DE602006000903T2

DE602006000903T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung elektrischer Leistung

Info

Publication number: DE602006000903T2
Application number: DE602006000903T
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Usoskin
Original assignee: European High Temperature Superconductors GmbH and Co KG
Current assignee: Bruker HTS GmbH
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2026-01-14
Also published as: RU2402853C2; JP2007189227A; EP1808905A1; US7394628B2; EP1808905B1; DE602006000903D1; RU2007101331A; DK1808905T3; US20070184985A1; ATE392014T1; JP5117727B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der elektrischen Leistung.[0001]
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung elektrischer Leistung, auch bekannt als Strombegrenzer oder Fehlerstrombegrenzer, sind zum Beispiel aus [0002] US 5,379,020 bekannt. Das Verfahren weist das Befördern eines elektrischen Stroms durch ein supraleitendes Element auf, das die Fähigkeit des Abschaltens bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt, das Befördern eines zusätzlichen elektrischen Stroms durch ein metallisches Element, das mit dem supraleitenden Element verbunden ist, das Befüllen eines thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälters mit einem Teil eines flüssigen Anteils einer Kühlflüssigkeit, flüssigem Stickstoff und einem Teil eines gasförmigen Anteils (Stickstoff) der Kühlflüssigkeit, das Kühlen des supraleitenden Elements und des metallischen Elements durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil der Kühlflüssigkeit in dem inneren Behälter, und das Bereitstellen eines Masseaustauschs der Kühlflüssigkeit zwischen dem inneren Behälter und einem äußeren Behälter, um den inneren Behälter auf den Betriebspegel zu befüllen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist Nachfolgendes auf: [0003]

– ein supraleitendes Element das die Fähigkeit des Abschaltens bei einem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt,
– ein mit dem supraleitenden Element verbundenes metallisches Element,
– einen thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälter, gefüllt mit einem Teil eines flüssigen Anteils einer Kühlflüssigkeit und einem Teil eines gasförmigen Anteils der Kühlflüssigkeit,
– wobei der innere Behälter dazu in der Lage ist, eine Kühlung des supraleitenden Elements und des metallischen Elements durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil der Kühlflüssigkeit zur Verfügung zu stellen, und
– Mittel zum Bereitstellen eines Masseaustausches der Kühlflüssigkeit zwischen dem inneren Behälter und einem äußeren Behälter.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung können verwendet werden, um elektrische Leistung zu regeln, im Besonderen um den Strom in einer externen elektrischen Schaltung zu regeln, die mit der Anordnung verbunden ist. Die externe Schaltung kann gegen Überströme geschützt werden. Diese Arten von Anordnungen zur Strombegrenzung weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Reaktionszeit der Vorrichtung eine relativ lange Dauer aufweist und für einige Anwendungen ungenügend ist. Weiterhin können bei Stromüberlast lokale Überlastungen (so genannte „Hot Spots") im supraleitenden Element auftreten. Diese Hot Spots können eine Lebensdauer des Supraleiters begrenzen und können in extremen Fällen zu einem Versagen des Supraleiterelements und der Vorrichtung führen.[0004]
Der supraleitende Strombegrenzer in [0005] EP 1 217 708 A1 verwendet eine Kühlflüssigkeit ohne einen Phasenübergang oberhalb der Betriebstemperatur. Eine unerwünschte Verdampfung des Kühlmittels im Begrenzungsfall wird verhindert. Der Nachteil einer langen Reaktionszeit bleibt jedoch bestehen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung elektrischer Leistung zur Verfügung zu stellen, die eine kurze Reaktionszeit aufweisen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Lebensdauer der Vorrichtung zu erhöhen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig hergestellt werden kann.[0006]
Diese Ziele werden zur Verfügung gestellt durch Anwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 6 bis 13.[0007]
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Regelung elektrischer Leistung Nachfolgendes auf: [0008]

– Befördern eines elektrischen Stroms durch ein supraleitendes Element das die Fähigkeit aufweist, bei dem elektrischen Strom abzuschalten, der einen Schwellenwert übersteigt;
– Befördern eines zusätzlichen elektrischen Stroms durch ein metallisches Element, das mit dem supraleitenden Element verbunden ist;
– Befüllen eines thermisch isolierten und geschlossenen inneren Behälters mit einem Teil eines flüssigen Anteils eines Kühlmittels und einem Teil eines gasförmigen Anteils des Kühlmittels;
– Kühlen des supraleitenden Elements und des metallischen Elements durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil des Kühlmittels in dem inneren Behälter, und
– Bereitstellen eines Masseaustausches des Kühlmittels zwischen dem inneren Behälter und einem äußeren Behälter.

Der Austausch des Kühlmittels wird gesteuert [0009]

– sowohl als eine Funktion
– eines Masseflusses des Kühlmittels, der aus dem inneren Behälter austritt, wie auch
– einem aktuellen Druck in dem inneren Behälter und
– durch eine Unterbrechung einer festgelegten Dauer.

