Сверхпроводниковые синхронные генераторы

Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводящие материалы подразделяют на две группы: сверхпроводники первого и второго рода. К сверхпроводникам первого рода относят чистые металлы. Установлено, что 26 таких металлов при критической температуре Т _к, близкой к абсолютному нулю, становятся идеальными сверхпроводниками (ρ = 0) и идеальными диамагнетиками (μ = 0). Однако при относительно малых магнитных полях (менее 0,2 Тл) свойства сверхпроводимости у них исчезают. Среди чистых металлов наибольшую Т _к имеет ниобий (9,3 К), наименьшую — ванадий (0,01 К). Сверхпроводники первого рода пригодны для работы при постоянных и переменных магнитных полях. Однако они практически неприменимы для работы при сильных токах из-за относительно малых значений магнитной индукции и плотности тока.

К сверхпроводникам второго рода относят некоторые сплавы. В настоящее время электропромышленность выпускает четыре сверхпроводниковых изделия (провода, кабели, шины, ленты) из сплавов ниобий — цирконий, ниобий — титан, ниобий — цирконий — титан и интерметаллического соединения Nb3Sn. Свойство полупроводника сохраняется у них при Т _к = 4К (т. е. при температуре жидкого гелия) в магнитных полях с индукцией порядка 10 Тл и плотностях тока в проводнике порядка 107 — 109 А/м². Сверхпроводники второго рода практически пригодны для работы только в постоянных магнитных полях и при постоянном токе. Следовательно, их нельзя использовать для выполнения обмотки якоря, но они могут дать большой техникоэкономический эффект при изготовлении из них обмоток возбуждения. Выполнение обмоток возбуждения из сверхпроводников, допускающих большие плотности тока и сильные магнитные поля при отсутствии джоулевых потерь, позволяет существенно уменьшить массу и габаритные размеры электрических машин, увеличить их КПД и предельную мощность.

Во всех сверхпроводниковых магнитных системах применяют стабилизированные провода, представляющие собой композит, состоящий из тонких сверхпроводящих нитей в несверхпроводящей (медной или алюминиевой) матрице. Эти нити занимают около 5% поперечного сечения провода, а средняя плотность тока достигает (5 — 8) 107 А/м². Для выравнивания индуктивности сверхпроводящих контуров, образуемых отдельными жилами (нитями), их скручивают по длине провода.

В перспективе для выполнения обмоток якоря можно применять так называемые криопроводники (гиперпроводники). К ним относятся проводники из чистых алюминия и бериллия, сопротивление которых при температуре жидкого азота и жидкого водорода (77—20 К) резко уменьшается (в несколько сотен и тысяч раз).

Устройство генераторов. ВСССР создано несколько опытных образцов сверхпроводниковых синхронных генераторов мощностью 1,2—20 MB•А. Генератор мощностью 20 MB•А имеет номинальное напряжение 6,3 кВ, частоту 50 Гц, частоту вращения 3000 об/мин и cos φ = 0,8.

Электромагнитные характеристики и конструкция сверхпроводниковых синхронных генераторов существенно отличаются от генераторов обычного типа. Обмотка возбуждения у сверхпроводниковых генераторов создает настолько большую МДС, что устраняется необходимость в ферромагнитном магнитопроводе. Поэтому ротор имеет значительно меньшие габаритные размеры, массу, момент инерции и центробежные силы, чем обычные генераторы аналогичной мощности.

Обмотки возбуждения и якоря у них не крепятся, как обычно, на полюсах и в пазах сердечников, поэтому для их крепления в генераторах применяют немагнитопроводящие несущие конструкции, обеспечивающие необходимую прочность обмоток при воздействии на них центробежных и электродинамических сил, а также их изоляцию и охлаждение. Обмотка якоря не экранируется зубцовым слоем и пронизывается полным потоком взаимной индукции, который примерно в 5—10 раз больше, чем в обычных машинах. Поэтому для уменьшения потерь от вихревых токов стержни этой обмотки выполняют из многожильных проводов минимально возможного сечения, транспонированных вдоль длины якоря для уменьшения неравномерности распределения между ними тока.

Для обмотки якоря требуется только межвитковая изоляция, так как в генераторе нет заземленного ферромагнитного сердечника (в лобовой части выполняется также изоляция между фазами). Изоляция представляет собой немагнитопроводящую монолитную конструкцию и служит одновременно силовым элементом якоря. Прочность этого элемента должна быть большой так как при коротких замыканиях на обмотку якоря действуют механические усилия, примерно в пять раз большие, чем в генераторах обычного типа. Ввиду того что магнитное поле рассеяния в рассматриваемых генераторах значительно превышает биологически безопасную величину, статор в рассматриваемых генераторах окружают ферромагнитным цилиндрическим экраном. Этот экран защищает людей и устройства, находящиеся вблизи машины, от действия переменных магнитных полей якоря и постоянных полей возбуждения, а также предотвращает проникновение внутрь машины внешних электромагнитных полей.

Обмотка возбуждения располагается во вращающемся криостате, охлаждается жидким гелием и должна быть хорошо изолирована в тепловом отношении от окружающей среды и экранирована от переменных магнитных полей обмотки якоря. Охлаждение ротора осуществляется по замкнутому циклу путем непрерывной подачи жидкого гелия из холодильной установки в полость, окружающую обмотку возбуждения через аксиальный канал вала ротора. Обратно гелий выходит в виде газа при температуре 20—50 К в герметически закрытую зону между ротором и статором. Для тепловой изоляции и снижения потерь от трения ротор вращается в вакуумном зазоре, из которого постепенно откачивается воздух. Вакуумный зазор создается посредством пластмассовой трубы, которая одновременно поддерживает обмотку якоря. На торцах этой трубы имеются специальные уплотнения. Внутренняя оболочка (несущая конструкция обмотки возбуждения) находится в области, заполненной жидким гелием; для снижения потерь она имеет минимальное поперечное сечение и выполняется из материала с большим удельным электрическим сопротивлением. В некоторых конструкциях ее выполняют с большой теплоемкостью для стабилизации теплового режима обмотки возбуждения.

