Сверхпроводящая электрическая машина
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2011 г. ) |
Сверхпроводящие электрические машины — это электромеханические системы , основанные на использовании одного или нескольких сверхпроводящих элементов. Поскольку сверхпроводники не обладают постоянному току сопротивлением , они обычно имеют более высокий КПД . Самый важный параметр, который представляет наибольший интерес в сверхпроводниковой машине, — это генерация очень сильного магнитного поля, невозможное в обычной машине. Это приводит к существенному уменьшению объема двигателя; что означает значительное увеличение удельной мощности. Однако, поскольку сверхпроводники имеют нулевое сопротивление только при определенной температуре сверхпроводящего перехода, T c , которая на сотни градусов ниже комнатной температуры, криогеника требуется .
История
[ редактировать ]Униполярные машины постоянного тока относятся к числу старейших электрических машин . Майкл Фарадей создал униполярный двигатель в 1831 году. В сверхпроводящих униполярных машинах постоянного тока используются сверхпроводники в неподвижных обмотках возбуждения и нормальные проводники во вращающейся обмотке возбуждения. В 2005 году компания General Atomics получила контракт на создание большого тихоходного сверхпроводящего униполярного двигателя для движения кораблей . [1] Сверхпроводящие униполярные генераторы рассматривались в качестве импульсных источников энергии для лазерного оружия систем . Однако для большинства приложений униполярные машины оказались непригодными.
В прошлом экспериментальные синхронные сверхпроводниковые машины переменного тока изготавливались с роторами из низкотемпературных металлических сверхпроводников, которые проявляют сверхпроводимость при охлаждении жидким гелием . Они работали, однако высокая стоимость охлаждения жидким гелием делала их слишком дорогими для большинства применений.
Совсем недавно синхронные сверхпроводниковые машины переменного тока стали изготавливаться с керамическими проводниками ротора, которые обладают высокотемпературной сверхпроводимостью . установлены керамические сверхпроводники, охлаждаемые жидким азотом В их роторах . Керамические сверхпроводники также называют высокотемпературными или азотно-температурными сверхпроводниками. Поскольку жидкий азот относительно недорог и с ним легче обращаться, существует больший интерес к керамическим сверхпроводниковым машинам, чем к металлическим сверхпроводниковым машинам, охлаждаемым жидким гелием.
Настоящий интерес
[ редактировать ]В настоящее время интерес к синхронным керамическим сверхпроводящим машинам переменного тока проявляется в более крупных машинах, таких как генераторы, используемые в коммунальных и судовых электростанциях , а также двигатели, используемые в силовых установках судов. Компании American Superconductor и Northrop Grumman создали и продемонстрировали корабельный двигатель мощностью 36,5 МВт из керамического сверхпроводника.
Поскольку они легкие и, следовательно, обеспечивают более низкую стоимость башни и строительства, они рассматриваются как многообещающая технология генераторов для ветряных турбин . С помощью сверхпроводящих генераторов можно уменьшить вес и объем генераторов по сравнению с синхронными генераторами с прямым приводом, что может привести к снижению стоимости всей турбины. [2] Ожидается, что первые коммерческие турбины будут установлены ориентировочно в 2020 году. [3]
Преимущества и недостатки сверхпроводящих электрических машин.
[ редактировать ]По сравнению с обычной кондукторной машиной
[ редактировать ]Сверхпроводящие электрические машины обычно имеют следующие преимущества:
- Снижены резистивные потери, но только в электромагните ротора.
- Уменьшены габариты и вес в расчете на мощность без учета холодильного оборудования.
Также имеются следующие недостатки:
- Стоимость, размер, вес и сложность системы охлаждения.
- Внезапное уменьшение или прекращение действия двигателя или генератора, если сверхпроводники выходят из сверхпроводящего состояния .
- Большая тенденция к нестабильности скорости ротора. Сверхпроводящий ротор не имеет собственного демпфирования, свойственного обычному ротору. Его скорость может изменяться или колебаться вокруг своей синхронной скорости.
- двигателя Подшипники должны выдерживать холод или должны быть изолированы от холодного ротора.
- Для синхронного двигателя электронное управление имеет важное значение для практической работы. Электронное управление приводит к дорогостоящим потерям гармоник в переохлажденном электромагните ротора.
Высокотемпературные сверхпроводники против низкотемпературных сверхпроводников
[ редактировать ]- Высокотемпературные сверхпроводники (ВТС) становятся сверхпроводящими при более легко достижимых температурах жидкого азота, что гораздо более экономично, чем жидкий гелий, который обычно используется в низкотемпературных сверхпроводниках.
- HTS представляют собой керамику и хрупки по сравнению с обычными сверхпроводниками из металлических сплавов, такими как ниобий-титан .
- Керамические сверхпроводники нельзя соединить болтами или сварить вместе для образования сверхпроводящих соединений. Керамические сверхпроводники должны быть отлиты в их окончательной форме при создании. Это может увеличить затраты на производство. [ нужна ссылка ]
- Керамические сверхпроводники легче вывести из состояния сверхпроводимости с помощью осциллирующих магнитных полей. Это может стать проблемой в переходных условиях, например, при внезапном изменении нагрузки или питания. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Дженерал Атомикс» спроектирует и изготовит усовершенствованный маршевый двигатель для ВМС США .
- ^ Ислам и др., Обзор гондолы морской ветряной турбины: технические проблемы, а также тенденции исследований и разработок. В: Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 33, (2014), 161–176, дои : 10.1016/j.rser.2014.01.085
- ^ Сверхпроводящие генераторы: промышленное производство с 2020 года . В: Энергетика и технологии , 12 мая 2015 г. Проверено 24 декабря 2015 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Бамби, младший, Сверхпроводящие вращающиеся электрические машины, Оксфорд: Clarendon Press, 192 страницы, 1983.
- Кульманн, Дж. Х., Проектирование электрооборудования, 3-е издание; Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 512 страниц, 1950. <Обратите внимание: в этой книге не рассматриваются сверхпроводящие машины. Тем не менее, он предоставляет превосходную подробную проектную информацию, которую можно использовать при проектировании сверхпроводниковой машины.>
- Таббс, С.П., Проектирование и анализ сверхпроводящего высокоскоростного синхронного/асинхронного двигателя, Полная база данных ProQuest Direct, публикация № AAT LD03278, 227 страниц, 1995. <Оценка литературы, анализ, экспериментальные результаты и большая библиография.>
Внешние ссылки
[ редактировать ]- American Superconductor, синхронные сверхпроводящие керамические двигатели и генераторы переменного тока http://www.amsc.com/