Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ эффективности энерго-и ресурсосбережения в энергетических системах на основе использования трансформаторов со сверхпроводящими обмотками
1.1. Сверхпроводящий трансформатор - эффективный элемент энерго-и ресурсосбережения энергетических систем 14
1.2. Трансформаторы с низкотемпературными сверхпроводящими обмотками 23
1.3. Трансформаторы с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками 47
1.4. Задачи исследования 57
II. Сверхпроводящие трансформаторы с локализиро ванным магнитным полем рассеяния для энергетических систем 59
2.1. Общие сведения и классификация сверхпроводящих трансформаторов с локализированным магнитным полем рассеяния 59
2.2. Сверхпроводящий трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения 61
2.3. Параметры сверхпроводящего трансформатора 91
2.4. Сравнение параметров сверхпроводящего и традиционного трансформатора с медными обмотками 94
2.5. Потери в обмотках сверхпроводящего трансформатора 105
- 2.6. Варианты выполнения сверхпроводящих трансформаторов 112
2.7. Сверхпроводящие провода для СПТ энергетического назначения.. 123
2.8. Выводы 126
III. Сверхпроводящие трансформаторы с вращающимся магнитным полем возбуждения 129
3.1. Общие уравнения сверхпроводящих трансформаторов 129
3.2. Сверхпроводящие трансформаторы постоянного напряжения 133
3.3. Выпрямители и инверторы на основе СПТ 137
3.4. Сверхпроводящий трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения 141
3.5. Трехфазные преобразователи частоты на основе СПТ 142
3.6. Выводы 145
IV. Экспериментальное исследование сверхпроводящих трансформаторов 146
4.1. Экспериментальный сверхпроводящий трансформатор тороидального типа 147
4.2. Экспериментальный сверхпроводящий трансформатор стержневого типа 153
4.3. Экспериментальный сверхпроводящий трансформатор электромашинного типа 166
4.4. Вопросы измерения магнитных и электрических величин 170
4.5. Лабораторный стенд для испытаний сверхпроводящих трансформаторов 176
4.6. Исследование критических токов сверхпроводящих обмоток трансформаторов 184
4.7. Исследование характеристик и режимов работы сверхпроводящих трансформаторов 189
4.8. Выводы 203
Заключение 204
Литература
- Трансформаторы с низкотемпературными сверхпроводящими обмотками
- Сверхпроводящий трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения
- Сверхпроводящие трансформаторы постоянного напряжения
- Экспериментальный сверхпроводящий трансформатор стержневого типа
Введение к работе
Существенный рост производства и потребления электрической энергии за рубежом и в нашей стране должен опираться на совершенствование электроэнергетических технологий, повышение их экономичности, надежности, экологической чистоты [1-5]. К таким технологиям относятся, в первую очередь, технологии, основанные на использовании сверхпроводимости (СП) в силовом электрооборудовании энергетических систем, а также силовой электроники на базе мощных запираемых GTO - тиристоров, IGBT - силовых транзисторов и аморфной электротехнической стали в качестве материала магнитных систем.
Внедрение СП оборудования (генераторов, трансформаторов, двигателей и кабелей) в национальную энергетику США по оценкам американских ученых и специалистов позволит сэкономить до 3% всей электроэнергии [188].
По оценкам Всемирного банка к 2020 году ожидается 100-кратный рост объема продаж СП оборудования - рынок электроэнергетических устройств вырастет до 32 млрд. долларов, общий же рынок сверхпроводников, включающий такие области применения как транспорт, электроника, медицина и наука достигнет уровня 122 млрд. долларов.
Успехи, достигнутые в области технической сверхпроводимости и силовой электроники, подготовили реальную базу для коренного усовершенствования существующих энергетических систем, повышения уровня энергосбережения и ресурсосбережения в них, рационального использования энергетических ресурсов уже в ближайшее время.
Важнейшими элементами энергетических систем связанными с другими элементами не только конструктивно, но и единством протекающих в них процессов являются силовые трансформаторы, оказывающие существенное влияние на экономию электрической энергии, надежную и экологически чистую транспортировку ее от мест генерации до объектов потребления.
