Сочинение на тему Перспективы внедрения сверхпроводимости в двигательных установках
- Опубликовано: 28.10.2020
- Предмет: жизнь, Наука
- Темы: перспективы, Работа, физика
Сверхпроводимость – это явление, при котором проводник после охлаждения ниже определенной температуры теряет все электрическое сопротивление и выбрасывает любые магнитные поля внутри себя. Когда это состояние сверхпроводимости будет достигнуто, проводник сможет передавать электрическую энергию без потери мощности. Однако это происходит только при очень низких температурах. Без какой-либо криогенной техники достижение сверхпроводящего состояния невозможно из-за резистивных потерь, которые возникают в проводнике с током. Доказано, что сверхпроводящие кабели способны повысить энергоэффективность и удельную мощность двигателей и генераторов и, в свою очередь, уменьшить общий объем машины. Из-за выгодных преимуществ, которые приносят сверхпроводящие машины, многие вложили усилия в эту область, чтобы улучшить конструкцию этих машин в надежде на широкое распространение их реализации.
Температура, необходимая для возникновения сверхпроводимости, называемая критической температурой, зависит от используемого материала. После первоначального открытия только жидкий гелий был способен охлаждать некоторые материалы ниже их критической температуры. Эти материалы, называемые низкотемпературными сверхпроводниками (LTS), становятся сверхпроводящими при температурах около 4 К. Из-за высокой стоимости получения жидкого гелия, эта чрезвычайно низкая температура сделала сверхпроводимость относительно недоступной для изучения областью, не говоря уже о применении для промышленного применения. цели. К счастью, были обнаружены новые материалы, способные достигать сверхпроводимости при более высокой температуре, используя только жидкий азот в качестве хладагента. Они обычно называются высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП). Современные разработки в сверхпроводящих двигателях и генераторах используют материалы HTS из-за более низкой стоимости охлаждения жидким азотом.
Для машин HTS обмотки статора обычно изготавливаются из специальных оксидов меди на основе висмута-иттрия (YBCO) вместо медных катушек, охлаждаемых до температур в диапазоне от 30 К до 40 К. Пропускание постоянного тока через обмотки создает область очень сильного магнитного потока. Это позволяет двигателям HTS генерировать большое количество крутящего момента. Для морских силовых установок необходимость в таких двигателях с высоким крутящим моментом способствует использованию сверхпроводников по сравнению с традиционными медными обмотками.
Принципы работы двигателей и генераторов переменного тока
Двигатель – это машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Электрическая энергия в форме электрического тока пропускается через якорь двигателя, находясь внутри магнитного поля пары постоянных магнитов, в результате чего в якоре возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая создает силу, которая вращает ротор. Вращение ротора – это произведенная механическая энергия.
В трехфазном асинхронном двигателе процесс отличается. Переменный ток (AC) пропускается через катушки øA, øB и øC в статоре. Ток в øA, øB и øC будет смещен по фазе на 120 ° относительно друг друга. Когда эти катушки несут отдельные переменные токи, формируется вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого магнитного поля называется синхронной скоростью, которая прямо пропорциональна скорости вращения ротора. Вращающееся магнитное поле вызывает изменяющуюся связь магнитного потока в роторе, и из закона электромагнитной индукции Фарадея на ротор действует сила, противодействующая изменениям. Это заставляет ротор вращаться. Поскольку катушки статора используют переменный ток, результирующее магнитное поле продолжает вращаться и поддерживает вращение ротора на частоте, близкой к синхронной скорости.
Ротор никогда не будет вращаться быстрее или с синхронной скоростью, потому что если это произойдет, якорь ротора будет неподвижен относительно вращающегося магнитного поля. Это означает, что не будет никаких изменений в флюсовой связи внутри ротора, и, как таковая, на ротор не будет приложена сила, заставляющая его замедляться. Замедление может привести к увеличению изменения магнитного потока, прилагая большее усилие к якорю, которое вращает ротор быстрее, повторяя процесс.
Генератор использует те же принципы, что и двигатель, но вместо этого преобразует механическую энергию в электрическую. Для трехфазного синхронного генератора ротор является компонентом, который создает начальное магнитное поле, а не статор в асинхронном двигателе.
Постоянный ток (DC) пропускается через проволоку, намотанную на ротор, «возбуждая» ротор и формируя магнитное поле вокруг ротора с катушками статора A, B и C в области магнитного поля. Этот «ток возбуждения» может быть от внешнего источника или от небольшого генератора постоянного тока, подключенного к тому же приводному валу. Затем ротор вращается, и магнитное поле обрезает проволочные катушки A, B и C, вызывая ненулевое изменение магнитного потока внутри катушек. В результате, согласно закону Фарадея, в катушках индуцируется ЭДС и генерируется ток.
Когда линии магнитного поля сначала «обрезают» провода катушки статора, первые линии, которые необходимо обрезать, находятся в направлении вниз (относительно страницы), и согласно закону электромагнитной индукции Ленца результирующий индуцированный ток будет течь вне страницы. По мере того, как полевые линии продолжают обрезать провод, линии, идущие вверх, обрезают провод и вызывают ток, который течет на страницу.
