Модель униполярного электродвигателя на основе высокотемпературных сверхпроводников
Ключевые слова:
высокотемпературная сверхпроводимость, электродвижение, электродвигатель, униполярная электрическая машина
Аннотация
Описана расчетная электромеханическая модель униполярного электродвигателя с магнитной системой на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Униполярные электродвигатели с ротором в виде диска наиболее просты по исполнению магнитной системы и сильноточного контакта. Использование высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) для создания постоянного магнитного поля в области ротора позволяет повысить плотность тока в обмотках и соответственно мощность двигателя. Возможность работы ВТСП при температуре жидкого азота (77 К) упрощает конструкцию криостата по сравнению с магнитными системами на основе низкотемпературных сверхпроводников. Для униполярных электродвигателей большой мощности наиболее перспективным представляется использование в их конструкции жидкометаллических контактов для подведения электрического тока к вращающемуся ротору. Преимуществом данного типа электродвигателей является линейная зависимость крутящего момента от тока в роторе. Выполнено численное моделирование работы электродвигателя под управлением пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора с помощью компьютерной программы SciLab Xcos. Продемонстрировано использование расчетной модели для подбора оптимальных коэффициентов ПИД-регулятора. Выполнен анализ динамических режимов работы электродвигателя. Проведено сравнение результатов численного моделирования с полученными ранее экспериментальными данными.
Литература
1. Thongam J., Tarbouchi M., Okou A., Bouchard D., Beguena-ne R. Trends in naval ship propulsion drive motor technology. – 2013 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC), 2013. pp. 1–5, DOI: 10.1109/EPEC.2013.6802942.
2. Fuger R., Guina A., Sercombe D., Kells J., et all. Supercon-ducting motor developments at Guina Energy Technologies. – 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD), 2015, pp. 362–363, DOI: 10.1109/ASEMD.2015.7453613.
3. Thome R.J., Creedon W., Reed M., Bowles E., Schaubel K. Homopolar motor technology development. – Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, vol.1, pp. 260 – 264, DOI: 10.1109/PESS.2002.1043229.
4. Суханов Л.А., Сафиуллина Р.Х., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины. М.: ВНИИЭМ, 1964, 136 с.
5. Maribo D., Gavrilash M., Reilly P.J., Lynch W.A., Sonder-gaard N.A. Comparison of Several Liquid Metal Sliding Electric Contacts. Electrical Contacts. – Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts, 2010, pp. 1– 7, DOI: 10.1109/HOLM.2010.5619461.
6. Диев Д.Н., Лепехин В.М., Макаренко М.Н., Поляков А.В., и др. Криомагнитная система высокоградиентного магнитного сепаратора на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. – Ядерная физика и инжиниринг, 2018, т. 9, № 2, с. 130–140, DOI: 10.1134/S207956291802001X.
7. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. – Transactions of the ASME, 1942, vol. 64, pp. 759–768.
8. Наумов А.В., Поляков А.В., Сурин М.И., Щербаков В.И. Униполярный электродвигатель сервопривода с магнитной системой на основе высокотемпературных сверхпроводников. – Электричество, 2020, № 4, с. 52–55.
9. Evans P.D., Eastham J.F. Disc-geometry homopolar synchronous machine. – IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1980, vol. 127, No. 5, pp. 299–307, DOI: 10.1049/ip-b.1980.0039.
10. Lee S., Hong J., Kwon Y., Jo Y., Baik S. Study on Homopolar Superconductivity Synchronous Motors for Ship Propulsion Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, vol. 18, No. 2, pp. 717–720, DOI: 10.1109/TASC.2008.921334.
11. Cho Y.H., Lee K.W., Kim Y.S., Park I.H. Analysis of Superconducting Homopolar Synchronous Motor using 3D inductance parameter. – 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, Tokyo, 2009, pp. 1–4, DOI: 10.1109/ICEMS.2009.5382657.
12. Schneeberger T., Nussbaumer T., Kolar J.W. Magnetically Levitated Homopolar Hollow-Shaft Motor. – IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, vol. 15, No. 1, pp. 97–107, DOI: 10.1109/TMECH.2009.2018836.
13. Lashkevich M., Anuchin A., Aliamkin D., Briz F. Control strategy for synchronous homopolar motor in traction applications. – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, pp. 6607–6611, DOI: 10.1109/IECON.2017.8217153.
14. Lin F., Qu R., Li D., Xie K. Fully Superconducting Homopolar DC Machine. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2677483.
15. Engel T.G., Kontras E.A. Modeling and Analysis of Homopolar Motors and Generators. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, vol. 43, No. 5, pp. 1381–1386, DOI: 10.1109/TPS.2015.2405531.
