2-4. УСЛОВИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ С ТРАНСПОРТЕРАМИ-ПРОВОДНИКАМИ И К.П.Д. ГЕНЕРАТОРА
Формула для продельной мощности генератора 
позволяет определить условия увеличения мощности генератора.
Основное условие увеличения мощности заключается в обеспечении большой плотности энергии электрического поля в зазоре
являющейся в то же время выражением механических сил, действующих на транспортеры в электрическом поле. Для этого необходимо иметь среду с высокой электрической прочностью, удовлетворяющей также и другим требованиям, о чем уже говорилось в §2-1.
Другим важным условием повышения мощности является увеличение действующей поверхности транспортеров. В данном случае мы рассматриваем лишь дисковые генераторы, в которых транспортерами служат секторы диска. Мощность дискового генератора увеличится в 2 раза, если использовать полную поверхность диска с обеих сторон. Для этого применяются спаренные индукторы—так, как показано на рис. 2-6 § 2-3. Применением т дисков на одном валу с соответствующим количеством индукторов (т+1) можно увеличить мощность генератора еще в т раз. Размеры дисков могут быть также увеличены.
Однако получение развитой поверхности дисков наталкивает на ряд практических трудностей, связанных с соблюдением точных геометрических размеров дисков и обработки их поверхностей.
Величина зазора d в генераторе также ограничена. Это объясняется тем, что, во-первых, с увеличением d электрическая прочность Е промежутка уменьшается. Во вторых, с увеличением d увеличивается соответствующим образом и толщина h индукторов и транспортеров. При большой величине h последние были бы тяжеловесными. С другой стороны, при малой величине h транспортерам трудно придать правильную форму. Оптимальное значение d лежит в пределах от 4 до 10 мм.
Значительное повышение мощности получают увеличением числа секторов диска. До сих пор мы рассматривали генераторы с одной парой секторов, когда последние имели угловой размер примерно 180. Если разделить диск на 2р секторов, то каждый из них будет иметь угловой размер ~180/р, причем число индукторов будет равно р. Секторы одного и того же диска соединяются между собой через один: получаются две системы электрически соединенных секторов ротора. Все индукторы соединяются между собой накоротко. Число щеток остается равным двум. Это—одно из преимуществ генераторов с транспортерами-проводниками.
Увеличение числа секторов диска ведет к тому, что рабочий цикл генератора повторяется не через 180 поворота ротора, а через 180/р. Так как поверхность дисков при этом не изменяется (в действительности она несколько меньше за счет потерянного пространства между секторами), мощность генератора увеличивается в р раз. Это объясняется увеличением поверхности лобовых частей транспортеров в р раз и соответствующим увеличением сил, действующих на эти поверхности. Число пар секторов, на которые можно делить диск с радиусом г, имеет предел:
где k1=0,1—0,15 — так называемый полюсный коэффициент. Например, для генератора с дисками диаметром 300 мм и зазором 3 мм
Ограничение в числе пар секторов объясняется появлением дополнительных паразитных емкостей между секторами, снижающими мощность генератора. На рис. 2-7 приведена упрощенная конструкция дискового генератора с двумя дисками и пятью парами секторов.
Мощность генератора прямо пропорциональна скорости вращения ротора. Для рассмотренного типа генераторов скорость не превышает 1 500 об/мин во избежание больших центробежных сил, действующих на металлические транспортеры, укрепленные на изоляционном теле ротора.
Таким образом, предельная мощность многодискового многосекторного генератора может быть определена по формуле:
(2-40)
где S1=2S/2р односторонняя поверхность одного сектора,
a S, как известно, — односторонняя поверхность полудиска в элементарном генераторе. Удельная мощность такого генератора может достигать более 100 кВт на кубический метр полезного объема.
Рис. 2-7. Схема многодискового многосекторного генератора.
1 — транспортер; 2 —индуктор; 3 и 4 —щетки.
Мощность генератора можно повысить еще в несколько раз, если применить перезарядку транспортера. Простейшая схема с перезарядкой генератора с транспортерами-проводниками выглядит так, как показано на рис. 2-8. Генератор снабжается дополнительным индуктором 2, находящимся под напряжением Uo. В момент отсоединения транспортера 3 от щетки 7 система обладает зарядом q1=C1U1. При достижении напряжения U2 транспортер соединяется со щеткой 8, и начинается отвод зарядов в цепь нагрузки. Этот отвод продолжается до тех пор, пока транспортер не войдет полностью под индуктор 2. В этот момент заряд транспортера равен q2=C1 (U2— U0)=—C1U1. Он передается заземленной щетке 7.
Рис. 2-8. Схема простейшего генератора с перезарядкой. 1 и 2 —индукторы; 3 и 4—транспортеры; 5 и 6 — коллекторные пластины; 7 и 8 — щетки; U1 — напряжение возбуждения с низкой стороны; U2—выходное напряжение; U0—напряжение возбуждения с высокой стороны; R — нагрузка.
Как у всяких других механических генераторов, потери в ЭСГ подразделяются на механические и электрические.
С этой точки зрения можно говорить о механическом или электрическом к. п. д. генератора.
Механические потери вызваны явлениями трения в газовой среде, в подшипниках вала и на коллекторе. К электрическим потерям относятся утечки тока по изоляции, потери на корону (или ионизацию), диэлектрические и джоулевы потери, а также потери, связанные с искрением щеток.
Если в электромагнитных генераторах общие потери определяются в основном электрическими потерями, то в электростатических генераторах, наоборот, решающую роль играют механические потери. Это объясняется тем, что, во-первых, ЭСГ имеют развитую поверхность и, во- вторых, движение транспортеров происходит в сжатом газе. Наоборот, электрические потери в ЭСГ могут быть снижены до минимума, и электрический к.п.д. ЭСГ с транспортерами-проводниками приближается к 100%. Если
обеспечить правильную форму транспортеров, использовать достаточно чистый газ и не допускать перенапряжений, потери на корону можно совершенно исключить. Выбором соответствующих изоляционных материалов сводят к минимуму утечки тока по изоляции. Так как ЭСГ является генератором постоянного тока, явлениями диэлектрических потерь, вызванными только пульсациями тока, можно пренебречь. Наконец, правильным решением вопросов коммутации исключаются также и потери на искрение в щетках. Таким образом, с теоретической точки зрения электрический к. п. д. ЭСГ значительно превосходит электрический к.п.д. электромагнитных генераторов. Механические потери за счет трения в газе могут быть приблизительно рассчитаны по формуле для удельной силы трения
где р — удельный вес газа, г/см3, ν — окружная скорость транспортеров, см/сек. Постоянная С не имеет размерности и в большинстве случаев может быть приравнена к 10-3. По расчетам, проведенным для дискового генератора на 250 кВ, 500 Вт с n=1 500 об/мин, мощность механических потерь составляет порядка 60 Вт. Полагая мощность электрических потерь не более 5 вт, получаем теоретический к.п.д. генератора:
