Corporate Technology Entwicklung rotierender HTS … · Braunschweiger Supraleiter-Seminar Zukunft...
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Entwicklung rotierender HTS Maschinen bei SiemensJörn GrundmannSiemens AG, CT PS 3
3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar, 26.05.2008
Corporate Technology
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Entwicklung rotierender HTS Maschinen bei Siemens
Dr. Jörn Grundmann
Siemens Corporate Technology,Electromagnetic Systems & Superconductivity
Übersicht
Inhalt
EinleitungSiemens HTS MaschinenentwicklungTechnologie HTS-SynchronmaschinenEigenschaften HTS-MaschinenAnwendungen
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Weltweite Entwicklungvon HTS Maschinen
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Potentielle Anwendungen für HTS Technologie15 min-1 150 min-1 1500 min-1 15000 min-1
High TorqueMachines,Windkraft
Getriebelose Schiffsantriebe
High SpeedMachines,
Industrieantriebe,Schiffsgeneratoren,
Geringe Masse & VolumenHoher WirkungsgradDynamische Eigenschaften
Anwendung der Supraleitung in rotierenden elektrischen Maschinen
Supraleitung Hohe Stromdichten bei vernachlässigbaren Verlusten bei Gleichstrom in el.-mag. Gleichfeldern
Verwendung in Erregerwicklung von Synchronmaschinen
Kraftwerksgeneratoren
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Siemens-Maschinen mit Hochtemperatur-Supraleitern
Inhalt
EinleitungSiemens HTS MaschinenentwicklungTechnologie HTS-SynchronmaschinenEigenschaften HTS-MaschinenAnwendungen
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
400kW HTS Motor1999-2001im Test bis 2004Status: gebaut und erfolgreich getestet
4 MVA HTS Generator2002-2006im Test seit Juni 2005.Status: gebaut und erfolgreich getestet
4 MW HTS Schiffsantrieb2006-2010Status: im Bau
In gemeinsamen Entwicklungsprojekten von Siemens MAS, LD und CT erfolgreich entwickelte bzw. in der Entwicklung befindliche HTS Maschinen:
HTS Maschinenentwicklung bei Siemens
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern
Inhalt
EinleitungSiemens HTS MaschinenentwicklungTechnologie HTS-SynchronmaschinenEigenschaften HTS-MaschinenAnwendungen
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
HTS Standardmaterial
Multifilament-Leiter mit Ag-Matrix
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox
Stücklängen bis etwa 2kmProduktionskapazität etliche 100km/aQuerschnitt etwa 4mm x 0.3mmStrom über 100A
Leiterlieferant bei allen Maschinen-projekten
Aber:Abhängigkeit der Leitereigen-schaften (besonders Ic) von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Magnetfeld) beachten.
Im notwendigen Magnetfeld nur < 30K !
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Entwicklungsaufgabe
„Flachbänder“ Spulen / Pole Kräfte (Drehmoment, Fliehkraft) Tiefkalt Rotierend Strom Ein hohes Magnetfeld erzeugen
Zuverlässig, langlebig, kompakt, effizient, Betriebseigenschaften, wartungsarm, Anwendung / Normen …
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
HTS-Modell-Motor 400kW
Schema Motoraufbau und Kühlung
Cu-Wärmebus
Spulenaufhängung
HTSL-Spule Rot. KryostatVakuumgefäß
Ne Heat Pipe,vakuumisoliert
A-Seite
DichtungGasraum-Luft
Kaltkopf
Drehmomentausleitung (GFK)
Lager
Ständer-Luftspaltwicklung
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Spulen- / Polfertigung
Pol aus Rennbahnspulen(4MVA Geno)
Röbelleiter(Hochstromanwendungen)
Sattelspule
Spulenwickelei
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400 kW Synchronmaschine mit supraleitender Feldwicklung:
Erfolgreicher Dauertest von 05/2001 bis 12/2002 einschließlich Umrichterbetrieb.
