Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Отечественные разработки электромеханических преобразователей и накопителей энергии на основе ВТСП

2016, Tом 13, выпуск 1
Тематика: Российские разработки

 

В последние годы в ведущих отечественных и зарубежных научных центрах возрос интерес к разработке нового электротехнического оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов. Это связано, прежде всего, с тем, что уровни производимой и потребляемой мощностей электроэнергии растут, а топливные ресурсы весьма ограничены. Поэтому необходимо повышать эффективность за счет усовершенствования уже существующего и разработок принципиально нового электрооборудования.

Зарубежные и отечественные исследования показали, что использование сверхпроводящих (СП) материалов может существенно повысить эффективность единичного агрегата и улучшить его массоэнергетические показатели, что приведет к увеличению удельной мощности всей системы.

В «Московском авиационном институте (Национальном исследовательском университете)» (МАИ) на кафедре 310 проводятся работы по созданию электромеханических преобразователей и накопителей энергии на основе ВТСП материалов начиная с 1994 г. Работы выполнялись в рамках проекта Госкорпорации «Росатом» «Сверхпроводниковая индустрия» в составе проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность» при президенте РФ и госконттракту «Сверхпроводимость» с МИНПРОМТОРГом.

МАИ совместно с АО «НИИЭМ» (г. Истра), МГТУ им. Баумана, ИФВЭ (г. Протвино), АО «ВПО Точмаш» (г. Владимир) и ГУАП (г. Санкт-Петербург) в конце 2015 года завершил работы по созданию сверхпроводниковых электродвигателей, генераторов, кинетического накопителя энергии, замкнутой системы криогенного обеспечения, а также были созданы испытательные стенды и проведены испытания всех устройств.

Ниже приводятся краткие описания созданных ВТСП устройств, их характеристики, преимущества и области применения.

Синхронный электродвигатель мощностью 200 кВт для транспорта на основе ВТСП-2. Основным преимуществом разработанного изделия по сравнению с существующими аналогами является увеличенная в 1,5 раза мощность при тех же габаритах. Также созданный электродвигатель имеет двукратный запас по перегрузке по мощности без увеличения питающего напряжения, и четырехкратный, в случае увеличения напряжения питания до 900 В. Разработанная конструкция позволяет работать как при естественном, так и при водяном охлаждении обмотки статора.

Основные характеристики электродвигателя и ротора с ВТСП-2 (Рис. 1) представлены в  таблице 1.

Рис. 1 – Сверхпроводниковый синхронный электродвигатель мощностью 200 кВт и ротор с ВТСП-2 обмотками

 

Таблица 1 – Основные характеристики

синхронного ВТСП двигателя

Название параметра

Значение

Номинальная мощность (кВт)

205

Номинальное напряжение питания (В)

450

Ном./макс. частота вращения (мин-1)

1500/4000

Номинальная электрическая частота (Гц)

75

Номинальный момент (Н·м)

1305

Номинальный ток статора (А)

165

Диаметр расточки (мм)

340

Активная длина (мм)

220

Коэффициент мощности

0,96

Собственный КПД

0,97

Основной областью применения данного синхронного двигателя является использование его в качестве тягового привода для электротранспорта (наземного, рельсового, морского). Использование сверхпроводниковых материалов позволяет существенно снизить массу (в 3‑5 раз) и габаритные размеры электродвигателя при сохранении мощности.

Данный сверхпроводниковый синхронный двигатель может применяться в качестве приводов: ведущих колёсных пар электровозов, грузовых электромобилей, воздушных винтов вертолётов и машин на воздушной подушке, мобильных грузоподъёмных механизмов, для запуска турбин авиационных двигателей, привода гребных винтов морских судов.

Наиболее целесообразно применять его в тех областях, где имеются криогенные жидкости (жидкий азот, неон, водород, сжиженный природный газ). В этом случае, изделие может быть интегрировано в существующую криосистему.

Перспективным может оказаться применение этого ВТСП электродвигателя на объектах двойного назначения и ВТ.

Сверхпроводниковый синхронный ветрогенератор мощностью 1 МВА на основе ВТСП-2.

Созданный ВТСП генератор (Рис. 2) не имеет мировых аналогов. Основные его характеристики представлены в таблице 2.

Рис. 2 – Первый в мире синхронный ветрогенератор мощностью 1 МВА

с обмотками из ВТСП второго поколения

 

Таблица 2 – Основные характеристики

синхронного ВТСП ветрогенератора

Название параметра

Значение

Номинальная мощность (кВА)

1000

Номинальное напряжение (В)

(линейное/фазное)

1195/690

Номинальная частота вращения

(мин-1)

600

Номинальная электрическая частота (Гц)

50

Номинальный момент (Н·м)

16 000

Номинальный ток статора (А)

500

Диаметр расточки (мм)

800

Активная длина (мм)

400

Коэффициент мощности

0,99

Собственный КПД

0,99

Разрабатываемые в мире безмультипликаторныеветрогенераторы большой мощности имеют удельную массовую мощность порядка 0,07 кг/кВт и КПД 95%. Производство ветрогенераторов больших размеров, помимо технологических сложностей, связанных с изготовлением, доставкой, сборкой, монтажом, имеет долгое время окупаемости, что значительно снижает их рентабельность и экономическую привлекательность.

Основной областью применения разработанного генератора являются ветроэнергетические установки (ВЭУ). Применение сверхпроводящих материалов позволяет кратно сократить массу и габаритные размеры ветрогенератора при сохранении его мощности, или повысить номинальную мощность при сохранении массы.

Разработанный ВТСП генератор может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме, и может применяться в качестве приводов: ведущих колёсных пар тяговых длинносоставных электровозов, карьерных гибридных самосвалов, гребных винтов атомоходов и подводных лодок. А также в изделиях двойного назначения.

Кинетический накопитель энергии с запасенной энергией 5 МДж с магнитным подвесом на основе ВТСП.

Кинетические накопители энергии обладают высокими удельными значениями запасенной энергии и обеспечивают выдачу энергии в течение продолжительного (десятки секунд) времени, необходимого до включения резервных дизель-генераторных установок.

Разработанный кинетический накопитель энергии (КНЭ) представлен на Рис. 3. В таблице 3 приведены основные характеристики КНЭ.

Рис. 3 – КНЭ и маховик КНЭ

Таблица 3 – Основные характеристики КНЭ с

магнитном ВТСП подвесом

Название параметра

Значение

Запасаемая энергия (МДж)

5

Мощность мотор-генератора (кВт)

100

Номинальное фазное напряжение (В)

230 – 380

Диапазон частоты вращения (мин-1)

5000 – 8000

Собственный КПД

0,98

Применение магнитного ВТСП подвеса позволяет обеспечить требуемую грузоподъемность и устойчивость бесконтактных опор без применения сложных электронных систем слежения и стабилизации, существенно влияющих на надежность работы бесконтактных опор. Кроме того, магнитные ВТСП опоры практически не имеют ограничений по скорости перемещения подвижных частей электромеханического преобразователя, что существенно увеличивает их предельные массоэнергетические характеристики.

Основной областью применения разработанного изделия является использование его в качестве источника аварийного питания ответственных потребителей. Применение сверхпроводниковых материалов в конструкции магнитного подвеса позволяет исключить потери на трение в опорах и увеличить время хранения запасённой энергии.

Также КНЭ может применяться как резервный и аварийный источник питания ответственных потребителей: медицинские центры, вычислительные комплексы, установки химического производства, системы охлаждения активной зоны ядерных реакторов, системы компенсации пиковых нагрузок и рекуперации тяговых подстанций.

Сверхпроводниковый синхронный электрогенератор мощностью 960 кВА на основе ВТСП-2.

Разработанный ВТСП генератор и его основные характеристики представлены на Рис. 4 и в таблице 4.

