автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Разработка методов повышения эффективности магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии

$ - 1 гЛ-

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АРХАНГЕЛЬСКИЙ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА. МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.06 - Электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/ ' •}/

Москва / "/

I / / ч

Г /•

У //?(/

I Г и у / с/

Работа. сыполненена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте.

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор Розанов Ю.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Астахов Ю.Н; . •

кандидат технических наук начальник сектора Данильчук A.A.

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский энергетический институт им. Кржижановского.

У / ' / уу

Зацита состоится ___" (J^*^/ ^ 1991 года в ' час

_ мин. в аудитория на заседании специализированного

совета Д 053.16,05 при МЭИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый совет МЭИ. С диссертацией но.-шо ознакомится в б^лиотеке института. Автореферат разослан 1991г.

о'чечый секретарь

специализированного совета Д 053.16.05 - J

кандидат технических наук Соколова Е.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми

Успехи^достигнутые в области разработки и создания аппаратов^ запасающих электрическую энергию с целью ее последующего применения и использующих для этого явление сверхпроводимости позволи вывести их в ряд преспективных среди устройств ^ аккумулирующих электрическую энергию на другом принципе, По одному из важнейших показателей для накопителей энергии, удельной энергоемкости (отношению запасаемой энергии к весу или объему конструкции)) сверхпроводящие индуктивные накопители (СПИН) занимают промежуточное положение, опережая конденсаторные батареи и уступая■аккумуляторам. Однако по ряду других показателей они обладают некоторВМИпреимуществами. :

- Высокое быстродействие (время ввода в действие 0.02-0.03 сек.).

- Широкий диапазон времени разряда.

- Высокое значение к.п.д. 85-95%.

- Простота перехода из режима заряда в режим разряда,

- Большой ресурс работы.

- Отсутствие преобразования вида энергии.

К недостатком СПИН можно отнести:

- Высокую удельную стоимость накопленной энергии, при этом следует отметить, что она снижается с ростом величины запасаемой энергии.

- Сложность вывода всей энергии из накопителя в нагрузку. Это обусловлено наличием ограничений } накладываемых потребителем на минимальную величину разрядного тока.

- Отрицательное экологическое воздействие. Поля рассеяния соленоида при размерах катушки в сотни метров.распространяются на расстояния 12 км.', что требует большой зоны отчуждения.

Значительные радиальные усилия, требующие в ряде случаев 'существенных затрат на их компенсацию.

- Сложность конструкции магнитной системы (МС).

Подобные недостатки а ряде случае являются определяющими и существенно ограничивающимиобласть приминания СПИН. Поэтому проблема их устранения или частичного снижения является в настоящее время актуальной и ее решение имеет важное народо-хозяйственное значение. Цель работы

' >глюй целью работы являлось увеличение эффективности использования С!!/!Н в качестве источника питания ограниченной мощности. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные

-».-дачи.

1 . Определить способ и выбрать схемное решение^ дающее возможность понизить нереализуемый "мертвый" объем энергии накопителя.

2 . Уменьшить удельную стоимость энергии за счет увеличения удельной унергоемкости СПИН путем более полного использования токонесущих и |.;>-;'.;шических характеристик сверхпроводящего кабеля.

'л Найти способ, позволяющий существенно уменьшить величину внешних «гнвтнвх полей СПИН} не изменяя при этом величину удельной ■люргоемкости я объема сверхпроводящего материала. Научная новизна

Впервые предложен способ секционирования сверхпроводящих пС.:.»ток, позволяющий учитывать не только токонесущие } но и механические свойства сверхпроводящего кабеля, что в свою очередь дает возможность значительно повысить эффективность использования проводника в делом.

Разработана методика расчета геометрических размеров секций^ лчпчая возможность увеличить энергоемкость СПИН за счет предложенного '■л',"оба секционирования.

