ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH"

Bronisława Urban
9 lat temu
Przeglądów:

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe magnesy nadprzewodzące nadprzewodnikowe maszyny elektryczne Ryszard PAŁKA* ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH W pracy przedstawiono możliwości zastosowania monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych w maszynach elektrycznych. Dokonano klasyfikacji maszyn nadprzewodnikowych wykorzystujących magnesy nadprzewodzące. Przeanalizowano podstawowe konfiguracje maszyn z koncentracją strumienia magnetycznego oraz maszyny bezżłobkowe. 1. WPROWADZENIE Zastosowanie wysokoenergetycznych magnesów trwałych do wzbudzania pola magnetycznego umożliwiło stworzenie wielu nowych konstrukcji maszyn elektrycznych, a jednoczesny rozwój układów zasilania i sterowania maszyn doprowadził do znacznej poprawy efektywności przetwarzania energii elektrycznej. Kolejnym krokiem na drodze do poprawy parametrów maszyn elektrycznych może okazać się zastosowanie monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych (ang. high temperature superconductors HTSC). Mogą one być w nich wykorzystane np. jako magnesy nadprzewodzące (ang. superconducting permanent magnets SPM) pułapkujące pole magnetyczne oraz jako ekrany magnetyczne. Sposób aktywacji, parametry użytkowe HTSC i specyficzne możliwości ich zastosowania doprowadziły do powstania wielu różnych konfiguracji nadprzewodnikowych maszyn synchronicznych, reluktancyjnych i histerezowych [1]. Rozwój technologii materiałowej umożliwia obecnie produkcję monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych o bardzo wysokich wartościach prądu *KETiI, Politechnika Szczecińska, ul. Sikorskiego 37, Szczecin, rpalka@ps.pl

zastosowania monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych w maszynach elektrycznych. Dokonano klasyfikacji maszyn nadprzewodnikowych wykorzystujących magnesy nadprzewodzące.

2 119 krytycznego J c [2]. Magnesowanie nadprzewodników przeprowadza się przez rozładowanie baterii kondensatorów, lub wprost przy wykorzystaniu uzwojeń maszyny. Po namagnesowaniu nadprzewodnik staje się magnesem nadprzewodzącym o bardzo dużych wartościach indukcji remanencji (rzędu kilku tesli). Na rysunku 1a pokazano typowy monokryształ nadprzewodnika YBCO (najczęściej stosowanego nadprzewodnika wysokotemperaturowego), a na rys. 1b rozkład składowej normalnej wektora indukcji magnetycznej nad namagnesowanym nasyconym nadprzewodnikiem [3]. a) b) Rys. 1. Monokryształ nadprzewodnika YBCO (a). Rozkład pola magnetycznego nad SPM (b) Fig. 1. Superconductor bulk YBCO (a). Magnetic field distribution over the SPM (b) 2. PORÓWNANIE RÓŻNYCH KONFIGURACJI MASZYN NADPRZEWODNIKOWYCH 2.1. MASZYNY Z MAGNESAMI NADPRZEWODZĄCYMI O INDUKCJI REMANENCJI DO 3 T Wymagania stawiane strukturom maszyn wzbudzanych przez magnesy nadprzewodzące są w swoich podstawach podobne do wymagań stawianych maszynom konwencjonalnym. Z ogólnych zaleceń dotyczących maszyn pracujących w małym nasyceniu wynika, że przewody wirnika powinny zostać umieszczone w żłobkach, a szczelina powietrzna powinna mieć wartość jak najmniejszą, określoną jedynie przez wymagania mechaniczne, tolerancje itd. Tę samą zasadę stosuje się dla maszyn wzbudzanych przez magnesy nadprzewodzące o niedużych wartościach prądu krytycznego J c. Maszyny tego typu były przedmiotem intensywnych badań, co doprowadziło do wyodrębnienia ich wielu różnych podstawowych konfiguracji. Na rysunku 2 pokazano przykładową strukturę maszyny wzbudzanej magnesami nadprzewodzącymi w konfiguracji koncentrującej pole magnetyczne (fragment struktury okresowej) ([2], [3]).

Na rysunku 1a pokazano typowy monokryształ nadprzewodnika YBCO (najczęściej stosowanego nadprzewodnika wysokotemperaturowego), a na rys.

