Сверхпроводниковый синхронный вентильный генератор
SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS VALVE GENERATOR

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к системам генерирования постоянного тока с использованием бесконтактных сверхпроводниковых синхронных электрических машин, и может быть использовано при создании систем генерирования постоянного тока с переменной частотой вращения генератора, с высокими требованиями к массе и габаритам и предназначено для использования в системах электроснабжения наземных транспортных средств, а также перспективных летательных аппаратов.
Известна система электроснабжения, включающая в себя трехфазный синхронный генератор, к выходу которого подключен мостовой трехфазный выпрямитель (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 255 с. Стр. 81, рис. 3.8; стр. 79, рис. 3.6, а также В.А. Балагуров, Проектирование специальных электрических машин переменного тока, Москва, Высшая школа, 1982. - 272 с. Стр. 114, рис. 3.2). Такая схема включения может использоваться с различными целями, например для регулирования или стабилизации выходных параметров генератора или формирования системы генерирования постоянного тока.
Наиболее близкой по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является малогабаритная система генерирования постоянного тока (см патент RU 2701169. Опубликовано: 25.09.2019, бюл. №27), включающая вентильный генератор на основе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, а также трехфазный выпрямитель.
Общим недостатком известных схем является сравнительно невысокие значения удельных мощностей вследствие использования электромашинных генераторов обычного исполнения и выпрямителей с традиционным способом охлаждения показателей всей системы генерирования постоянного тока в целом, одним из основных узлов которой является генератор.
Поставленная задача решается за счет того, что синхронный вентильный генератор, содержащий ротор с постоянными магнитами, обмотку якоря, расположенную на статоре, выпрямительный блок с силовыми вентилями, входные клеммы которого подключены к выходным клеммам обмотки якоря, дополнительно содержит криостат с зоной жидкого криоагента и зоной парообразного криоагента, имеющий внутреннюю и наружную стенки, между которыми находится слой теплоизоляции, силовые вентили выпрямительного блока размещены на пластинах охладителя, установленных на наружной поверхности внутренней стенки криостата, между пластинами охладителя и внутренней стенкой криостата расположены электроизоляционные прокладки, выходные клеммы выпрямительного блока соединены с пластинами охладителя, во внутренней стенке криостата выполнено отверстие для подключения выводов якорной обмотки к силовым вентилям с возможностью поступления через него паров криоагента в зону парообразного криоагента, обмотка якоря выполнена из сверхпроводникового материала и размещена в зоне жидкого криоагента.
В качестве криоагента может использоваться, например, жидкий азот.
Полупроводниковые вентили расположены на двух пластинах охладителя, которые могут быть изготовлены, например, из меди, и при этом каждая из них содержит вентили прямой или обратной полярности (см. Л.И. Поспелов. Конструкции авиационных электрических машин. Под ред. А.Ф. Федосеева. - М.: Энергоиздат. 1978, с. 89 и О.Г. Чебовский и др. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1985, например, с. 137).
Электроизоляционные прокладки выполняются из керамического материала с коэффициентом теплопроводности существенно выше, чем у обычных керамических материалов.
В качестве сверхпроводникового материала обмотки якоря используются длинномерные композиты на основе высокотемпературных сверхпроводников первого и второго поколения, а также на основе диборида магния.
Выходные клеммы выпрямительного блока снабжены уплотнительными втулками и смонтированы на наружной стенке зоны парообразного криоагента.
Технический результат осуществления заявляемого изобретения заключается в повышении удельных мощностных показателей синхронного вентильного генератора с возбуждением от постоянных магнитов на роторе путем снижения массы и габаритов при совместном криостатировании сверхпроводниковой обмотки якоря генератора на статоре и вентилей выпрямительного блока, а также в повышении энергетических показателей генератора.
