Moottorit ja generaattorit

Kun multifilamenttinauha NbTi:stä kehitettiin, alettiin myös suunnitella suprajohtavia generaattoreita, joissa olisi pyörivä suprajohtava kenttäkela ja ei-suprajohtava staattori. Monet projektit päätyivät prototyyppivaiheeseen, mutta 80-luvun puolivälissä ne lopetettiin eri olevista syistä. Tutkimus jatkui vain Japanissa ja Koreassa, missä energian hinta teki jopa LTS laitteista edullisia. Koska suuret suprajohtavat moottorit ovat periaatteessa samanlaisia kuin generaattorit, LTS-moottorit näyttivät edullisilta vain hyvin suurina, joiden markkinat ovat erittäin rajoitettuja. HTS:n löytyminen herätti kiinnostuksen uudelleen.

Miksei LTS generaattoreita ?

Lq-He jäähdytetyt laitteet olivat edullisia vain yli 1000 MVA kapasiteetilla.
Tarvittava generaattorikapasiteetti oli luokkaa 100 MVA.
Lq-He jäähdytettyjä laitteita ei pidetty tarpeeksi luotettavina.

Miksi HTS on parempi ?

Jäähdytykseen tarvittava energia on pienempi.
Voidaan käyttää yksinkertaisempaa ja luotettavampaa jäähdytyssysteemiä.

Synkronoidun koneen teho

$\begin{eqnarray*} P &\propto& VBJ_{max} \\ P &=& \mathrm{teho} \\ V &=& \ma... ... J_{max} &=& \mathrm{huippu\ J} \\ & & \mathrm{staattorissa} \end{eqnarray*}$

Sekä suprajohtavassa että perinteisessä synkronoidussa koneessa on normaalimetallista tehty staattori, joten laitteen tehoa ei voida nostaa ohmisen vastuksen rajoittamaa virtaa kasvattamalla. Perinteisessä synkronoidussa koneessa on rautasydän, joka vahvistaa kenttäkelojen kentän. Saturaatio kuitenkin rajoittaa tämän kentän noin 2 T:aan. Poistamalla rautasydämen ja käyttämällä suprajohtavia keloja voidaan laitteen massaa pienentää ja magneettikenttä nostaa. Riittävät tehokkuus, koko ja paino vaativat noin 5 T:n kenttää.

Yleensä suprajohteita ajatellaan käytettäväksi vain DC kentän luomiseen roottoriin, mutta myös staattorin kelat voidaan tehdä suprajohteesta. Sitä rajoittavat vain AC häviöt suprajohteessa, jotka tosin voivat olla hyvinkin suuria.

SC generaattorin hyödyt

Parempi massa/ ja tiheys/teho suhde $\rightarrow$ suuremmat nimellistehot
Pienemmät häviöt $\rightarrow$ säästöjä
Parempi transienttikäytös (pienempi reaktanssi)
Korkeampi jännite staattorissa (mahdollinen ylös-muuntajan eliminaatio)

Generaattoreissa, joissa on normaalimetallista tehty staattori, on roottorin kryostaatti hyvin monimutkainen. Pienemmät reaktanssit ovat parempia käytönaikaisen stabiiliuden kannalta, mutta ne johtavat huimiin voimiin vikatilanteiden aikana (oikosulut). Niinpä generaattoreiden mekaaninen rakenne on ylisuuri normaalioperaatioon nähden, jotta se kestäisi nämä rasitteet. Mikäli myös staattori olisi suprjohtava, se parantaisi edelleen em. kohtia, lukuunottamatta reaktanssia. Korkea reaktanssi staattorissa aiheuttaa epästabiliutta koneessa, mutta muuten se mahdollistaa pienemmät ja kevyemmät koneet. Näin ollen, mikäli sen aiheuttamat ongelmat voidaan suunnittelulla ratkaista, olisi kokonaan suprajohtavat generaattorit ratkaisu moneen pulmaan. Lisäksi roottorin hankalasta jäähdytyksestä saataisiin yksinkertaisempi käyttämällä esim. He jäähdytteistä Nb-Ti-lankaa staattorissa ja jäähdyttämällä BSCCO-roottori höyrystyvällä kaasulla.