ВТСП электроэнергетическая установка
2007, Tом 4, выпуск 2
Тематика: Российские разработки
В 2006 г. коллективом предприятий и учреждений Санкт-Петербурга, Москвы и Екатеринбурга закончено изготовление опытной автономной электроэнергетической установки мощностью 50 кВт (рис.1). Результаты исследований установки представляют интерес, как для общепромышленной, так и для специальной электроэнергетики. Головной организацией являлось ФГУП «ЦНИИ СЭТ», испытания проводились на криогенных стендах ФГУП «НИИэлектромаш», основные разработки проведены в НИИ ИТЭЭ ГУАП.
Электроэнергетическая установка состоит из ВТСП синхронного генератора, ВТСП трансформатора, ВТСП кабеля и синхронного электродвигателя с ВТСП элементами. Генератор питает электро-двигатель через понижающий трансформатор и полупроводниковый преобразователь, для передачи энергии используется ВТСП кабель. На сегодняшний день изготовлены и испытаны в косвенных режимах все компоненты установки. В конструкции всех элементов электроэнергетической установки активно используются аморфная сталь, высококоэрцитивные магниты и другие высокотехнологичные материалы. Ниже подробно описаны основные компоненты установки.
Рис. 1. Схема ВТСП электроэнергетической установки.
Синхронный генератор мощностью 50 кВт с ВТСП обмоткой статора
Конструкция ВТСП синхронного генератора изображена на рис. 2. Ротор генератора 4-х полюсный, традиционной конструкции, охлаждается газообразным азотом. Сердечник статора выполнен из аморфного сплава 5БДСР российского производства. Стеклотекстолитовый цилиндр является технологической основой для намотки ВТСП катушек обмотки статора, а также выполняет роль внутренней обечайки криостата статора.
Обмотка статора выполнена из ВТСП ленты Bi-2223 в серебряной матрице сечением 0,3 ґ 4,3 мм2. Катушки статора имеют седлообразную форму (см. фото), что позволяет улучшить характеристики генератора и делает его более компактным. Изготовление таких катушек - значительно более трудоемкий процесс, чем намотка треков. Рабочая температура статора от 77,3 до 64 К (с откачкой паров). Обмотка и сердечник размещаются внутри криостата, образованного двумя внешними обечайками и торцевыми крышками.
Поверхности обечаек и торцевых крышек криостата, обращенные в вакуумную полость, отполированы для снижения теплопритока за счет излучения. Внешняя обечайка и торцевые крышки с вакуумными полостями выполнены из нержавеющей стали, а внутренняя обечайка – из стеклопластика. Основные характеристики генератора представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры ВТСП генератора
Рис. 2. ВТСП синхронный генератор и внутренняя обечайка криостата с креплением ВТСП обмотки.
ВТСП трансформатор мощностью 60 кВ·А с магнитопроводом из аморфной стали
Опытный образец трехфазного ВТСП трансформатора броневого типа номинальной мощностью 60 кВ·А (рис. 3) отличается малой массой (вдвое меньшей, чем у традиционного с масляным охлаждением, например, ТМ 63/6), компактностью и малыми потерями. Созданию этого трансформатора предшествовали успешные испытания однофазной модели мощностью 1 кВ·А, которые позволили выбрать оптимальные размеры магнитопровода, обеспечивающие минимальный расход сверхпроводника. Следует отметить, что величина напряжения короткого замыкания в ВТСП трансформаторе в несколько раз ниже, чем в трансформаторах традиционного исполнения, что приводит к возрастанию установившегося тока КЗ. С одной стороны, это требует специальных мер по ограничению токов КЗ, с другой стороны, при работе параллельно с обычными трансформаторами ВТСП трансформатор примет на себя максимальную нагрузку.
Обмотки трансформатора намотаны из ВТСП ленты Bi-2223 в серебряной матрице сечением 0,3×4,3 мм2. Рабочая температура трансформатора также от 77,3 до 64 К. Магнитопровод броневого типа выполнен из аморфной стали марки 5БДСР. Результаты ранее проведенных исследований показали, что удельные потери в магнитопроводе из аморфной стали 5БДСР примерно в 20 раз ниже потерь в обычной электротехнической стали. Броневой сердечник наматывался из отдельных галет, а затем собирался на нержавеющем каркасе.
Катушки фаз трансформатора располагаются вертикально друг над другом. Корпусная изоляция выполнена из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Разработанная конструкция трансформатора обеспечивает благоприятное распределение магнитных полей в зоне ВТСП обмоток и является ремонтопригодной. Отработан вариант охлаждения ВТСП трансформатора от криоохладителя.
Таблица 2. Основные параметры ВТСП трансформатора
Синхронный двигатель с ВТСП элементами мощностью 50 кВт
В конце каждого абзаца надо нажать ENTER, чтобы следующий абзац начинался с новРазработан, изготовлен и испытан опытный образец многодискового синхронного двигателя вертикального исполнения, состоящий из трех дисковых индукторов на основе постоянных магнитов Nd-Fe-B и одного дискового индуктора на основе ВТСП массивов из иттриевой керамики (рис. 4). Многодисковая конструкция позволяет легко наращивать мощность двигателя.
Синхронный ВТСП двигатель размещен в криостате с жидким азотом (77,3 К). Диск с ВТСП массивными элементами (YBCO) размещен внизу. При криогенных температурах величины остаточной индукции и коэрцитивной силы магнитов Nd-Fe-B возрастают. Коэрцитивная сила возрастает в 5 раз При температурах 120-130 К индукция постоянных магнитов увеличивается более чем на 18 %. Таким образом, поддерживая в активной зоне многодиско-вого синхронного двигателя оптимальный температурный режим, можно обеспечить существенное повышение выходной мощности.
Двигатель работает в сочетании с полупроводниковым преобразователем частоты со звеном постоянного тока на основе неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром и инвертора напряжения с широко-импульсной модуляцией. Работу транзисторов ШИМ регулирует микропроцессорная система управления.
Таблица 3. Основные параметры ВТСП электродвигателя.
Трехфазный ВТСП кабель на первом этапе испытаний изготовлен по методу электродинамического моделирования в виде трех соленоидальных катушек и по своей индуктивности соответствует сверхпроводниковому кабелю длиной порядка 70 м.
- Андреев Е.Н. и др., 2-я Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Звенигород, Россия, Сборник Трудов, с. 235 (2006).
- Андреев Е.Н. и др., 2-я Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Звенигород, Россия, Сборник Трудов, с. 307 (2006).
- Андреев Е.Н. и др., 2-я Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Звенигород, Россия, Сборник Трудов, с.221 (2006).
- Чубраева Л.И. –«Формирование требований к электротехническому ВТСП оборудованию по результатам исследований на модели ВТСП комплекса», презентация, февраль 2007
- Andreev E.N. et al, XVII-th International Conference on Electrical Machines, Chania, Greece, Conference papers, PSA 5-2. Ref. 347 (2006).
- Andreev E.N. et al, XVII-th International Conference on Electrical Machines, Chania, Greece, Conference papers, PSA 5-1. Ref. 348 (2006).