Hochstrom-Netzteile für Supraleiter

Einführung in die Supraleitung

Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur praktisch keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Diese bemerkenswerte Eigenschaft ermöglicht es, dass elektrischer Strom ohne die bei herkömmlichen Leitern üblichen Energieverluste durch sie fließt. Das Ergebnis ist eine hocheffiziente Energieübertragung und äußerst leistungsstarke Magnetfelder, wenn diese Materialien zu Elektromagneten geformt werden – beides unverzichtbar für fortschrittliche Anwendungen wie Teilchenbeschleuniger, Magnetresonanztomographie (MRT), Quantencomputing und Fusionsplasmen.

Historisch gesehen arbeiten diese supraleitenden Materialien – üblicherweise als Tieftemperatur-Supraleiter (LTS) bezeichnet – nur bei extrem niedrigen Temperaturen und benötigen flüssiges Helium (4 K, −269 °C) zur Kühlung. Obwohl effektiv, erhöhen diese kryogenen Anforderungen die Komplexität und die Betriebskosten erheblich und schränken eine breitere kommerzielle Einführung ein.

Durchbrüche bei Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) haben das Paradigma jedoch grundlegend verändert. HTS-Materialien, wie solche auf Basis keramischer Verbindungen mit Seltenerdelementen und Kupferoxid (oft als REBCO- oder YBCO-Leiter bekannt), können Supraleitung bei höheren Temperaturen erreichen – häufig im Bereich der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K, −196 °C). Flüssiger Stickstoff ist weitaus wirtschaftlicher und leichter verfügbar als flüssiges Helium und reduziert sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten supraleitender Systeme erheblich.

Mit diesen Entwicklungen bei HTS ist die Aussicht auf eine weit verbreitete, praktische supraleitende Technologie greifbarer geworden. Von kompakteren supraleitenden Magneten in zukünftigen Fusionsenergiereaktoren (Tokamaks) bis hin zu supraleitenden Übertragungsleitungen, die die Energieverteilung revolutionieren könnten – HTS-Materialien sind führend dabei, großtechnische supraleitende Anwendungen sowohl realisierbar als auch kosteneffizient zu machen.

DC-Stromanforderungen für Supraleiter

Supraleiter weisen per Definition einen extrem niedrigen – oder sogar vernachlässigbaren – elektrischen Widerstand unterhalb ihrer kritischen Temperatur auf. Diese Umgebung mit ultrageringem Widerstand stellt eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung, Prüfung und Versorgung supraleitender Magnete oder beim Testen supraleitender Kabel dar: Die Anwendung erfordert oft außergewöhnlich hohe Ströme bei sehr niedrigen Spannungen.

Warum niedrige Spannung?

• Minimale ohmsche Verluste: Bei Supraleitern sind die ohmschen Verluste bei Betriebstemperatur vernachlässigbar. Das bedeutet, dass nur ein geringer Spannungsabfall erforderlich ist, um große Ströme durch die supraleitende Spule oder das Kabel zu treiben.
• Sicherheit und Systemkomplexität: Eine niedrige Versorgungsspannung reduziert die Anforderungen an die elektrische Isolierung und verringert Sicherheitsrisiken bei Hochstrom-Testaufbauten, insbesondere in Forschungs- oder Industrielaborumgebungen, in denen mehrere Stromsysteme nebeneinander betrieben werden.

Warum sehr hoher Strom?

• Magnetfeldanforderungen: Supraleitende Magnete in der Fusionsforschung, wie sie in Tokamak-Reaktoren eingesetzt werden, erfordern leistungsstarke Magnetfelder. Um diese Felder zu erzeugen, verwenden Ingenieure große Spulen, die Ströme von Tausenden bis Hunderttausenden Ampere führen müssen.
• Qualifizierung und Prüfung von Supraleitern: Organisationen, die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Drähte entwickeln, müssen deren Leistung unter realistischen Betriebsströmen charakterisieren, was die Fähigkeit erfordert, hohe Ströme präzise und zuverlässig zu liefern.

Programmierbarkeit für Rampen und Regelung

• Sanftes Hoch- und Herunterfahren: Supraleitende Magnete sind oft empfindlich gegenüber schnellen Stromänderungen, die mechanische Spannungen verursachen oder zu einem Quench (einem plötzlichen Verlust der Supraleitung) führen können. Programmierbare DC-Netzteile ermöglichen eine präzise Stromprofilierung und gewährleisten ein kontrolliertes Erregen und Entregen supraleitender Systeme.
• Automatisierte Testprotokolle: In F&E- und Produktionsumgebungen umfasst die Charakterisierung von Supraleitern häufig die Wiederholung komplexer Stromprofile unter verschiedenen Bedingungen. Ein programmierbares Netzteil ermöglicht es Ingenieuren, diese Prozesse zu automatisieren und so die Konsistenz und Datengenauigkeit zu verbessern.

