Приведены
результаты исследований физической модели сверхпроводящего трансформатора с
вращающимся магнитным полем с отдельной обмоткой возбуждения.
В
электроэнергетике настоящего и будущего применение сверхпроводников (СП) с
большими плотностями транспортного тока является безальтернативным способом
внедрения высоких технологий, позволяющим существенно повысить технико-экономическую
и экологическую эффективность электроэнергетических процессов, улучшить
показатели силового электротехнического оборудования.
Этим
объясняется внимание передовых стран к исследованиям и разработкам в области
создания мощного сверхпроводникового оборудования для нужд электроэнергетики.
Сфера
применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников
охватывает все виды электротехнических и электроэнергетических устройств: СП генераторы и двигатели, СП трансформаторы (СТП), СП индуктивные
накопители энергии, СП кабели постоянного и переменного тока, СП токоограничители
и выключатели, криотронные преобразователи [Г|.
Одним
из элементов энергетических систем, связанных с другими элементами не только
конструктивно, но и единством процессов — это силовые трансформаторы, оказывающие
влияние на экономию электрической энергии, надежную, безопасную и экологически
чистую транспортировку ее от мест генерации до объектов потребления.
Использование
СП в силовых трансформаторах позволяет увеличить на несколько порядков
плотность тока в обмотках, сократить нагрузочные потери на 90%, увеличивая при
этом к.п.д. и коэффициент мощности, уменьшить массогабаритные показатели в
два-три раза. К преимуществам СПТ относятся: большая перегрузочная способность,
возможность ограничения токов короткого замыкания, снижение реактивного сопротивления,
пожаробезопасность, экологичность,
увеличение срока службы, облегчение транспортировки [2, 3].
Мощные
СПТ могут найти применение в качестве электромагнитного (индукционного) ввода
(вывода) энергии в сверхпроводящие кабели переменного тока, а в сочетании с
управляемым СП коммутатором — в СП кабели постоянного тока [2], СП индуктивные
накопители энергии и т.д.
Определенный
интерес для энергетического применения могут представлять сверхпроводящие
трансформаторы с вращающимся магнитным полем (СПТВМП) электромашинного типа
[2, 4, 5].
Многофазные
СПТ предназначены для преобразования трехфазной системы напряжения в многофазную без применения специальных трансформаторных
преобразователей числа фаз и для получения любого напряжения для передачи
электрической энергии без использования промежуточного трансформатора.
Разработка
СПТВМП с управляемым полупроводниковым коммутатором (УПК) на основе мощных
запираемых GTO-тиристоров и IGBT-силовых транзисторов позволит создать новые виды
статических СП электромашинных преобразователей: выпрямителей, инверторов,
преобразователей частоты и т.д.
К СПТВМП с УПК относится и СПТ постоянного тока,
предназначенный для передачи электроэнергии от генератора постоянного тока в
СП ЛЭП постоянного тока, и для соединения двух или нескольких СП ЛЭП
постоянного тока с разным уровнем напряжения, что позволит осуществить передачу
электрической энергии на постоянном напряжении при устойчивой работе без
реактивных мощностей, при минимальных падениях напряжений и потерях мощности
[2].
Сверхпроводящий
трансформатор с вращающимся магнитным полем представляет собой статический
электромагнитный преобразователь энергии с двумя или несколькими
сверхпроводящими обмотками переменного тока. Его СП обмотки конструктивно
выполняются по аналогии с замкнутыми обмотками электрических машин,
расположенными в пазах магнитопровода и состоящими из
последовательно соединенных секций.
Конструктивная
структура СПТВМП аналогична структуре асинхронной машины с заторможенным фазным
ротором. Симметрия магнитной системы в СПТВМП обеспечивает одинаковое
магнитное сопротивление всех фаз СПТ, намагничивающие фазные токи в нем
практически равны.
В
СПТВМП вращающееся магнитное поле может быть создано не только трехфазным
переменным током, но и постоянным электрическим током при пространственном
переключении элементов сверхпроводящих обмоток на основе бесконтактного
полупроводникового переключателя [2].
Для
улучшения технико-экономических показателей СПТВМП и повышения эффективности
его применения необходимо стремиться к снижению магнитного поля возбуждения в
зоне расположения сверхпроводящих обмоток трансформатора, так как оно ухудшает токонесущие свойства сверхпроводника обмоток и повышает
потери энергии в них.
Один
из вариантов решения этой задачи — применение в сверхпроводящем трансформаторе
с пульсирующим и вращающимся магнитным полем отдельной обмотки возбуждения
(ООВ) основного магнитного потока, позволяющей разгрузить первичную силовую СП
обмотку трансформатора от реактивной намагничивающей составляющей первичного
тока [2, 5, 6].
В
обычных двухобмоточных трансформаторах первичная
обмотка совмещает функции обмотки возбуждения и силовой обмотки. Поэтому ток
первичной обмотки в режиме нагрузки состоит из тока возбуждения, который
создает основной магнитный поток в магнитопроводе
трансформатора, и тока нагрузки, который компенсирует ток вторичной обмотки.
Отсутствие тока возбуждения в первичной силовой обмотке СПТ с ООВ дает
возможность полностью компенсировать первичные и вторичные силовые СП обмотки и
уменьшить все магнитные потоки вокруг них, что вызывает снижение потерь,
увеличение токонесущей способности и мощности СП
трансформатора. Ток, протекающий в ООВ и практически не имеющий индуктивной
связи с силовыми СП обмотками, неизменен при различной нагрузке СП
трансформатора.
Отдельная
обмотка в СПТ выполняется автономно на требуемое магнитное поле возбуждения, ее
размеры и число витков могут отличаться от таковых у первичной силовой СП
обмотки трансформатора. В отличие от СП силовых обмоток, ООВ может быть
изготовлена из другого СП материала, выполнена криорезистивной
или из обычного проводникового материала и может функционировать в теплой зоне
(300 К) на требуемые токи и напряжения в зависимости от режимов работы СПТ. Наличие
ООВ позволяет осуществить плавное регулирование режимных параметров (тока, напряжения,
выходной мощности) в статических режимах и значительно повысить быстродействие
в переходных процессах.
В СПТ с ООВ силовые первичная и вторичная СП обмотки
должны иметь сильную магнитную связь между собой и слабую — с ООВ. Это достигается за счет того, что в СПТ
стержневого и тороидального типа ООВ конструктивно
размещается близко к магнитопроводу, а первичная и
вторичная силовые СП обмотки размещены на некотором расстоянии от ООВ и
расположены рядом. В СПТ электромашинного типа ООВ размещается, как первичная и
вторичная силовые обмотки, в пазах магнитной системы трансформатора (силовые СП
обмотки в пазах внутреннего сердечника магнитной системы, ООВ — внешнего).
Учитывая,
что все три обмотки в СПТ с ООВ магнитно связаны друг с другом, распределение
токов и мощностей в СПТ зависит от параметров обмоток и требуемое разделение
токов возникает только при определенных их соотношениях. Для получения этих
соотношений необходимо исходить из общих уравнений трехобмоточного
трансформатора [2, 7, 8].
Литература
1.
Глебов И.А., Черноплеков Н.А., Альтов В.А.
Сверхпроводниковые технологии — новый этап в развитии электротехники и
электроэнергетики // Сверхпроводимость. 2002. №11.
2. Лутидзе Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящие трансформаторы.
М.: Научтехлитиздат, 2002.
3.
Алексеев Б.А. Крупные силовые трансформаторы. Конструкция и производство //
Энергетика за рубежом. 2007. Вып. 2.
4. Pat. USA, Int.CI
H02K,7/42/19/00CI310-52, № 3742265. Smith
J.L. Superconducting apparatus with double armature structure. 26.06.73.
5. Немсадзе С. Г. Уменьшение потерь в сверхпроводящем
трансформаторе с вращающимся магнитным полем // Автореф.
канд. дисс. М.: ХПИ, 1983.
6. Pat. DDR, Int.CI
H01f27/42(21d2,49), № 99048. Horcher
W. Transformator. 12.07.73.
7.
Петров Г.М. Электрические машины. Ч. 1. М.: Госэнергоиздат,
1956.
8. Калантаров П.А. Схема, эквивалентная трехобмоточному
трансформатору // Электричество. 1948. № 13.
9.
Пат. РФ № 2334293. Волков Э.П., Лутидзе Ш.И.,
Джафаров Э.А. Сверхпроводящий многожильный ленточный провод для переменных и
постоянных токов // Б.И. 2008. № 26.
10.
Пат. РФ № 2341838. Волков ЭЛ., Лутидзе
Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящий многожильный провод круглого сечения для
переменных и постоянных токов // Б.И. 2008. № 35.
11.
Волков ЭЛ., Лутидзе Ш.И.,
Джафаров Э.А. Критические плотности токов в сверхпроводящих проводах// Изв. РАН. Энергетика. 2009. № 3.
12.
Пат. РФ № 2390064. Волков ЭЛ., Лутидзе
Ш.И., Джафаров Э.А. Сверхпроводящий многожильный провод для переменных и
постоянных токов// Б. И. 2010. № 16.
14.
Волков ЭЛ., Джафаров Э.А. Сверхпроводящие провода
энергетического назначения // Матер. 2-й Междунар. конф. "Прикладная сверхпроводимость — 2011. Развитие
сверхпроводниковой индустрии". М., 2011.
15.
Волков ЭЛ., Джафаров Э.А. Классификация
сверхпроводящих проводов энергетического назначения // Изв.
РАН. Энергетика. 2011. № 4.
16. Volkov Е.Р., Dzhafarov Е.А. Classification of
superconducting cables of power purpose // Thermal Engin.
2011. V. 58. № 13.
17.
Пат. РФ № 2380780. Волков ЭЛ., Лутидзе
Ш.И., Джафаров Э.А. и др. Пространственный симметричный магнитопровод
// Б.И. 2010. № 3.
18. Chin T.-S., Lin C.Y., Lee М.С. el ai. Bulk nano-crystalline
alloys 11 Materials today. 2009. V. 12. №1-2.