Während des normalen Betriebs befindet sich der Supraleiter im supraleitenden Zustand, das heißt in einem Zustand niedrigen Widerstands. Wenn ein Schwellenstrom überschritten wird, tritt der Supraleiter sehr schnell in einen Zustand hohen Widerstands ein oder schaltet ab, wodurch der Strom geregelt wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung regelt das Abschalten des Supraleiters und regelt daher die elektrische Leistung durch Steuerung der Kühlleistung, die im Fall eines Überstroms oder Fehlerstroms vom Kühlmittel an das supraleitende Element übertragen wird. Im Besonderen wird die Kühlleistung des Kühlmittels über die Zeit verändert, besonders nach dem Beginn eines Überstroms oder Fehlerzustands.[0010]
Gemäß der Erfindung wird der Austausch des Kühlmittels zwischen dem äußeren Behälter und dem inneren Behälter, in dem das Supraleiterelement angeordnet ist, gesteuert, um die Abschaltcharakteristik des Supraleiterelements zu steuern.[0011]
Der Austausch des Kühlmittels wird gesteuert durch Steuerung der folgenden Parameter nach den ersten Phasen des Abschaltens des Supraleiters. Der erste Abschaltzustand kann in lokalen Bereichen oder Hot Spots eintreten. Gemäß der Erfindung werden die nachfolgenden Parameter mit einer erwünschten zeitlichen Abfolge gesteuert, um die erwünschten Abschalteigenschaften des Supraleiters zu erzielen und daher das Regeln der elektrischen Leistung oder des Stroms in einer externen Schaltung zu steuern, mit der die Vorrichtung verbunden ist, die verwendet wird, um das Verfahren auszuführen: der Massefluss des Kühlmittels, das aus dem inneren Behälter austritt, und ein aktueller Druck in dem inneren Behälter mit einer Unterbrechung vorgegebener Dauer. In diesem Zusammenhang bezieht sich eine Unterbrechung vorgegebener Dauer auf eine Zeitverzögerung zwischen der Steuerung des Masseflusses des Kühlmittels und dem aktuellen Druck im inneren Behälter und im Besonderen zwischen dem Auslösen der Steuerung des Masseflusses des Kühlmittels und dem aktuellen Druck in dem inneren Behälter.[0012]
Wenn das supraleitende Element zum Beispiel beginnt, in den Zustand hohen Widerstands einzutreten, können lokalisierte isolierte Bereiche des Supraleiters zuerst in den Zustand hohen Widerstands eintreten, das heißt abschalten. Dies führt dazu, dass das flüssige Kühlmittel zum Sieden kommt. Dieser Anstieg im Druck kann gesteuert werden, in dem der innere Behälter geschlossen wird, um den Massefluss des Kühlmittels vom äußeren Behälter zum inneren Behälter zu vermindern oder zu verhindern. Das Schließen des inneren Behälters führt zu einem Ansteigen des Drucks im inneren Behälter und einem Anstieg der Siedetemperatur des Kühlmittels. Die vom Kühlmittel auf das supraleitende Element übertragene Kühlleistung wird verringert, was zu einem schnellen Abschalten des gesamten Supraleiters führt.[0013]
Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Reaktionszeit des Regelns der elektrischen Leistung in der externen Schaltung reduziert wird. Da weiterhin der gesamte Supraleiter in die Lage versetzt wird schnell abzuschalten, unterdrückt dies den Einfluss von lokalen Hot Spots, was zu einem Anstieg in der Lebensdauer des supraleitenden Elements und der elektrischen Anordnung führt.[0014]
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Masseaustausch aktiviert, wenn der aktuelle Druck in dem inneren Behälter den Druck in dem äußeren Behälter um einen zuvor festgelegten Wert übersteigt. Es wird ermöglicht, dass Kühlmittel vom äußeren Behälter in den inneren Behälter eintritt, um die Kühlleistung zu erhöhen.[0015]
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Masseaustausch wesentlich reduziert, nachdem der Massefluss, der aus dem inneren Behälter austritt, einen zuvor festgelegten Pegel übersteigt. Dies regelt die Temperatur und die Kühlleistung innerhalb des inneren Behälters.[0016]
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Masseaustausch nach der festgelegten Zeitverzögerung aktiviert, nachdem der aktuelle Druck in dem inneren Behälter höhere Werte erreicht im Vergleich zu dem Druck in dem äußeren Behälter. Dies ermöglicht eine Verminderung der Kühlleistung und einen Anstieg der Siedetemperatur des Kühlmittels für die Dauer eines erwünschten Zeitintervalls.[0017]
Eine Vorrichtung zum Regeln elektrischer Leistung gemäß der Erfindung weist Nachfolgendes auf: [0018]

– ein supraleitendes Element, das eine Fähigkeit zum Abschalten bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt;
– ein metallisches Element, das mit dem supraleitenden Element verbunden ist;
– einen thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälter, der mit einem Teil eines flüssigen Anteils ei nes Kühlmittels gefüllt ist und mit einem Teil eines gasförmigen Anteils des Kühlmittels;
– wobei der innere Behälter dazu fähig ist, eine Kühlung des supraleitenden Elements und des metallischen Elements zur Verfügung zu stellen durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil des Kühlmittels, und
– Mittel zum Bereitstellen eines Masseaustausches des Kühlmittels zwischen dem inneren Behälter und dem äußeren Behälter.