Рост мощности силовых трансформаторов энергетических систем осуществляется за счет увеличения рабочих напряжений обмоток трансформаторов. В нашей стране были достигнуты величины единичной мощности - 1250 MB А и напряжения - 1200 кВ [6]. Дальнейшее повышение мощностей за счет увеличения напряжений обмоток создает все более трудные проблемы, связанные с их применением в энергетических системах. Так, практически достигнуты предельно возможные по электрической прочности воздуха напряжения; габариты и масса наиболее мощных генераторных трансформаторов во много раз превышают допустимые значения по грузоподъемности и площади железнодорожных платформ.
Остро стоящие вопросы экономии электрической энергии, связанной с уменьшением потерь в силовых трансформаторах стимулируют развитие энергосберегающих технологий на современном этапе развития трансформаторостроения.
Сверхпроводящие трансформаторы (СПТ) энергетических систем должны отвечать условиям передачи большой мощности от генератора к потребителю с минимальным уровнем потерь энергии в криогенной зоне при высокой степени использования СП материалов. Основные трудности при разработке СПТ, отвечающих этим требованиям, связаны с отсутствием сверхпроводящих материалов, обладающих в переменных электромагнитных полях достаточно высокими энергетическими параметрами[7-10].
Однако, проведенные исследования показали, что эти трудности могут быть преодолены путем практического решения вопросов, связанных с конструктивным выполнением СП проводов [94,146-150,184,185] и СП обмоток [184,185], их размещением относительно друг друга в пространстве, необходимостью, в ряде случаев, использования отдельных обмоток возбуждения [9,79] для создания магнитного потока в магнитопроводе СПТ.
Для достижения наилучшего эффекта использования СПТ выявлена целесообразность уменьшения взаимного влияния его токонесущих
элементов друг на друга, разделения в пространстве магнитных потоков рассеяния и возбуждения.
Работа связана с исследованиями сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения, ведущимися в лаборатории криогенной электротехники ЭНИНа им.Г.М.Кржижановского с 1975 года по настоящее время.
Целью настоящей работы является исследование и разработка энергосберегающих сверхпроводящих трансформаторов энергетического назначения с пульсирующим и вращающимся и магнитным полем, обладающих высокой токонесущей способностью, низкими потерями и высоким КПД, для использования их как в традиционных, так и в сверхпроводящих энергетических системах.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
разработана классификация СПТ для энергетических систем с низкотемпературными и высокотемпературными СП обмотками, с пульсирующим и вращающимся магнитным полем, с ферромагнитным магнитопроводом и без него;
разработана классификация СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток;
разработан СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, его расчетные схемы и электрические схемы замещения в стационарном режиме, переходных процессов, режиме холостого хода, короткого замыкания и нагрузки;
разработана методика расчета параметров двух-трехобмоточных СПТ и СПТ с отдельной обмоткой возбуждения с учетом кинетической индуктивности обмоток и построены эквивалентные электрические схемы замещения таких трансформаторов;
разработана методика расчета параметров СПТ с неплотной намоткой витков и проведено его сравнение с параметрами традиционного трансформатора с медными обмотками;
разработана методика расчета потерь в СП обмотках СПТ с локализированным магнитным полем с неплотно намотанными витками из провода с частичным заполнением его сечения СП жилами;
разработаны СП провода с локализированным магнитным полем для СПТ энергетического назначения;
разработана методика расчета параметров СПТ с вращающимся магнитным полем возбуждения и управляемым полупроводниковым коммутатором (УПК);
разработаны СПТ с вращающимся магнитным полем и УПК: СПТ постоянного напряжения, СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, выпрямители и инверторы, трехфазные преобразователи частоты;
разработаны и запатентованы конструкции СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток и с отдельной обмоткой возбуждения основного магнитного потока трансформатора, функционирующих как в полностью низкотемпературной среде жидкого гелия, так и в разных температурных средах (жидкий гелий -4,2 К, жидкий азот - 77 К, комнатная температура - 300 К).
разработаны, изготовлены и испытаны СПТ с отдельной обмоткой возбуждения плотной и неплотной намоткой витков силовых СП обмоток тороидального, стержневого и электромашинного типа;
Научная новизна заключается в следующих основных положениях: 1. Разработаны классификации СПТ с пульсирующим и вращающимся основным магнитным полем возбуждения, с нескомпенсированным и с локализированным магнитным полем рассеяния силовых СП обмоток и с отдельной обмоткой возбуждения для энергетических систем традиционного и сверхпроводящего исполнения.
