Рассмотренная в § 2-3 схема устройства генератора с транспортерами-проводниками не является единственно возможной. На рис. 2-9 изображена простейшая схема генератора по А. Ф. Иоффе, в котором возбуждается не статор, а ротор. Возбуждающее и выходное напряжения имеют одинаковую полярность. В таком генераторе полная энергия W, переданная нагрузке, равна сумме механической работы W1, затраченной на перемещение заряда q1—q2 из положения с потенциалом U1 в положение с потенциалом U2, и электрической энергии W2, отбираемой от источника возбуждения:
Рис. 2-9. Схема генератора с возбуждением ротора по Иоффе. Обозначения как на рис. 1 § 2-3.
Выходное напряжение генератора равно полному напряжению между индуктором и транспортером: U2=U0. Мощность генератора удваивается при прочих равных условиях. В обеих схемах максимальное напряжение U0 ограничено величиной зазора d и не превышает 200 кВ. Для генераторов, работающих по схеме Теплера, это обстоятельство приводит к тому, что выходное напряжение составляет только 80—100 кВ.
Выходное напряжение генератора можно повысить в несколько
раз, если в многосекторном генераторе использовать каскадное соединение индукторов, придав им соответствующие потенциалы. На рис. 2-10 изображена схема генератора с перезарядкой в каскадном соединении с 2р секторами.
Рис. 2-10. Схема каскадного соединения дискового генератора.
1 — индуктор; 2-транспортер; 3 —щетка; 4 —сопротивление делителя напряжения; СУ, U1—напряжение возбуждения; U2—приращение напряжения транспортеров при переходе от одного индуктора к другому; р — число пар секторов.
Напряжение по системе индукторов распределяется с помощью делителя напряжения или с помощью полупроводящих покрытий на теле статора, как это было предложено акад. А. Ф. Иоффе. Потенциалы отдельных индукторов легко определить по соотношению
где q1 - заряд одного сектора транспортера;
— максимальная емкость сектора по отношению к индуктору;
Uтранс — потенциал сектора транспортера;
Uинд—потенциал индуктора.
При этом надо иметь в виду знак заряда. На поднимающейся и опускающейся частях транспортера заряды будут разных знаков, поэтому симметричные по отношению к вертикальной осевой линии индукторы будут иметь неодинаковые потенциалы. На рис. 2-10 показано распределение потенциалов на «поднимающейся» и «опускающейся» частях индукторов. Генератор, работающий по такой схеме, дает напряжение в р раз больше, а ток—в р раз меньше, чем многосекторный генератор обычного исполнения. Мощность генератора при прочих равных условиях остается прежней. Легко видеть, что если в каскад соединить только половину секторов, получим две параллельные системы с половинным напряжением и удвоенным током. Можно осуществить и другие комбинации. Таким образом, многосекторный генератор можно уподобить батарее источников тока, соединения в которой выполняются в соответствии с характером нагрузки.
Примером дискового генератора такого типа может служить генератор на 250 кВ, имеющий пять дисков, разделенных на 12 секторов, с тремя параллельными системами из четырех секторов, соединенных последовательно. Диаметр дисков 39 см, зазор 4 мм, толщина секторов 8 мм. При 750 об/мин мощность генератора составляет 500 Вт. Электрическая компания Франции использовала два таких спаренных генератора с разными полярностями напряжения для выполнения исследований по короне на воздушных линиях электропередач постоянного тока.
Рис. 2-11. Схема действия генератора с ротором, постоянно находящимся под потенциалом возбуждения.
Хотя результаты, полученные с подобными генераторами дискового типа, оказались достаточно удовлетворительными, конструирование вращающихся частей в генераторах представляет большие трудности, поскольку крепление металлических секторов производится на теле ротора из изолирующего Материала. Центробежные силы вызывают деформацию изолирующих частей транспортеров, а отсюда — перекос дисков. В дальнейшем был разработан такой многодисковый генератор, в котором все изолирующие части были удалены из ротора. Диски с вырезами в несколько секторов целиком изготовлялись из металла и закреплялись на металлической же оси. Выполненный образец такого генератора при 70 кВ развивал ток до 10 мА. Одна из схем работы генератора приведена на рис. 2-11. Здесь роль индуктора выполняют пластины 2 ротора, соединенные накоротко и подключенные к источнику возбуждения U1. Заряды наводятся на пластинах 1 статора, которые с помощью щеток и коллекторов 3 и 4 поочередно соединяются то с землей, то с выводом. Количество пластин статора вдвое больше пластин ротора. Угловой размер коллекторных пластин равен примерно половине углового размера секторов генератора. Каскадное соединение таких генераторов также возможно и осуществляется рядом отдельных агрегатов со своей системой коллекторов и щеток в каждом из них.