Hochstrom-programmierbare DC-Netzteile von Magna-Power

Die Hochstrom-Netzteile von Magna-Power sind seit Jahrzehnten ein wesentlicher Bestandteil supraleitender Lastanwendungen. Ob es um die Erregung von Tokamak-Feldspulen für Fusionsexperimente oder um die Versorgung supraleitender Drähte während Test und Validierung geht – Magna-Powers Kombination aus vertikaler Integration, stromgespeister Topologie, flexiblen Kühllösungen und fundiertem Engineering-Know-how ermöglicht die Bereitstellung von Hochstromlösungen, die auf Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit optimiert sind. Die Fähigkeit des Unternehmens, Rohmaterialien zu verarbeiten und Hochstrom-Sammelschienenlösungen im eigenen Haus zu entwickeln, bedeutet, dass Magna-Power neue Designs schnell iterieren und die neuesten Leistungshalbleiter integrieren kann, um sein Produktangebot zu erweitern.

Standardisierte Produkte bis in den Bereich von Hunderten Kiloampere mit zuverlässiger stromgespeister Leistungsverarbeitung

Magna-Powers Standard-TS-Serie Netzteile umfasst Hunderte von Modellen und Tausende von Konfigurationen, die Ströme von wenigen Ampere bis in den Bereich von Hunderten Kiloampere liefern können. Niederspannungs-Hochstrom-Modelle umfassen beispielsweise das TSD8-2500 (0-8 Vdc, 0-2500 Adc, 4U), TSD8-5000 (0-8 Vdc, 0-5000 Adc, 8U), TSD8-7500 (0-8 Vdc, 0-7500 Adc, 12U) und TSD8-10000 (0-8 Vdc, 0-10000 Adc, 16U). Mehrere TS-Serie-Einheiten können in Master-Slave-Parallelschaltung konfiguriert werden, um höhere Stromstufen zu erreichen.

Jedes Modell nutzt die stromgespeiste Leistungsverarbeitungstopologie des Unternehmens, die einen stabilen Stromausgang bei ohmschen, kapazitiven oder hochinduktiven Lasten, hohe Fehlertoleranz und vorhersagbares Systemverhalten unter anspruchsvollen Lastbedingungen gewährleistet. Diese Standardkonfigurationen bieten einen direkten Weg zur Skalierung Ihrer Leistungsanforderungen und vereinfachen gleichzeitig die Komplexitäten, die häufig mit Ultrahochstrom-Anwendungen verbunden sind.

Mit einer langjährigen Tradition in der Versorgung supraleitender Programme entwickelt sich die Familie der programmierbaren DC-Netzteile von Magna-Power kontinuierlich weiter, um die strengen Leistungsanforderungen sowohl industrieller als auch wissenschaftlicher Anwender zu erfüllen.

Flexible Kühllösungen und Integrationsoptionen

Die Rack-Gehäuse von Magna-Power bieten eine Vielzahl flexibler, schlüsselfertiger Installations- und Kühllösungen, die auf spezifische Installationsanforderungen abgestimmt sind. Diese Gehäuse können luftgekühlte oder wassergekühlte TS-Serie-Netzteile aufnehmen und oft mehrere Einheiten in einer einzigen Lösung kombinieren:

• Integrierte Kühlsysteme: Luftgekühlte Produkte in einem Rack verfügen über oben montierte Lüfter, die kühle Luft ansaugen und die Wärme nach oben abführen. Für wassergekühlte Einheiten wird eine Verrohrung zu einem gemeinsamen Ein- und Auslass für das Rack bereitgestellt, was den Anschluss an die Gebäudewasserversorgung vereinfacht.
• Oberschwingungsneutralisierung: Große Rack-Gehäusesysteme können optionale Eingangs-Oberschwingungsfilter enthalten, die eine niedrige Gesamtoberschwellungsverzerrung (THD-I) beim parallelen Betrieb mehrerer Hochstrom-Netzteile gewährleisten.
• Verfügbares Zubehör: Magna-Power bietet eine Vielzahl von Rack-Zubehör, wie AC-Leistungsschalter, gemeinsame AC-Eingangssammelschienen und -verteilung, Not-Aus-Taster, Bodenmontagesockel und weiteres. Eine Rack-Konfiguration wird gemeinsam definiert und eine eindeutige Kennung als Referenz vergeben.

Mit diesen umfassenden Integrationsoptionen bleibt Ihre Ultrahochstrom-Netzteil-Lösung sowohl modular als auch handhabbar, was alles von Beschaffung und Einrichtung bis hin zum laufenden Betrieb und zur Wartung vereinfacht.