• geschlossenes Kryo-Kühlsystem• Innovative Kühlkonzepte mit Thermosyphon und Pulsrohrkühler • wartungsarm, ohne Pumpen, ohne bewegte Teile im Kaltteil
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Flusslinien
Herkömmliche Wicklung• Führung mag. Fluss durch Eisenzähne
und Joch (Wicklung in Nuten)• Flussdichte durch Sättigung begrenzt• Quelle für Oberschwingungen, Geräusche,
Vibration• HTS-Maschinen: Hohe Flussdichten,
daher nicht geeignet
Luftspaltwicklung• Fluss durchsetzt Spulen Wicklung mit
Litzen • Weiterhin Joch zur Führung, aber keine
Eisenzähne• Reduzierte Eisenverluste• Mehr Kupfer je Volumen möglich
400kW Modell-Motor Stator mit Luftspaltwicklung
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern
Inhalt
EinleitungSiemens HTS MaschinenentwicklungTechnologie HTS-SynchronmaschinenEigenschaften HTS-MaschinenAnwendungen
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HTS Maschinen Eigenschaften
• Höherer Wirkungsgrad Betriebskosten, Umweltschutz• Reduziertes Volumen & Gewicht Extrem Kompakt• Kleine Synchronreaktanz
MomentenüberlastbarkeitStabilität / SteifigkeitSpannungshaltung / Höchste Blindleistungsbereitstellung
• Stator mit LuftspaltwicklungKeine Nutoberschwingungen / geringer KlirrfaktorGeräuscharmVerminderte Vibrationen
• Ermöglicht neue Konzepte / Lösungen
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HTS-Modell-MotorBetriebsverhalten
Synchrone Längsreaktanz xd = 0,15
-500
-400
-300-200
-100
0
100
200300
400
500
1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280
time [ms]
U [V
]
-2000
-1600
-1200-800
-400
0
400
8001200
1600
2000
I [A
]
Current
Voltage
Voll-Lastaufschaltung von 0 austabiles Betriebsverhalten unter extremen Lastschwankungen
f 380 kW demonstriert höchst
(ohne Eingriff Regelung der Erregung)
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
HTS-Modell-Motor 400kW
Besondere Eigenschaften der HTSL-Maschine
HTSL-Modell-Motor
konv. Synchron-maschine
extrem steifes Betriebsverhaltensehr kleine synchrone Reaktanz xd 15% 250%sehr kleiner Polradwinkel ϑel 8° 50°dyn. Spannungsänderung ΔU 3% 15%hohe Überlastbarkeit MK /MN 700% 150%untererregter Betrieb ja neinhoher Dauerkurzschlussstrom IKD/IN 7 1,1
geringer Oberwellengehaltgeräuscharmschwingungsarmgeringer Oberwellengehalt THD 0,15% 3%
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
4MVA Generator
Highlights:
Gewicht 11t → 7t
Erstmalig am Netz 0 Juni 2005
Mechanische Eigenschaften
HTS- Rotor und Kühlsystem
Untererregt bis cos ϕ = 0
Wirkungsgradf (Kryokühlung inklusive) 98,7%(state of the art: ~97%)
Skalierung der Leistung (x10)4MVA/3600rpm Generator (getestet 2005)
• Kompakt • Effizient
Tauglichkeit im kommerziell interessanten Marktbereich nachgewiesen
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4MVA Generator
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Conventional HTS
Loss
es
CryoRotor field ohmicStray loadArmature ohmicCoreFriction & Windage
HTS
η = 98.7 %η = 97 %
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
HTS Machines – Siemens Development Today
4MW/120rpm Ship Propulsion Motor (2006 – 2009)
HTS Comparison to conventional syn. machine
Power 4 MW Same Torque > 300 kNm Same
Weight < 40 to Reduction by more than 1/3
Volume < 40 m3 Reduction by more than 1/3
Efficiency > 96% < 95% for conventional
Design Goals
Classification rules of „Germanischer Lloyd“
Design chosen to demonstrate all benefits (compactness and efficiency)
„Industrial“ Design (Cost)
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
HTS Machines – Siemens Development Today
Herausforderungen
Vergleich zum 4MVA Generator
• Drehmoment 30x höher