Сформулирован принцип работы СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, разработаны его расчетные схемы и электрические схемы замещения в стационарном режиме, переходных процессах, режимах холостого хода, нагрузки короткого замыкания.
Проведен анализ электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах, определены параметры СПТ с отдельной обмоткой возбуждения, его активные сопротивления и индуктивности.
Получены уравнения и их решение для СПТ с отдельной обмоткой возбуждения в режиме соединения двух СП ЛЭП и общие уравнения для определения мощностей СП обмоток.
Определены параметры СПТ с учетом кинетической индуктивности обмоток, даны эквивалентные электрические схемы замещения двух-и трехобмоточных СПТ и СПТ с отдельной обмоткой возбуждения.
Определены параметры СПТ с неплотными обмотками и проведено сравнение этих параметров с параметрами традиционного трансформатора с медными обмотками.
Определены потери в СП трансформаторе с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток, выполненных из СП проводов с частичным заполнением их сечения СП жилами.
Разработаны и запатентованы схемные решения СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния и с отдельной обмоткой возбуждения для традиционных и сверхпроводящих энергетических систем.
Получены уравнения электромагнитных процессов СПТ с вращающимся магнитным полем и УПК.
Разработаны конструктивные схемы на основе СПТ с вращающимся магнитным полем и УПК: выпрямителей, инверторов, трехфазных преобразователей частоты СПТ с отдельной обмоткой возбуждения; СПТ постоянного напряжения.
9 11. Разработаны и запатентованы однослойные и многослойные многожильные СП провода с локализированным магнитным полем рассеяния.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Разработанные СПТ с отдельной обмоткой возбуждения позволят скомпенсировать первичные и вторичные ампервитки, снизить потери повысить КПД и токонесущую способность СПТ, используемых в энергосистемах традиционного и сверхпроводящего исполнения.
До настоящего времени не применяемые в теории сверхпроводящих трансформаторов кинетические индуктивные сопротивления, введены в уравнения СПТ и его расчетные электрические схемы замещения стационарных и переходных процессов для полного описания электромагнитных процессов.
Инженерная методика расчета стационарных и переходных процессов в СПТ может быть использована для исследования электромагнитных процессов в СП электрооборудовании, на базе которых будут созданы сверхпроводящие электрические и электромагнитные системы.
Разработка СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток, выполненных неплотным заполнением витков, позволит увеличить степень использования сверхпроводникового материала и сделает его конкурентоспособным ресурсосберегающим электрооборудованием традиционных и сверхпроводящих энергетических систем.
Предложенные, запатентованные схемные решения СПТ с пульсирующим и вращающимся магнитным полем с УПК как с полностью сверхпроводящими силовыми обмотками и отдельной обмоткой возбуждения, так и с обмотками, функционирующими в разных температурных средах (жидкий гелий - 4,2 К, жидкий азот - 77 К, комнатная температура — 300 К) позволят использовать их в
10 качестве эффективных устройств ввода (вывода) энергии от генераторов, работающих при обычной температуре в СП ЛЭП, а также для соединения двух или нескольких СП ЛЭП с разным уровнем напряжений, в том числе СП ЛЭП постоянного тока. 6. Разработанные локализированные многожильные СП провода (ЛМЖСПП) могут быть использованы в силовых обмотках СПТ, внедренных как в обычные, так и сверхпроводящие энергетические системы. Такие ЛМЖСПП увеличивают токонесущую способность силовых обмоток СПТ, снижают уровень потерь в них, уменьшают расход СП материала, увеличивают КПД СПТ энергетических систем.
Внедрение результатов работы
Разработанные СПТ энергетического назначения были использованы в качестве электромагнитных устройств ввода энергии в сверхпроводящие и криорезистивные кабели и СП магнитные системы, а также для соединения СП генераторного токопровода с энергосистемой (ГрузНИИЭГС тема № 35,
1979 г.; ОКБ-1 ЭНИН, договор ГПТУС МЭ СССР, 1984 г. г.Москва; филиал
НИИ прикладной физики, договор ГлавНИИпроекта Э-31-83, 8261, 1985 г.;
предприятие п/я, А-1858, МО СССР, 1988 г.), спецтемах «Ямбург» (МО
СССР, 1991 г.) и «Пигмей» (МО РФ, 1995 г.).