На основании проведенных исследований впервые доказано, что при 1. аботке и создании крупных энергетических накопителей оказывается несообразнее использование набора катушек меньших размеров чем олиночного соленоида, обладающих при этом, тем же объемом :рхпроводпщего материала. ктиче ска я щщност ь

Результаты диссертации используются при разработке источников !:п,;!шя на базе СШ'Н, определения геометрических размеров секций и--> иитних систем (!>',С) СПШ, а также при проектировании крупных - ргетических накопителей которые иогут использовать в качестве МС гда.одульную конструкцию. . ЧЗЯ1ИГУ выносятся •

; лиз возмо&одсти более полного вывода энергии запасаемой в СПИН.

- Различные способы секционирования и схемы включения секций МС СПИН, выполненные с учетом не только критических характеристик сверхпроводника)но и впервые учитывающие его механические свойства.

Теоретические пределы увеличения энергоемкости за счет секционирования по механическим характеристикам сверхпроводника.

- Альтернативная конструкция • МС СПИН, основанная на замене одиночно;! обмотки набором катушек меньшего радиуса.

Апробация.

Результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной конференции "Электротехника 89" (Братислава 1989 г.), на 11 международной конференции по магнитной технологии (Япония. Тсукуба 1989 г.), на VI международной научно-технической конференции по электрическим машинам "ЕЬМА-90" (Варна 1990 г.), на международной конференции по сверхпроводимости "1СЕС-90" (Китай 1990 г.), а также на научных семинарах Института высоких температур АН СССР и заседаниях кафедра элентрических аппаратов МЭИ в 198В-1991 г.г. Публикации.

Основные положения диссертационной работы достаточно полно отражено в 8 опубликованных работах: Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы . и имеет объем 156 стр., из них 111

стр. машинописного текста, 41 рисунок; 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы. Определены задачи диссертационной работы и изложены основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе приводится обзор существующих типов^накопителей. Дается анализ их достоинств и недостатков. Определена область } в которой использование СПИН является более преспективным по отношению к другим типам накопителей. Определены основные задачи исследований позволяющие расширить фукциональные возможности СПИН.

Во второй главе рассмотрена автотрансформаторная схема • соединения обмоток СПИН позволяющая существенно понизить объем

"мертвой" энергии остающийся при разряде накопителя. Отметим, что эта проблема является характерной для практически всех типов накопителей энергии. „^

Регулирование тока в данной схеме, осуществляется ступенчатым изменением индуктивности, за счет последовательного отключения секций накопителя, связанных между собой индуктивно.

Принципиальная схема СПИН с регулируемой индуктивностью на ,} -шаге регулирования представлена на рис.1. Постоянство разрядного тока

на преобразователе

| | _ осуществляется следующим образом.

: : "В момент времени когда ток

уменьшается от 1н до 1к ключ замкнут а Кз^ разомкнут. Когда ' = 1к ключ К^З

размыкается а замыкается,

В результате индуктивность СПИН уменьшается от величины Ь^О + Ьг''. + 2Мх2^ ДО происходит как Оы "сжатие" магнитного поля и ток при

достаточно большом активном сопротивлении увеличивается.

Система безразмерных

Рис.1 Принципиальная схема СПИН с регулируемой индуктивностью.

дифференциальных описывающих этот условии мгновенного ключей К1 и следующий вид:

уравнении^ процесс при срабатывания К2Л _ имеет

х^сщ/аг + + ипр = о

^■Шг/й-г + ^ ¿аз^лл: + г 12 - о 11( ) = 12<- ^ ) = 1 .

( 1 )

здесь безразмерные параметры определены следующим образом:

= l^n'' ^ = M123 / Ьнач -соответственно индуктивность и

взаимоиндуктивность п-ой цепочки, ток in = 1д / Хк , время fJ = tJ UH / (LHa4 IK) , напряжение на преобразователе ипр ■= Unp / UH , сопротивление г = Нк Хк / UH. Величины Ьнач и ин индуктивность и напряжение на концах обмотки СПИН при t=0.

Решение (1) в общем виде возможно только с помощю численных методов. Однако если представить преобразователь в виде нагрузки с постоянным напряжением на концах либо с постоянным активным

сопротивлением (unp=i-i), либо с постоянной потребляемой активной мощностью {ujip=l/i^) удается представить решение системы (1) в аналитической форме. Для случая, когда иПр = 1 , решение имеет вид:

= 1 - Г/Ii¿ CJ4J - г Ijj ( 1 - ехр( Г/С))) / ( г 1^2)

i2.= (Jtf - ехр( Г/ с)( -г 1 х J )) / г l¡j ( 2 )

где С - - <l2JliJ -JKÍ2 ) / г 11J ..

Проведенные расчеты показали, что время "Z т за которое ток достигнет своего максимального значения много меньше вре.менн разряда в нагрузку 'fp ( << t р ) . Учитывая это условие, а также

полагая, что амплитуда колебания тока f = im - 1 и коэффициент взаимоиндуктивноети К на каждом этапе отключения величины постоянные, для некоторого числа переключений Ы били получены следующие соотношения:,

) ) )

значение

- полное время разряда

•Гпр = С 1 - 1к ) ' С 2 + Ч1/ к2) , (3

- полная энергия отдаваемая накопителем в нагрузку

«пр - С 1 1- Ч>/ 2 )( 1 - 1к ) / ( 2 +■ К2) , (4

- коэффициент передачи энергии накопителя

£пэ - ( 2 + }( 1 - 1К ) / (2 + Ч>/ К2) , (5

где 1К - Ц 1 + 2 + / К2 - конечное

индуктивности обмотки.

Из (5) видно, что при заданных значениях ¥ и 1к Ц_пэ СПИН

растет с увеличением числа переключений N и коэффициента связи К. Повысить коэффициент передачи энергии позволяет, естественно, и увеличение глубины регулирования я = 1нач / Однако увеличение параметров К и g ведет к увеличению перенапряжений, возникающих из-за взаимоиндуктивной связи между отключаемой и разряжаемой на потребителя частями обмотки.

Применительно к регулируемым накопителям энергии следует различать два типа перенапряжений: трансформаторное ит и

напряжение при коммутации Икон • Величина Иком связана с резким изменением токов при срабатывании ключей К^О и Кз^ И достигает максимума при прохождении тока 12 через ноль. Это напряжение

может быть уменьшено известными методами.

Большую опасность представляют трансформаторные напряжения 0Т. В рассматриваемой схеме регулирования рис.1, обмотка 2-4 является вторичной по отношению к обмотке 1-2, поэтому трансформаторное напряжение (в безразмерной форме) на всей обмотке накопителя (1-4) описывается соотношением:

ит / и„р = 1 + ( + 1¡1зЗ ) / ^ = чт ( 6 )

Очевидно, что оно достигает своего максимума в конце процесса передачи энергии. Если обозначить через ит максимально допустимое напряжение на обмотке СПИН то максимально возможный пэ найдется

ка к :

Цпэ < ( 2 + Ч>)( 2 + Ч>/ к2)-1( 1 - 1 / (((ит - 1) / К )2 +

+- 2 ит -1))). ( 7 )

Полный процесс передачи энергии из управляемого СПИН в нагрузку при следующих- значениях параметров 41 = В.1 ; К = 0.8 ; - иПр = 1 ; 1к =0.3 ; представлен кя рис.2

Таким образом было показано, что регулирование' процесса передачи энергии из сверхпроводящего индуктивного накопителя в нагрузку почвляет существенно повысить коэффициент использования энергии СПИН и тем самым существенно повысить эффективность использования СПИН в

И, £1. V

качестве источника резервной мощности. Показано, что его максимально возможное значение определяется допустимой величиной перенапряжений на обмотке СПИН. На основании предложенной схемы, показана возможность

использования СПИН в качестве быстродействующего резерва

мощности, когда значение тока накопителя в момент разряда существенно выше значения тока накопителя в момент хранения энергии. Описанный способ

управления током индуктивного накопителя был эксперементально проверен в Институте высоких температур АН СССР на сверхпроводящей магнитной системе с запасенной энергией 500 кДж при токе 1100 А . Также, в данной главе, показана возможность практического применения регулируемого СПИН в качестве источника ограниченной мощности для электродинамического ускорителя макрочастиц рельсового типа и двигателя постоянного тока.

