Высокотемпературные сверхпроводящие электродвигательные установки для применения на флоте



Развитие ряда отраслей промышленности и новейшей техники потребовало создания установок на весьма большие постоянные токи, измеряемые сотнями килоампер. В большинстве случаев подобные установки являются низковольтными. Примером такого электрооборудования могут служить униполярные генераторы и электрические машины.

Униполярные генераторы применяют для получения больших токов 10³ ÷ 10⁵ А при напряжении от единицы до сотен вольт.

Униполярные электрические машины находят применение в установках, где требуется иметь минимальную индуктивность цепи якоря. При необходимости генерирования больших токов униполярные генераторы превосходят машины постоянного тока с коллектором, так как в них не требуется принимать мер для обеспечения удовлетворительной коммутации; кроме того, в них отсутствуют магнитные потери в стали и некоторые добавочные потери. Поэтому у них высокий коэффициент полезного действия.

Подобного рода оборудование используют в электрохимии — для получения меди, алюминия и других металлов методом электролиза; в электрометаллургии — для питания дуговых печей, в частности устройства для электромагнитного перемешивания металла в ванне печи; для питания электромагнитных насосов, перекачивающих жидкий металл; в ядерной физике — в токамаке для возбуждения плазмы; в военном деле — для питания рельсотрона; на флоте — в качестве генераторов, гребных электродвигателей и т. д.

Недостатком этих машин является сложность выполнения токосъемных устройств. При больших токах вместо обычного щеточного аппарата для токосъема с контактных колец применяют жидкометаллические контакты. Для этого в зазор между кольцевыми электродами, расположенными на статоре и роторе, помещают легкоплавкий металл: ртуть (температура плавления Т_пл= 234 К), сплав натрия и калия (Т_пл= 262 К) или сплавы калия с индием и оловом (Т_пл= 300 К). При использовании жидкометаллических контактов в них резко уменьшаются электрические потери из-за малого падения напряжения в контакте, а также механические потери от трения по сравнению со щеточными контактами обычного типа [1].

Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) создало принципиально новые возможности для практического применения генераторов и электрических машин.

Применение жидкометаллического токосъема в сверхпроводниковых машинах значительно труднее, чем в обычных. Это объясняется наличием больших магнитных полей в сверхпроводниковых машинах, что может привести к недопустимым электромагнитным потерям в жидком металле. Поэтому конструкция сверхпроводниковой машины должна быть такой, чтобы зона жидкометаллического токосъема находилась в сравнительно небольшом магнитном поле.

В качестве жидких металлов могут применяться сплавы Na — К, In — Hg, Ga — In, Ga — In — Sn. К сожалению, все указанные металлы имеют определенные недостатки. Натрий не допускает присутствия влаги, ртуть токсична, галлий является и токсичным и коррозийным. Поэтому в системе с жидкометаллическим токосъемом должны быть исключены течи и попадание кислорода в область жидкого металла. Обычно в качестве жидкого металла используется сплав Na — К, защитной средой служит азот. В процессе работы жидкий металл может постепенно трансформироваться в порошкообразный материал. Это особенно проявляется в случае применения сплава Ga — In. Несмотря на большие трудности, разработка жидкометаллического токосъема имеет решающее значение для создания сверхпроводниковых униполярных машин очень больших мощностей. При этом исследования должны охватывать металлургические и химические явления, а также вопросы надежности. Для упрощения конструкции важно получить возможность размещения жидкометаллического токосъема в зоне больших магнитных полей. Кроме того, необходимо увеличить скорость подвижного контакта до 200 м/с[2].

В целом следует сказать, что сверхпроводники применяются для обмоток возбуждения синхронных электрических машин и электрических машин постоянного тока. Использование сверхпроводников в электрических машинах позволяет в несколько раз увеличить плотность тока в обмотках возбуждения и повысить магнитную индукцию. При надлежащем исполнении обмоток якоря открываются возможности уменьшения массы и габаритов электрических машин, а также улучшения их параметров. В то же время сверхпроводящее состояние обмоток возбуждения приводит к исключению в них потерь активной мощности, а, следовательно, к увеличению коэффициента полезного действия электрических машин. Таким образом, имеет место редкое сочетание в технике одновременного уменьшения массы и габаритов и роста коэффициента полезного действия генераторов и электродвигателей.

Электрические машины с использованием явления сверхпроводимости имеют неоспоримые преимущества по сравнению с электрическими машинами традиционного исполнения при больших мощностях, особенно там, где требуются минимальная масса электрических машин и пониженная механическая инерционность ротора [2].

В последнее время появились сведения о применении униполярных электрических машин с ВТСП обмотками подмагничивания на флоте [3].