Изготовленные в соответствии с изобретениями: А.С. СССР № 776396 и А.С. СССР № 1228708 сверхпроводящие трансформаторы внедрены в лаборатории криогенной электротехники ЭНИНа им. Г.М.Кржижановского (г.Москва, 1984 и 1987 г.г.).
Апробации работы
Основные результаты работы докладывались на IV и VI Республиканских конференциях молодых ученых-энергетиков (г.Баку 1975 и
1980 г.г.), XVIII и XIX научно-технических конференциях молодых ученых и
специалистов ЭНИНа им.Г.М.Кржижановского (г.Москва, 1978 и 1979 г.г.),
Всесоюзном научно-техническом совещании «Научно-технические и
технологические вопросы создания сверхпроводникового
электротехнического оборудования (г.Москва, 1984 г.), 1-ой Международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (ФПС 04) (г.Москва, 2004 г.).
Работы по сверхпроводящим трансформаторам энергетического назначения отмечены благодарностью Президиума Московского Правления НТОЭ и ЭП СССР (1980 г.), Дипломом III степени на Конкурсе Московского Правления НТОЭ и ЭП СССР (1981 г.), Дипломом I степени на Конкурсе молодых ученых Академии Наук СССР (г.Москва, 1981 г.).
Макеты СПТ выставлялись на Международной выставке «Экономия энергетических и материальных ресурсов в строительстве» «Стройэкономия 89» (г.Москва, 1989 г.), Международной выставке-ярмарке научно-технических достижений «НТД-89» (г.Москва, 1989 г.), Павильоне «Экология» ВВЦ РФ (г.Москва, 1993 г.). Макет сверхпроводящего тороидального трансформатора удостоен Медали ВВЦ в 1993 году.
Достоверность результатов работы подтверждена сопоставлением данных теоретических исследований, опубликованных в научно-технической литературе с результатами экспериментальных исследований на физических моделях и при натурных экспериментах во внедренных электроустановках.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе рассматриваются проблемы использования мощных силовых трансформаторов в энергетических системах в качестве бесконтактных электромагнитных устройств ввода и вывода электрической энергии существенно влияющих на энерго-и ресурсосберегающие показатели энергетических систем. Дается обоснование использования СП обмоток в качестве силовых обмоток мощных генераторных и др. трансформаторов энергетических систем, аморфной электротехнической стали для изготовления магнитопровода таких трансформаторов, сочетания СПТ с устройствами силовой электроники (GTO - тиристоры, IGBT - транзисторы,
12 криотроны). Показано преимущество сверхпроводящих энергетических систем с СПТ, по сравнению с использованием в таких системах трансформаторов традиционного исполнения. Разработана классификация СПТ в зависимости от характера изменения магнитных полей возбуждения и рассеяния, конструктивного исполнения СП обмоток и магнитопроводов. Дается обзор материалов по СПТ с пульсирующим магнитным полем возбуждения и обмотками из низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников. Формулируются цели и задачи исследования.
Во второй главе дано исследование СПТ с локализированным магнитным полем. Приводится разработанная классификация СПТ с локализированным магнитным полем. Сформулирован принцип работы СПТ с отдельной обмоткой возбуждения и дано определение его параметров в различных режимах работы. Дано определение параметров СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток и проведено сравнение их с параметрами традиционного трансформатора с медными обмотками. Приведены электрические схемы замещения СПТ с локализированным магнитным полем для переходных и стационарных режимов. Дано определение потерь СПТ и токонесущей способности его обмоток. Приведены результаты разработок СП проводов с локализированным магнитным полем.
В третьей главе приведено исследование СПТ с вращающимся магнитным полем возбуждения. Даны общие уравнения СПТ с управляемым полупроводниковым коммутатором (УПК). Рассмотрен СПТ постоянного напряжения и СПТ с отдельной обмоткой возбуждения. Приведены результаты исследования трехфазных преобразователей частоты, выпрямителей и инверторов, выполненных на основе СПТ с вращающимся магнитным полем возбуждения и УПК.
