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Neues Konzept für Gleichstromtransport von Offshore-Windparks

Markus Retzlaff (links) und Christian Ehrlich (rechts, mit der neuen Steuerplatine) vor der alten Transistorbank des Netzgeräts. In dem Netzgerät sorgt ein aktiver Filter für die präzise Steuerung des Magnetstroms. Durch ein ausgeklügeltes System gleicht er in Echtzeit die sogenannte Restwelligkeit des gleichgerichteten Netzstroms aus. Im neuen System ist jede einzelne Funktion (zum Beispiel Spannungsüberwachung, Synchronisation des Versorgungsnetzes, Transistorüberwachung, Fehlerspeicher) in einer eigenen, in sich geschlossenen Baugruppe untergebracht. Diese müssen nur an der richtigen Stelle auf die Hauptplatine gesteckt werden. Alle Anschlüsse und Ein- und Ausgangssignale sind mit der alten Version kompatibel. Eine neue Einzeltransistorregelung reduziert nicht nur die Verlustleistung deutlich, sondern ist auch erheblich wartungsfreundlicher. Copyright: Forschungszentrum Jülich

Nicht nur für Teilchenbeschleuniger interessant – Neues Konzept für effiziente Stromversorgung für Jülichs COSY

(WK-intern) – Experten des Jülicher Instituts für Kernphysik haben ein neues Netzgeräte-Konzept für den Teilchenbeschleuniger COSY entwickelt.

Der von ihnen entwickelte aktive Filter macht die Stromversorgung der Dipolmagnete effizienter, präziser und weniger fehleranfällig.

Die neue Technologie ist nicht nur für die Jülicher Beschleunigerphysik von Bedeutung, sondern für alle Bereiche, in denen große Energiemengen als Gleichstrom transportiert werden, zum Beispiel von Off-Shore Windparks.

Teilchenbeschleuniger sind hochkomplexe Maschinen. Sie zu konzipieren und bauen dauert Jahre, manchmal sogar Jahrzehnte. Das Jülicher COSY (COoler SYnchrotron) wurde nach jahrelanger Bauzeit 1993 in Betrieb genommen und seitdem ständig weiterentwickelt und modernisiert. Manche Komponenten sind jedoch inzwischen mehr als zwanzig Jahre alt. Dazu gehört auch das Netzgerät, das die Dipolmagnete des Beschleunigers mit Strom versorgt. Das Problem: Reparaturen wurden immer schwieriger, denn viele der verwendeten Bauteile gibt es gar nicht mehr. „Und“, erklärt Christian Ehrlich vom Institut für Kernphysik (IKP), das den Beschleuniger COSY betreut, „Netzgeräte für Beschleuniger sind Spezialanfertigungen, die man nicht im Laden bekommt oder einfach so nachbestellen kann.“ So entschieden sich die IKP-Wissenschaftler im September 2015 für ein komplett neues Gerät – und zwar für einen Eigenbau.

Innerhalb eines knappen Jahres entwickelten sie das neue System. „Das ist sehr schnell“, betont Ehrlichs Kollege Markus Retzlaff. Und komplex, denn das Netzgerät liefert den Strom für die Dipolmagnete, deren Magnetfelder die beschleunigten Protonen und Deuteronen präzise auf ihrer 184 Meter langen Flugbahn halten. Um selbst kleinste Abweichungen der Teilchen etwa durch Temperaturschwankungen auszugleichen, muss die Stromzufuhr sehr fein und exakt regelbar sein. Die bis zu 5000 Ampere müssen innerhalb von wenigen Sekunden zur Verfügung stehen, außerdem darf die Stromstärke nur 20 Millionstel vom gewünschten Wert abweichen. Andernfalls sind Messungen mit dem Teilchenbeschleuniger unbrauchbar. Für die präzise Steuerung der Stromstärke sorgt ein ausgeklügeltes System im Netzgerät, ein sogenannter „aktiver Filter“.