3 120 Rys. 2. Maszyna z SPM w konfiguracji koncentrującej pole magnetyczne Fig. 2. Machine with the SPM in the flux concentrating configuration Rozkład pola magnetycznego w przekroju B maszyny z rys. 2, generowanego przez magnes nadprzewodzący położony symetrycznie względem uzwojeń stojana, pokazano na rys. 3a, a pole magnetyczne pochodzące od prądów stojana w tym układzie przedstawiono na rys. 3b [3]. W użłobkowanych maszynach tego typu indukcja w szczelinie powietrznej powinna wynosić 1,1 1,3 T. Oznacza to, że wartość krytycznej gęstości prądu w nadprzewodniku powinna zawierać się w przedziale A/mm 2 dla szczelin powietrznych równych 2 4 mm. Wymagania te ograniczają jednocześnie wartości prądu w uzwojeniach maszyny, a efektywność maszyn z magnesami nadprzewodzącymi jest porównywalna z efektywnością maszyn wykorzystujących nowoczesne silne magnesy trwałe. Magnesy nadprzewodzące mogą być umieszczone nie tylko w konfiguracji koncentrującej pole magnetyczne, ale też wprost w szczelinie powietrznej maszyny, tak jak czyni się to w większości konwencjonalnych maszyn synchronicznych wzbudzanych przez magnesy trwałe. Strukturę takiej maszyny pokazano na rys. 4 [2]. Rys. 3. Rozkład pola magnetycznego w maszynie z rys. 3: a) pole pochodzące od SPM; b) pole wytworzone przez prądy stojana Fig. 3. Magnetic field distribution in the machine from fig. 3: a) generated by the SPM; b) generated by the armature currents

3b [3]. W użłobkowanych maszynach tego typu indukcja w szczelinie powietrznej powinna wynosić 1,1 1,3 T.

4 121 Rys. 4. Maszyna liniowa wzbudzana przez SPM umieszczony w szczelinie powietrznej Fig. 4. Linear machine excited by the SPM placed in the air-gap Zastąpienie magnesów trwałych w maszynach jak na rys. 4 przez magnesy nadprzewodzące o wartościach krytycznej gęstości prądu rzędu 100 A/mm 2, mogących pułapkować pola magnetyczne do ok. 1,8 T, nie prowadzi do dalszej znaczącej poprawy tych parametrów. Dopiero użycie magnesów nadprzewodzących nienasyconych (o gęstościach prądu krytycznego ok. 400 A/mm 2 ) umożliwia otrzymanie w maszynie rozkładu pola zbliżonego do rozkładu pola magnesów trwałych lub (w przypadku bardzo słabego nasycenia) rozkładu całkowicie z nim identycznego. Sytuację tę ilustruje rys. 5, na którym pokazano przekrój maszyny synchronicznej z rys. 4 wzbudzanej przez nasycony i nienasycony nadprzewodnik wysokotemperaturowy [3]. W pierwszym przypadku cały obszar nadprzewodnika zajęty jest przez prąd o gęstości krytycznej, w drugim przypadku prąd płynie w cienkiej warstwie brzegowej nadprzewodnika, przy czym przepływ całkowity jest w obu przypadkach identyczny. Strumień wypadkowy w pierwszym przypadku jest znacznie mniejszy niż w drugim, co oznacza również gorsze wykorzystanie obwodu magnetycznego maszyny i powoduje otrzymanie znacznie mniejszych sił. Rys. 5. Rozkład pola magnetycznego w maszynie z rys. 4: a) HTSC nienasycony; b) HTSC nasycony Fig. 5. Magnetic field distribution in the machine from fig. 4: a) saturated HTSC, b) non saturated HTSC

Dopiero użycie magnesów nadprzewodzących nienasyconych (o gęstościach prądu krytycznego ok.

