Мощный криотрон

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 51) Н 01 Ь 39/2 ью сниж а на его быстродейти его раолнен иэ ьппения надежновой элемент вып ствия иботы, кл один от и оси обмоторых электсобой и с с вои элемент ки управлен тливнутренн лемента овьппенной с продол та.и 2 о т алами для хладКриотрон по ппщийся тем е 1 ми к и о трубкилнены из сверхния краев коперечнымии с одинакоч выполючевого элемента ОсудА стенн 11 Й нОмитет сссР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(72) Н,В,Марковский, М,П Марковская, Г.Г.Счастливый (СССР) и Я,Кокавец, Л.Цеснак, И.Хласник (ЧССР) (71) Институт электродинамики АН УССР и Электротехнический институт ЦЭФИ САН (ЧССР)(56) 1. Патент Великобритании Р 1488417, кл. Н 01 Ь 39/18, 1977.2. Каге Н.Н,М. ег а 1.Н 1 дЬ сеггепг апй МрЬ рочег вурег сопйцсгдпд гесЬ 1 Г.егз, Сгуоддпсз" 1981, 1 п 5, рр. 291-296 (прототип),(54)(57) 1, мощный КРиотро щий безындуктивный сверхпр ключевой элемент, силовые ключевого элемента, систем ния, содержащую обмотку уп охватывающую ключевой элем воды обмотки управления, п Юые блоком управления, о т Н, включаюоводящий выводы у управлеравления, ент и вы- одключаеу и ч а ю ЯО 11 0148 А щ и и с я тем, что, с це ния расхода сверхпроводни изготовление, увеличения ых тонкостенных трубок, попрокачивается хладагент,араллельных одна друго и управления, концы ко рически соединены мездру ловыми выводами, а ключ теплоизолирован от обмо2. Криотрон по п. 1, чающий ся тем, ч полости трубок ключевог заполнены материалом с магнитной проницаемость проводящих лент, соединеторых снабжены узкими поразрезами, расположеннымвым шагом вдоль трубок.41 11301Изобретение относится к области .сильноточной электротехники и можетбыть использовано в качестве сверхпроводящих ключей преобразователейэлектрической энергии, работающихпри сверхнизких температурах, например, в бес;сонтактных устройствах запитки сверхпроводящих обмоток возбуждения мощных криотурбогенераторовили в сверхпроводящих устройствах соОгласования энергетического сверхпро-водящего накопителя и энергосистемы.Известен сверхпроводящий ключ,содержащий беэындуктивную катушкуключевого элемента, образованнуюнамоткой на кольцевой изоляционныйкаркас сверхпроводящей ленты, контактирующей по крайней мере с однойстороны на большей части своей длины с проницаемой для хладагентаэлектроизолирующей стекловолоконнойлентой, систему магнитного управления, содержащую кольцевую управляющую обмотку, охватывающую ключевойэлемент и создающую магнитное поле,направленное параллельно плоскостисверхпроводящей ленты этого элемента, блок управления и источник питаГ 13При заданной мощности системыЗОуправления сверхпроводящего ключаего быстродействие определяется величиной критического магнитного поляи полным объемом ключевого элемента.Стремление увеличить быстродействиеизвестных сверхпроводящих ключейс магнитным управлением обуславливает применение для изготовления ключевых элементов сверхпроводниковс критическим магнитным полемЬ (1 Т. Такие сверхпроводники(ниобий, сплав свинца с висмутом)обладают низкой критической температурой Тс и низкой удельной коммутируемой мощностью Р= 1 Р, где2критическая плотность тока; р45удельное сопротивление в нормальномсостоянии при сверхкритическом магнитном поле, что при заданной коммутируемой мощности неизбежно приводит к большому расходу сверхпровод-оника на изготовление ключевого элемента и обмотки управления, еслипоследняя изготовлена из сверхпроводника,Наиболее близким по техническойсущности является мощный криотрон,включающий безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые 8 2выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент, выводы обмотки управления через блок управления 2.Подобные мощные криотроны использованы в сверхпроводящем выпрямителе мощностью 60 Вт при чисто омической нагрузке и общих криогенных потерях .до 103, использующем ток частотой50 Гц. Обмотка управления создает в зоне ключевого элемента субкритическое постоянное магнитное попе ( Вс сверхпроводника ключевого элемента 0,85 Т), а общее магнитное поле управления колеблется от О,б до 0,88 Т т.