design of HTS chokes according to the innovation can regarding Mass, volume, quality or efficiency or system costs can be optimized. Corresponding There are different optimization priorities for the intended use with partly counter-rotating Dependencies.

Claims

Throttle ( 2 ) with a body carrying magnetic flux ( 3 ) of ferromagnetic material of the jacket type, comprising a central core leg ( 4 ), two parallel back yoke legs ( 5 . 6 ) and two yoke legs magnetically bridging the core leg and the yoke legs ( 7 . 8th ) - with one the central core leg ( 4 ) enclosing high-temperature superconductor winding ( 9 ) and - with power supplies ( 10 . 11 ) the winding ( 9 ) through at least one of the yoke legs ( 7 ) in the area of the core leg ( 4 ) are performed.

Choke according to claim 1, characterized by a Training as a traction choke for mobile use, in particular a rail vehicle.