Die Mittel für den Masseaustausch des Kühlmittels weisen Nachfolgendes auf: [0019]

– eine Masseflusssteuerung für das Kühlmittel, das aus dem inneren Behälter austritt;
– eine Steuerung eines momentanen Drucks in dem inneren Behälter, und
– eine Verzögerungsschaltung, die eine vorgegebene Zeitverzögerung für den Betrieb der Masseflusssteuerung zur Verfügung stellt.

Die Vorrichtung zur Regelung der elektrischen Leistung ist, wenn sie sich im Betrieb befindet, mit einer externen Schaltung verbunden, die geregelt werden soll. Dies kann auf eine Vielzahl von Wegen ausgeführt werden, die nach dem Stand der Technik bekannt sind.[0020]
Die Masseflusssteuerung aktiviert den Massefluss des Kühlmittels von dem äußeren Behälter zu dem inneren Behälter, in dem zumindest das zu steuernde supraleitende Element [0021] 1 angeordnet ist, um so die Kühlleistung des Kühlmittels in dem inneren Behälter zu steuern und dementsprechend die des supraleitenden Elements zu steuern und die elektrische Leistung oder den Strom in der externen Schaltung zu regeln, mit der die Vorrichtung verbunden ist.
Die Steuereinheit des momentanen Drucks ermöglicht es, dass der Druck innerhalb des inneren Behälters geregelt wird. Die Steuereinheit kann geschlossen werden, zum Beispiel nachdem ein Überspannungsfall als ein Anstieg im Druck innerhalb des inneren Behälters festgestellt wird, um den Druck innerhalb des Behälters zu erhöhen und die Kühlleistung zu verringern. Dies fördert das schnelle Abschalten des gesamten Supraleiterelements und erhöht die Reaktionszeit der Vorrichtung. Wenn der Druck zum Beispiel einen vorgegebenen Wert übersteigt, kann die Steuereinheit, die ein Ventil aufweist, zum Beispiel geöffnet werden und der Druck in dem inneren Behälter kann reduziert werden. Die Siedetemperatur des Kühlmittels kann daher wie erwünscht gesteuert werden.[0022]
Die Verzögerungsschaltung kann eine vorgegebene Verzögerung zwischen dem Schließen des Ventils, das den momentanen Druck des inneren Behälters steuert, und dem Öffnen der Masseflusssteuerung, die den Eintritt des Kühlmittels von dem äußeren Behälter in den inneren Behälter und eine Reduktion in der Siedetemperatur des Kühlmittels innerhalb des inneren Behälters ermöglicht, zur Verfügung stellen. Die Kühlleistung des Kühlmittels innerhalb des inneren Behälters wird daher verbessert. Die Verzögerungsschaltung ermöglicht es daher, dass die Kühlleistung des Kühlmittels in dem inneren Behälter für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls reduziert wird.[0023]
Die Mittel zur Steuerung des Masseaustausches des Kühlmittels und der innere Behälter stellen daher ein Mittel zur Verfügung, durch das das Abschalten des Supraleiterelements gesteuert werden kann und stellen somit ein Mittel zur Verfügung, durch das die Regelung oder die Begrenzung des Stroms in einer externen Schaltung gesteuert werden können, mit der die Vorrichtung verbunden ist.[0024]
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Masseflusssteuerung ein Übertragungselement auf, das dazu in der Lage ist, das Kühlmittel zu befördern und das nach jedem Auftreten von erhöhtem Massefluss einen erhöhten Differenzdruck zwischen dem inneren Behälter und dem äußeren Behälter zur Verfügung stellt.[0025]
Das Übertragungselement kann als eine Düse zur Verfügung gestellt werden. Alternativ dazu kann das Übertragungselement als ein extern steuerbares Ventil zur Verfügung gestellt werden.[0026]
Die Steuereinheit des momentanen Drucks kann ein weiteres Ventil aufweisen, das ein normalerweise geschlossenes Ventil ist.[0027]
Die Masseflusssteuerung kann zwei oder mehr Übertragungselemente aufweisen, die unabhängig voneinander gesteuert werden können, um eine genauere Steuerung des Masseflusses eines Kühlmittels von dem äußeren Behälter zu dem inneren Behälter zur Verfügung zu stellen.[0028]
Die Verzögerungsschaltung kann das Öffnen des extern steuerbaren Ventils zur Verfügung stellen. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall kann von der Zeitverzögerungsschaltung ein Ansteuerungsimpuls zur Verfügung gestellt werden, der an das Übertragungselement geliefert wird, so dass das Kühlmittel in den inneren Behälter zugeführt wird. Ein Ansteuerungsimpuls kann an einen Aktuator gesandt werden, so dass sich ein Ventil öffnet und der Massefluss des Kühlmittels aktiviert wird.[0029]
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das metallische Element zumindest zum Teil durch zumindest eine metallische Wand des inneren Behälters zur Verfügung gestellt.[0030]
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das metallische Element durch elektrische Verbindungen oder durch einen gemeinsamen Teil an Magnetfluss mit dem supraleitenden Element verbunden beziehungsweise gekoppelt. Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung sind daher geeignet zur Verwendung sowohl mit induktiven als auch widerstandsbehafteten elektrischen Leistungsreglern.[0031]
Das supraleitende Element weist ein supraleitendes Material auf, das definiert ist als ein Material, das unterhalb einer kritischen Temperatur, einem kritischen Magnetfeld und einem kritischen Strom Supraleitung aufweist. Beispiele für Supraleiter sind Nb[0032] ₃Sn und NbTi, die im Allgemeinen als Niedertemperatursupraleiter bezeichnet werden und ReBa₂Cu₃O_7-x, wobei Re ein oder mehrere Elemente aus seltenen Erden wie zum Beispiel Y, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x und Bi (Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x ist, die im Allgemeinen als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet werden. Das Kühlmittel wird in Abhängigkeit von der kritischen Temperatur des supraleitenden Elements gewählt. Für supraleitende Elemente, die ReBa₂Cu₃O_7-x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x und Bi(Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ aufweisen, kann geeigneter Weise flüssiger Stickstoff als das Kühlmittel verwendet werden.
Das supraleitende Element kann in einer Anzahl von Ausführungsformen zur Verfügung gestellt werden, zum Beispiel in einem Zylinder eines Supraleiters, einer Beschichtung aus einem Supraleiter auf einem Substrat, das elektrisch nicht leitfähig sein kann, wie zum Beispiel eine Keramik, oder in der Form einer Beschichtung oder einer Folie auf einem Substrat aus einem flexiblen metallischen Band. Eine oder zwei Seiten des Bandes können mit der supraleitenden Phase beschichtet sein. Das Supraleiterelement kann biaxial strukturiertes ReBa[0033] ₂Cu₃O_7-x Band aufweisen.
Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der elektrischen Leistung gemäß der vorliegenden Erfindung werden jetzt auf dem Weg von Beispielen beschrieben und unter Bezugnahme auf die nachfolgenden begleitenden Figuren:[0034]
1 Eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 Graphische Darstellungen, die einen Betrieb des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
3 Weitere graphische Darstellungen, die einen Betrieb des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
4 Eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 Eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 Eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0035] 1 veranschaulicht eine schematische Ansicht der ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist Nachfolgendes auf:

– ein supraleitendes Element 1, das eine Fähigkeit zum Abschalten bei einem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt,
– ein metallisches Element 2, das mit dem supraleitenden Element durch Verbindungsscheiben 3 verbunden ist,
– einen thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälter 4, gefüllt mit einem Kühlmittel, das aus einem Teil eines flüssigen Anteils 6 eines Kühlmittels und einem Teil eines gasförmigen Anteils 31 des Kühlmittels besteht,
– wobei der innere Behälter 4 dazu in der Lage ist, eine Kühlung des supraleitenden Elements 1 und des metallischen Elements 2 durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil 6 des Kühlmittels zur Verfügung zu stellen. In der Vorrichtung gemäß 1 ist das supraleitende Element innerhalb des inneren Hohlraums des metallischen Elements angeordnet. Eine Anzahl von Öffnungen 2a sind in dem metallischen Element zur Verfügung gestellt, die ein Übertreten des flüssigen Kühlmittels 6 in die Aussparung ermöglichen und den direkten Kontakt zwischen dem flüssigen Kühlmittel 6 und dem supraleitenden Element 1 ermöglichen, und
– Mittel 9, 10, 20–26 und 30, 34, 35 um einen Masseaustausch des Kühlmittels zwischen dem inneren Behälter 4 und einem äußeren Behälter 7 zur Verfügung zu stellen.

[0036] Diese Mittel für den Masseaustausch weisen gemäß der Erfindung Nachfolgendes auf

– eine Masseflusssteuerung 9, 10, 20–24, 26 zur Steuerung des Kühlmittels, das von dem inneren Behälter 4 abgegeben wird,
– eine Steuerung 30–35 eines momentanen Drucks in dem inneren Behälter 4, und
– eine Verzögerungsschaltung 25, die eine vorgegebene Zeitverzögerung für den Betrieb der Masseflusssteuerung zur Verfügung stellt.

[0037] Die Masseflusssteuerung weist ein Übertragungselement 9, 10, 20–23, 26 auf, das dazu in der Lage ist das Kühlmittel zu befördern und stellt nach jedem Auftreten von erhöhtem Massefluss einen erhöhten Differenzdruck zwischen dem inneren Behälter 4 und dem äußeren Behälter 7 zur Verfügung. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Übertragungselement als ein extern gesteuertes Ventil zur Verfügung gestellt, basierend auf einer Kugel 20, die sich zwischen Position 20 und Position 21 bewegt, und einem Offsetpositionierer 22.
[0038] Die Steuerung des momentanen Drucks weist ein normalerweise geschlossenes zusätzliches Ventil 30 auf, in dem eine Kugel 32 durch eine Feder 33 elastisch gegen eine Düse 31 gedrückt wird. Das zusätzliche Ventil kann auch mit einem oberen Teil des äußeren Behälters 7 verbunden sein in einer Position, die sich oberhalb des Pegels des flüssigen Kühlmittels 8 befindet.
[0039] Die Verzögerungsschaltung 25 stellt das Öffnen des extern gesteuerten Ventils 20, 20–22 zur Verfügung unter Verwendung eines Ansteuerungssignals, das von der beweglichen Kugel 20 erzeugt wird. Dieses gepulste Signal wird durch einen Verstärker 23 verstärkt und über die Verbindung 24 an die Verzögerungsschaltung 25 geführt. Ein verzögerter Impuls wird an einen Aktuator 26 geführt, der ein Zurückkehren der Kugel in die Position 20 zur Verfügung stellt.
[0040] Die Ausführungsform der Vorrichtung weist auch zwei elektrische Durchführungen 5 auf, die elektrischen Strom an das supraleitende Element 1 und das metallische Element 2 führen.
[0041] Ein zum Betrieb der Vorrichtung gemäß 1 angewendetes Verfahren weist Nachfolgendes auf:

– Befördern eines elektrischen Stroms durch ein supraleitendes Element 1, das die Fähigkeit des Abschaltens bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt,
– Befördern eines zusätzlichen elektrischen Stroms durch ein mit dem supraleitenden Element 1 verbundenes metallisches Element 2,
– Befüllen eines thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälters 4 mit einem Teil eines flüssigen Anteils 6 einer Kühlflüssigkeit und einem Teil eines gasförmigen Anteils 31 der Kühlflüssigkeit,
– Kühlen des supraleitenden Elements 1 und des metallischen Elements 2 durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil 6 der Kühlflüssigkeit in dem inneren Behälter 4, und
– Bereitstellen eines Masseaustauschs der Kühlflüssigkeit zwischen dem inneren Behälter 4 und einem äußeren Behälter 7.

Der Austausch des Kühlmittels wird gemäß der Erfindung mindestens als eine Funktion der drei folgenden Parameter gesteuert:

– einem Massefluss des Kühlmittels, der von dem inneren Behälter 4 abgegeben wird,
– einem momentanen Druck in dem inneren Behälter 4,
– einer vorgegebenen Zeitverzögerung.

[0042] Das Befördern des Stroms durch das supraleitende Element 1 und das Befördern des zusätzlichen Stroms durch das metallische Element 2 wird zur Verfügung gestellt durch Aufteilen des Stroms, der durch elektrische Durchführungen 5 an den Verbindungsscheiben 3 zugeführt wird.
[0043] Das Befüllen des inneren Behälters 4 erfolgt durch den äußeren Behälter 7, der mit dem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist, nämlich flüssigem Stickstoff in dem betrachteten Beispiel. Wenn der Pegel des flüssigen Kühlmittels ausreichend hoch ist, beginnt das Kühlmittel den inneren Behälter 4 durch das Rohr 9 und das offene Ventil 10 zu befüllen. Das Befüllen des inneren Behälters 4 hält an, bis der Pegel 40 des flüssigen Kühlmittels hoch genug ist, so dass nur ein kleines Restvolumen 41, typischerweise von einigen Kubikzentimetern, mit einem gasförmigen Anteil 31 des Kühlmittels gefüllt ist.
[0044] Die Kühlung des supraleitenden Elements 1 erfolgt durch einen direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil 6 des Kühlmittels in dem inneren Behälter 4. Dieser wird zur Verfügung gestellt unter Verwendung einer Anzahl von kleinen Durchgangsöffnungen 2a in den äußeren Wänden des metallischen Elements 2, die es dem flüssigen Kühlmittel ermöglichen, in den inneren Hohlraum des metallischen Elements 2 einzutreten, wo das supraleitende Element 1 angeordnet ist. Es wird eine direkte Oberfläche zu Oberfläche Kühlung des supraleitenden Elements 1 zur Verfügung gestellt.
[0045] In einem anfänglichen Zustand ist der Massefluss des Kühlmittels bei einem nominalen Strom in dem supraleitenden Element 1 klein, so dass das extern gesteuerte Ventil 10 im offenen Zustand 20 ist. Der momentane Druck in dem inneren Behälter 4 ist praktisch gleich dem Druck in dem externen Be hälter 7. Deshalb bleibt das normalerweise geschlossene zusätzliche Ventil 30 geschlossen.
[0046] Wenn der elektrische Strom in dem supraleitenden Element 1 einen Schwellenwert übersteigt, beginnt das supraleitende Element 1 abzuschalten und geht in einen Zustand mit hohem Widerstand über. Während der ersten Momente tritt das Abschalten an einer Anzahl von lokalen Stellen auf. Als Ergebnis der Erzeugung Joule'scher Wärme in dem supraleitenden Element 1 und in dem metallischen Element 2 verstärkt sich das Sieden des flüssigen Kühlmittels, und der Massefluss des Kühlmittels, der von dem inneren Behälter 4 abgegeben wird, erhöht sich schnell. Dies bewirkt ein Schließen des extern gesteuerten Ventils 10. Da das Volumen 41 des inneren Behälters 4, das von dem gasförmigen Teil der Kühlphase eingenommen wird verhältnismäßig klein ist, steigt der Druck in dem inneren Behälter 4 schnell an.
[0047] Die obere Grenze dieses Drucks wird durch die Steuerung 30–35 eines momentanen Drucks vorgegeben. Wenn der Druck den vorgegebenen Pegel übersteigt, öffnet sich das normalerweise geschlossene zusätzliche Ventil 30, so dass der Druck abfällt. Als Ergebnis davon schwankt der momentane Druck in dem Behälter leicht. Nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung wird ein Auslöseimpuls, ursprünglich ausgelöst durch die Kugel 20 und den Offsetpositionierer 22, an den Aktuator 26 geleitet, der eine Rückkehr der Kugel in die anfängliche Position 20 zur Verfügung stellt. Das extern gesteuerte Ventil öffnet sich und der Druck in dem Behälter 4 gleicht sich während einer bestimmten Zeitdauer mit dem Druck in dem äußeren Behälter 7 aus.
[0048] Die Änderung des momentanen Drucks, der Massefluss ist zusätzlich in 2 gezeigt, wobei Δτ_f eine Zeitdauer des Beginns des Druckimpulses bezeichnet, Δτ_delay eine durch eine Verzögerungsschaltung vorgegebene Verzögerungszeit bezeichnet, und Δτ_r entsprechend eine Zeitdauer einer Druckentlastung bezeichnet, die während des letzten Teils des Betriebszyklus das extern gesteuerten Ventils 10 auftritt.
[0049] Da ein Anstieg des Drucks in dem inneren Behälter zu einer Erhöhung der Siedetemperatur des Kühlmittels führt, verringert sich die durch das Kühlmittel an das supraleitende Element 1 abgegebene Kühlleistung während des Druckimpulses wesentlich, da der momentane Druck 2 Bar bis 6 Bar erreichen kann. Dies führt zu einem schnellen Abschalten des gesamten Supraleiters, wodurch der Einfluss von "Hot Spots" unterdrückt wird. Dies führt schließlich zur Verkürzung der Reaktionszeit der Regelung elektrischer Leistung.
[0050] Die zeitliche Veränderung der Siedetemperatur des Kühlmittels 6 und des Widerstands sowohl des supraleitenden Elements 1 wie auch des metallischen Elements 2, die elektrisch parallel verbunden sind, werden durch graphische Darstellungen veranschaulicht, die in 3 dargestellt sind. Die Bezugszeichen in 3 sind die gleichen wie in 2; die durchgezogenen Kurven entsprechen der vorliegenden Erfindung, eine gepunktete Kurve entspricht dem bekannten Stand der Technik. Wie aus 3 abgeleitet werden kann, ist die Reaktionszeit, die durch das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, bedeutend kürzer als die, die durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung gestellt wird, bei denen der Austausch des Kühlmittels nicht gemäß der Erfindung gesteuert wird. Die Reaktionszeit wird unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung um einen Faktor von 5 bis 20 verringert, was zu absoluten Werten der Reaktionszeit in der Größenordnung von 100 μs führt.
[0051] 4 zeigt eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist Nachfolgendes auf:

– ein supraleitendes Element 51, das die Fähigkeit des Abschaltens bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt,
– ein metallisches Element 52, gekoppelt mit dem supraleitenden Element durch einen gemeinsamen Teil eines Magnetflusses (in der Figur nicht gezeigt),
– einen thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälter 54, gefüllt mit einem Teil eines flüssigen Anteils 56 eines Kühlmittels und einem Teil eines gasförmigen Anteils 81 des Kühlmittels,
– wobei der innere Behälter 54 dazu in der Lage ist, eine Kühlung des supraleitenden Elements 51 und das metallische Element 52 durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil 56 des Kühlmittels zur Verfügung zu stellen, und
– Mittel 60, 70, 71 zum Bereitstellen eines Masseaustausches des Kühlmittels zwischen dem inneren Behälter 4 und einem äußeren Behälter 7.