В третьей главе анализируется возможность снижения удельных энергетических затрат за счет более полного использования токовых и механических свойств сверхпроводящего кабеля. Сущность этого метода заключается в создании обмотки обладающей переменной плотностью тока по сечению катушки вдоль ее радиуса (секционированием обмотки). Увеличение энергоемости будет достигнуто за счет увеличения "плотности" магнитного поля в объеме катушки.

Известны следующие способы разбиения "обмотки на секции и их соединение: аксиальное, радиальное, смешанное и способы включения последовательное или параллельное ( независимое )

Рис.2 Полный процесс передачи энергии из управляемого СПИН в нагрузку. ( ¥-0.1; К=0.8; ипр=1; 1и=0.3)

Исследования проведенные рядом авторов показали, что в случае последовательного соединения секций полезным в смысле увеличения запасаемой энергии оказывается только аксиальное секционирование. В случае параллельного соединения более эффективным оказывается радиальное и смешанное секционирование Геометрические размеры секций, во всех случаях, подбирались при следующем условии:

Втц JKn = As А ~ const , ( в )

где JKn - конструктивная плотность тока в секции n , Bmn максимальное в пределах обмотки этой секции магнитное поле, А б ~ относительный коэффициент заполнения обмотки сверхпроводником. Параметр А характеризует критические свойства сверхпроводящего

провода. ■ "

BmJc = А , С 9 )

здесь Вт и Jc - критические значения магнитной индукции и плотности тока по сверхпроводнику.

Использование (8) в качестве критерия выбора геометрических размеров секций очевидно: плотность тока протекающего в секции должка быть максимально допустима значению напряженности поля в этой секции. Однако условие (9) хорошо описывает лишь КС работающие в полях 5-7 Тл, что не всегда удобно. Более полно эта взаимосвязь будет описыватся выражением:

J3 = А / ( |В| + Bq )1'f ( 10 )

где Bq - постоянная, зависящая от свойств сверхпроводящего материала причем, как правило Вд<1Тл, у- некий коэффициент, причем (0< <1). Зависимость . (10) включает в качестве частных случаев наиболее популярные модели: модель Бина-Лондона (при j" = 1 ), модель Кима ( при О ) и модель Айрие и Ямафуджи (при Bq=0) .

Результаты полученные от - использования подобной . модели критического состояния представлены на рис.3.

Здесь <5 величина характеризующая

характеристики

энергии запасаемой секционированной МС, к энергии соленоида того же размера. Параметр & описывает геометрические

равная

внешний

секционирования по запасаемой энергии,

эффективность

системы r/R (где г - внутренний, а R -

отношению

радиусы

/ " обмотки). Как видно

/|-У

г ' ■ из рисунка увеличение

.3 Эффективность секционирования по критическим запасаемой энергии за характеристикам сверхпроводника при N-*«ю (С<=0 = 0.2 (г);<Х= 0.6 (3);£<~ 1- (4)) счет секционирования

достигает в пределе ( при Вд" - О, = 1 и ' Л-» 00 ) 400 %. В данном случае анализ проводился для случая бесконечно длинной обмотки, для которой удалось получить аналитические соотношения. Переход к обмоткам конечной длины не изменил характера ситуации, а при >2.5 ( ^3=1/ 2Я; 1 осевой размер катушки ) и N > в эффективность секционирования становится близкой к предельно возможной. Здесь необходимо отметить, что для крупных МС с высокими значениями магнитной индукции и конструктивной плотности тока лимитирующими могут оказаться не критические характеристики сверхпроводника, а механические нагрузки.

В этом случае параметры секционирования целесообразно подбирать из условия равяонагруженности обмотки либо по механическим напряжениям, либо по деформациям. В данной главе впервые анализируется эффективность секционирования по механическим Нагрузкам.

достаточно велико и

Выбор критерия оптимизации по механическим нагрузкам зависит от конструкции МС и предъявляемых к ней требований. Были рассмотрены три варианта:

1. Электродинамические нагрузки воспринимаются силовыми элементами расположенными равномерно по объему обмотки. В этом случае МС должна испытывать постоянную заданную электродинамическую нагрузку в расчете на единицу ее объема

fv =- В JK = const , • ( 11 )

2. Электродинамические усилия воспринимаются витками обмотки, причем деформация витков незначительна ( механические усилия не передаются от слоя к слою ). В этом случае механическое напряжение во всех витках секционированной МС должно быть постоянным и равным предельно допустимому значению напряжения

& ** Л „, Б JK J = const . _ С 12 )

здесь <р - текущий радиус обмотки (г< < R ), Дш -

относительный коэффициент заполнения обмотки материалом. воспринимающим нагрузку.

3. Материал обмотки работает в зоне упругой деформации, причем предельная величина абсолютной деформации л не должна превышать заданного значения. Такое требование может оказаться необходимым, например, при изготовлении монолитной обмотки или для ограничений ' тепловыделений, связанных с движением витков относительно друг друга.

■ В этом случае во всех слоях секционированной обмотки абсолютная деформация в радиальном направлении должна быть одинаковой

д 5= В ЛкЛщ Е = Const , ( 13 )

здесь Е - модуль Вига. ■ - -

На основании предложенных моделей секционирования бул проведен полный анализ увеличения энергоемкости СПИН за счет использования механических свойств сверхпроводящего кабеля. Анализ проводился в два ' этапа: На первом, были получены аналитические зависимости для случая

5.0 -

4.0

3.0

2.0

бесконечно длинного соленоида. Графически полученные зависимости представлены на рис.4. Наличие минимума в моделях G" = const; = const объясняется нелинейной зависимостью механического напряжения в

обмотке от координаты Q . На втором были рассмотрении обмотки

¡.О т------конечной длинны, для расчета

которых была разработана методика и на ее основании создан пакет программ позволяющий вычислять геометрические характеристики секций МС при любых конкретных значений Of , jB и N. Анализ полученных результатов показал, что как и в случае секционирования по токовым характеристикам сверхпроводника, увеличение энергоемкости

достаточно велико, а при >2,5 и N > 8-12 также становится близкой к предельно возможной. 1.0 Разработанная методика была использована для Мс нмющих форму тора.

В результате был выявлен диапазон размеров, в котором секционированннал тороидальная 11С имеет большую запасаемую энергию, чем , эквивалентная

несекционированная солегюдальная катушка.

р четвертой главе анализируется способ позволяющий существенно снизить величину внешних магнитных полей СПИН. Он основан на замене одиночного соленоида "блочной" конструкцией состоящей из набора катушек меньшего радиуса , обладающих при этом, тем же объемом сверхпроводящего материала. Способ соединения катушек взаимно-

го -

0.0

С V "Ч

\ 'Ч

... Vj «О-""

0.0

0.2

0.4

0.6

о. а

Рис.4 Предельные случаи увеличения энергоемкости для трех моделей секционирования.

встречный. Преимущество даваемое подобной заменой наглядно показан рис.5 на котором представлен характер изменения магнитной идукции В

от расстояния х между

---------------- .................... наружней поверностыэ СПИН к

точкой наблюдения. Здесь

необходимо отметить тот факт, что удельная энергоемкость, как 10 "'I ^ч! "I I известно, растет с увеличением

объема V и поэтому конструкции, в которых, все заданное количество энергии . запасаются одной обмоткой, считаются

предпочтительнее "блочных"

систем. В то же время в некоторых работах утверждается, что плотность энергии в рабочем объеме СПИН возрастает почти на порядок при подобной замене. Оба Ю "Ч—'—1——]—1——1—1——I—1— этих утверждения верны и неверны

в одинаковой степени пока не> конкретизированы условия,

принятые при . проектировании СПИН. Для корректного сравнения

эффективности обеих конструкций необходимо вначале оптимизировать каждую из них, а затем проанализировать

влияние основных параметров, задаваемых при проектировании. Подобный анализ и был сделан в, данной главе. Он проводился в два этапа. На первом в приближении бесконечно длинной обмотки. На втором с учетом высоты обмотки. '

Результаты проведенного исследования наиболее полно т>тражены в диаграмме ■ рис.б. Здесь использовались следующие безразмерные координаты.' '

В • ' '

\

\

\

N

\ П-)

ч ч \ V

\

П-+ \ X

12 "

Рис.5 Зависимость величины магнитной индукции В от расстояния х между наружней поверхностью СШИ и точкой наблюдения

Ер / [ <о ]

£(#) в ( Н- ) / ( 1 - Й2)

В As! Л l/Aml G }

i ( сч ) = ( 1- « )( 1 + 2 « + 3 « 2)/12

Ер - удельная

энергоемкость; '[ <3f 1 допустимое напряжение, среднее по обмотке, для наиболее нагруженной точки; g ( R" ) - фукция g(R")-R" при В" < Кк' к g(R')"RK* ПР" R" > RK"; " безразмерный радиус, характеризующий сьязь между габаритами обмотки и характеристиками проводника ; [А] » '4ш ^ср " постоянная проводника, Вк' - значение безразмерного радиуса, при котором обмотка оказывается равнонагруженнон по критическому току и механическим напряжениям.

В соответствии с определением g(R') каждая из линий Й - const

состоит из двух областей: области 0-25 т

0.30 -

0.23 -

0.ID -

0.15 -

ое 0.3 ,01=0,2

o»Q1

о=0,OS

С.'.О

2.0

4-.С

6.0

Рис.6 Зависимость параметра Ер" от безразмерного радиуса обмотки при различных"значениях л и А

R' < R,,

в которых зависимость и область R*

Ep-(R-) линейна iK" в которой Еи" не зависит от

R *

Точки излома

R'

R.

к

соответствуют

характеристики

полностью

ситуации, когда проводника согласованы с

габаритами обмотки.

С точки зрения оптимизации Ер" по параметру существенна огибающая всего семейства

зависимостей, проведенная толстой линией ( линия насыщения ). Она содержит три диапазона: 1. Область К" < 1. В этой области при любых обмотка оказывается недогруженной по механическим напряжениям. Поэтому увеличение Р* , достигаемое любым способом, кроме снижения [ С ) (в этом случае возрастает Ер* , но Ер не изменится), приводит к повышению эффективности обмотки. С точки зрения выбора Л

оптимальной оказывается бесконечно тонкая обмотка.

2. В области 1 < К" < 4 каждому значению соответствуе" единственная величина = <ХК , при которой характеристики материал,' используются в полной мере. Соответствующие этим р( значения Ер' лежат на огибающей всего семейства зависимостей.

3. В области И* > 4 рабочий ток СПИН при любых лимитируется только механическими напряжениями. Для этой области лучшей всегда является обмотка с С& = С(т , причем, увеличение Ер здесь можно добиться лишь увеличивая I в" ] .

Рассмотренная диаграмма удобна для решения ряда задач. Простейшей является выбор оптимальной обмотки по заданным характеристикам кабеля и размерам рабочего объема. В этом случае, используя заданные значения А£.Лщ.!А!Л I, и Я, достаточно вычислить Я* и затем, по соответствующей этой величине й* точке на линии насыщения, определить как Ер* , так и оптимальное значение Й-Используя эту же процедуру, мошно проанализировать последствия замены одной катушки на несколько- обмоток меньиего размера, размещаемых в том же рабочем объеме. Действительно, в координатах диаграммы такая замена приводит только к уменьшению безразмерного радиуса обмоток 11п* по отношению к радиусу исходной катушки Ко* в' п раз (где п - число обмоток). Лего видеть, что при Нд' <1 это приведет к уменьшению' Ер' и соответственно Ер в -/п раз.

