Сверхпроводящий трансформатор

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для применения в качестве бесконтактного электромагнитного устройства ввода электрической энергии от обычной или сверхпроводящей энергетической сети в однофазный сверхпроводящий кабель или сверхпроводящую магнитную систему переменного тока промышленной частоты. Технический результат состоит в повышении токонесущей способности, мощности и кпд. Сверхпроводящий трансформатор содержит магнитопровод, криостат, силовые первичную и вторичную, многослойные цилиндрические сверхпроводящие обмотки с концентрически расположенными слоями витков. Многослойная цилиндрическая обмотка возбуждения с концентрически расположенными плотно намотанными витками и слоями, прилегающими друг к другу, присоединена параллельно силовой первичной обмотке, размещена между магнитопроводом и силовыми первичной и вторичной обмотками. Витки силовой первичной и вторичной обмоток выполнены неплотно намотанными. Слои витков размещены с зазором относительно друг друга. Многослойная цилиндрическая обмотка возбуждения размещена в криостате. Вне его жидкоазотной полости размещен конденсатор, параллельно подключенный к обмотке возбуждения, которая пространственно удалена от силовой первичной обмотки на расстояние (0,12÷0,15)R. Число витков первичной обмотки равно (1,02÷1,05) W, где R - радиус поперечного сечения силовой первичной обмотки, W - число витков обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

1. Сверхпроводящий трансформатор, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Сверхпроводящий трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для криостатирования сверхпроводящих обмоток многофазных силовых трансформаторов с плоской магнитной системой.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к криогенной технике, и предназначено для преобразования трехфазного напряжения одной величины в трехфазное напряжение другой величины промышленной частоты.

Изобретение относится к трансформаторам электрического тока, а также к ограничителям электрического тока. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к сверхпроводящим магнитным катушкам, может быть использовано в качестве индуктивного накопителя энергии. .

Изобретение относится к электротехнике, к трехфазным силовым трансформаторам с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников. Технический результат состоит в повышении к.п.д. за счет сокращения теплопритоков из окружающей среды через внешнюю тепловую изоляцию к криогенной жидкости. Криостат сверхпроводящего трансформатора состоит из отдельных тороидальных емкостей по числу фаз, образованных внутренними и внешними вертикальными соосными диэлектрическими цилиндрами, соединенными плоскими кольцевыми днищами друг с другом. Каждая отдельная тороидальная емкость размещена на отдельном стержне магнитопровода, выполнена с теплоизолированными внешними поверхностями в виде параллелепипедов, размещенных с зазором между параллельными гранями теплоизоляционного покрытия средней и боковых цилиндрических тороидальных емкостей. Длина параллелепипедов в поперечном направлении относительно продольной плоскости симметрии магнитопровода больше ширины параллелепипедов, параллельной продольной плоскости его симметрии. Ширина параллепипедов боковых тороидальных емкостей больше ширины параллелепипеда средней тороидальной емкости, расположенного между боковыми тороидальными емкостями криостата. Зазор между параллельными гранями теплоизоляционного покрытия двух соседних тороидальных емкостей заполнен листовым пенополиуретановым материалом, а его нижние края по всему периметру уплотнены пенополиуретановыми швами. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для применения в качестве бесконтактного электромагнитного устройства ввода электрической энергии от обычной или сверхпроводящей энергетической сети в однофазный сверхпроводящий кабель или сверхпроводящую магнитную систему переменного тока промышленной частоты. Технический результат состоит в повышении токонесущей способности, мощности и кпд. Сверхпроводящий трансформатор содержит магнитопровод, криостат, силовые первичную и вторичную, многослойные цилиндрические сверхпроводящие обмотки с концентрически расположенными слоями витков. Многослойная цилиндрическая обмотка возбуждения с концентрически расположенными плотно намотанными витками и слоями, прилегающими друг к другу, присоединена параллельно силовой первичной обмотке, размещена между магнитопроводом и силовыми первичной и вторичной обмотками. Витки силовой первичной и вторичной обмоток выполнены неплотно намотанными. Слои витков размещены с зазором относительно друг друга. Многослойная цилиндрическая обмотка возбуждения размещена в криостате. Вне его жидкоазотной полости размещен конденсатор, параллельно подключенный к обмотке возбуждения, которая пространственно удалена от силовой первичной обмотки на расстояние R. Число витков первичной обмотки равно W, где R - радиус поперечного сечения силовой первичной обмотки, W - число витков обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводящего многожильного ленточного провода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх