Nadprzewodząca maszyna elektryczna - Superconducting electric machine

Nadprzewodzące maszyny elektryczne to układy elektromechaniczne, które opierają się na wykorzystaniu jednego lub więcej elementów nadprzewodzących . Ponieważ nadprzewodniki nie mają rezystancji prądu stałego , mają zazwyczaj większą wydajność . Najważniejszym parametrem, który jest najbardziej interesujący w maszynie nadprzewodzącej, jest generowanie bardzo silnego pola magnetycznego, które nie jest możliwe w konwencjonalnej maszynie. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia objętości silnika; co oznacza duży wzrost gęstości mocy. Jednakże, ponieważ nadprzewodniki mają zerową rezystancję tylko w pewnej temperaturze przejścia nadprzewodnictwa, T c, która jest o setki stopni niższa niż temperatura pokojowa, wymagana jest kriogenika .

Historia

Maszyny homopolarne prądu stałego należą do najstarszych maszyn elektrycznych . Michael Faraday wyprodukował silnik homopolarny w 1831 roku. Nadprzewodnikowe maszyny homopolarne prądu stałego wykorzystują nadprzewodniki w uzwojeniach pola stacjonarnego i normalne przewodniki w uzwojeniach wirujących przetworników. W 2005 roku firma General Atomics otrzymała kontrakt na wykonanie dużego, jednobiegunowego silnika nadprzewodzącego o niskiej prędkości do napędu statków . Nadprzewodnikowe generatory homopolarne zostały uznane za impulsowe źródła zasilania dla systemów broni laserowej . Jednak maszyny homopolarne nie były praktyczne w większości zastosowań.

W przeszłości eksperymentalne maszyny nadprzewodzące synchroniczne prądu przemiennego były wykonywane z wirnikami wykorzystującymi niskotemperaturowe nadprzewodniki metalowe, które wykazują nadprzewodnictwo po schłodzeniu ciekłym helem . Działały, jednak wysoki koszt chłodzenia ciekłym helem sprawiał, że były zbyt drogie dla większości zastosowań.

Niedawno wykonano synchroniczne nadprzewodniki prądu przemiennego z ceramicznymi przewodnikami wirnika, które wykazują nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe . W ich wirnikach znajdują się nadprzewodniki ceramiczne chłodzone ciekłym azotem . Nadprzewodniki ceramiczne są również nazywane nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi lub nadprzewodnikami o temperaturze ciekłego azotu. Ponieważ ciekły azot jest stosunkowo niedrogi i łatwiejszy w obsłudze, istnieje większe zainteresowanie ceramicznymi maszynami do nadprzewodników niż metalowymi maszynami do nadprzewodników chłodzonych ciekłym helem.

Obecne zainteresowanie

Obecne zainteresowanie synchronicznymi ceramicznymi maszynami nadprzewodnikowymi prądu przemiennego dotyczy większych maszyn, takich jak generatory stosowane w elektrowniach użytkowych i okrętowych oraz silniki stosowane w napędzie statków. American Superconductor i Northrop Grumman stworzyli i zademonstrowali ceramiczny nadprzewodnikowy silnik napędowy statku o mocy 36,5 MW.

Ponieważ są lekkie, a zatem oferują niższe koszty wieży i budowy, są postrzegane jako obiecująca technologia generatorów dla turbin wiatrowych . Dzięki generatorom superprzewodzącym można zmniejszyć masę i objętość generatorów w porównaniu z generatorami synchronicznymi z napędem bezpośrednim, co może prowadzić do obniżenia kosztów całej turbiny. Oczekuje się, że pierwsze komercyjne turbiny zostaną zainstalowane około 2020 roku.

Zalety i wady nadprzewodzących maszyn elektrycznych

W porównaniu z konwencjonalną maszyną do przewodów

Elektryczne maszyny nadprzewodzące mają zazwyczaj następujące zalety:

  1. Zmniejszone straty rezystancyjne, ale tylko w elektromagnesie wirnika.
  2. Zmniejszony rozmiar i waga na moc bez uwzględniania sprzętu chłodniczego.

Istnieją również następujące wady:

  1. Koszt, rozmiar, waga i komplikacje układu chłodzenia.
  2. Nagły spadek lub eliminacja działania silnika lub generatora w przypadku opuszczenia przez nadprzewodniki stanu nadprzewodzącego .
  3. Większa tendencja do niestabilności prędkości wirnika. Wirnik nadprzewodzący nie ma własnego tłumienia konwencjonalnego wirnika. Jego prędkość może polować lub oscylować wokół prędkości synchronicznej.
  4. Łożyska silnika muszą być odporne na zimno lub muszą być izolowane od zimnego wirnika.
  5. Jako silnik synchroniczny sterowanie elektroniczne jest niezbędne do praktycznej pracy. Sterowanie elektroniczne wprowadza kosztowne straty harmoniczne w elektromagnesie przechłodzonego wirnika.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe a nadprzewodniki niskotemperaturowe

  1. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (HTS) stają się nadprzewodnikami w łatwiejszych do uzyskania temperaturach ciekłego azotu, co jest znacznie bardziej ekonomiczne niż ciekły hel, który jest zwykle stosowany w nadprzewodnikach niskotemperaturowych.
  2. HTS są ceramiką i są kruche w porównaniu z konwencjonalnymi nadprzewodnikami ze stopów metali, takimi jak niob-tytan .
  3. Nadprzewodników ceramicznych nie można skręcać ani spawać w celu utworzenia połączeń nadprzewodzących. Nadprzewodniki ceramiczne muszą być odlane w ich ostatecznym kształcie podczas tworzenia. Może to zwiększyć koszty produkcji.
  4. Nadprzewodniki ceramiczne można łatwiej usunąć z nadprzewodnictwa przez oscylowanie pól magnetycznych. Może to stanowić problem w warunkach przejściowych, na przykład podczas nagłej zmiany obciążenia lub zasilania.

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Bumby, JR, Superconducting Rotating Electrical Machines, Oxford: Clarendon Press, 192 strony, 1983.
  • Kuhlmann, JH, Projektowanie Aparatury Elektrycznej, wydanie 3; New York: John Wiley & Sons, Inc., 512 stron, 1950. <Uwaga, ta książka nie dotyczy maszyn nadprzewodzących. Zapewnia jednak doskonałe szczegółowe informacje projektowe, które można wykorzystać podczas projektowania maszyny nadprzewodzącej.>
  • Tubbs, SP, Design and Analysis of a Superconducting High Speed ​​Synchronous/Induction Motor, ProQuest Direct Complete Database, publikacja nr AAT LD03278, 227 stron, 1995. <Ocena literatury, analiza, wyniki eksperymentalne i duża bibliografia.>

Zewnętrzne linki

  • American Superconductor, synchroniczne nadprzewodnikowe silniki ceramiczne i generatory prądu przemiennego http://www.amsc.com/