Напротив, если исходные данные таковы, что остается справедливым неравество Кп* > 4 , то в результате замены величина Ер* не меняется, возрастает только коэффициент использования материала по критическому току ^ .Менее тривиальной является ситуация, когда 1 < Ид" < 3. В этом случае проигрыш в Ер* можно существенно сократить, изменяя относительную толщину обмоток.

Физические причины таких результатов состоят во взаимодействии геометрических характеристик обмотки и факторов, ограничивающих рабочий ток СПИН. Действительно, энергия обмотки пропорциональна произведению К^к^ ■ Поэтому переход к нескольким обмоткам ■ при неизменных Лк и ведет к уменьшению энергии одной обмотки в п^ раз, а энергии СПИН й целом - в п раз. При этом, однако,, уменьшаются нагрузки на проводник по критическому току ( Вт Лк ) и по механическим напряжениям соответственно в */п ив п раз .

Это позволяет поднять JK в {п раз, если JH лимитируется критическими характеристиками проводника ив п раз, если система ограничена механическими напряжениями. Поэтому, в первом случаи ( котроый соответствует Rn" < Rj' < Нк" ) сохраняется пронгриш к энергии СПИН в )fñ раз, а во втором (Нп' > Вк' ) проигрыш полностью компенсируется.

В результате исследований было получено, что многообмоточная СПИН имеет значительно меньшие внешние поля (приблизительно в г» раз при взаимно встречном включении и обмоток). Определена областьэффективного использования многообмоточных конструкции. Эта область оказывается существенно шире, если кроме величина Ер учесть следующиие дополнительные преимущества Таких конструкций: 1. Многообмоточная СПИН более технологична в изготовлении, боле« живуча и удобна в ремонте. Она безопаснее, так как при выходе из строя одного модуля выделяется лишь незначительная часть всей энергии СПИН.- Более того, энергии оставшейся в остальных модулях мо;ьет оказаться достаточно для сохранения работоспособности системы.

3. Многообмоточная СПИН позволяет варьировать ее рабочий ток и характеристики разряда путем перекоммутирования групп обмоток (в простейшем случае - путем переключения модулей с последовательного соединения на параллельное и обратное.

4. Известно, что в силу ряда причин, предельный ток так называемых частично стабилизированных магнитных систем оказывается ниле чем критический ток базового токонесущего элемента. Сшгаенпо т^м существеннее, чем больше габариты обмотки. Следовательно использование многообмоточной СПИН позволит, в ряде случаев получить больший рабочий ток на тех же базовых элементах.

Заметим наконец, что переход к концепции многообмоточного СПИН резко сокращает затраты на проектирование и финансовой риск при создании крупных уникальных систем, поскольку большую часть проблем удастся решить уже на стадии отработки конструкции одного модуля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

i. Показано, что регулирование процесса передачи знергин из сверхпроводящего индуктивного накопителя в нагрузку позвляет

существенно повысить коэффициент использования энергии запасаемог • накопителе и тем самым существенно повысить эффективно^ использования СПИН в качестве источника резервной мощности.

2. Приведен анализ автотрансформаторной схемы СПИН, использованй' которой позволяет управлять прцессом передачи энергии из накопителя I нагрузку. Это управление осуществляется путем перекоммутации частой обмотки накопителя.

3.' Показано, что максимально возможное значение коэффициент» использования энергии определяется допустимой величиной перенапряжений на обмотке СПИН.

4. На основании предложенной схемы, показана ' возможность использования СПИН в качестве быстродействующего резерва мощности, когда значение тока накопителя в момент разряда существенно выше значения тока накопителя в момент хранения энергии.

5. Проведенная в институте Высоких Температур АН СССР эксперементальная проверка предложенной схемы регулирования показала возможность стабилизации тока в нагрузке на уровне 10 % от номинального значения. Измерения параметров переходных процессов показали хорошее количественное соответствие их результатов данным, расчитанным по приведенным в данной главе соотношениям.