В четвертой главе дается описание конструкций разработанных экспериментальных лабораторных моделей СПТ тороидального и стержневого типа с пульсирующим магнитным полем и СПТ
13 электромашинного типа с вращающимся магнитным полем, имеющими силовые обмотки и отдельную обмотку возбуждения, находящиеся как в полностью низкотемпературной среде (жидкий гелий, жидкий азот), так и в разных температурных средах (жидкий гелий, жидкий азот, комнатная температура), приводятся технологии их изготовления и сборки. Изложены вопросы измерения магнитных и электрических величин СПТ. Приводится выбор схем и аппаратуры измерения, дается описание лабораторного стенда для испытаний СПТ в различных режимах работы. По данным измерений критических токов в силовых СП обмотках трансформаторов определены их конструктивная плотность токов и оценена степень использования их СП материалов. Дано экспериментальное сравнение величин критических токов в СП обмотках, выполненных с неплотной намоткой витков с аналогичными величинами критических токов в СП обмотках с плотной намоткой витков. Приведено экспериментальное исследование разработанных СПТ в режимах холостого хода, короткого замыкания и нагрузки.
В Заключении приведены основные результаты, полученные в работе.
Трансформаторы с низкотемпературными сверхпроводящими обмотками
Первый в мире сверхпроводящий однофазный трансформатор мощностью 15 кВт, напряжением 22/2,2 кВ был создан и испытан в США в 1961 году [7-9, 45-53]. Его обмотки, изготовленные из свинцового провода общей длиной 3,2 км, разделялись слоем бумажной изоляции толщиной 0,25 мм., покрытой лаком (рис. 1.2). Обмотки помещались в вакуумированный бак, теплоизолированный жидким азотом, и концы их через изоляторы с вакуумным уплотнением выводились наружу. Для предотвращения перехода сверхпроводящих обмоток в нормальное состояние (аварийный режим) была предусмотрена разбивка их на 20 попарно чередующихся слоев. Магнитопровод трансформатора собирался из шихтованной электротехнической стали и функционировал при комнатной температуре, которая поддерживалась с помощью водяного охлаждения. Конструктивное исполнение обмоток СП трансформатора полностью зависит от необходимости уменьшения магнитного поля ниже критического значения, при котором происходит переход сверхпроводника обмоток в нормальное состояние. Это обусловило, как указывалось выше, изготовление СП обмоток со взаимно чередующимися слоями. На рис. 1.3(6) представлен элемент СП обмотки, состоящий из двух первичных слоев, окружающих два вторичных слоя, а на рис. 1.3(a) - путь магнитного потока рассеяния в поперечном сечении элемента обмотки. При этом намагничивающие силы, создаваемые протекающими рабочими токами в первичных и вторичных обмотках, имеют противоположные направления и создают магнитные поля, равные по величине и противоположные по знаку.
Для обмотки СП трансформатора было использовано несколько таких комплектов чередующихся слоев. Таким образом, происходит уменьшение магнитного поля рассеяния в сверхпроводящем трансформаторе. Однако, такое конструктивное решение имеет недостаток, заключающийся в том, что уменьшение высоты СП обмоток приводит к значительному увеличению ее ширины, поскольку при этом необходимо применять большое количество изоляционного материала.
Чередующиеся обмотки СП трансформаторов могут быть выполнены цилиндрическими, дисковыми, спиральными /из фольги/, коаксиальными и Др. Рис. 1.4 представляет вариант исполнения чередующихся обмоток СП трансформаторов. На рис. 1.4а показан способ размещения слоев первичных и вторичных обмоток трансформатора, описанный выше. На рис. 1.46 показано чередование цилиндрических силовых обмоток сверхпроводящего трансформатора. При таком конструктивном варианте магнитное поле в обмотке не достигает критической величины, разрушающей сверхпроводящее состояние.
Дисковое исполнение сверхпроводящих обмоток трансформатора приведено на рис. 1.4 (в и г). На рис. 1.4(B) показан отдельный диск, а на рис. 1.4(г) - СП обмотка в собранном виде.
В 1967 году во Франции была изготовлена и испытана вторая модель сверхпроводящего трансформатора мощностью 6,6 кВА (рис. 1.5) [7,9,52,54-56].
Магнитопровод был изготовлен из листовой электротехнической стали «М5 X» толщиной 0,35 мм. и имел сечение 10,4 см2 при полной массе 2,3 кг. Максимальная индукция в магнитопроводе рассчитывалась на величину 1,8 Тл при соответствующем витковом напряжении 0,6 В. Потери при величине индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц и температуре 300 К составили менее 1 Вт/кг. Магнитопровод эластично закреплялся внутри металлического криостата и функционировал в среде жидкого азота.