В генераторах дискового типа рабочее пространство используется наилучшим образом, и генераторы развивают сравнительно большую удельную мощность. В ряде случаев, когда требуются небольшие мощности порядка десятков ватт, применяют генераторы цилиндрического типа, более удобные с точки зрения изоляции и конструктивного оформления транспортеров, но развивающие меньшую удельную мощность по причине слабого использования полезного пространства. Цилиндрическая форма ЭСГ особенно удобна для разработки малогабаритных источников высокого напряжения малой мощности.
На рис. 2-12 дано схематическое изображение конструкции генератора цилиндрического типа с самовозбуждением. На двух фланцах 1 и 2 из изолирующего материала укрепляются четыре пластины статора, выполненные в форме сегментов цилиндра, и ротор 4, насаженный на ось вращения 5.
Ротор несет две системы пластин: основную и дополнительную. В дальнейшем они будут именоваться основным и дополнительным роторами. Появление случайного заряда на пластине 3 статора, например, за счет контактной разности потенциалов щеток и коллектора индуктирует на пластине 6 дополнительного ротора заряд противоположного знака. Одноименный с возбуждающим заряд отводится к заземленному корпусу 16 с помощью щетки 7. При вращении ротора пластина 6 отсоединяется от щетки 7, а потенциал сохранившегося на ней заряда повышается.
Рис. 2-12. Схема действия и устройства цилиндрического генератора с транспортерами-проводниками.
Через пол-оборота пластина 6 соединяется с помощью щетки 8 с пластиной статора 9 и передает ей свой заряд. Пластина 9, оказавшись заряженной, вызывает по индукции появление заряда на пластине 10 основного ротора, соединенной в этот момент с заземленным корпусом через щетку 11. При дальнейшем вращении ротора контакт со щеткой прерывается, а потенциал пластины возрастает. В верхнем положении пластина 10 через щетку 12 соединяется с пластиной 3 и передает ей свой заряд. Появление дополнительного заряда на пластине 3 вызывает увеличение индуктируемого заряда на пластине 6 вспомогательного ротора; процесс прогрессирует, вызывая увеличение заряда возбуждающей пластины 9 статора, а отсюда и увеличение заряда пластины, соединенной с выводом высокого напряжения 13. Пластины статора 14 и 15 служат для правильного распределения электрического поля в генераторе.
Во избежание перенапряжений на возбуждающей пластине 9 статора, поскольку заряды к ней только подводятся, но не отводятся, длина пластин вспомогательного ротора выбирается малой с тем, чтобы заряды, переносимые ими, только возмещали утечку зарядов с возбуждающей пластины при ее номинальном напряжении и заданной скорости вращения ротора.
На рис. 2-13 приведена фотография генератора цилиндрического типа на 50 кВ, 100 мка, сконструированного в Томском политехническом институте. Генератор располагается в цилиндре давления с внутренним диаметром 100 мм и работает в среде сжатого до 20 ат углекислого газа. Материалом ротора служит плексиглас.
Рис. 2-13. Генератор цилиндрического типа на 50 кВ и 100 мка.
Торцы ротора, на которых располагаются коллекторные пластины, покрыты фторопластом 4 улучшения скольжения щеток. Пластины статора и ротора выполнены из дюралюминия толщиной 3,5 мм. Зазор между статором и ротором составляет также 3,5 мм. Ротор приводится во вращение двигателем ДШС-2, позволяющем регулировать число оборотов от 0 до 3 000 об/мин.
С генераторами подобного типа можно получить значительно большие напряжения, применив последовательное соединение отдельных генераторов, помещенных в общий баллон давления.
Несмотря на значительную удельную мощность, развиваемую дисковыми ЭСГ с транспортерами-проводниками, они пока еще остаются несовершенными, поскольку активная лобовая поверхность транспортеров значительно меньше полной поверхности, не испытывающей действия полезных сил. Стремление к увеличению полезно действующей поверхности привело к тому, что транспортеры получили форму стержней, изолированных друг от друга.
Генераторы, в которых стержни расположены по радиусу, получили название радиальных (рис. 2-14), а генераторы, в которых стержни расположены параллельно оси ротора, называются аксиальными стержневыми генераторами (рис. 2-15). Стержни могут иметь круглое или эллиптическое сечение.
Рис. 2-14. Радиальный стержневой генератор, 1—тело ротора; 2—стержни (транспортеры); 3 — ось ротора; 4- соединительная шпилька; 5 —коллекторная пластинка; 6 — стержневые индукторы; 7 и 8 — пластинчатые индукторы (возбуждающие).
а —общий вид ротора; б —разрез генератора вдоль оси ротора; в —вид генератора с торца.
На рис. 2-16 дано графическое изображение электрического поля при внесении в него заряженного проводника круглого сечения (а) и эллиптического (б). До внесения проводника поле было однородным с напряженностью Е0. Рис. 2-15. Аксиальный стержневой генератор.
1 — изолирующие фланцы ротора; 2 —ось ротора; 3 —стержни ротора (транспортеры); 4 —тело статора; 5—стержневые редукторы; 6 -сопротивление делителя напряжения; 7 и 8 — возбуждающие индукторы; 9— заземленная щетка; 10 — щетка высокого напряжения.
а — внешний вид ротора; б — вид генератора с торца.
Из рисунка видно, что внесение заряженного проводника вызвало перераспределение поля. Необходимо, чтобы максимальная напряженность поля, действующая на лобовую поверхность стержней, не превышала Епр, а отношение
действующей силы F к возможной силе
где S—поверхность лобового элемента, было максимальным.
Рис. 2-16. Распределение электрического поля в пространстве, окружающем заряженный проводник круглого сечения и эллиптического сечения, помещенных в однородном поле.
Это отношение называется коэффициентом формы поверхности. Оптимальная величина коэффициента формы достигается при соотношении осей эллипса 1,62 и Е0=0,34Епр и равна 0,95. Коэффициент формы для стержня круглого сечения равен 0,78.
Схемы зарядки стержней и получения поля Е0 показаны на рис. 2-14 и 2-15. При проходе подвижных стержней 3 около возбуждающего индуктора 7 (рис. 2-15) с потенциалом выполненного в виде пластины, они соединяются с заземленной щеткой 8 и получают индуктированный заряд + Q. Дальнейшее их движение в поле Е0, создаваемое стержневыми индукторами 5, приводит к повышению их потенциала. Вблизи индуктора 8 стержни соединяются со щеткой и передают ей свой заряд. Индуктор 8 имеет потенциал, превышающий на величину U1 потенциал щетки, поэтому стержни получают под индуктором 8 заряд—Q и уносят его к заземленной щетке. Необходимое равномерное распределение потенциалов по системе индукторов, образующих статор генератора, достигается с помощью делителя напряжения 6. Стержневые индукторы могут быть заменены сплошной полупроводящей массой, но с полусферическими выемками по форме стержней. Максимальное напряжение, получаемое в генераторе, определяется соотношением между паразитной емкостью С0 и полезной емкостью С стержней по отношению к индуктору 7. Если это отношение равно, например, 0,1, то напряжение U2 не может превысить десятикратного значения U1. Для устранения этого недостатка применяются так называемые поперечные соединения, показанные на рис. 2-15, сообщающие дополнительный заряд со сбегающей части стержней на набегающую их часть. Теоретически желательно возможно большее количество поперечных связей; на практике ограничиваются одной-двумя связями.
С помощью стержневых генераторов получают высокие напряжения до миллиона вольт. По существу это каскадный генератор, рассмотренный нами ранее, и его прототипом является первый генератор А. Ф. Иоффе, только там вместо стержней использовались пластинки прямоугольного сечения без соответствующего расчета их размеров и формы.
Из рассмотрения конструкций стержневых генераторов видно, что радиальный генератор должен развивать большую мощность, поскольку он может быть выполнен с несколькими параллельными рядами стержней, однако в конструктивном отношении он сложнее. Аксиальный стержневой генератор конструктивно проще. Аксиальный генератор с ротором диаметром 10 см и длиной 10 см, с 30 стержнями круглого сечения диаметром 5 мм при 3 000 об/мин развивал напряжение 500 кВ и 0,15 мА в сжатом до 6 ат воздухе. Радиальный стержневой генератор диаметром 40 см с 90 стержнями длиной 10 см при 2 000 об/мин и давлении воздуха 10 ат давал ток 700 мка при 1 200 кВ, т. е. мощность 840 Вт.
Удельная мощность стержневых генераторов больше удельной мощности дисковых генераторов в несколько раз.