Компания General Electric (США) занимается разработкой и созданием мощных униполярных ВТСП генераторов и электродвигателей. Униполярные электрические машины с ВТСП обмотками подмагничивания имеют целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными электрическими машинами, особенно при высокой частоте вращения. В рамках проекта AFRL (Air Force Research Lab) компания General Electric разрабатывает униполярный генератор с ВТСП обмотками подмагничивания мощностью 5 МВт и частотой вращения 16000 об/мин для последующего использования в мощных энергетических установках. Демонстрационный образец униполярного генератора мощностью 1 МВт был изготовлен и успешно испытан. На основании полученного в ходе работ по проекту AFRL опыта в General Electric была поставлена задача разработки ВТСП униполярных электрических машин для нужд флота: основных и вспомогательных генераторов, гребных электродвигателей, различных вспомогательных электродвигателей. Компанией General Electric было разработано четыре демонстрационных образца электрических машин с ВТСП обмотками подмагничивания для флота, среди них: основной генератор мощностью 36 МВт (3600 об/мин) и гребной электродвигатель мощностью 36 МВт (120 об/мин). Также были разработаны вспомогательные генератор (7000 об/мин) и электродвигатель (132 об/мин) мощностью 4 МВт каждый.

Рис. 1. Генератор с ВТСП обмотками подмагничивания

На рисунке 1 изображена схема ВТСП униполярного генератора, состоящего из ВТСП обмотки подмагничивания постоянного тока, стального ротора и медного статора. Параметры обмотки статора и его железного ярма оптимизированы с целью получения наилучших характеристик. Полюса ротора достаточно сильно выступают, полюса на одном из концов ротора смещены на 45° относительно полюсов на другом его конце. ВТСП обмотка подмагничивания работает при температуре 30 К, в замкнутом цикле охлаждения от криокулера. Использование небольшой одиночной ВТСП катушки снижает требования к системе охлаждения и сокращает стоимость устройства. В таблице 1 приведены основные технические параметры для всех четырех разработанных устройств. Для сравнения, обычный униполярный генератор мощностью 25 МВт (3600 об/мин) имеет диаметр около 3 м, длину 5 м при весе в 57 тонн. Наиболее эффективно электрические машины с ВТСП обмотками подмагничивания работают при высокой частоте вращения.

Таблица 1

Основные параметры электрических машин с ВТСП обмотками подмагничивания

Устройство	Основной генератор	Вспомогательный генератор	Гребной электродвигатель	Гребной электродвигатель в гондоле
Мощность, МВт	36	4	36	4
Частота вращения, об/мин	3600	7000	120	132
Номинальное напряжение, кВ	6,6	6,6	3,8	4,16
Число фаз	3	6	3	3
Число полюсов	6	6	18	48
Рабочая частота, Гц	180	350	18	52,8
КПД при полной нагрузке, %	> 98	> 98	> 95	> 95
Расход ВТСП ленты Bi-2223, км	6	1,1	11	5
I при 77 К в собственном поле, А	150	150	150	150
Диаметр, см	110	90	290	290
Длина, см	200	80	400	500
Потребляемая мощность криокулера, кВт	14,4	7,2	14,4	7,2
Масса криокулера, кг	300	120	300	150
Суммарный вес устройства, т	12	1,3	100	11

В рамках Applied Basic Project был создан прототип электродвигателя для привода гребного винта мощностью 15 кВт и частотой вращения 360 об/мин, хотя в нем сверхпроводящим был только статор, а ротор выполнен из традиционных материалов. К электродвигателю был присоединён винт 50 см в диаметре, в настоящее время он проходит тестовые испытания. В рамках проекта также был разработан электродвигатель на 7,5 кВт со сверхпроводящим ротором и статором из несверхпроводящих материалов. В настоящее время данный двигатель находится в процессе сборки [4].

Китайская Судостроительная Корпорация разработала и испытала ВТСП электродвигатель мощностью 1 МВт, который можно использовать для привода гребного винта через редуктор (Рисунок 2). Электродвигатель выполнен со сверхпроводниковым ротором: шесть полюсов с ВТСП обмотками из Bi-2223 проводника. Рабочая температура ротора 35–40 К, охлаждение осуществляется газообразным гелием. Скорость вращения ротора достигает 1000 оборотов в минуту, КПД при полной мощности составляет 95 %. Статор электродвигателя — медный с водяным охлаждением [5].

Рис. 2. Прототип судового ВТСП электродвигателя мощностью 1 МВт

Приведенные сведения дают основание сделать следующие выводы:

1. Униполярные электрические машины с ВТСП обмотками подмагничивания при высокой частоте вращения (3600 об/мин или более) практически не уступают значительно более сложным устройствам с ВТСП статором и ротором.
2. Параметры тихоходных гребных электродвигателей с ВТСП обмотками подмагничивания при частотах вращения около 120 об/мин будут хуже, чем для электрических машин с полностью ВТСП статором и ротором.
3. Цена устройств с ВТСП обмотками подмагничивания, будет заведомо ниже, что может стать решающим аргументом в их пользу.

В заключение следует сказать, что ВТСП электродвигатели, обладая целым рядом весомых преимуществ, находят все большее применение на кораблях морского флота при замене движительных установок традиционного типа.

Литература:

1. Брускин Д. Э. и др. Электрические машины: Ч. 2 / Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. — М.: Высшая школа, 1987. — 319 с.
2. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости / Глебов И. А., Лаверик Ч., Шахтарин В. Н. — Л.: Наука, 1980. — 256 с.
3. K. Sivasubramaniam et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 18, 1, 2008.
4. Superconductivity Web 21, fall issue, 2007.
5. Свистунова О. И. Разработка и создание ВТСП устройств в КНР // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2015. — т. 12, № 3. — С. 9–12.