• 7x mehr Supraleiter benötigt, 50km geliefert vonEHTS GmbH, Alzenau
• Größe, Gewicht(Handling, Logistik)
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern
Inhalt
EinleitungSiemens HTS MaschinenentwicklungTechnologie HTS-SynchronmaschinenEigenschaften HTS-MaschinenAnwendungen
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
EnergieerzeugungSchiffbau („Inselnetz“)
Aggregatevergleich:Diesel vs. GasturbineVolumen auf ≈ 1/3Gewicht 85t → 10t
Aber: Gasturbine i.d.R. höhererBrennstoffverbrauch
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
EnergieerzeugungSchiffbau, Offshore Öl & Gas („Inselnetz“)
Containerlösung• > 5MW in Standardcontainern• Einfacher Transport• “Plug `n Play“• Flexibilität
“On demand”Bereitstellung(Kühlung)
ExtendedExploitation
Mehr Leistung bei gleichem Volumen, Gewicht
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3. Braunschweiger Supraleiter-Seminar
Retrofit (Schritt 1)Konventioneller Stator gleiches Gewicht/ VolumenErsetzen des konventionellen Rotors durch HTS RotorHöhere WirkungsgradErhöhtes Blindleistungsvermögen Geringer SupraleiterbedarfNutzung der Rotorkühlkapazität für Ständerkühlung
Retrofit (Schritt 1)Konventioneller Stator gleiches Gewicht/ VolumenErsetzen des konventionellen Rotors durch HTS RotorHöhere WirkungsgradErhöhtes Blindleistungsvermögen Geringer SupraleiterbedarfNutzung der Rotorkühlkapazität für Ständerkühlung
Max. Leistungsdichte (Schritt 2)Höchstfeld HTS Rotor kombiniert mit Hochleistungsstator (mit Luftspaltwicklung)Geringere Masse / Volumen(Faktor 2 bis 3 gegenüber konventionell möglich)Höherer WirkungsgradVoll übererregter und untererregter Betrieb bei Bemessungsleistung
Max. Leistungsdichte (Schritt 2)Höchstfeld HTS Rotor kombiniert mit Hochleistungsstator (mit Luftspaltwicklung)Geringere Masse / Volumen(Faktor 2 bis 3 gegenüber konventionell möglich)Höherer WirkungsgradVoll übererregter und untererregter Betrieb bei Bemessungsleistung
EnergieerzeugungHTS Kraftwerksgenerator - Entwicklungsschritte
HTS: hohe Stromdichte bei vernachlässigbaren VerlustenHTS: hohe Stromdichte bei vernachlässigbaren Verlusten
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97.8
98.0
98.2
98.4
98.6
98.8
99.0
99.2
99.4
99.6
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030G
ener
ator
wirk
ungs
grad
[%]
HTS Technologie
KonventionelleTechnologien
EnergieerzeugungHTS Kraftwerksgenerator
Inkrementelle Wirkungsgradverbesserung
durch Optimierung der konventionellen Technik
Durchschnittlich 0.5% Wirkungsgradverbesserung
mit HTS Rotor
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EnergieerzeugungGesamtwirkungsgrad
0 5000 10000 15000
Verluste [kW]
Vergleich 900 MVA Generator Verluste
Konventionell
HTS Retrofit
100 %
53 %
WirkungsgradKraftwerk
48.0 %
48.3 %
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AntriebeInnenbord Propellermotor (Schiff)
Gewicht ca. 70tVolumen ca. 70m3
Wirkungsgrad 1,5% + 2%Leistung ca. 420kW
Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss)
Schiff mit ~ 12MW Antriebsleistung, Einsparungen (HTS –Innenbordmotor & HTS-Generatoren)
} An den Maschinen allein, weitere Einsparungen (Fundament, Hilfsbetriebe …) und hydro-dynamische Effekte noch nicht berücksichtigt.
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AntriebePOD (Schiff)
Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam
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AntriebePOD (Schiff)
Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam
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AntriebePOD (Schiff)
Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam