Научное обоснование возможности трансформирования тока и напряжения электростатическим путем впервые дано Оллендорфом. Как и в случае электрических генераторов, обнаруживается аналогия между электромагнитным и электростатическим трансформаторами. Используя теорию дуальных цепей, можно вывести основные уравнения электростатического трансформатора.
Если в электромагнитном трансформаторе аккумулятором энергии является реактивная катушка с железным сердечником с магнитной проницаемостью μ, to в электростатическом трансформаторе аккумулятором энергии должен быть конденсатор, промежуток между обкладками которого заполнен диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε. При приложении к обычному конденсатору постоянного напряжения он начинает отбирать электрическую энергию от источника напряжения до тех пор, пока энергия, запасенная в диэлектрике, — энергия электростатического поля — не будет достаточной, чтобы поддерживать напряжение на диэлектрике, равное приложенному напряжению.
Рис. 2-50. Схема действия электростатического трансформатора.
Уменьшение приложенного напряжения приводит к тому, что часть энергии, запасенной в конденсаторе, возвращается обратно источнику питания в виде электрической энергии. В реактивной катушке имеет место перенос энергии из электрической цепи в магнитную и из магнитной — в электрическую. Применением двух обмоток внешние цепи разделяют и, таким образом, осуществляют передачу энергии из одной электрической цепи в другую — таков принцип статического электромагнитного трансформатора. В статическом же конденсаторе невозможно разделение электрических цепей. В этом случае используют явление, впервые установленное Фарадеем. Если отвести обкладки заряженного конденсатора от диэлектрика, то при достаточно высоком удельном электрическом сопротивлении его на нем сохраняются наведенные ранее заряды. Помещая этот заряженный диэлектрик между другими обкладками, вновь получают заряженный конденсатор, который можно включить во вторичную цепь.
Первые конструкции электростатических трансформаторов с подвижным диэлектриком, который также может быть назван транспортером зарядов, были предложены в 1941 г. М. Л. Баскиным. На рис. 2-50 изображена одна из схем трансформации напряжения U1 в более высокое напряжение U2. Заряды на транспортер наносятся с помощью щеток А и А' первичной цепи и снимаются щетками В1. . ,В'1 , Вi,В'i вторичной цени.
В приведенном расчете не учитывались внутренние потери в трансформаторе. Если щетки имеют форму коронирующих ионизаторов, действительное напряжение на каждой паре щеток должно увеличиться на удвоенную величину остаточного напряжения у ионизаторов. Дополнительная энергия будет затрачиваться в переходном слое и у трущихся щеток.
Рис. 2-51. Схема параллельно-последовательного соединения электростатических трансформаторов.
Необходимо отметить, что в электростатическом трансформаторе электрическое поле сосредоточено только в материале транспортера, поэтому повышение электрической прочности средни, в которой работает транспортер, необходимо лишь для изоляции высокого напряжения.
Ток во вторичной цепи трансформатора уменьшается обратно пропорционально величине т. Для увеличения тока во вторичной цепи применяют параллельно-последовательное соединение с применением нескольких транспортеров, причем первичные цепи соединяют параллельно, а вторичные — последовательно. Схема такого соединения показана на рис. 2-51. Разновидностью такой схемы будет схема, в которой часть вторичных щеток будет также соединена параллельно.
Рис. 2-52. Схема устройства и электрических соединений электростатического трансформатора на 150—200 кВ.
На рис. 2-52 изображена схема устройства и электрических соединений цепей электростатического трансформатора на 150—200 кВ, описанного Мальпика, с коэффициентом трансформации 3: 1 (U до 70 кВ). Трансформатор имеет восемь стеклянных дисков диаметром 1 м и толщиной 7 мм, расположенных на изолированной оси. Каждый диск имеет по две пары щеток в первичной и вторичной цепях, расположенных по обе стороны диска с углом в 90°. На рис. 2-52 щетки первичной цепи спроектированы на ось, а щетки вторичной цепи — справа и слева от оси.
Для переноса зарядов используются только шесть дисков. Два крайних диска служат экранами и со щетками не соединены. Вращение системы производится при помощи ремней, надеваемых на диски. Для уменьшения коронирования щетки закрываются экранирующей проволочной сеткой диаметром 14 см.
Соединения во вторичной цепи выполнены параллельнопоследовательными группами. Каждая из трех последовательных групп состоит из двух дисков, щетки которых соединены параллельно. Применение двух таких трансформаторов позволило получить напряжение холостого хода Ux.x= 350 кВ при n=268 об/мин и U1=40—50 кВ. При токе 1 мА напряжение U2 составляло 300 кВ.
Описанная установка является моделью трансформатора на 1 000 кВ.
