СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР
SUPERCONDUCTING TRANSFORMER

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в качестве бесконтактного электромагнитного устройства ввода электрической энергии от обычной или сверхпроводящей энергетической сети или источника электроэнергии в однофазный сверхпроводящий кабель или сверхпроводящую магнитную систему переменного тока промышленной частоты.
Известен сверхпроводящий трансформатор, состоящий из магнитопровода, криостата, сверхпроводящих первичной и вторичной обмоток. Сверхпроводящие первичная и вторичная обмотки, размещенные на поверхностях кольцеобразных, концентрично расположенных трубчатых каркасов, имеют спиральную намотку такую, что витки обмоток образуют одну скрутку вокруг продольной оси кольцеобразной поверхности. Благодаря выполнению сверхпроводящей обмотки в виде спиральной, скрученной вокруг кольцевой поверхности трубчатого каркаса, все витки обмотки имеют одинаковую длину и занимают одинаковое положение в магнитном поле, образуя таким образом симметричную обмотку и симметричное магнитное поле, что позволяет уменьшить потери в сверхпроводящих обмотках. Применение в сверхпроводящих обмотках трансформатора проводников обмоток на расстоянии друг от друга по периметру поверхности кольцеобразного трубчатого каркаса позволяет снизить магнитное поле рассеяния и потери в сверхпроводнике и повысить токонесущую способность и КПД трансформатора (а.с. СССР №1228708, 1988 г.).
Недостатком такой конструкции сверхпроводящего трансформатора является наличие составляющей тока возбуждения в первичном токе первичной силовой обмотки, что приводит к наличию магнитного поля возбуждения в зоне расположения силовых первичной и вторичной обмоток, что снижает величину критического тока трансформатора, уменьшает его удельную мощность и, вызывая потери в силовых обмотках, уменьшает кпд сверхпроводящего трансформатора, увеличивает расход хладагента и электроэнергии на компенсацию потерь в сверхпроводящем трансформаторе.
Известен сверхпроводящий трансформатор, состоящий из разомкнутого магнитопровода, находящегося при комнатной температуре и выполненного без одного стержня, внутри которого размещен тороидальный неметаллический криостат. В гелиевой зоне криостата размещены первичная и вторичная сверхпроводящие силовые обмотки. Сверхпроводящий трансформатор снабжен отдельной обмоткой возбуждения, состоящей из плотно намотанных слоев и витков, находящейся при комнатной температуре и изготовленной из обычного проводникового материала (медь, алюминий) и экраном, изготовленным из высокотемпературного сверхпроводника и размещенным между обмоткой возбуждения и силовыми сверхпроводящими обмотками (а.с. СССР №1653465, 1991 г.).
Наличие сверхпроводящего экрана, внутри которого находится обмотка возбуждения, позволяет практически устранить влияние сильного магнитного поля возбуждения на область расположения силовых сверхпроводящих обмоток трансформатора и тем самым, уменьшая магнитные потери в них, увеличить кпд, токонесущую способность и мощность сверхпроводящего трансформатора.
Недостатком указанного сверхпроводящего трансформатора является выполнение обмотки возбуждения из обычного проводникового материала и размещение ее при комнатной температуре, что увеличивает массогабаритные показатели сверхпроводящего трансформатора. Наличие высокотемпературного сверхпроводящего экрана, размещенного в жидкоазотной полости криостата между силовыми первичной и вторичной сверхпроводящими обмотками и обмоткой возбуждения трансформатора, увеличивает массогабаритные показатели сверхпроводящего трансформатора и затраты на его охлаждение за счет потерь энергии в экране, а также расходы на высокотемпературный сверхпроводник, из которого изготовлен экран, снижает технико-экономические показатели сверхпроводящего трансформатора. Изготовление силовых сверхпроводящих обмоток трансформатора плотной намоткой слоев и витков значительно снижает токонесущую способность трансформатора ввиду воздействия магнитных полей рассеяния силовых первичных и вторичных обмоток друг на друга и одновременно увеличивая магнитные потери в обмотках снижает кпд, токонесущую способность и мощность сверхпроводящего трансформатора.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, то есть в увеличении токонесущей способности, мощности и кпд сверхпроводящего трансформатора, уменьшении потерь энергии, расхода электроэнергии и хладагента.
Указанный технический результат достигается тем, что сверхпроводящий трансформатор содержит магнитопровод, криостат, силовые первичную и вторичную, многослойные цилиндрические сверхпроводящие обмотки с концентрически расположенными слоями витков и многослойную цилиндрическую обмотку возбуждения с концентрически расположенными, плотно намотанными витками и слоями, прилегающими друг к другу, присоединенную параллельно силовой первичной обмотке и размещенную между магнитопроводом и силовыми первичной и вторичной обмотками сверхпроводящего трансформатора, и витки силовой первичной и вторичной обмоток выполнены неплотно намотанными, а слои витков размещены с зазором относительно друг друга, причем многослойная цилиндрическая обмотка возбуждения размещена в криостате, вне жидкоазотной полости криостата размещен конденсатор, который параллельно подключен к обмотке возбуждения, при этом обмотка возбуждения пространственно удалена от силовой первичной обмотки на расстояние (0,12÷0,15)R, а число витков первичной обмотки равно (1,02÷1,05) W,
где R - радиус поперечного сечения силовой первичной обмотки,
W - число витков обмотки возбуждения,
и обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически представлена конструктивная схема сверхпроводящего трансформатора, а на фиг. 2 - его электрическая схема.
