книги из ГПНТБ / Некоторые вопросы исследования режимов и параметров корабельных электроэнергетических систем

Контрольный экземпляр

ВОЕННО-МОРСКАЯ орденов ЛЕНИНА н УШАКОВА АКАДЕМИЯ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

И ПАРАМЕТРОВ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЛЕНИНГРАД

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интенсивное развитие кораблестроения предъявля­ ет все более внсокие требования к ЭСК в отноиении их мощности, автоматизации, надежности и живучести, ка­ чества электроэнергии,компактности и т.д.

Внастоящей монографии публикуются некоторые ре­ зультаты, полученные кафедрой 36 в научно-исследова­ тельской работе.

Изложение материала базируется на использовании математической теории электрических мамин с применени­ ем современных средств моделирования и вычислительной техники.

Внаписании монографии принимали участие:

Л.С.Аверкиев /§ 2-3/х', Л.П.Веретенников /§ 1-Л, 1-5, 4- 1, 4-2, 4-4, 4-5, 5-1, 5-2, 5-4, 5-5, 5-6/, Д.В.Вилесов /с § 3-1 по 3-7/, Ю.А.Дубовской /§ 3-3, 3-4, 3-6/, Н.Ф.Жмаев /§ 2-1, 2-2/, В.Е.Ницай /§ 2-1, 2-2, 5-8/, А.А.Орлов /§ 5-7/, М.С.Порхунов /§ 2-1, 2-2/, А.И.Потапкин /§ 1-5, 1-6/, М.М.Раимов /§ 4-3, 5-3, 5-5/, И.А.Репин /§ 1-7/, А.И.Рожков /§ I-I, 1-2/,

И.А.Рябинин /§ 1-5/, Р.М.Сафулин /§ 3-6/, В.В.Сурин

/§ 1-7/, В.П.Топорков /§ 4-2, 5-1, 5-2, 5-7/, И.И.Трещев /§ I-I, 1-2, 1-3/, В.А.Целемецкий /§ 3-1, 4-5, 5-4/, В.И.Штак /§ 3-7/, С.П.Шулецкая /§ 5-7/, А.А.Шурнгин /§ 5-3/, В.П.Яковлев /§ 4-4/.

х/ В скобках после фамилии каждого автора указаны параграфн^ которые были написаны им или его участии.

3

Глава I. РЕДДЫ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ЭЛЕ1ГСН-

Ш . Ш

§ I-I. Явление сверхпроводимости и его ис­ пользование в корабельных электри­

ческих мапнах v

Мощность потребляемой электроэнергии на кораблях бистро возрастает. Например, потребление электроэнер­

гии на эсминцах С И за последние десять лет увеличи­ лось вдвое: с 0,41 до 0,82 квт на тонну водоизмеще­

ния Д / . Единичная мощность генераторов по ряду при­ чин ограничена и составляет около 2500-3000 квт. Это

внзнвает необходимость устанавливать больное количест­ во генераторов, что приводит к сильному увеличении га­ баритов генераторной установки. Б связи с ограниченны­

ми объемами корабельннх помещений необходимо сникать весо-габармтнне показатели генераторов и другого элек­ трооборудования, установленного на корабле. Улучиение весо-габаритннх показателей электрических маиин опре­ деляется тремя факторами:

- скоростью вращения - из-за механической прочно­ сти конструкции}

- индукцией в воздушном зазоре - из-за насыщения ферромагнитного материала;

- током якоря /линейной нагрузкой/, т.е. допусти-

По данным иностранной литературы.

4

мни объемом активных проводников якоря, омическими по­ терями и условиями теплоотдачи.

В свете последних достижение в области исследова­ ния сверхпроводников открываются новые возможности соз­ дания малогабаритных электрических мамин. Выполнение обмоток из сверхпроводящего материала и устранение ста­ ли из магнитопровода исключает потери на нагрев обмо­ ток и потери в стали. Возможность получения больных индукций и плотностей тока, а также непрерывное совервенствование криогенной техники позволят существенно снизить габариты электрических машин совместно с холо­ дильной установкой. Но явление сверхпроводимости на­ ступает при низких температурах - около 4,2° К /темпе­ ратура жидкого гелия/, что определяет специфику кон­ струкции и характеристик таких наиин.

Явление сверхпроводимости было открыто в I9II г., но не нашло широкого применения из-за того, что откры­ тые в то время сверхпроводники /в основном чистые ме­ таллы/ проявляли это свойство только при очень малых токах и в слабых магнитных полях. Возможность практи­ ческого использования этого явления резко возросла в последние годы после получения так называемых жестких сверхпроводников, представляющих собой различные спла­ вы, для которых критические магнитные поля, разрушаю­ щие сверхпроводящее состояние, достигали 100 и более

тысяч эрстед.

Как уже отмечалось, сверхпроводимость обмоток электрической машины поддерживается только при низких температурах, поэтому они должны быть помещены в спе­ циальные сосуды - дьюарн с двойными стенками и высо­ кими отражательными свойствами. Эти сосуды заливают тидтмш гелием.Для поддержания низкой температуры на-

5

ружный резервуар заливается жидким азотом, а в проме­ жутке между внутренним и наружным резервуарами соз­ дается вакуум.

Конструкция дыоаров сложная и требует специальной технологии изготовления, однако по мере повышения тем­ пературы, требуемой для обеспечения сверхпроводимости, даже на сравнительно небольшую величину, она значи­ тельно упрощается.

До последнего времени считалось, что верхний предел температуры 18°К, при которой возможно сущест­ вование сверхпроводимости, достигается для сплава нио­ бия с оловом. Недавно появилось сообщение f 2 j4< об открытии группой ученых Калифорнийского университета и лаборатории фирмы "Белл телефоун" нового материала, проявляющего сверхпроводящие свойства при температуре ?0,1°К, которая является наивысшей из достигнутых, и при значительно больших плотностях магнитного поля. Это свидетельствует о возможности дальнейшего повыше­ ния температуры, при которой наступает явление сверх­ проводимости. В частности, жидкий гелий может быть заменен жидким водородом, а это значительно упростит криогенную технику и указанные электрические машины.

Принципиально возможно создание машин переменно­ го тока со сверхпроводящими обмотками на статоре и ро­ торе /рис.1-1/. В этом случае должен быть получен на­ ибольший эффект.

В обычной электрической машине потери распределя­

6

! рассеяния Статорная

обмотка

рмс, I-I

где

== о,поэтому к.п.д. должен возрасти, если мощ­

ность, расходуемая на криогенную установку, относитель­ но небольшая. Однако практическое осуществление такой мамон связано с серьезными техническими трудностями.

Все потери машины, включая вентиляционные, от тре­ ния, в сальнике, потери в проводниках переменного то­ ка и т.д., имеют место в среде низкой температуры. Но мощность отвода этих потерь примерно в тысячу раз боль­ ше величины самих потерь, и это в известной мере сни­ жает эффективность использования таких машин на практи­ ке. Кроне того, конструктивно чрезвычайно сложно обес­ печить низкую температуру вращающихся обмоток, подачу жидкого гелия и азота к вращающемуся дьюару и т.д.

В настоящее время разработан ряд проектов машин со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе. Сравнительные весовые показатели этих машин приведены в табл. 1-1,где видно их большое преимущество. Однако реализация таких машин возможна лишь после существен­ ного упрощения конструкции дьюаров.

В настоящее время наибольший интерес представля­ ют синхронные мадиян со сверхпроводящей обмоткой воз­ буждения Г 4$ 5 Конструктивно также машины проще выполнять со стационарной обмоткой возбуждения. Одна­ ко в этом случае возникает трудность отвода мощности

8

от вращащегеея якоря, та.к как контакте кольца огра­ ничивал! снимаемые мощности и недостаточно надежни.Пока для решения этой задачи предполагается использовать жидко-металлические контакты.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения может быть понежена внутри вращающегося якоря с нормальной тем­ пературой /рис.1-2/ или снаружи его /рис.1-3/. Мощ­ ность, снимаемая с якоря, ограничивается его нагревом, т.е. зависит от интенсивности охлаждения обмотки яко­

ря.

Вариант с якорем снаружи является более рацио­ нальным, так как в этом случае зона охлаждения будет

9