е. промышленная частота достигаетск ценой недоиспользования сверхпроводника ключевого элемента, который в сверхпроводящем(открытом) состоянии работает привесьма высоком магнитном поле(О,б т), приближающемся к критическому, что снижает токонесущую способность сверхпроводника и коммутируемую мощность криотрона. При возрастании коммутируемой мощности объем ключевого элемента, особенно с учетом изоляции и охлаждающихканалов, и расход сверхпроводникабыстро растут. Растут и размеры обмоток управления. Кроме того, известные криотроны чувствительны к магнитным полям рассеяния и не могут работать,при повышенных температурах в замкнутых дюарах. При изготовлении же ключевого элемента из сверхпроводящих материалов с высокой индукцией критического магнитного поля В , обладающих большой удельной разрывной мощностью Р (например, ИЬТ 1, ЮЬ Вп, ИЬ Се, ИЪМ, МЬСИ)размеры обмоток управления чрезмерно увеличиваются,Цель изобретения - снижение расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличение быстродействияи повышение надежности его работы.Цель достигается тем, что в мощном криотроне, включающем безындуктивный сверхпроводящий ключевойэлемент, силовые выводы ключевогоэлемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватызающую ключевой элемент и выводыобмотки, ключевой элемент выполненсеяния, пропорциональной малому зазору между обмотками 3 и 8, и происходит очень быстро. Вторичные токи,замыкающиеся в поперечных сеченияхстенок трубок 8, перпендикулярны5транспортному току, текущему вдольстенок. Когда результирующий ток,протекающий в стенке трубки 8 иравный векторной сумме вторичногои транспортного токов, превзойдет 0по величине критическое. значениедля трубки, последняя переходитв реэистивное состояние. Рост вторичного тока замедляется, начинаетсянагрев трубок 8, Одновременно активная мощность начинает поступатьи нз силовой цепи через выводы 2.По мере роста температуры обмотки 1ключевого элемента растет и его сопротивление, приближаясь к нормальному сопротивлению закрытого криотрона. При этом саморазогрев ключевого элемента за счет мощности силовой цепи усиливается, приближаяськ расчетному. Если нормальное сопротивление ключевого элемента таково,что при номинальных параметрах силовой цепи его саморазогрев обеспечивает поддержание температуры вышекритической, то управляющее напря- Зожение блоком управления может бытьотключено. Интенсивность нагрева ключевого элемента за счет мощностисистемы управления при ограниченныхразмерах поперечного сечения трубок 8 и обмотки 3 усиливается за счетзаполнения внутренней полости трубок 8 материалом с повышенноймагнитной проннцаемостью, играющегороль магнитопровода индуктивно 40связанных обмоток 3 и 8. В устройстве может быть предусмотрен обратный магнитопровод из того же илидругого материала с высокой магнитной проницаемостью, расположеннойв криостате 7 или вне его, и замыкающий магнитопроводы трубок 8. Трубки 8 могут быть выполнены "замкнутыми в магнитном отношении", тоесть их разноименные концы могутприлегать друг к другу через электрическую изоляцию, Включение мощного криотрона (переход из нормального состояния в сверхпроводящее)происходит во время перехода напряжения силовой цепи через нуль приуменьшении саморазогрева ключевогоэлемента и/или за счет прекращенияразогрева со стороны системы управления. Следующее отключение криотрона осуществляется при подключениик выводам 4 напряжения обратной полярности. При этом ток в обмоткеуправления изменяется (уменьшается)от.максимального значения, набранного в предыдущем периоде работы криотрона, проходит через нуль и нарастает до максимального значенияобратной полярности. Так, в открытомсостоянии сверхпроводящий ключевойэлемент находится в управляющеммагнитном коле, параллельном транспортному току, Поперечные разрезы 20продольных соединений 19 краев 18сверхпроводящих лент, из которыхизготовлены трубки 8, позволяют увеличить площадь этих соединений иуменьшить нх сопротивление так, чтдбы тепловыделение на них при ростевторичного тока не переводило преждевременно соединение 19 в нормальноесостояние и не гасило вторичныйток, необходимый для нагрева сплошных стенок трубок 8 вне соединений 19.Так как в нормальном состоянии обмотка 1 ключевого элемента нагрета .выше критической температуры 1 тосущественна теплоизоляция ее отобмотки 3 управления. Длительностьвключения мощного криотрона (и коммутационные потери) определяетсятолщиной стенок трубок 8 и интенсивностью теплоотвода от них, Поэтомуважна интенсивная циркуляция хладагента по трубкам 8, обеспечиваемаяциркуляционной системой,рхлажденияключевого элемента. В предлагаемом мощном криотроне снижение расхода сверхпроводника на его изготовление достигается воэможностью использования сверхпроводника с большими Рп(значит и с большим 8 ) без необходимости в обмотке управления, создающей 8саПри этом снижение индуктивности ключевого элемента и обмотки управления увеличивает быстродействие криотрона и повышает надежность егоработы.ки.управления, концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элементтеплоизолирован от обмотки управления, при этом внутренние полости 5трубок ключевого элемента могутбыть заполнены материалом с повышенной магнитной проницаемостью с продольными каналами для хладагента,а если трубки ключевого элемента 1 Овыполнены из сверхпроводящих лент,то соединения их краев снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одниковым шагом вдоль трубок. 5На фиг. 1 схематично изображенобщий вид предлагаемого мощногокриотрона; на фиг. 2 - сечениеключевого элемента и обмотки управления; на фиг. 3 - трубки ключевого щэлемента, изготовленные из сверхпроводящих лент,Мощный криотрон содержит обмотку безындуктивного ключевого элемента 1, его силовые выводы 2, подклю 25 чаемые к внешней цели, обмотку 3 управления, охватывающую обмотку ее выводы 4 подключенные через блок 5 управления к,источнику 6 электрической мощности системы управления. Обмотки 1 и 3 помещены в криостат 7, являющийся частью системы охлаждения, Ключевой элемент выполнен иэ тонкостенных сверхпроводящих трубок 8 одинакового сечения 35 (фиг. 1, показаны трубки прямоугольного сечения) и одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу и направлению магнитной оси обмотки 3 управления. Концы трубок 8 40 электрически соединены между собой и с выводами 2 сверхпроводящими перемычками 9 так, что в прилегающих друг к другу через электроизоляцию 10 стенках соседних трубок электричес кие токи направлены встречно и параллельно направлению управляющего магнитного поля (на фиг. 1 одноименные концы трубок 8 соединены через один), Перемычки 9 не должны экра нировать управляющее магнитное поле, для чего они или размещены вне управляющего поля (вне обмотки 3), или их плоскость параллельна управляющему полю, и вместе с трубками 8 55 они не образуют замкнутых электрических контуров, перпендикулярных управляющему магнитному погпо. Обмотка 3 управления теплоизолирована и электроизолирована от обмотки 1 клю-. чевого элемента, в систему охлаждения введены гелиеподводы 11 и 12, подсоединенные к трубкам 8 и вместе с холодильной машиной 13 образующие циркуляционную систему охлаждения ключевого элемента. Обмотка 3 управления может иметь свою подсистему 14 охлаждения и быть погружена в жидкий гелий, содержащийся в криостате 7. Трубки 8 могут быть частично заполнены (должны остаться каналы для циркуляции хладагента) материалом с повышенной магнитной проницаемостью в виде, например, проволок 15 или лент того или иного сечения (на фиг,2 этот материал имеет вид проволок круглого сечения). Распорки 16, расположенные между обмоткой 3 управления и обмоткой 1 ключевого элемента, обеспечивает электрическую и тепловую изоляцию обмоток 1 и 3. При изготовлении трубок 8 из сверхпроводящих лент 17 (двух на фиг. 3) их края 18 методом пайки, сварки (холодной сварки) соединяются с образованием продольных соединений 19, чаще всего несверхпроводящих, Как сверхпроводящие, так и несверхпроводящие продольные соединения должны быть снабжены узкими поперечными разрезами 20, следующими вдоль трубок 8, с одинаковым шагом и обеспечивающими отсутствие электропровод- ности вдоль соединения 19Распорки 16 могут быть заменены слоем вакуумной изоляции, а обмотка управления, изготовленная, например, из криопроводника, может поддерживаться системой 14 охлаждения при более высокой температуре. Мощный криотрон работает следую-. щим образом. Переключение обмотки 1 ключевого элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное (отключение криотрона) осуществляется при подключении к выводам 4 обмотки 3 управления блоком 5 управления источника 6 электрической мощности системы управления, работающего в режиме источника напряжения. Так как в момент подключения напряжения к обмотке 3 трубки 8, индуктивно свя" занные с обмоткой 3, являются еще сверхпроводящими, то нарастание тока в первичной и вторичной обмотках ограничено только индуктнвностью рас