Маёвец работает над первым в мире сверхпроводниковым выпрямителем

Постоянное стремление к повышению экономичности и снижению вредных выбросов стоит во главе совершенствования транспортных средств. Но традиционное двигателестроение уже достигло «потолка» в своём развитии. Следующий шаг — внедрение систем электродвижения, в которых прямой привод заменен на электрический двигатель.

Традиционный двигатель может входить в состав такой системы в качестве первичного источника механической энергии, но работать он будет в оптимальном режиме на номинальной частоте вращения, что обеспечит максимально возможный КПД при сжигании топлива. Управление тягой будет осуществляться регулированием электрической мощности. В таком случае система электродвижения считается гибридной.

Гибридные системы электродвижения на базе полупроводниковых компонентов уже применяются в электромобилях и тяжёлых кораблях, но их КПД относительно невелик и не является предельным для электрических транспортных средств. Сегодня ведущие научные коллективы мира работают над созданием сверхпроводниковой системы электродвижения, КПД которой может превышать 95 %. Ведутся такие работы и в Московском авиационном институте: «главной» по ним уже несколько десятилетий остаётся кафедра 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы». Обучающийся на кафедре студент первого курса магистратуры Владимир Логутов — один из тех, кто вносит свой вклад в эту масштабную работу. Он занимается созданием сверхпроводникового выпрямителя переменного тока, аналогов которому пока не существует в мире.

Общий вклад в КПД

Выпрямитель переменного тока — один из компонентов перспективной схемы электродвижения, которая представляет собой совокупность последовательно подключенных электрических и электромеханических преобразователей.

— Суммарный КПД любой системы равен произведению коэффициентов полезного действия каждого элемента. Поэтому целесообразно увеличивать КПД каждого отдельного устройства, находящегося в её составе. Чтобы повысить КПД, надёжность и ресурс существующих систем электродвижения, в первую очередь, следует отказаться от использования механических преобразователей, — объясняет Владимир Логутов. — Переход на сверхпроводниковые эквиваленты является очень перспективным вариантом развития техники, так как потенциал резистивных проводников и полупроводниковых систем уже исчерпан.

Уже сейчас все силовые электромеханические элементы системы электродвижения и кабели в ней можно заменить на более эффективные сверхпроводниковые. Однако существующие выпрямители и инверторы являются полупроводниковыми, что не подразумевает их размещение внутри холодной зоны криостата, где должны находиться сверхпроводниковые элементы. Чередование в системе сверхпроводниковых и полупроводниковых зон приводит к теплопритокам в холодной зоне криостата и снижению суммарной эффективности, сводя на нет выгоду от использования сверхпроводниковых элементов. Этим обоснована необходимость создания выпрямителей и инверторов на принципиально новых ключах, способных работать в криогенной зоне.

Работа маёвца в данном направлении ведётся немногим более года. Проект уже был представлен на Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения», где удостоился первого места в секции «Электротехника, электротехнические комплексы и электроника». Выпускная квалификационная работа, развивающая тему, была защищена на кафедре 310 на «отлично».

Ключ к успеху

Изготовить выпрямитель предполагается на основе высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения. Она используется для создания главного элемента системы — ключа, который под действием внешнего магнитного поля «запирается» и препятствует протеканию тока. Известным аналогом является криотрон — управляемый ключ на основе низкотемпературного сверхпроводника, который под действием управляющего сигнала частично теряет свои электропроводящие свойства. Однако из-за трудности достижения и поддержания сверхнизких температур (4,2 К) такие ключи ранее не получили широкого распространения.

Основная задача исследования — поиск схемы, при которой ключи в сочетании с другими элементами системы электродвижения будут правильно выполнять функцию преобразования переменного тока в постоянный, то есть должно быть обеспечено автоматическое управление переключением ключей.

— Существует множество сочетаний конструктивных схем, нормально замкнутых и нормально разомкнутых ключей, вариантов взаимного подключения катушек и их параметров, видов нагрузок. Этот обширный перечень комбинаций нуждается в изучении и детальной проработке, — говорит Владимир.

В настоящее время маёвец уже составил методику аналитического расчёта сверхпроводникового выпрямителя и провёл численную проверку многих схемотехнических решений. Ведётся подготовка к изготовлению экспериментального прототипа и проведению испытаний по созданной программе.

Транспорт будущего

В будущем транспортные средства будут использовать для движения водород, который можно считать идеальным химическим топливом. Его преимущества: максимальная удельная теплотворная способность, в разы превышающая таковую у керосина и природного газа; экологическая чистота (конечный продукт окисления — вода); доступность.

Неизбежность применения водорода открывает новые возможности. Например, сегодня для экспериментов с высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения используется жидкий азот с температурой кипения 77 K. Этого достаточно для достижения состояния сверхпроводимости. Однако жидкий водород с куда более низкой температурой кипения 20,5 K при нормальном давлении даст лучшую токонесущую способность сверхпроводников при прочих равных.

— В западных странах активно ведутся работы по созданию сверхпроводниковых электродвигателей для авиационного применения и водородной энергетики. На одну из таких программ Horizon 2020 было выделено финансирование в десятки миллиардов евро, — рассказывает доцент кафедры 310, кандидат технических наук Роман Ильясов. — В лентах мировых информационных агентств регулярно появляются сообщения об авиационно-водородных частных стартапах и студенческих проектах на стадии лётных испытаний прототипов. Единственной стратегией, позволяющей не отстать, является разработка принципиально новых технических решений. Например, если весь мир уже широко использует радиолампы, то чтобы вырваться вперёд, нужно не разрабатывать радиолампу с улучшенными характеристиками, а изобрести принципиально новый полупроводниковый ключ.

Разделяет это мнение и Владимир Логутов.

— Я считаю тему сверхпроводников очень перспективной. Именно поэтому мне важно и приятно заниматься разработкой реального устройства, которое станет частью целой системы электродвижения, — это интересная и неисчерпаемая область. Я верю в успех своего проекта: его прикладное применение и дальнейшее развитие, — заключает Владимир.