Wartungszeit auf knapp die Hälfte verkürzt
Die Neuentwicklung bekommt einen Filter, der die Stromversorgung effizienter, präziser und weniger fehleranfällig macht. „Ein spezielles Monitorsystem liefert außerdem eindeutige und nachvollziehbare Fehlermeldungen bei Problemen, auch für Nichtfachleute“, so Christian Ehrlich. Das neue System muss auch nicht mehr nach jeder Reparatur komplett neu kalibriert werden. Das verkürzt die Wartungszeit des Netzgeräts auf knapp die Hälfte. Das ist wichtig, damit der Strahlbetrieb nicht unnötig unterbrochen werden muss – denn das ist teuer.

Auch für erneuerbare Energien interessant
Eine Besonderheit des Netzgerätes ist die Rückspeisefähigkeit. Energie, die normalerweise beim Herunterfahren der Magnete verloren gehen würde, wird in das Netz zurückgespeist. Diese Technologie ist nicht nur für die Beschleunigerphysik von Interesse. „Die ganzen erneuerbaren Energien werden zum großen Teil als Gleichstrom übertragen, über weite Strecken. Diese müssen natürlich auch Rückspeisesysteme haben, um die Verluste klein zu halten“, erklärt Markus Retzlaff. Auch hierfür ließe sich das neuentwickelte Konzept verwenden.

Vorsicht ist geboten
Um die Verbesserungen vorzunehmen, mussten die IKP-Experten mehr als 600 Seiten alte Schaltpläne aus den 1980er Jahren durchgehen und verstehen. „Das Problem bei solchen Entwicklungsarbeiten ist, dass man nicht viele Versuche hat. Wenn man einen Fehler macht, kann man das ganze Gerät zerstören.“ Deswegen ist vor dem Einsatz des neuen Systems die Entwicklung einer Testumgebung geplant, in der alle in der Praxis möglichen Einflüsse risikolos simuliert werden können. Selbst kleinste Stromschwankungen während des laufenden Betriebs können katastrophale Auswirkungen für die Stromversorgung der Dipolmagnete bedeuten, und damit für den gesamten Beschleuniger. Entwickelt wird diese Testumgebung ab Anfang September von vier Elektrotechnik-Studenten des Berufskollegs für Technik und Informatik in Neuss, unter Anleitung der Netzgerätegruppe des IKP. Auch für die Studenten ist das etwas Besonders: „Nicht jeder Elektrotechniker kann sagen, dass er schon mal an einem Beschleuniger gearbeitet hat“, lacht Christian Ehrlich. 2017 soll COSY mit dem neuen Gerät laufen.

Weitere Informationen:

Institut für Kernphysik (IKP)

Bereich Kernphysikalische Großgeräte (IKP-4)

Cooler Synchrotron (COSY)

Berufskolleg für Technik und Informatik Neuss

PM: Forschungszentrum Jülich

Pressebild: Markus Retzlaff (links) und Christian Ehrlich (rechts, mit der neuen Steuerplatine) vor der alten Transistorbank des Netzgeräts. In dem Netzgerät sorgt ein aktiver Filter für die präzise Steuerung des Magnetstroms. Durch ein ausgeklügeltes System gleicht er in Echtzeit die sogenannte Restwelligkeit des gleichgerichteten Netzstroms aus. Im neuen System ist jede einzelne Funktion (zum Beispiel Spannungsüberwachung, Synchronisation des Versorgungsnetzes, Transistorüberwachung, Fehlerspeicher) in einer eigenen, in sich geschlossenen Baugruppe untergebracht. Diese müssen nur an der richtigen Stelle auf die Hauptplatine gesteckt werden. Alle Anschlüsse und Ein- und Ausgangssignale sind mit der alten Version kompatibel. Eine neue Einzeltransistorregelung reduziert nicht nur die Verlustleistung deutlich, sondern ist auch erheblich wartungsfreundlicher.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

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