Заключение

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта. В первую очередь, это отно­сится к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производ­ства электроэнергии, так и в процессе ее потребле­ния.

Совершенствование электрических машин ве­дется по двум направлениям.

Во-первых, совершенствование технологии изготовления электрических машин, с целью увеличе­ния их производства и снижения стоимости.

Во-вторых, применение в электрических маши­нах более качественных магнитных и электроизоля­ционных материалов, с целью повышения технико-экономических показателей электрических машин. И, наконец, в-третьих, создание новых видов элек­трических машин нетрадиционной конструкции, с использованием новейших достижений науки.

Работы последних лет показали, что резервы по усовершенствованию электрических машин тради­ционной конструкции во многом исчерпаны. Поэто­му оказывается целесообразным переход к электри­ческим машинам нового принципа исполнения. В этом смысле особый интерес представляют криоген­ные и магнитогидродинамические электрические машины.

Криогенные электрические машины. В крио­генных электрических машинах обмотки выполняют из сверхпроводников или химически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпро­водников вначале плавно снижается, а затем при температуре критического перехода Θ_кр = 20 К (ниже -253 °С) резко падает до нуля: ρ* = 0 (ρ = 0), т. е. они переходят в состояние сверхпроводимости (рис. 3.1, кривая 1). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости, и при снижении температуры их удельное электрическое сопротив­ление плавно уменьшается, достигая значения

ρ* = 10^-1 при температуре абсолютного нуля (кривая 2).

У химически чистых металлов (ги­перпроводников) также нет состоя­ния сверхпроводимости, но при глу­боком охлаждении их удельное электрическое сопротивление уменьшается до значения, в 5—7 тыс. раз меньшего, чем при комнатной температуре (кривая 3).

Рис.3.1. Зависимость элек­трического сопротивления проводников от температу­ры:

1 — сверхпроводники; 2 -обычные металлы; 3 — хими­чески чистые металлы

Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по прово­дам небольшого сечения пропускать значительные токи, доводя плотность тока до 100 А/мм² и более. Электриче­ские потери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незначи­тельны. Все это дает возможность по­лучать в криогенных машинах силь­ные магнитные поля с магнитной индукцией В = 5 ÷ 10 Тл (в машинах традиционного выполнения В = 0,8 ÷ 1,5 Тл).

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечни­ка, который, обладая свойством магнитного насыщения, не позво­лил бы получить столь высокие значения магнитной индукции, так как вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Сниже­ние потерь (электрических и магнитных) позволяет повысить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой единичной мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является криостат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды емкость, заполненную хладагентом (например, жидким ге­лием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Рассмотрим конструктивную схему криогенного турбогенера­тора со сверхпроводящими обмотками статора 4 и ротора 3 (рис. 3.2). Вся машина помещена в криостат, заполненный жидким ге­лием при температуре 10 К (-263 °С). На валу 2 расположено че­тыре металлических «полюса» 5, на каждом из которых укреплена говитковая полюсная катушка 3 из

Рис. 3.2. Конструктивная схема криогенного турбогенерато­Ра

со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе

сверхпроводника. Статор за­ключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора б, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком - значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведанным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного поля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196 °С) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой температурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в криогенном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет криогенное электромашиностроение станет одним из ведущих направлений при создании электрических машин особо большой мощности, выполнение которых по традиционным принципам технически невозможно.

*****многовитковая полюсная катушка 3 из сверхпроводника. Статор заключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора 6, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком - значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведенным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного ноля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение

обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196°Г) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой темпе­ратурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в крио­генном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет крио­генное электромашиностроение станет одним из ведущих направ­лений при создании электрических машин особо большой мощно­сти, выполнение которых по традиционным принципам техничес­ки невозможно.

Магнитогидродинамические электрические машины. Рас­смотрим принцип действия магнитогидродинамического (МГД) генератора, в котором тепловая энергия преобразуется непосред­ственно в электрическую. Принцип действия основан на том, что при движении рабочего тела, обладающего достаточной электро­проводностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперек силовых линий магнитного поля в этом рабочем те­ле индуцируется ЭДС и возникает ток, который через соответст­вующие электроды отводится во внешнюю электрическую цепь. Для пояснения воспользуемся упрощенной схемой МГД- генератора (рис. 3, а), в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива с присадкой, усиливающей их электропровод­ность. Топливо 1, воздух 2 и присадка 3 подаются н камеру сгора­ния 4. Образующийся при этом ионизированный газ выходит из сопла 5 и проходит через внутреннюю полость электромагнита 6 поперек магнитных силовых линий поля. В соответствии с явлени­ем электромагнитной индукции в ионизированном газе наводится ЭДС, которая снимается двумя электродами 7 и подается во внешнюю цепь к потребителю r_н. Ионизированный газ, пройдя через магнитное поле, выходит из генератора. Таким образом, в МГД-генераторе теплота, образуемая при сгорании топлива, непосред­ственно преобразуется в электрическую энергию, а поэтому необ­ходимость в получении механической энергии отпадает (не нужны паровой котел и паровая турбина).

Исследования показали, что МГД-генераторы приобретают существенные преимущества перед тепловыми электростанциями традиционного действия лишь при условиях значительной еди­ничной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки элек­тромагнита из сверхпроводника, помещенного в криостат.

МГД-генераторы обратимы и могут работать в двигательном режиме. Обычно МГД-двигатели применяются для перемещения электропроводных жидкостей, их принято называть МГД- насосами. Для пояснения принципа работы МГД - насоса обратимся к рис. 3.3, б. Электропроводная жидкость, проходя через канал 1, попа­дает в пространство между полюсами N и S электромагнита. При этом через жидкость от электрода 2 к электроду 3 проходит элек­трический ток, который взаимодействует с магнитным полем и создает электромагнитные

Рис. 3.3. Принцип действия МГД-генератора (а) и МГД-двигателя (б)

силы, которые и «проталкивают» жид­кость через межполюсное пространство электромагнита.

Подобные МГД-насосы могут применяться для транспорти­ровки различных электропроводных жидкостей. Например, их можно использовать для перемещения расплавленного металла в литейном производстве.

Рассмотренные МГД-машины называют кондукционными, так как их конструкция предусматривает обязательное наличие элек­тродов для съема или подачи электрического тока. Созданы также МГД-машины индукционные (асинхронные), в которых отсутст­вуют электроды, а ЭДС или электромагнитные силы возникают в результате взаимодействия перемещаемой электропроводной жидкости с бегущим магнитным полем [1].