Первичное и вторичное напряжение СП трансформатора составило соответственно 220 и 440 В. В трансформаторе имелись 2-е идентичные обмотки низкого напряжения 220 В, которые снаружи, на выводах трансформатора, соединялись между собой последовательно на напряжение 440 В, или параллельно - на 220 В, что позволило проводить испытания СП трансформатора при разных схемах их соединений. Обмотки изготавливались чередующимися и состояли из 9-й слоев по 58 витков в каждом слое. Обмотка высоко напряжения (440 В) состояла из 18-и слоев и также содержала 58 витков в слое. Высота каждой обмотки — 17 мм., внутренний диаметр - 64 мм. Для изготовления витков использовался сверхпроводящий провод Nb-25%Zr диаметром 0,254 мм. Масса использованного провода составила около 230 г.
Разборный криостат СП трансформатора был выполнен из нержавеющей стали. В него монтировалась полость, изготовления из стекла «пирекс», в которой размещались СП обмотки трансформатора. Поверхность полости, для уменьшения потерь на излучение, покрывалась золотой пленкой, разделенной на большое число участков, изолированных один от другого для предотвращения появления значительных вихревых токов. СП трансформатор снабжался 6 токоподводами из отожженной обычной медной ленты шириной 10 мм, толщиной 0,2 мм и длиной 7,4 м.
Сверхпроводящий трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения
Принцип работы сверхпроводящего трансформатора с отдельной обмоткой возбуждения. На рис. 2.2 представлен СП трансформатор с первичной стороны короткого вместо одной выполнены две обмотки «А» и «С», а со вторичной стороны, как обычно, выполнена одна обмотка «В» [7-Ю, 155]. Обмотки «А» и «С» питаются от напряжений UA и Uc, а «В» присоединена к цепи нагрузки с напряжением UB- Такой трехобмоточный трансформатор в зависимости от величины напряжений UA, UB, Uc и электромагнитных параметров отдельных обмоток может работать а разных энергетических режимах.
Если, например, обмотки «А» и «В» имеют сильную магнитную связь относительно друг друга и более слабую магнитную связь с обмоткой «С», то очевидно, что любое изменение тока нагрузки в обмотке «В» будет вызывать соответственное изменение тока в основном в обмотке «А», а не в обмотке «С». При этих условиях электрическая энергия в обмотку «В» и в цепь нагрузки будет передаваться в основном от обмотки «А». Изменение нагрузки следовательно во вторичной цепи не будет отражаться на обмотке «С». В обмотке «С» будет протекать ток приблизительно такой же величины, как до изменения нагрузки и обмотка «С» будет потреблять реактивную мощность. Потребляемые обмоткой «С» реактивный ток и реактивная мощность будут зависеть от величины приложенного к этой обмотке напряжения Uc- При таких условиях обмотка «В» выступает в роли обмотки возбуждения, а обмотки «А» и «С» в роли силовых обмоток. Такой трансформатор в дальнейшем будем называть сверхпроводящим трансформатором с отдельной обмоткой возбуждения.
Силовые обмотки такого СП трансформатора не находятся в сильном магнитном поле возбуждения, т.к. в первичной обмотке ток возбуждения не протекает.
Отсутствие тока возбуждения непосредственно в силовых обмотках дает возможность выполнения полностью компенсирующих друг друга первичных и вторичных обмоток и уменьшения всех магнитных потоков вокруг этих обмоток, что в свою очередь, вызывает уменьшение потерь, увеличение токонесущей способности и мощности СП трансформатора.
В СПТ с отдельной обмоткой возбуждения последняя выполняется автономно на требуемое магнитное поле возбуждения и ее размеры и число витков могут быть другими по сравнению с размерами и числом витков первичной обмотки. В отличие от силовых обмоток, обмотка возбуждения может быть изготовлена из другого СП материала и выполнена криорезистивной или из обычного проводникового материала и функционировать в теплой зоне (300 К) на требуемые токи и напряжения в зависимости от режимов работы СП трансформатора.
Магнитопровод при этом может быть выполнен ферромагнитным или не ферромагнитным. Для обозначения величин, относящихся к первичной и вторичной обмоткам, воспользуемся, как обычно, индексами «1» и «2», а для величин, связанных с обмоткой возбуждения, индексом «в».
Уравнение сверхпроводящего трансформатора.
Для составления уравнений и проведения анализа электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах, необходимо определение параметров СПТ, его активных сопротивлений и индуктивностей.
Активные сопротивления СП трансформатора связаны с выделением тепловых потерь в СП обмотках при протекании в них переменного тока, а также в магнитопроводе (при наличии ферромагнитного сердечника) при возбуждении в нем переменного магнитного поля.
Индуктивности и индуктивные сопротивления СП трансформатора связаны с образованием магнитных полей рассеяния в канале рассеяния токами нагрузки и магнитных полей возбуждения в магнитопроводе намагничивающими токами.
Сверхпроводящие трансформаторы постоянного напряжения
Назначение СПТ такого типа является преобразованием постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины (большей или меньшей).
На рис. 3.1 приведена схема СПТ постоянного напряжения при выполнении первичной 1 и вторичной 2 силовых обмоток из шести последовательно соединенных между собой секций N. К каждой секции обмоток присоединены управляемые полупроводниковые коммутаторы (УПК I и УПК II), что делает такой СПТ постоянного напряжения регулируемым [9, 22]. Силовые первичные и вторичные обмотки трансформатора являются замкнутыми обмотками.
УПК I и УПК II состоят из прямо или обратно включенных полупроводниковых переключателей. В качестве ПП используются GTO — тиристоры. В коммутаторе УПК II вместо GTO - запираемых тиристоров могут быть использованы мощные обычные тиристоры или мощные диоды.
В последнем случае коммутатор вторичной обмотки СПТ становится неуправляемым. Коммутатор первичной обмотки СПТ состоит из N=6 прямо (1-6) и N=6 обратно (1-6) включенных ПП. Аноды прямо включенных тиристоров присоединены к токопроводящему шинообразному кольцу к{ и через него к положительному зажиму на входе коммутатора, а катоды этих же тиристоров через секции первичной обмотки подключены к анодам обратно включенных тиристоров и через них к токопроводящему шинообразному кольцу к[ через которое соединены с отрицательном зажимом. К шинообразным кольцам подводится первичное постоянное напряжение СП трансформатора - Uj. Аналогичным образом устроен коммутатор вторичной обмотки СПТ, выходные зажимы которого подсоединены к токопроводящим шинообразным кольцам к[ и к[ соединенным с выходными зажимами трансформатора, с которых снимается постоянное выходное напряжение U2.
Вращающееся магнитное поле в СП трансформаторе создается с первичной стороны при подаче постоянного напряжения Ui за счет переключения прямых и обратных тиристоров УПК I при подаче токовых импульсов на их управляемые электроды. В первом интервале времени положительные токовые импульсы подаются на диаметрально расположенные прямой и обратный тиристоры I и 4, все остальные тиристоры УПК I при этом закрыты. Первичный ток СПТ проходит от положительного зажима через точку А (рис. 3.1), разветвляется на параллельные ветви АА, далее через анод обратного тиристора 4 достигает отрицательного зажима СПТ. Точки А и А определяют пространственное направление магнитного поля. Через интервал времени At = на coHN тиристоры I и 4 подаются запирающие импульсы, а на соседние прямой 2 и диаметрально расположенный обратный 5 тиристоры подаются положительные токовые импульсы, и они открываются. Все остальные тиристоры УПК I при этом закрыты. Ток в этом интервале времени проходит от положительного зажима СПТ через анод тиристора 2, далее разветвляясь через точку В на параллельные ветви ВВ через анод обратного тиристора 5 достигает отрицательного зажима СПТ. Пространственное направление магнитного поля определяется в этом случае точками В и В, которые 2% смещены относительно точек А и А по окружности на угол — и т.д. Через N N интервалов времени магнитное поле делает один оборот —N=271 в течение времени Т. 271 27TN 1 T = AtN = - -N= = — шиМ 27ufHN f„ где fH - частота подаваемых импульсов на управляющие электроды тиристоров. Угловая скорость вращения магнитного поля сверхпроводящего трансформатора: (Омп=(ои=2%їи
Вращающееся магнитное поле индуктирует в параллельных ветвях вторичной силовой обмотки СП трансформатора Э.Д.С., а коммутатор вторичной обмотки УПК II коммутирует Э.Д.С. с угловой скоростью со" = со и на выходных зажимах коммутатора создается постоянное напряжение U2. Процентные колебания напряжения можно оценить выражением:
Экспериментальный сверхпроводящий трансформатор стержневого типа
В соответствии с разработанными принципами выполнения СПТ с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток и с отдельной обмоткой возбуждения, изложенными в [7-10, 79, 154, 155, 161, 169, 172-178, 180-185] была разработана конструкция СПТ тороидального типа, представленная нарис. 4.1 [79, 161, 169, 174, 175, 180, 182-185].
СПТ 1 смонтирован в габаритах гелиевого промышленного криостата КГ 15/150-1, имеющего диаметр горловины гелиевой полости DKp =150 мм, и с помощью штуцера 2 и несущей штанги 3 закреплен на съемном фланце криостата. Здесь же смонтированы СП индуктивные нагрузки 4 (рис. 4.2), имеющие параметры, аналогичные параметрам СП обмоток трансформатора. На штанге смонтированы клемные колодки 5, на которых размещены датчики уровня жидкого гелия и разветвленные токоподводы 6 сверхпроводящих обмоток трансформатора.
СПТ помещался в гелиевую полость криостата таким образом, что СП проводники обмоток не выходили за треть глубины полости жидкого гелия.
На рис. 4.3 представлена электрическая схема СПТ, где обозначено: СПОї , СПОг - сверхпроводящие первичная и вторичная силовые обмотки, соответственно; СПОВ - сверхпроводящая обмотка возбуждения; СПНі , СПН2 - сверхпроводящие индуктивные нагрузки; Wi , W2 , WB - число витков первичной, вторичной обмоток и обмотки возбуждения, соответственно.
Конструктивная схема СПТ тороидального типа с локализированным магнитным полем рассеяния силовых обмоток и отдельной обмоткой возбуждения тороидального типа представлена на рис. 4.4.
СПТ содержит: верхнюю 1 и нижнюю 2 половины внешнего тороидального каркаса первичной силовой обмотки; верхнюю 3 и нижнюю 4 половины внутреннего тороидального каркаса вторичной силовой обмотки; СП провод 5, уложенный в пазы; дистанцирующие распорные кольца 6, между тороидальными каркасами; колодку 7 токоподвода к СП проводам обмоток; цилиндрический каркас 8 обмотки возбуждения 9, расположенной на магнитопроводе 10. Для циркуляции хладоагента - жидкого гелия в магнитопроводе и тороидальных каркасах предусмотрены окна 11 и 12, а позицией 13 и 14 указаны места размещения гальваномагнитных датчиков ЭДС Холла. Для укладки СП провода силовых обмоток трансформатора на внутренних и наружных поверхностях каркасов 1, 2, 3, 4 с шагом 0,5 мм выбраны канавки (пазы) 15. Для перехода с одного паза на другой и возможности выбора различного шага непрерывной намотки СП провода, рифленная канавка или поверхность прерывается участками 16, на которых рифы выбраны.
Особенностью конструкции намоточных каркасов СП обмоток является возможность их расчета по диаметральному сечению А-А, обеспечивающая непрерывность намотки СП провода при переходе на другую половину тороидального каркаса.
В торцевых частях цилиндрического каркаса обмотки возбуждения имеются специальные окна для прокладки СП проводов всех трех обмоток трансформатора и для улучшения охлаждения токоподводов силовых тороидальных обмоток и обмотки возбуждения. Каркас обмотки возбуждения изготовлен из стеклотекстолита СТЭФ-I и крепится на специальных выступах, предусмотренных на штуцере 2 ( рис. 4.1.).
Магнитопровод СПТ выполнен в виде замкнутой намотки отдельными кусками провода горячекатанной стали марки Э-42 диаметром 1 мм, покрытой специальной лаковой изоляцией. После заполнения проводом осевого отверстия наружной тороидальной оболочки был получен замкнутый магнитопровод броневого типа переменного сечения.
Намотка магнитопровода проводилась с учетом формирования окон для ввода токоподводящих проводов к СП обмоткам, вводов проводов датчиков измерительной системы и подачи жидкого гелия в полости тороидальных каркасов СП обмоток.
Похожие диссертации на Энергосберегающие трансформаторы энергетических систем на основе сверхпроводниковых технологий и силовой электроники