Diese Mittel für den Masseaustausch weisen Nachfolgendes auf:

– eine Masseflusssteuerung 60, die auf einem Übertragungselement 60 basiert,
– eine Steuerung 70 eines momentanen Drucks in dem inneren Behälter 54, und
– eine Verzögerungsschaltung 60.

[0052] In dieser Ausführungsform wird die Verzögerungsschaltung durch das gleiche Übertragungselement 60 zur Verfügung gestellt, das die Masseflusssteuerung aufweist.
[0053] Das Übertragungselement 60 ist als eine Düse mit einem ausreichend kleinen Querschnitt zur Verfügung gestellt, um während der Zeit, die für die Regelung der Leistung (das heißt zur Leistungsbegrenzung) benötigt wird, einen Impuls des Drucks in dem inneren Behälter 54 zur Verfügung zu stellen.
[0054] Die Steuerung des momentanen Drucks weist ein normalerweise geschlossenes zusätzliches Ventil 70 mit Selbstrückführungsfunktion auf. Das zusätzliche Ventil kann an einer Position, die sich oberhalb des Pegels des flüssigen Kühlmittels 58 befindet, auch mit einem oberen Teil des äußeren Behälters 57 verbunden sein.
[0055] Der Betrieb der Vorrichtung gemäß 4 folgt demselben Verfahren, wie es für die Vorrichtung gemäß 1 verwendet wird mit dem einen Unterschied, dass die als ein passives Element wirkende Düse 60 eine Reaktionszeit von etwa 200 Mikrosekunden ergibt, was etwa 2 Mal länger ist als die Reaktionszeit, die die Ausführungsform gemäß 1 aufweist. Diese Reaktionszeit ist jedoch immer noch sehr viel kürzer als die Reaktionszeit, die eine Vorrichtung und ein Verfahren nach dem Stand der Technik aufweisen.
[0056] 5 stellt eine schematische Ansicht der dritten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Vorrichtung weist in diesem Fall die gleichen Komponenten auf wie die in 1 gezeigte Vorrichtung mit den folgenden Modifikationen:

– eine Funktionalität des Masseaustausches für das flüssige Kühlmittel und für das gasförmige Kühlmittel ist auf solch eine Weise aufgeteilt, dass der Gasaustausch durch ein extern gesteuertes Ventil 10 mit einem Aktuator 26 zur Verfügung gestellt wird, während der Flüssigkeitsaustausch durch ein zweites extern gesteuertes Ventil 10a zur Verfügung gestellt wird, das einen Aktuator 26a aufweist;
– die Vorrichtung weist ein zusätzliches Ventil 101 auf, das eine Regelung des Drucks in dem äußeren Behälter 7 zur Verfügung stellt;
– die Vorrichtung weist eine Kühlmaschine 102 auf, die eine Kondensation des gasförmigen Kühlmittels innerhalb des äußeren Behälters 7 zur Verfügung stellt.

Eine Steuerung (in 5 nicht gezeigt) eines momentanen Drucks in dem inneren Behälter 4 liegt als ein Teil der vorliegenden Ausführungsform vor. Die Vorrichtung kann sowohl auch die elektrischen Verbindungen 3 zwischen dem supraleitenden Element 1 und dem metallischen Element 2 aufweisen, wie auch Stromdurchführungen 5, die in 1 gezeigt und in 5 nicht gezeigt werden. Alternativ dazu sind im Fall von induktiver oder magnetischer Kopplung des supraleitenden Elements 1 und des metallischen Elements 2 solche Verbindungen und Durchführungen nicht erforderlich.
[0057] Die Vorrichtung wirkt auf die gleiche Weise wie die Vorrichtung gemäß 1 mit dem einen Unterschied, dass die Steuerung des Masseflusses durch zwei Kanäle zur Verfügung gestellt wird, die zwei unabhängige Ventile 10 und 10a aufweisen. Die Vorrichtung und das Verfahren sind dazu in der Lage, den Massefluss im Vergleich mit der Ausführungsform gemäß 1 genauer zu steuern. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 1 kann eine weitere Reduktion in der Reaktionszeit von 30% zur Verfügung gestellt werden. Die Reaktionszeit der Vorrichtung gemäß 5 betrug 70 Mikrosekunden.
[0058] 6 offenbart eine schematische Ansicht der vierten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist die gleichen Komponenten auf wie die in 5 gezeigte Vorrichtung, mit den folgenden Modifikationen:

– der innere Behälter 114, der im Volumen 106 mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist, ist in einer Ringform zur Verfügung gestellt, um eine magnetische Kopplung des supraleitenden Elements 111 mit einer primären Spule 120 zur Verfügung zu stellen, die auf einem isolierenden Kern 122 zur Verfügung gestellt ist.

Die Kopplung wird durch den Eisenkern 125 zur Verfügung gestellt. Ein metallisches Element ist zum Teil als ein metallischer Ring 112 und zum Teil als die metallischen Wände des inneren Behälters 114 zur Verfügung gestellt; sowohl der metallische Ring 112 wie auch die metallischen Wände des inneren Behälters 114 sind durch einen Magnetfluss in einem Eisenkern 125 gekoppelt.
[0059] Der Unterschied im Verfahren für den Betrieb im Vergleich mit dem Verfahren gemäß 5 rührt im Wesentlichen her von der angewendeten magnetischen Kopplung des supraleitenden Elements 11, so dass der Strom einer bezüglich der elektrischen Leistung zu regelnden Wechselstromschaltung durch die Enddrähte 121 an die primäre Spule 120 geführt wird.

Claims

Verfahren zum Regeln elektrischer Leistung, aufweisend: – Befördern eines elektrischen Stroms durch ein supraleitendes Element (1), das die Fähigkeit des Abschaltens bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt; – Befördern eines zusätzlichen elektrischen Stroms durch ein metallisches Element (2), das mit dem supraleitenden Element verbunden ist; – Befüllen eines thermisch isolierten und abgeschlossenen inneren Behälters (4) mit einem Teil eines flüssigen Anteils (6) einer Kühlflüssigkeit und einem Teil eines gasförmigen Anteils (31) der Kühlflüssigkeit; – Kühlen des supraleitenden Elements und des metallischen Elements durch deren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil der Kühlflüssigkeit in dem inneren Behälter, und – Bereitstellen eines Masseaustauschs der Kühlflüssigkeit zwischen dem inneren Behälter und einem äußeren Behälter (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch der Kühlflüssigkeit gesteuert wird – als eine Funktion von sowohl – einem Massefluss der Kühlflüssigkeit, die von dem inneren Behälter abgegeben wird, – als auch einem momentanen Druck in dem inneren Behälter und – mit einer Unterbrechung vorgegebener Dauer.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Masseaustausch aktiviert wird, wenn der momentane Druck in dem inneren Behälter den Druck in dem äußeren Behälter um einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2, wobei der Masseaustausch wesentlich reduziert wird, nachdem der Massefluss, der von dem inneren Behälter abgegeben wird, einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3, wobei der Masseaustausch nach der vorgegebene Zeitverzögerung aktiviert wird, nachdem der momentane Druck in dem inneren Behälter höhere Werte erreicht als im Vergleich zu dem Druck in dem äußeren Behälter.
Vorrichtung zum Regeln elektrischer Leistung, aufweisend: – ein supraleitendes Element (1), das die Fähigkeit des Abschaltens bei dem elektrischen Strom aufweist, der einen Schwellenwert übersteigt, – ein metallisches Element (2), das mit dem supraleitenden Element verbunden ist, – einen thermisch isolierten und dichten inneren Behälter (4), gefüllt mit einem Teil eines flüssigen Anteils einer Kühlflüssigkeit und einem Teil eines gasförmigen Anteils der Kühlflüssigkeit, – wobei der innere Behälter dazu in der Lage ist, eine Kühlung des supraleitenden Elements und des metallischen Elements durch ihren direkten Kontakt mit dem flüssigen Anteil der Kühlflüssigkeit zur Verfügung zu stellen und – Mittel (9, 10, 20–26, 30, 34, 35) zum Bereitstellen eines Masseaustauschs der Kühlflüssigkeit zwischen dem inneren Behälter und einem äußeren Behälter (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Masseaustausch der Kühlflüssigkeit aufweist: – eine Masseflusssteuerung (9, 10, 20–24, 28) für die Kühlflüssigkeit, die von dem inneren Behälter abgegeben wird; – eine Steuerung (30–35) eines momentanen Drucks in dem inneren Behälter, und – eine Verzögerungsschaltung, die eine vorgegebene Zeitverzögerung für den Betrieb der Masseflusssteuerung zur Verfügung stellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Masseflusssteuerung (9, 10, 20–24, 28) ein Übertragungselement aufweist, dass zum Befördern der Kühlflüssigkeit in der Lage ist und das nach jedem Auftreten von erhöhtem Massefluss einen erhöhten Differenzdruck zwischen dem inneren Behälter und dem äußeren Behälter zur Verfügung stellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Übertragungselement als eine Düse zur Verfügung gestellt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Übertragungselement als ein von außen steuerbares Ventil zur Verfügung gestellt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerung des momentanen Drucks ein weiteres, normalerweise geschlossenes Ventil aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Verzögerungsschaltung das Öffnen des von außen gesteuerten Ventils zur Verfügung stellt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das metallische Element mindestens zum Teil durch mindestens eine metallische Wand des inneren Behälters zur Verfügung gestellt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das metallische Element mit dem supraleitenden Element durch elektrische Verbindungen oder durch einen gemeinsamen Teil an Magnetfluss verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei das supraleitende Element beschichtetes supraleitendes Band aufweist, das einen Hochtemperatursupraleiter aufweist.