#
1. Thongam J., Tarbouchi M., Okou A., Bouchard D., Begue-nane R. Trends in naval ship propulsion drive motor technology. – 2013 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC), 2013. pp. 1–5, DOI: 10.1109/EPEC.2013.6802942.
2. Fuger R., Guina A., Sercombe D., Kells J., et all. Superconduc-ting motor developments at Guina Energy Technologies. – 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD), 2015, pp. 362–363, DOI: 10.1109/ASEMD.2015.7453613.
3. Thome R.J., Creedon W., Reed M., Bowles E., Schaubel K. Homopolar motor technology development. – Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, vol.1, pp. 260 – 264, DOI: 10.1109/PESS.2002.1043229.
4. Sukhanov L.A., Safiullina R.H., Bobkov U.A. Elektricheskie unipolyarnye mashiny (Electric Unipolar Machines). М.: VNIIEM, 1964, 136 p.
5. Maribo D., Gavrilash M., Reilly P.J., Lynch W.A., Sonderga-ard N.A. Comparison of Several Liquid Metal Sliding Electric Contacts. Electrical Contacts. – Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts, 2010, pp. 1– 7, DOI: 10.1109/HOLM.2010.5619461.
6. Diev D.N., Lepekhin V.M., Makarenko M.N., Polyakov A.V., et all. Yadernaya fizika i inzhiniring – in Russ. (Nuclear Physics and Engineering), 2018, vol. 9, No. 2, pp. 130–140, DOI: 10.1134/S207956291802001X.
7. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. – Transactions of the ASME, 1942, vol. 64, pp. 759–768.
8. Naumov A.V., Polyakov A.V., Surin M.I., Shcherbakov V.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 4, pp. 52–55.
9. Evans P.D., Eastham J.F. Disc-geometry homopolar synchronous machine. – IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1980, vol. 127, No. 5, pp. 299–307, DOI: 10.1049/ip-b.1980.0039.
10. Lee S., Hong J., Kwon Y., Jo Y., Baik S. Study on Homopolar Superconductivity Synchronous Motors for Ship Propulsion Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, vol. 18, No. 2, pp. 717–720, DOI: 10.1109/TASC.2008.921334.
11. Cho Y.H., Lee K.W., Kim Y.S., Park I.H. Analysis of Superconducting Homopolar Synchronous Motor using 3D inductance parameter. – 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, Tokyo, 2009, pp. 1–4, DOI: 10.1109/ICEMS.2009.5382657.
12. Schneeberger T., Nussbaumer T., Kolar J.W. Magnetically Levitated Homopolar Hollow-Shaft Motor. – IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, vol. 15, No. 1, pp. 97–107, DOI: 10.1109/TMECH.2009.2018836.
13. Lashkevich M., Anuchin A., Aliamkin D., Briz F. Control strategy for synchronous homopolar motor in traction applications. – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, pp. 6607–6611, DOI: 10.1109/IECON.2017.8217153.
14. Lin F., Qu R., Li D., Xie K. Fully Superconducting Homopolar DC Machine. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2677483.
15. Engel T.G., Kontras E.A. Modeling and Analysis of Homopolar Motors and Generators. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, vol. 43, No. 5, pp. 1381–1386, DOI: 10.1109/TPS.2015.2405531.
2. Fuger R., Guina A., Sercombe D., Kells J., et all. Supercon-ducting motor developments at Guina Energy Technologies. – 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD), 2015, pp. 362–363, DOI: 10.1109/ASEMD.2015.7453613.
3. Thome R.J., Creedon W., Reed M., Bowles E., Schaubel K. Homopolar motor technology development. – Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, vol.1, pp. 260 – 264, DOI: 10.1109/PESS.2002.1043229.
4. Суханов Л.А., Сафиуллина Р.Х., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины. М.: ВНИИЭМ, 1964, 136 с.
5. Maribo D., Gavrilash M., Reilly P.J., Lynch W.A., Sonder-gaard N.A. Comparison of Several Liquid Metal Sliding Electric Contacts. Electrical Contacts. – Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts, 2010, pp. 1– 7, DOI: 10.1109/HOLM.2010.5619461.
6. Диев Д.Н., Лепехин В.М., Макаренко М.Н., Поляков А.В., и др. Криомагнитная система высокоградиентного магнитного сепаратора на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. – Ядерная физика и инжиниринг, 2018, т. 9, № 2, с. 130–140, DOI: 10.1134/S207956291802001X.
7. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. – Transactions of the ASME, 1942, vol. 64, pp. 759–768.
8. Наумов А.В., Поляков А.В., Сурин М.И., Щербаков В.И. Униполярный электродвигатель сервопривода с магнитной системой на основе высокотемпературных сверхпроводников. – Электричество, 2020, № 4, с. 52–55.