Из-за направления реверсирования силовых линий, обрезающих катушку статора, трехфазный генератор выдает переменный ток трех фаз под углом 120 ° против фазы друг от друга, как показано на рис. 4. Кроме того, частота выходного сигнала Напряжение прямо пропорционально синхронной скорости магнитного поля, поэтому изменение скорости вращения ротора приводит к изменению частоты выходного напряжения. Для двигателей переменного тока верно обратное – изменение входного напряжения приводит к изменению скорости вращения ротора.
Преимущества сверхпроводящих двигателей и генераторов
Идея использования сверхпроводящих машин для промышленного применения в последнее время получает поддержку, поскольку проводится все больше экспериментов, чтобы доказать их превосходство над обычными двигателями и генераторами. Преимущества использования сверхпроводников, очевидно, вытекают из характеристики нулевого сопротивления сверхпроводников для постоянных токов и очень низких потерь от гистерезиса для переменных токов, что имеет много последствий для конструкции сверхпроводящих машин.
Предлагаемые преимущества сверхпроводящих машин по сравнению с их обычными аналогами заключаются в способности переносить большие электрические токи, меньший вес и меньший объем машины.
HTS-материалы способны пропускать гораздо более высокие токи при той же площади поперечного сечения по сравнению с медными кабелями, благодаря чему достигается гораздо более высокая плотность тока в обмотках провода при меньших размерах. В сверхпроводящих синхронных генераторах, в которых обмотки ротора изготовлены из ВТСП-материалов, более высокая токонесущая способность позволит сформировать гораздо более сильное магнитное поле, увеличивая изменение магнитного потока при вращении ротора. Таким образом, выходной ток всей машины повышается. Более высокая выходная мощность приведет к повышению эффективности по сравнению с обычным синхронным генератором того же размера с точки зрения соотношения производительности и объема машины. Аналогично, сверхпроводящий двигатель может генерировать более высокий крутящий момент, чем обычный двигатель, из-за более сильного магнитного поля, создаваемого обмотками статора ВТСП.
Для применений асинхронных двигателей и синхронных генераторов в областях, где больший крутящий момент или напряжение не обязательно лучше, использование машин HTS, уменьшенных до требуемых спецификаций, будет использовать меньше материала в конструкции машины. Это приводит к меньшим размерам и весу упомянутой машины, что может сэкономить затраты на установку и обслуживание. В судовой тяге и производстве электроэнергии экономия пространства и веса, вызванная сверхпроводящими машинами, будет непропорционально перевешивать использование обычных двигателей и генераторов, потому что на борту ограничено пространство, и освобождение некоторых будет считаться большой роскошью.
Игнорируя факторы, связанные с затратами, при концептуализации и проектировании сверхпроводящих машин можно наблюдать некоторые недостатки их реализации. Во-первых, возможные сложности системы охлаждения, необходимые для поддержания работоспособности сверхпроводников, представляют собой серьезную проблему. Во-вторых, трудности в синтезе сверхпроводящего соединения и изготовлении проводника продолжают мешать работе.
Как и в случае любого сверхпроводника, проблема охлаждения их до температур ниже их критического значения не решается простым охлаждением в жидком азоте. Необходимо уделить внимание конструкции машины, зная, какую часть следует охладить, а какие – изолировать от холода. Кроме того, предотвращение тепловых утечек является сложной и дорогостоящей задачей, которая еще более усложняет процесс проектирования машины с использованием сверхпроводников.
Синтез соединений HTS требует очень точных методологий и точных инструментов, поскольку свойства соединений HTS могут резко измениться из-за небольших дефектов в их молекулярной структуре, влияющих на то, может ли конечный продукт стать сверхпроводником или нет. Таким образом, только несколько компаний могут поставлять высококачественные кабели HTS.
Заключение
Принятие использования сверхпроводников в военно-морских силовых установках не является широко распространенным в настоящее время, так как технология все еще не является зрелой и требует дальнейшего тестирования. Тем не менее, важно отметить, что, несмотря на текущие проблемы, с которыми сталкивается сверхпроводимость, их применение в двигательных системах будет целесообразным в будущем, когда эти проблемы будут преодолены. Это связано с тем, что предварительные результаты первоначальных испытаний были многообещающими, а преимущества такой технологии для военно-морских приложений, по-видимому, значительно перевешивают стоимость. Примерами этих преимуществ могут быть экономия места и веса на борту судна. В случае военных кораблей дополнительное пространство может быть использовано для дополнительных боевых возможностей, а более низкое использование веса приведет к снижению расхода топлива.
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ. Быть продуктивным на работе может порой быть сложной задачей. Онлайн-сервисы позволили большинству компаний оставаться продуктивными на современном конкурентном рынке. Онлайн-сервисы
Есть несколько разных циклов, вокруг которых вращается Земля. Некоторые из циклов были затронуты катастрофой Фукусима-Дайхатсу. Завод в Фукусиме пострадал от землетрясения силой 9,0 балла. Растения,
Основная цель данного исследования состояла в том, чтобы создать многомерную меру религиозности, используя общественность в качестве образца. В этом исследовании под религиозностью подразумеваются убеждения и