Технический результат достигается за счет того, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный вентильный генератор с возбуждением от постоянных магнитов на роторе, выпрямительным блоком с силовыми вентилями и охлаждением активных частей традиционными способами, одним из недостатков которого являются относительно невысокие значения массогабаритных и энергетических показателей, в заявляемом изобретении в качестве токопроводящих элементов обмотки якоря генератора используются сверхпроводниковые материалы при криогенном охлаждении с высокой токонесущей способностью на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в частности перспективные ВТСП ленты второго поколения. Это обеспечивает существенное улучшение удельных мощностных показателей сверхпроводниковых синхронных вентильных генераторов по сравнению с синхронными машинами с возбуждением от постоянных магнитов традиционного исполнения до 10 кВт/кг (см. Ковалев К.Л. и др. Перспективы применения сверхпроводниковых устройств на борту полностью электрического самолета - Электричество, 2018, №10, с. 45-53).
Учитывая перспективность использования синхронных электрических машин с постоянными магнитами в системах генерирования постоянного тока для транспортных средств, в частности летательных аппаратов, в заявляемом изобретении предлагается совместное криогенное охлаждение сверхпроводниковых обмоток якоря синхронного генератора с постоянными магнитами и силовых вентилей выпрямительного блока в объединенном криостате.
С целью снижения массы и габаритов выпрямительного блока в настоящем изобретении предлагается использовать криогенное охлаждение полупроводниковых вентилей (см. Г.А. Дубенский, К.А. Модестов, Ю.И. Кован К.Л. Ковалев, А.Е. Ларионов. Проблемы криогенного охлаждения полупроводниковых вентилей статических преобразователей. - Электричество, 2019, №6, с. 4-11, а также K. Modestov, Yu Kovan, K. Kovalev, A. Larionov, L. Egoshkina. Problem of cryogenic cooling of semiconductor switches for power convertors, Amazonia Investiga Vol. 8, Num. 24, Diciembre, 2019).
Ожидаемое повышение удельной мощности вентильного блока в условиях криогенного охлаждения определяется, в основном, следующими факторами: снижением массы охладителей вентилей и повышением токовой нагрузки вентилей.
2
4
2
Как известно, площадь поверхности охладителя обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи α. Если при конвективном охлаждении воздухом величина α составляет 5÷30 Вт/мК, то при охлаждении жидким азотом, как показывают проведенные авторами эксперименты, величина коэффициента теплоотдачи возрастает до 10 Вт/мК. Площадь охладителя (а в случае пластинчатого охладителя и его масса) обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи. Таким образом, криогенное охлаждение существенно снижает массу охладителей вентилей, составляющую весьма существенную долю в массе и объеме всего выпрямительного блока.
n
n
Токовая нагрузка вентиля, как известно, лимитируется предельно допустимой температурой его кристаллического полупроводникового перехода T, [°С]. Величина T рассчитывается с помощью известного выражения:
ос
m
n
где Т - температура окружающей среды, R - полное тепловое сопротивление участка кристалл-окружающая среда, P - мощность потерь. С учетом потерь от прямого тока I вентиля его допустимая величина может быть определена следующим образом:
ос
где ΔU - падение напряжения на вентиле в открытом состоянии. Видно, что при отрицательной величине Т (температура криоагента) величина токовой нагрузки вентиля существенно возрастает, а следовательно, снижается масса вентилей, что также способствует повышению удельной мощности выпрямительного блока. Учитывая результаты проведенных авторами экспериментов, можно сделать предварительную оценку относительной массы выпрямительного блока с криогенным охлаждением. С учетом значительного снижения массы охладителей вентилей и повышения установленной мощности единичного вентиля ожидаемое значение относительной массы выпрямительного блока может составить величину порядка 0,01÷0,02 кг/кВт, что в пересчете на относительную мощность составит величину ~50~100 кВт/кг. Это более чем на порядок превышает аналогичные показатели традиционных выпрямителей.
Важным фактором повышения удельных мощностных показателей выпрямительного блока вследствие использования криогенного охлаждения является также повышение эффективности отвода теплового потока за счет снижения притока тепла в холодную зону путем сокращения числа мощных токовых вводов в эту зону, что является следствием использования общего криостата для якорных обмоток генератора и вентилей выпрямителя.