9. Evans P.D., Eastham J.F. Disc-geometry homopolar synchronous machine. – IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1980, vol. 127, No. 5, pp. 299–307, DOI: 10.1049/ip-b.1980.0039.
10. Lee S., Hong J., Kwon Y., Jo Y., Baik S. Study on Homopolar Superconductivity Synchronous Motors for Ship Propulsion Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, vol. 18, No. 2, pp. 717–720, DOI: 10.1109/TASC.2008.921334.
11. Cho Y.H., Lee K.W., Kim Y.S., Park I.H. Analysis of Superconducting Homopolar Synchronous Motor using 3D inductance parameter. – 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, Tokyo, 2009, pp. 1–4, DOI: 10.1109/ICEMS.2009.5382657.
12. Schneeberger T., Nussbaumer T., Kolar J.W. Magnetically Levitated Homopolar Hollow-Shaft Motor. – IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, vol. 15, No. 1, pp. 97–107, DOI: 10.1109/TMECH.2009.2018836.
13. Lashkevich M., Anuchin A., Aliamkin D., Briz F. Control strategy for synchronous homopolar motor in traction applications. – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, pp. 6607–6611, DOI: 10.1109/IECON.2017.8217153.
14. Lin F., Qu R., Li D., Xie K. Fully Superconducting Homopolar DC Machine. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2677483.
15. Engel T.G., Kontras E.A. Modeling and Analysis of Homopolar Motors and Generators. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, vol. 43, No. 5, pp. 1381–1386, DOI: 10.1109/TPS.2015.2405531.
#
1. Thongam J., Tarbouchi M., Okou A., Bouchard D., Begue-nane R. Trends in naval ship propulsion drive motor technology. – 2013 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC), 2013. pp. 1–5, DOI: 10.1109/EPEC.2013.6802942.
2. Fuger R., Guina A., Sercombe D., Kells J., et all. Superconduc-ting motor developments at Guina Energy Technologies. – 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD), 2015, pp. 362–363, DOI: 10.1109/ASEMD.2015.7453613.
3. Thome R.J., Creedon W., Reed M., Bowles E., Schaubel K. Homopolar motor technology development. – Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, vol.1, pp. 260 – 264, DOI: 10.1109/PESS.2002.1043229.
4. Sukhanov L.A., Safiullina R.H., Bobkov U.A. Elektricheskie unipolyarnye mashiny (Electric Unipolar Machines). М.: VNIIEM, 1964, 136 p.
5. Maribo D., Gavrilash M., Reilly P.J., Lynch W.A., Sonderga-ard N.A. Comparison of Several Liquid Metal Sliding Electric Contacts. Electrical Contacts. – Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts, 2010, pp. 1– 7, DOI: 10.1109/HOLM.2010.5619461.
6. Diev D.N., Lepekhin V.M., Makarenko M.N., Polyakov A.V., et all. Yadernaya fizika i inzhiniring – in Russ. (Nuclear Physics and Engineering), 2018, vol. 9, No. 2, pp. 130–140, DOI: 10.1134/S207956291802001X.
7. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. – Transactions of the ASME, 1942, vol. 64, pp. 759–768.
8. Naumov A.V., Polyakov A.V., Surin M.I., Shcherbakov V.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 4, pp. 52–55.
9. Evans P.D., Eastham J.F. Disc-geometry homopolar synchronous machine. – IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1980, vol. 127, No. 5, pp. 299–307, DOI: 10.1049/ip-b.1980.0039.
10. Lee S., Hong J., Kwon Y., Jo Y., Baik S. Study on Homopolar Superconductivity Synchronous Motors for Ship Propulsion Applications. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, vol. 18, No. 2, pp. 717–720, DOI: 10.1109/TASC.2008.921334.
11. Cho Y.H., Lee K.W., Kim Y.S., Park I.H. Analysis of Superconducting Homopolar Synchronous Motor using 3D inductance parameter. – 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, Tokyo, 2009, pp. 1–4, DOI: 10.1109/ICEMS.2009.5382657.
12. Schneeberger T., Nussbaumer T., Kolar J.W. Magnetically Levitated Homopolar Hollow-Shaft Motor. – IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, vol. 15, No. 1, pp. 97–107, DOI: 10.1109/TMECH.2009.2018836.
13. Lashkevich M., Anuchin A., Aliamkin D., Briz F. Control strategy for synchronous homopolar motor in traction applications. – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, pp. 6607–6611, DOI: 10.1109/IECON.2017.8217153.
14. Lin F., Qu R., Li D., Xie K. Fully Superconducting Homopolar DC Machine. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2677483.
15. Engel T.G., Kontras E.A. Modeling and Analysis of Homopolar Motors and Generators. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, vol. 43, No. 5, pp. 1381–1386, DOI: 10.1109/TPS.2015.2405531.