6. Показана возможность практического применения регулируемого СПИН в качестве источника ограниченной мощности дли ЭДУ и ДПТ.

7. Проведен анализ предельной и практически достижимой эффективности секционирования соленоидальных и тороидальных сверхпроводящих обмоток учитывающий не только токовые, но и механические характеристики сверхпроводника. Показано, что реальная эффективность секционирования близка к теоретически достижимой уже при числе секций N >В-12.

8. Показана возможность одновременной оптимизации МС по критическим характеристикам сверхпроводника и по механическим нагрузкам.

9. Выявлен диапазон размеров, в котором секционированная тороидальная МС ■ имеет большую - .запасаемую энергию, чем эквивалентная несекционированная соленоидальная обмотка.

10. Определена область эффективного использования многообмоточных .конструкций. Эта область оказывается существенно шире, если кроме, удельной энергоемкости учесть следующиие дополнительные преимущества таких конструкций:

Многообмоточная СПИН более технологична в изготовлении, болр-е живуча и удобна в ремонте. Она безопаснее, тан как при выходе из строя одного модуля выделяется лишь незначительная часть всей энергии СПИН. Более того, энергии оставшейся в остальных модулях мотет оказаться достаточно для сохранения работоспособности системы.

Многообмоточная СПИН позволяет варьировать ее рабочий ток и характеристики разряда путем перекоммутирования групп обмоток (в простейшем случае - путем переключения модулей с последовательного соединения на параллельное и обратное.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. Использование регулируемых сверхпроводящих индуктивных накопителей для обеспечения надежности энергосистем / Андрианов В.В., Архангельский А.Ю., Копылов С.И., Париж М.Б., Пучков АС. // Высокотемпературная сверхпроводимость: Межотраслевой научно-технический сб. N 3 / ВНШМИ. -Москва , 1УЬ9. -с. 56-62.

2. Энергоемкость секционированных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии / Андрианов S.B., Архангельский А.Ю., Копылов С. И., Париж М.Б., Пучков A.C. // Високотомпоратеряля сверхпроводимость: Межотраслеври научно-технический сб. N 3 / ВНИПИИ. -Москва, 1989. -с. 63-67

3. Секционирование сверхпроводящих обмоток индуктивных накопителей энергии / Копылов С.И., Желтое В.В., Архангельский A.D.: в кн. труды Ыежд. конф. -Электротехника 89. -ЧССР, Братислава, 1989. -с. 216-217.

4. Андрианов В.В., Желтов В.В., Копылов С.И., Архангельский А.Ю. Оптимизация секционированных сверхпрводлщнх обмоток. // Энергетика и транспорт.Изв. АН СССР. -1969 -N 5. -с. 63-70.

5. Архангельский А.Ю., Копылов С. И. Секционирование обмоток сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии.// Сб. научных трудов Моск. энерг. ин-та. -1990. -N 648.

6. Андрианов В.В., Келтов В.В., Копылов С.И., Архангельский А.Ю. Анализ эффективности секционирования тороидальных сверхпроводящих обмоток. // Энергетика и транспорт.Изв АН СССР. -1990. - N 1. -с 119 - 125.

7. Андрианов В.В., Архангельский А.Ю., Копылов С.И., Париж М.Б., Желтов В. В. Сравнительный анализ одно и многообмоточных сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии (на английском языке) // Cryogenics. -1990. -N 30. -с. 789-793.

8. Возможности использования многообмоточных сверхпроводящих магнитных систем для накопления энергии / Андрианов В. В., Архангельский A.B., Шелтов В.В., Копылов С.И. // Электротехника. -1990. -N 11. -с. 30-35. .

Подписано к пгчатн Л—

Псч. .1. Тираж Злказ 7&{foZ Г>ссплатно.

Типография МЭИ, Крзсшжамрмснная, 13.