Введение к работе
Актуальность темы.
Прикладная сверхпроводимость как инновационное направление в науке и технике своими истоками и последующим развитием связана с разработкой и промышленным освоением выпуска сверхпроводниковых обмоточных материалов с высокой токонесущей способностью в сильных магнитных полях.
В устройствах, использующих сверхпроводниковые материалы, рабочие токи достигают 100 кА. С увеличением мощности сверхпроводниковых электротехнических и электрофизических устройств к их надежности предъявляются более жесткие требования. Эксплуатационная надежность в значительной мере зависит от величины рабочего тока, способа его ввода и метода гашения поля.
Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин, преобразователей и термодинамически оптимизированных токовводов. В современных крупномасштабных проектах с использованием низкотемпературных сверхпроводников, к числу которых относятся, прежде всего, Большой адронный суперколлайдер и Международный термоядерный реактор, существует потребность в источниках питания и термодинамически оптимизированных токовводах на токи до 75 кА. Перспективными областями применения топологических генераторов и преобразователей из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) являются ЯМР томографы, электрические машины общепромышленного, транспортного и специального назначения, приборы и техника физического эксперимента, высокоградиентные очистители вод. Так, стабилизация тока и его прецизионное регулирование на уровне 1-2 мкА/с в ВТСП магнитной системе ЯМР томографа возможны с помощью топологического генератора или преобразователя. Бесщеточная система возбуждения ВТСП синхронных компенсаторов (~ 10 кА; 0,1 В) также может быть реализована на базе сверхпроводниковых источников постоянного тока.
Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства, шло в соответствии с Программой по решению научно-технической проблемы 0.14.02 «Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости», утвержденной постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 № 475/251/131. Работа выполнялась непосредственно по заданиям 07.Н6, 01.02.Н2, а также согласно Комплексному плану Е21 по темам Е21.1022, Е21.1044. Институт Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромаш в 1988-1990 гг. совместно выполнили НИР и ОКР «Создание сверхпроводникового топологического генератора». В 1984-1991 гг., в наиболее активный период строительства по Постановлению Правительства Ускорительно-накопительного комплекса с энергией 3-5 ТэВ (УНК-3ТэВ) ВНИИэлектромаш и ИФВЭ разрабатывали Автоматизированную систему питания, диагностики и защиты сверхпроводниковых магнитооптических элементов каналов частиц УНК-3ТэВ. Данная масштабная работа завершилась созданием головного образца топологического генератора на ток 8 кА для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц с запасенной единичной энергией 1 МДж. В рамках Конкурсной программы ГКНТ «Генератор» по высокотемпературным сверхпроводникам совместно с ЦНИИмаш в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997 г.). Исследования ВТСП материалов 2-го поколения ведутся по гранту РФФИ 09-08-01111-а (2009 – 2011 гг.) «Процессы переноса во фрактальных средах и системах: свойства и размерности». По гранту РФФИ 09-08-07020-д (2009 г.) издана книга «Сверхпроводниковые топологические электрические машины». ИХС РАН совместно с Харбинским Университетом науки и техники разрабатывает ВТСП ветрогенератор с топологическим возбудителем. В 2007-2009 гг. в ИХС РАН выполнены «Исследования по обоснованию создания электромеханических преобразователей специального назначения нового поколения на основе применения материалов с новой структурой, полученных с помощью нанотехнологий», № Гос. Регистрации 0120.0 712510. С 2010 г. в ИХС РАН ведутся исследования по синтезу ВТСП 2-го поколения для широкого круга задач электроэнергетики.
Цель работы.
Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические и электрофизические устройства путем разработки и создания сверхпроводниковых топологических источников питания и термодинамически оптимизированных токовводов с повышенными технико-экономическими показателями.
