Глава 12. Сверхпроводниковые электрические машины (спэм)

Работы по созданию сверхпроводниковых (СП) ЭМ постоянного и переменного тока перешли из стадии разработки основ теории рабочего процесса, проектирования и исследования лабораторных моделей в стадию изготовления опытных образцов СПЭМ. При этом целью изготовления является отработка конструктивных элементов систем криогенной техники, определяющих возможность создания надежных мощных промышленных образцов СПЭМ переменного тока нормальной и повышенной частот; разноименнополюсных и униполярных машин постоянного тока (МПТ); МГД-генераторов и накопителей.

12.1. Материалы для спэм

Во всех разноименнополюсных электрических машинах (ЭМ) постоянного и переменного тока кондуктивного типа магнитное поле возбуждения создается электромагнитами постоянного тока или постоянными магнитами, а в обмотке якоря (ОЯ) протекает переменный ток, который при необходимости выпрямляется при помощи коллектора или полупроводниковых приборов.

Возможности снижения относительной массы и повышения пре­дельной мощности генератора в значительной мере лимитиру­ются объемом обмотки возбуждения (ОВ) или постоянным магни­том. Ниже рассматриваются ЭМ с электромагнитным воз­буждением.

Сверхпроводники СП-C1 пригодны для работы в постоянных и переменных магнитных полях при постоянных и переменных токах. Они теряют сверхпроводимость при относительно малых значениях магнитной индукции (плотности тока) и практически неприменимы для ис­пользования в системах сильных постоянных и переменных токов.

Сверхпроводники СП-С2 практически пригодны для работы только в постоянных полях и при постоянном токе, где они со­храняют СП и при больших значениях магнитной индукции (большой плотности тока).

Выполнение ОВ из СП-С2, допускающих большие плотности тока и сильные магнитные поля при отсутствии тепловых (джоулевых) потерь, открывает новые горизонты перед электромашино­строением.

Возникает возможность снижения относительных масс, повы­шения предельных мощностей и КПД, выполнения ЭМ без ферромагнитопровода, увеличения напряжения ОЯ, повышения пере­грузочной способности, снижения инерционности ротора и т. д.

Таким образом, СП-С2 применяют в сверхпроводниковых электрических машинах: генераторах, компенсаторах, двигателях и преобразователях. При этом речь идет лишь о СП системе возбуждения при нормальной не сверхпроводниковой ОЯ. Исключе­нием является лишь униполярная машина постоянного тока, в ко­торой поле якоря постоянно, и якорь принципиально может быть выполнен как СП элемент. Однако по условиям токосъема якоря униполярных машин также выполняются не сверхпроводниковыми.

В условиях энергосистемы уже испытывались СП униполяр­ный двигатель постоянного тока (Англия) и СП МГД-генератор (СССР); СП синхронные машины пока в системе не испытывались.

12.2. Степень использования спэм

Идеальным по использованию сверхпроводимости в электри­ческих генераторах постоянного и переменного тока были бы машины, у которых обмотки якоря и возбуждения выполнены из СП, а магнитная цепь в активной зоне неферромагнитна.

В этом случае расчетную индукцию в рабочем зазоре (между первич­ной и вторичной обмотками) можно было бы повысить до  , а линейную нагрузку А_СП за счет повышения плотности тока и сечения провода в ОЯ до 1,5·10⁶ А/м. Предполагается, что при этом максимальная индукция в СП ОВ дости­гает 10 Тл, что принципиально возможно в случае применения стабилизирован­ного композиционного СП провода на базе Nb₃Sn.

В рассматриваемом случае степень использования машин воз­росла бы по сравнению с достигнутым уровнем в двухполюсных турбогенераторах мощностью порядка 1000 МВт и электромагнитными нагрузками А = 3·10⁵ А/м, :

.

Это означает, что с активного объема современного турбо­генератора мощностью 1000 МВт можно снять мощность порядка 10000 МВт. Реально достижимый уровень повышения мощности будет значительно ниже, так как криогенная система потребует места для своего размещения и возникнет ряд ограничений, которые снижают возможности повышения В_δ и А. Конкретные расчеты показывают, что степень использования мо­жет быть повышена примерно в 5 раз, что также достаточно высоко. Очевидно, реализация сверхпроводимости в электромехани­ческих генераторах в указанном направлении исключается, так как создание одновальной турбины с частотой вращения 50 об/с мощностью порядка 2000 МВт является сложной задачей и пока не ясны рациональные пути повышения мощности одновальной турбины выше 2000 МВт при частоте вращения 50 об/с. Видимо, подобное решение принципиально мыслимо лишь в случае приме­нения МГД-генератора. Следовательно, рационально соответственно сни­жать размеры СП генераторов, выполняя их предельными по мощности, исходя из возможности привода.

Основным препятствием реализации СП ОЯ является отсут­ствие проводов, способных сохранять СП в сильных магнитных полях переменного тока при допустимых минимальных гистерезисных потерях.

Как было отмечено ранее, в ЭМ используются СП-С2 только для ОВ постоянного тока. В этом случае линейная нагрузка и индукция (при Р_н = 2000 МВт) находятся на уровне: и .