Рис. 4 – Синхроный ВТСП генератор мощностью

960 кВА

Таблица 4 – Основные характеристики синхронного

ВТСП генератора мощностью 960 кВА

Название параметра

Значение

Номинальная мощность (кВA)

960

Номинальное напряжение питания (В)

690

Номинальная частота вращения (мин-1)

6000

Номинальная электрическая частота (Гц)

300

Номинальный момент (Н·м)

1200

Номинальный ток статора (А)

478

Размеры активной зоны (мм) (DxL)

400x200

Коэффициент мощности

0,9

Собственный КПД

0,98

ВТСП генератор мощнее традиционного аналога на 50 % при сопоставимых габаритах. Генератор имеет двукратный запас по мощности при работе в течение 5 с, может эксплуатироваться как при естественном, так и при жидкостном охлаждении. Отличительными особенностями данного ВТСП генератора являются: неподвижные обмотки возбуждения и возможность в случае потери сверхпроводимости в катушках возбуждения выдавать мощность около 400 кВт при длительном режиме работы.

Основной областью применения разработанного изделия является использование его в качестве электрогенератора с приводом от газовой турбины. Использование сверхпроводящих материалов позволяет сократить массу и габаритные размеры агрегата при сохранении мощности.

Также этот электрогенератор может применяться в качестве источника переменного тока мощностью 960 кВА, стартера турбины морского судна, привода турбокомпрессора в промышленных воздухоразделительных, криогенных и сверхпроводниковых системах.

Данный генератор является бесконтактным типом электрических машин, поэтому работоспособен в широких диапазонах температур и давлений окружающей среды. В частности, генератор может быть использован на высотных и космических летательных аппаратах в условиях вакуума при доработке подшипникового узла, а также на больших глубинах в подводных лодках, батискафах и необитаемых подводных аппаратах.

Перспективным может оказаться применение разрабатываемого ВТСП генератора на объектах двойного назначения.

Система криообеспечения для ВТСП электродвигателей, генераторов и КНЭ.

Рис. 5 - Общий вид системы криообеспечения при проведении испытаний

Система криообеспечения разработана и создана для криостатирования обмоток ВТСП генератора, электродвигателя и КНЭ (Рис. 5). Она обеспечивает поддержание сверхпроводимости в двух режимах работы – расходном и замкнутом.

Температура переохлаждённого жидкого азота в криостате поддерживается в диапазоне 65-70 К с помощью криорефрижерата. В качестве рабочего тела газообразного контура криорефрижератора используется газообразный неон (цикл Турбо-Брайтона).

Использование переохлажденного жидкого азота обеспечит надёжную работу ВТСП проводников второго поколения. Основные технические характеристики криорефрижератора представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Основные технические

характеристики криорефрижератора

Параметр

Значение

Холодопроизводительность

1…2.5 кВт при температуре 65 К

Основные элементы

Компрессоры, турбодетандер, теплообменные аппараты

Теплоноситель газового контура

неон

Теплоноситель жидкостного контура

Антифриз «Экасол»

Потребляемая мощность

25 кВт

Охлаждение «сухой» градирни

Принудительное воздушное

Обслуживание

Полная автоматизация

Ресурс

30 000 часов непрерывной работы

Циркуляции жидкого азота в трактах охлаждения ВТСП обмоток электродвигателя, генератора и КНЭ обеспечивается центробежным циркуляционным насосом.

Датчики уровня жидкости обеспечивают поддержание постоянного уровня жидкости в криостате за счёт управления работой клапана заправки. Датчики фазы на выходе из ротора обеспечивают контроль сплошности потока при захолаживании и возникновения паровых каверн в полости агрегата при работе.

Основной областью применения разработанного изделия является использование его для поддержания температуры ВТСП проводников и объемных ВТСП элементов в диапазоне 65-75 К в различных устройствах (КНЭ, генераторы, двигатели, кабели, трансформаторы, токоограничители и др.).

Достигнутый уровень разработок в области электромеханических преобразователей и накопителей энергии, а также систем замкнутого криогенного обеспечения позволяет приступить к их промышленному внедрению в промышленной энергетике и транспортных объектах.

 

 

К.Л. Ковалев (МАИ), А.Л. Меньшенин (АО "НИИ ЭМ")

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.