Hochstromverkabelung für vereinfachte Integration

Hochstrom-supraleitende Anwendungen erfordern oft spezielle Steckverbinder und Kabel, die Tausende von Ampere ohne übermäßige Wärmeentwicklung oder Spannungsabfall übertragen können. Häufig erfordern diese Hochstromverbindungen die Anfertigung großer, maßgefertigter Kupfersammelschienen, die Ingenieurressourcen beanspruchen und sehr kostspielig sein können.

Magna-Power bietet hochstromfähige, extrem flexible, hochlitzige und niederimpedante DC-Stromkabel an, die speziell für die Kombination mit den Sammelschienen der TS-Serie entwickelt wurden, mit folgenden Hauptmerkmalen:

• Hochbeständige Isolierhülle: Die Kabel sind durch eine acrylbeschichtete geflochtene Glasfaserhülle geschützt, die hohe Abriebfestigkeit (2500 Zyklen, SAE ARP 1 536) und 6.000 Vdc Isolierung bietet und so Langlebigkeit und lange Lebensdauer in industriellen oder F&E-Umgebungen gewährleistet.
• Hohe Stromtragfähigkeit: Jedes Kabel ist für 1.000 Adc ausgelegt, ist extrem flexibel und hat eine niedrige Impedanz (0,020 mΩ/ft). Mehrere Kabel können parallel geschaltet werden, um noch höhere Stromanforderungen zu erfüllen. Jede TS-Serie-Sammelschiene verfügt über ausreichend Anschlusspunkte, um den vollen Strom über das Kabel zu führen.
• Verschiedene Längenoptionen von 1 ft bis 300 ft: Vereinfachen Installationen, bei denen Geräte oder Prüfstände in verschiedenen Entfernungen zum Netzteil aufgestellt sein können.

Durch die Kombination dieser speziell entwickelten Kabel mit TS-Serie-Netzteilen nimmt Magna-Power das Rätselraten bei der Hochstromintegration ab und gewährleistet sowohl Sicherheit als auch einfache Installation.

Ultrapräzise Zusatzmodule oder eigene Eingänge

Für Anwendungen, die ultrapräzise Messung und Regelung erfordern – sei es zur Feinabstimmung der Feldhomogenität eines supraleitenden Magneten oder zur Charakterisierung des differenzierten Verhaltens von HTS-Kabeln – bietet Magna-Power das DBx Module an. Dieses Zusatzzubehör bietet:

• Hohe Präzision: Hochleistungs-D/A- und A/D-Wandler mit einem temperaturstabilisierten Controller bieten hochgranulare Programmierung (18-Bit) und Rücklese-Auflösung (24-Bit).
• Hohe Stabilität: Ein ultrastabiler Fluxgate-Gleichstromwandler (DCCT) wird verwendet, um hochgenaue isolierte Messungen über eine Reihenschaltung mit dem DC-Ausgang des Netzteils durchzuführen und dann die Analogeingänge des Netzteils über den temperaturstabilisierten Controller des DBx Module anzusteuern, was eine Stabilität von < 50 ppm ermöglicht.
• Schlüsselfertige Konfigurationen: Systeme werden direkt ab Werk geliefert und getestet, vollständig integriert mit den Netzteilen, DBx Modules, Rack-Gehäuse, Verkabelung und Kühlung.

Für Kunden, die ihre eigene Hochpräzisionsreferenz bereitstellen und eine externe Fehlerkorrektur durchführen möchten, bietet Magna-Power Analogeingänge an seinen Netzteilen, die einen direkten Analogpfad zum Controller darstellen.

Zusammenfassung

Supraleitende Anwendungen – von den ultrastarken Magneten, die in Fusionsreaktoren wie Tokamaks unverzichtbar sind, bis hin zu neuen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Kabeln – erfordern präzise Hochstrom-Netzteile, die bei niedrigen Spannungen arbeiten. In diesem Artikel untersuchen wir, wie diese anspruchsvollen Anforderungen durch die robusten, programmierbaren DC-Stromversorgungslösungen von Magna-Power erfüllt werden. Unter Nutzung einer einzigartigen stromgespeisten Topologie liefert Magna-Power Standard-Netzteile, die Hunderte von Kiloampere erreichen können, mit flexibler Kühlung, vereinfachter Integration durch spezialisierte Hochstromverkabelung und optionaler Ultrapräzisionsmessung über das DBx Module. Mit jahrzehntelanger Erfahrung und einem vertikal integrierten Fertigungsansatz in den USA ist Magna-Power bereit, jedes System auf die spezifischen Anforderungen der supraleitenden Forschung, Prüfung und industriellen Implementierung zuzuschneiden.