Для достижения поставленной цели решены конкретные задачи:
- исследование промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников;
- визуализация структуры и динамики промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния в технических жестких сверхпроводниках II рода;
- разработка и исследование электрических машин и трансформаторов постоянного тока, в которых используется эффект зацепления и течения квантованных нитей магнитного потока;
- создание на основе магниторезистивных свойств промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов для сверхпроводниковых топологических электрических машин и преобразователей;
- развитие теории, построение математических моделей, разработка аналитических и численных методов расчета и проектирования энергетически оптимальных сверхпроводниковых топологических электрических машин и пористых токовводов;
- экспериментальные исследования проникновения электромагнитного поля в текстурированные ленточные образцы сверхпроводниковых материалов и его распределения в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах;
- анализ коммутационных процессов в сверхпроводниковых топологических генераторах и преобразователях криотронных, исследование рабочих характеристик, режимов и особенностей параллельной работы на сверхпроводниковую нагрузку;
- экспериментальные исследования добавочных электромагнитных моментов в штатных образцах сверхпроводниковых топологических генераторов и разработка на этой базе высокоэффективного герметичного привода и сверхпроводниковой электромагнитной муфты топологического типа;
- определение путей совершенствования конструкций и направлений практической реализации сверхпроводниковых топологических генераторов и пористых токовводов с созданием их типовых рядов многофункционального назначения;
- научно-техническое обоснование бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей.
Предмет и объект исследований.
Предмет исследований – ввод тока, защита и диагностика сверхпроводниковых электротехнических комплексов.
Объект исследований – сверхпроводниковые топологические источники питания и токовводы - устройства прямого ввода тока в криостаты.
Методы исследований.
Теоретические исследования сверхпроводниковых топологических электрических машин выполнены на основе обобщенных математических моделей, отражающих особенности преобразования магнитных потоков, изменения потокосцеплений в многосвязных сверхпроводящих цепях. При развитии теории сверхпроводниковых топологических электрических машин основное внимание уделено исследованию циклических процессов. Методы теоретических исследований носят преимущественно аналитический характер с привлечением современного математического аппарата теории множеств и функционального анализа. Полученные аналитическим путем соотношения способствуют более ясному пониманию физики процессов в сверхпроводниковых топологических электрических машинах, упрощают анализ рабочих характеристик и инженерные расчеты.
Сочетание аналитического и численного методов имеет место в некорректной обратной задаче магнитостатики - синтезе сверхпроводниковой обмотки возбуждения, которая решена методом регуляризации А.Н. Тихонова. Наряду с аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа, примененным для термодинамической оптимизации газоохлаждаемых пористых токовводов с регулируемым расходом, в методе исследования прямого способа ввода тока используется численное решение на ЭВМ нелинейных дифференциальных уравнений тепло- и массообмена в каналах токоввода с учетом изменения теплофизических и гидравлических свойств криоагента по длине токоввода.
Особенностью экспериментальных методов является сочетание исследований специально разработанных лабораторных образцов и (преимущественно) сверхпроводниковых электрических машин и устройств, предназначенных для штатной эксплуатации.
Визуализация промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния посредством сканирующей, в том числе атомно-силовой, микроскопии.
Оценка достоверности теоретических положений произведена путем сопоставления результатов расчета по выведенным формулам с экспериментальными данными, полученными самостоятельно автором, а также зарубежными специалистами по материалам, опубликованным в научно-технических изданиях.
Научная новизна.
Установлено, что в сверхпроводниках I рода может возникать смешанное, в сверхпроводниках II рода – промежуточное и, наконец, в тех и других – промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние.
Доказано, что необходимым и достаточным условием возникновения «топологического» эффекта в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование резистивной зоны полумейсснеровского состояния, более того, одной квантованной нити магнитного потока.
Разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса - фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.
Показано, что топологический генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором.
Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных. Выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин и аппаратов различного исполнения.
Предложены типовые схемы и исследованы сверхпроводниковые электрические машины и трансформаторы постоянного тока, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.
Теоретически и экспериментально исследованы топологические преобразователи криотронные с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.
Созданы универсальные автоматизированные системы питания и управления топологических преобразователей криотронных, обеспечивающие широкий спектр коммутационных режимов - сопротивлением, напряжением и смешанный.
Экспериментально исследованы магнитные поля и добавочные моменты в топологических генераторах с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов. Полученные результаты согласуются с данными экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов и подтверждают достоверность теоретически обоснованных условий возникновения «топологического» эффекта.
Предложен метод термодинамической оптимизации механической передачи и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения муфты впервые методом регуляризации решена некорректная обратная задача.
Численно решена комплексная задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных сверхпроводником пористых токовводов.
Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требования технической эстетики.
Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных параметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов.
Получила научное обоснование принципиальная возможность разработки топологических генераторов на базе использования любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 0,8 В, удельная токовая нагрузка 1 кА/кг.
Практическая ценность.
Сформулированные и обоснованные теоретически, подтвержденные в серии экспериментов и реализованные на этапах специальной и маршрутной технологии новые научные положения представляют собой решение формировавшейся с начала 60-х годов и выделившейся в самостоятельную проблемы в области сильноточной криогенной электротехники – эффективный и безопасный ввод (вывод) тока в стационарные и вращающиеся криостаты, имеющей первостепенное значение при создании крупных электрофизических и электроэнергетических объектов с применением явления сверхпроводимости.
- Разработанные на базе теории инженерные методики расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин обеспечивают с помощью ЭВМ, а также без использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики.
- Разработанные оригинальные конструкции резистивно-сверхпроводящих коммутаторов на основе жестких сверхпроводников 2-го рода позволяют существенно повысить номинальные параметры топологических генераторов - по току нагрузки до 10 кА и удельной токовой нагрузке выше 1 кА/кг и упростить технологию их изготовления.
- Созданные на основе различных схемных решений вращающиеся и статические топологические генераторы открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин.
- Созданные многофункциональные топологические генераторы позволяют (по расчетам ИФВЭ в Протвино) в несколько раз снизить капитальные и эксплуатационные затраты на обеспечение надежного функционирования систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, по сравнению с использованием традиционных («теплых») источников постоянного тока.
- Разработанные и исследованные в различных криогенных средах топологические генераторы с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных сверхпроводников дают возможность создавать прецизионные источники питания для ЯМР-томографов, а также чувствительные диагностические устройства для исследования электромагнитных свойств ВТСП-материалов.
- Разработанные методы термодинамической оптимизации токовводов позволяют конструировать устойчивые к токовой перегрузке пористые токовводы с пониженным на 15% уровнем теплопритоков на холодном конце и пятикратным снижением затрат энергии на компенсацию теплопритоков, поступающих в общий контур циркуляции криоагента.
- Разработанный в процессе решения некорректной задачи алгоритм расчета имеет универсальное применение, позволяя синтезировать осесимметричные магнитные системы различного назначения, создающие в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности.
Реализация результатов работы.
Выполненные исследования позволили создать типовой ряд топологических генераторов, статические топологические преобразователи и пористые токовводы многофункционального использования в специальных и технологических криостатах. Результаты работы внедрены, в том числе за рубежом.
- Во ВНИИэлектромаш создан бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор вертикального исполнения со сверхпроводниковым топологическим возбудителем ТПГ-9 (Глава 10).
- Топологический генератор ТПГ-2 внедрен на предприятии М-5539 в системе регулирования тока в криогенных электромагнитных устройствах (Акт о внедрении от 18 ноября 1981 г.).
- Результаты работ по системе возбуждения и регулирования криотурбогенератора внедрены во ВНИИэлектромаше при проектировании криотурбогенератора КТГ-1200 МВт (Акт о внедрении от 22 сентября 1982 г.).
- Криотронный преобразователь типа ТПК-2 с автоматической системой управления различного схемного решения внедрен на экспериментальном стенде ЭНИН им. Г.М. Кржижановского в качестве источника питания сверхпроводящих индуктивных нагрузок (Акт о внедрении от 04 мая 1984 г.).
- Криотронный преобразователь типа ТПК-1 с блоками питания и автоматического управления внедрен в качестве источника питания сверхпроводниковых модулей бортовых магнитных систем в лаборатории ВСНТ Ереванского политехнического института (Акт о внедрении от 22 мая 1984 г.).
- Топологический генератор ТПГ-12 применен в ЛИЯФ на установке для поиска электрических дипольных моментов элементарных частиц с использованием пучков двухатомных молекул (Акт о внедрении от 24 мая 1984 г.).
- Топологический генератор ТПГ-12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от 27 мая 1986 г.).
- Топологический генератор ТПГ-14М (модернизированный вариант), защищенный Свидетельством на промышленный образец № 4577 «Машина электрическая сверхпроводящая», принят в промышленную эксплуатацию с 15.10.85 на стенде корпуса «О» ВНИИэлектромаша (Акт о внедрении от 11 мая 1985 г.).
- Оптимизированные газоохлаждаемые пористые токовводы на ток до 2 кА установлены на штатных местах в криотурбогенераторе КТГ-20 мощностью 20 МВА, обеспечивая всесторонние режимные испытания, в том числе с подключением криотурбогенератора КТГ-20 в систему Ленэнерго (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.).
- Пористые газоохлаждаемые токовводы используются для испытаний в технологическом криостате сверхпроводящей обмотки криомодуля для высокоскоростного наземного транспорта и в модели сверхпроводниковой униполярной электрической машины (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.).
- Топологический генератор ТПГ-6/1 внедрен в Криогенном центре Воронежского политехнического института (ныне: Воронежский государственный технический университет) при исследованиях сверхпроводниковых электромагнитных подвесов (Акт о внедрении от 28 апреля 1984 г.);
- Конструкция топологического генератора ТПГ-18 на ток до 8 кА стала базовой для проектирования Автоматизированной системы питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых отклоняющих магнитов каналов частиц УНК-3ТэВ в Протвино в активный период строительства ускорителя.
Апробация работы.
Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на 1-й (Алушта, 1975 г.) и 2-й (Ленинград, 1983 г.) Всесоюзных конференциях по технической сверхпроводимости, 6-й Международной конференции по магнитной технологии (Братислава, 1977 г.), Конференции по прикладной сверхпроводимости (Питтсбург, 1979 г.), Межвузовской научно-технической конференции «Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике» (Москва, 1974 г.), Всесоюзной конференции «Криоэлектротехника и энергетика» (Киев, 1977 г.), заседаниях Научного Совета «Сверхпроводимость в электротехнике» АН СССР, 6-м трехстороннем германо-русско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993), Открытой научно-практической конференции «Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы ЕЭС России» (Москва, 1999), 18-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 03-04 апреля 2007 г., 20-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 07-08 апреля 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции «Прикладная сверхпроводимость-2010» 23 марта 2010 г.
Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:
- визуализация промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния посредством сканирующей, в том числе атомно-силовой, микроскопии с получением изображений, повторяющих пропорции и детали картины проникновения магнитного потока в исследуемый образец сверхпроводникового материала;
- основанное на теории множеств описание «топологического эффекта» в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках;
- новая концепция принципа действия топологических электрических машин и обусловленная этим возможность применения в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах любых сверхпроводников;
- новый класс фазовых коммутаторов электрических машин;
- общая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных;
- аналитический аппарат для исследования коммутационных процессов в топологических генераторах и преобразователях криотронных, позволяющий оптимизировать их коммутационные параметры на основе минимизации потерь в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах;
- основы теории сверхпроводниковых электрических машин и трансформаторов постоянного тора, работающих на принципе движения квантованных нитей магнитного потока;
- принципы конструирования высокоиспользованных топологических электрических машин;
- созданный на базе технических жестких сверхпроводников 2-го рода типовой ряд сверхпроводниковых топологических генераторов многофункционального использования с получением рекордных значений номинальных параметров в единичном агрегате: ток ~ 10 кА, удельная токовая нагрузка > 1 кА/кг;
- аналитический и численный методы расчета тепловых параметров и разработанный на их основе типовой ряд термодинамически оптимизированных пористых токовводов на токи в диапазоне 1-10 кА;
- доказательство принципиальной возможности создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин и создание опытного образца бесконтактного сверхпроводникового синхронного генератора с топологическим возбудителем;
- разработанные сверхпроводниковые топологические преобразователи криотронные с автоматическими системами питания и управления, реализующими полный спектр режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанный;
- комплексное решение проблемы ввода (вывода) тока в статические и вращающиеся криостаты на базе использования топологических генераторов и преобразователей криотронных вместе с термодинамически оптимизированными пористыми токовводами.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех разделов, содержащих в совокупности 10 глав, заключения, списка литературы (511 наименований); иллюстрации включают 165 графических и тоновых рисунков; 19 таблиц; общий объем диссертации 419 с.