Сверхпроводящий трансформатор 1 содержит магнитопровод 2 с размещенным на нем криостатом 3, внутри которого расположены силовые первичная обмотка 4, вторичная обмотка 5, цилиндрическая многослойная обмотка возбуждения 6 и находящийся вне криостата конденсатор 7.
Магнитопровод 2 стержневого типа представляет собой плоскошихтованную конструкцию, материалом которой является традиционная текстурированная холоднокатаная электротехническая сталь. В случае выполнения магнитопровода 2 из аморфной электротехнической стали, магнитная проницаемость которой во много раз выше лучших сортов традиционной электротехнической стали, магнитные потери энергии в нем значительно снижаются (в 5÷6 раз) как и ток намагничивания, что увеличивает токонесущую способность, мощность и кпд сверхпроводящего трансформатора.
Криостат 3 сверхпроводящего трансформатора представляет собой цилиндрическую тороидальную конструкцию, выполненную из неметаллического, например, стеклопластикового материала, исключающего появление как вихревых, так и круговых токов в режиме работы сверхпроводящего трансформатора 1. Рабочая низкотемпературная полость криостата 3 заполняется жидким азотом, в ней размещаются высокотемпературные сверхпроводящие силовые первичная обмотка 4, вторичная обмотка 5 и обмотка возбуждения 6 сверхпроводящего трансформатора 1.
Силовые цилиндрические первичная 4 и вторичная 5 обмотки сверхпроводящего трансформатора 1 выполнены многослойными с концентрически расположенными слоями и как и обмотка возбуждения 6 изготовлены из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода первого или второго поколения. Но в отличие от обмотки возбуждения 6, витки силовых первичной 4 и вторичной 5 обмоток выполнены неплотной намоткой, а слои витков размещены с зазором относительно друг друга и имеют между собой сильную магнитную связь за счет близкого взаиморасположения и пространственно удалены от обмотки возбуждения 6 и магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора 1.
Цилиндрическая многослойная обмотка возбуждения 6 с концентрически расположенными плотно прилегающими друг к другу слоями и плотно намотанными витками выполнена из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода первого или второго поколения, присоединена параллельно силовой первичной обмотке 4 сверхпроводящего трансформатора 1 и функционирует как и силовые первичные 4 и вторичные 5 обмотки в жидкоазотной полости криостата 3. При этом обмотка возбуждения 6 пространственно удалена от силовой первичной обмотки 4 сверхпроводящего трансформатора 1 на расстояние равное (0,12÷0,15)R, а число витков силовой первичной обмотки 4 равно (1,02÷1,05)W, где R - радиус поперечного сечения силовой первичной обмотки 4; W - число витков обмотки возбуждения 6. Параллельно обмотке возбуждения 6 присоединен конденсатор 7, размещенный вне жидкоазотной полости криостата 3 и функционирующий при комнатной температуре. Конденсатор 7 предназначен для компенсации реактивной мощности силовой вторичной обмотки 5 сверхпроводящего трансформатора 1. Обмотка возбуждения 6 пространственно удалена от силовых первичной 4 и вторичной 5 обмоток, ввиду чего имеет с ними слабую магнитную связь и расположена ближе к магнитопроводу 2 сверхпроводящего трансформатора 1, находясь между магнитопроводом 2 и силовыми первичной 4 и вторичной 5 обмотками.
Сверхпроводящий трансформатор 1 работает следующим образом. При подключении силовой первичной обмотки 4 к источнику переменного напряжения в режиме нагрузки происходит перераспределение первичного тока сверхпроводящего трансформатора 1. Реактивная намагничивающая составляющая первичного тока протекает в обмотке возбуждения 6 и создает основной магнитный поток в магнитопроводе 2 сверхпроводящего трансформатора 1. Это происходит за счет выбора числа витков обмотки возбуждения 6, в 1,02÷1,05 раза меньшей, чем числа витков силовой первичной обмотки 4, к которой она присоединена параллельно. Перенос реактивной намагничивающей составляющей первичного тока из силовой первичной обмотки 4 в обмотку возбуждения 6 дает возможность разгрузить силовую первичную обмотку 4 от нескомпенсированного тока намагничивания (возбуждения). Таким образом происходит полная компенсация ампервитков силовых первичной 4 и вторичной 5 обмоток сверхпроводящего трансформатора 1. Разгрузка силовой первичной обмотки 4 от намагничивающего тока возбуждения снижает магнитное поле возбуждения в силовых первичной 4 и вторичной 5 обмотках сверхпроводящего трансформатора 1, что увеличивает критический ток его силовых обмоток, токонесущую способность сверхпроводящего трансформатора 1 и его мощность, а также уменьшая магнитные потери в обмотках, увеличивает кпд сверхпроводящего трансформатора 1.
Удаление в пространстве обмотки возбуждения 6, создающей сильное магнитное поле возбуждения от силовой первичной обмотки 4 сверхпроводящего трансформатора 1 на расстоянии равное (0,12÷0,15)R, а также и от силовой вторичной обмотки 5, позволит снизить до минимального уровня сильное магнитное поле возбуждения в зоне расположения силовых первичной 4 и вторичной 5 обмоток, что увеличивает их токонесущую способность и, уменьшая потери в этих обмотках, повышает кпд и мощность сверхпроводящего трансформатора 1.
Предложенный сверхпроводящий трансформатор с увеличенной токонесущей способностью, мощностью и кпд предназначен для сверхпроводящих энергетических систем и комплексов, его применение повышает технико-экономические показатели и конкурентноспособность этих систем по сравнению с энергосистемами с применением сверхпроводящих трансформаторов традиционного исполнения.