При решении задачи проектирования криогенной системы охлаждения вентилей выпрямительного блока авторами использован метод моделирования. Разработана концептуальная схема охлаждения вентилей выпрямителя криоагентом, в частности жидким азотом, включающая полную электрическую схему мостового трехфазного выпрямителя совместно с электротепловой схемой системы охлаждения, соответствующей заявляемому техническому решению. При этом электротепловая модель, позволяющая провести достаточно точный расчет при комнатной температуре, потребовала существенной коррекции электрических параметров модели при работе вблизи криогенных температур.
На этапе моделирования рассматривался режим охлаждения вентилей жидким азотом, который характеризуется процессом пузырькового кипения криоагента в сосуде большого объема. Под таким сосудом понимается, в частности, криостат электрической машины на основе ВТСП. Результаты моделирования подтвердили работоспособность предлагаемого конструктивного варианта охлаждения вентилей. При моделировании выпрямительного блока на заданную мощность были определены рациональные размеры пластин охладителей, получены реальные значения температур различных слоев структуры в зоне прохождения теплового потока от полупроводникового кристалла вентиля до жидкого азота. Получены осциллограммы токов и напряжений выпрямительного блока, которые полностью соответствовали ожидаемым.
Таким образом, результаты моделирования, проведенного в программе PSpice, позволяют оценить тепловое состояние силовых вентилей выпрямителя, характеризующее их работоспособность, а также спроектировать рациональную конструкцию системы криогенного охлаждения вентилей в перспективных источниках электроэнергии на основе ВТСП.
На фиг. 1 показан сверхпроводниковый синхронный вентильный генератор.
На фиг. 2 показана конструктивная схема узла охлаждения силовых вентилей выпрямительного блока.
Сверхпроводниковый синхронный вентильный генератор содержит: криостат 1 с зоной жидкого криоагента 6 и зоной парообразного криоагента 7, ротор с постоянными магнитами 2, обмотку якоря 3, расположенную на статоре, выпрямительный блок с силовыми вентилями 4, охладитель силовых вентилей в виде двух пластин 8, каждая из которых выполняет две функции: функцию общего провода одного из полюсов выпрямительного блока и функцию выравнивания теплового потока от вентилей в жидкий криоагент. При этом знак полярности полюсов определяется тем, вентили какой полярности (прямой или обратной) установлены на каждой пластине. Корпус криостата 1 имеет внутреннюю 10 и наружную 12 стенки, между которыми находится слой теплоизоляции 11. Пластины охладителя 8 установлены на наружной поверхности внутренней стенки 10 криостата 1. Так как пластины охладителя находятся под электрическими потенциалами, они отделены от стенки 10 электроизоляционными керамическими прокладками 9 с повышенным коэффициентом теплопроводности. Внутренняя стенка 10 криостата 1 содержит отверстие 16 для токовводов, подводящих переменное трехфазное напряжение от обмотки якоря 3 ВТСП генератора к электродам вентилей. Через это же отверстие осуществляется выход парообразного криоагента из зоны с жидким криоагентом 6. Выпрямленное напряжение выводится на выходные клеммы 5 выпрямителя, снабженные уплотнительными втулками 14 и смонтированные на наружной стенке 13 зоны парообразного криоагента 7 с целью ее герметизации от проникновения влаги, особенно в высоковольтных машинах. На виде А фиг. 2 показаны контуры области 15 размещения пластин охладителя, в пределах которых происходит конвективная теплоотдача потерь в вентилях выпрямительного блока в криоагент (например, жидкий азот), находящийся внутри криостата.
Работа сверхпроводникового синхронного вентильного генератора для системы генерирования постоянного тока осуществляется следующим образом: в сверхпроводниковой обмотке якоря, охлаждаемой жидким криоагентом и находящейся во вращающемся магнитном поле ротора с постоянными магнитами, индуцируется переменная ЭДС, которая далее выпрямляется посредством вентилей выпрямительного блока, также охлаждаемых криоагентом.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в системах генерирования постоянного тока транспортных средств, в первую очередь летательных аппаратов, в том числе перспективных полностью электрических самолетов (см. А.В. Левин, И.И. Алексеев, С.А. Харитонов, Л.К. Ковалев. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010, 288 с.), а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.