Внешний экран располагается в области, охлаждаемой выходящими из обмотки возбуждения парами гелия, при температуре 20—50 К и полностью отделяет обмотку возбуждения от обмотки якоря. Он состоит из теплового и электромагнитного экрана. Электромагнитный экран относительно обмотки возбуждения является короткозамкнутой обмоткой, которая препятствует изменению потока возбуждения. Одновременно он служит демпфером, обеспечивающим быстрое затухание колебаний ротора при переходных режимах работы машины. На рис. 6.67 показан один из вариантов экранирования обмотки возбуждения.

Рис. 6.67. Поперечное сечение ротора генератора: 1 — вакуумная полость; 2 — кар­кас обмотки возбуждения; 3 — обмотка возбуждения с гермети­зирующим кожухом; 4 — теплый экран (температура 20К); 5 — экран из нержавеющей стали; 6 — экран из фосфористой брон­зы; 7 — зазор между ротором и статором (вакуум); 8 — якорь; 9 — электромагнитный экран

В сверхпроводниковых генераторах систему возбуждения можно выполнить в двух вариантах: с регулированием тока возбуждения посредством независимого источника постоянного тока (например, полупроводникового выпрямителя) или без регулирования. В последнем случае обмотка возбуждения короткозамкнута и поток возбуждения «заморожен». Из-за отсутствия ферромагнитного магнитопровода и возрастания эффективного воздушного зазора между обмотками возбуждения и якоря индуктивное сопротивление обмотки якоря существенно снижается, т. е. уменьшается падение напряжения в ней, что облегчает работу регулятора напряжения. Кроме того, увеличиваются токи при переходных режимах и возникает необходимость в специальных мерах для ограничения токов к. з. Индуктивность обмотки возбуждения наоборот из-за высокой плотности тока существенно возрастает, что приводит к соответствующему увеличению постоянных времени и длительности протекания переходных процессов. Для их ускорения требуется применять специальные устройства в системах регулирования генераторов. Поэтому мощность, необходимая для возбуждения в процессе регулирования напряжения генератора особенно при кратковременной форсировке возбуждения, сильно возрастает, достигая примерно 0,5% номинальной мощности генератора, хотя при работе машины в установившемся режиме она очень мала, так как потери в обмотке возбуждения практически отсутствуют.

Рис. 6.68. Конструктивная схема сверхпроводникового генератора

На рис. 6.68 для примера показана конструктивная схема сверхпроводникового генератора мощностью 20 MB•А. Обмотка возбуждения 11 расположена на каркасе, укрепленном на цилиндре 1 из нержавеющей стали; по краям его установлены тепловые мосты 2, которые уменьшают тепловой поток, поступающий в низкотемпературную зону с торцов машины. На тепловых мостах укреплен бронзовый тепловой экран 3; вокруг которого расположена силовая несущая оболочка 6 ротора из титанового сплава с закрепленным электромагнитным медным экраном 5. Тепловая изоляция низкотемпературной зоны осуществляется посредством двух вакуумных зазоров между бандажным цилиндром 1 и тепловым экраном 3 и между тепловым экраном и несущей оболочкой 6 ротора. Бандажный цилиндр обмотки возбуждения воспринимает электромагнитные, центробежные и силовые усилия, действующие на обмотку. Силовая оболочка 6 воспринимает вращают щий момент генератора и усилия, действующие на электромагнитный экран при переходных процессах.

Обмотка возбуждения выполнена из прямоугольного провода поперечным сечением 7 мм², который состоит из 3600 жил, изготовленных из сплава ниобий — титан. Ток к этой обмотке подается по двум токовводам, выполненным из сплетенного круглого медного стержня и охлаждаемым парами гелия. Гелиевая магистраль 4 расположена в центральном аксиальном канале вала 1₂ ротора. Охлаждение генератора осуществляется по замкнутому циклу путем подачи в ротор жидкого гелия и возвратом его в виде пара в холодильную установку.

На статоре 7 расположена обмотка якоря 8 и ферромагнитный шихтованный экран 9. Обмотка якоря и ферромагнитный экран охлаждаются трансформаторным маслом, которое циркулирует по каналам стержней обмотки и экрана и заполняет весь герметизированный объем статора. Масло является изолирующей средой, что упрощает конструкцию изоляции стержней и всей системы охлаждения статора. Обмотка якоря диаметральная двухслойная; стержень состоит из формованных проводов, расположенных в два столбика, между которыми имеется охлаждающий канал. Предусмотрена транспозиция отдельных проводов в стержне по его высоте и ширине. Лобовая часть обмотки якоря закреплена на неметаллическом конусе 10, который может перемещаться в аксиальном направлении при тепловых деформациях.

При эксплуатации сверхпроводииковых электрических машин весьма важной операцией является захолаживание ротора. Процесс захолаживания состоит из трех этапов: охлаждение с температуры 300 до 80 К с помощью жидкого азота, вывод азота из полости ротора и охлаждение жидким гелием с температуры 80 до 4,2 К, когда обмотка возбуждения переходит в сверхпроводящее состояние.