5 MASZYNY Z SILNYMI MAGNESAMI NADPRZEWODZĄCYMI Sytuacja zmienia się całkowicie, jeżeli dysponuje się magnesami nadprzewodzącymi o wartościach indukcji wynoszących 3 4 T. Odpowiada to gęstości prądu w nadprzewodniku równej A/mm 2, co jest wielkością realną dla współczesnych HTSC. Dla dużych wartości indukcji wzbudzenia możliwe jest powiększenie szczeliny powietrznej, co pozwala na budowę maszyny bezżłobkowej, w której uzwojenia stojana mogą być ułożone wprost w szczelinie. Zysk z tego rozwiązania jest podwójny. Po pierwsze pole główne w maszynie może przyjmować znacznie większe wartości bez obawy nasycenia obwodu magnetycznego, po drugie następuje nieomal całkowite wyeliminowanie strumienia rozproszenia w maszynie. Konstrukcje bezżłobkowe maszyn nadprzewodnikowych mają wiele dodatkowych zalet w stosunku do maszyn użłobkowanych brak zębów twornika zmniejsza zawartość harmonicznych indukcji w szczelinie i w napięciu indukowanym w tworniku oraz powoduje zmniejszenie wibracji i hałasu maszyny. Powiększone wartości indukcji pozwalają na kilkukrotne zwiększenie mocy maszyny przy tych samych jej gabarytach. Duża szczelina maszyny powoduje zmniejszenie reaktancji synchronicznej, co ułatwia sterowanie maszyną oraz pozwala na jej znaczną przeciążalność. Budowę takiej maszyny pokazano na rys. 6a. Konfiguracja koncentrująca pole magnetyczne ma wiele oczywistych zalet, jednak jej wadą jest stosukowo duży opór obwodu magnetycznego. Jego zmniejszenie można osiągnąć przez umieszczenie magnesów nadprzewodzących wprost w szczelinie powietrznej maszyny bezżłobkowej, jak pokazano to na rys. 6b. W przypadku tym otrzymuje się maszyny o parametrach porównywalnych z maszynami mającymi uzwojenia nadprzewodnikowe ([1], [2], [3]). a) b) Rys. 6. Maszyna bezżłobkowa wzbudzana przez SPM w konfiguracji koncentrującej pole (a) i z SPM umieszczonymi w szczelinie powietrznej (b) Fig. 6. The slot less machine excited by the SPM in the flux concentrating configuration (a) and by the SPM placed in the air-gap (b)

Dla dużych wartości indukcji wzbudzenia możliwe jest powiększenie szczeliny powietrznej, co pozwala na budowę maszyny bezżłobkowej, w której uzwojenia stojana mogą być ułożone wprost w szczelinie.

6 123 Wykorzystanie magnesów nadprzewodzących w konstrukcjach maszyn przedstawionych na rys. 6 zależy bardzo silnie od jakości magnesów i stanu ich nasycenia. Na rysunku 7 pokazano rozkład składowej normalnej wektora indukcji magnetycznej w szczelinie maszyny z rys. 6b (przekrój A) dla różnych stanów nasycenia magnesu nadprzewodzącego, przy założeniu jednakowego przepływu całkowitego w nadprzewodniku. Dopiero wartości krytycznej gęstości prądu w nadprzewodniku ok. 400 A/mm 2 umożliwiają pełne wykorzystanie magnesów nadprzewodzących ([2], [3]). Rys. 7. Składowa normalna wektora indukcji magnetycznej w szczelinie maszyny z rys. 6b Fig. 7. The normal component of the magnetic field in the air-gap of the machine from fig. 6b LITERATURA [1] CANDERS W.-R., MAY H., PAŁKA R., PORTABELLA E., Machines with high temperature superconducting bulk material in comparison with permanent magnet excited synchronous machines. In: ICEM 2000, Helsinki [2] KRABBES G., FUCHS G., CANDERS W.-R., MAY H., PAŁKA R., High Temperature Superconductor Bulk Materials, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA [3] PAŁKA R., Monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe modele makroskopowe i zastosowania, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin APPLICATION OF THE MONOLITHIC HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS IN ELECTRICAL MACHINES The paper shows the possibility of application of monolithic high temperature superconductors in electrical machines. The classification of superconducting machines with superconducting magnets has been done. The fundamental configurations of electrical machines with the flux concentrators and slot less machines have been analyzed.

6b (przekrój A) dla różnych stanów nasycenia magnesu nadprzewodzącego, przy założeniu jednakowego przepływu całkowitego w nadprzewodniku.

Podobne dokumenty

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60 Studia i Materiały Nr 27 2007 maszyny synchroniczne,wzbudnice, modelowanie polowo-obwodowe Piotr KISIELEWSKI