Corporate Technology Entwicklung rotierender HTS … · Braunschweiger Supraleiter-Seminar Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern Inhalt Einleitung

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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Weltweite Entwicklungvon HTS Maschinen

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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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Siemens-Maschinen mit Hochtemperatur-Supraleitern

Inhalt


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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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Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern

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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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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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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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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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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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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

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0

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400

500

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time [ms]

U [V

]

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-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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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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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%

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60%

80%

100%

Conventional HTS

Loss

es

CryoRotor field ohmicStray loadArmature ohmicCoreFriction & Windage

HTS

η = 98.7 %η = 97 %

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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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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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EnergieerzeugungSchiffbau („Inselnetz“)

Aggregatevergleich:Diesel vs. GasturbineVolumen auf ≈ 1/3Gewicht 85t → 10t

Aber: Gasturbine i.d.R. höhererBrennstoffverbrauch

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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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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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2030G

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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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