При большом числе ступеней каскадного генератора и схеме питания от одного силового трансформатора по однополупериодной схеме выпрямления при нагрузке имеют место большие падение и глубина пульсации напряжения. Это является следствием ограниченных возможностей применяемой схемы зарядки емкостей, когда используется полуволна напряжения. Возможности зарядки ограничиваются также и сопротивлением всей цепи последовательно включенных конденсаторно-выпрямительных схем. Режим работы каскадного генератора можно улучшить, применив питание по двухполупериодной схеме выпрямления или схему удвоения напряжения. Еще лучше питать каждую ступень каскадного генератора от отдельного выпрямителя Преимуществом такой схемы является одновременная параллельная зарядка всех конденсаторов схемы от своего отдельного зарядного агрегата, а следовательно, значительно больший зарядный ток. Разрядка конденсаторов на нагрузку будет начинаться также одновременно. Такие условия позволяют создать схему с большей величиной тока на выходе и уменьшить падение и пульсацию напряжения.
Проф. А. А. Горев предложил способ получения высокого постоянного напряжения при последовательном соединении конденсаторно-вентильных схем, каждая из которых питается от своего отдельного силового трансформатора через выпрямители. Силовые трансформаторы изолируются от земли на соответствующее высокое напряжение, как это изображено на схеме рис. 3-41.
Питание силовых трансформаторов можно производить при помощи одной из схем последовательного соединения трансформаторов. В данном случае питание силовых трансформаторов предусмотрено через систему разделительных трансформаторов с коэффициентом трансформации 1:1. При таком включении все напряжение, получаемое на выходе установки, равномерно распределяется на изоляции питающих трансформаторов. Действие схемы было исследовано на модели и описано Я. Б. Данцисом.
На рис. 3-41 Tp1, Tp3, Tp5— разделительные трансформаторы, изолированные на соответствующее высокое напряжение; Тр2, Tp4, Tp6—силовые трансформаторы;
К3, К12 — газотроны; r0— зарядные (они же защитные) сопротивления; R1 — сопротивление нагрузки; С1 —заряжаемые емкости.
Действие схемы состоит в следующем.
Рис. 3-41. Электрическая схема получения высокого постоянного напряжения при последовательном соединении конденсаторно-вентильных схем (по проф. А. Л. Гореву).
Когда точки а, а' и а" находятся под высоким положительным потенциалом, то через К1, К4, К5, К8, К9 и К12 происходит зарядка емкостей С1, включенных попарно-последовательно. В следующий полупериод переменного тока, когда положительный потенциал имеют точки b, b' и b", будут работать газотроны К2, К3, К6, К10 и К11, через которые подзаряжаются те же емкости. Проводник ОО1 является уравновешивающим, выравнивающим напряжение между конденсаторами. Если схема симметрична, то ток в уравнительном проводе ОО1 равен нулю. Напряжение на выходе схемы равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах схемы. Эквивалентная схема каждой отдельной ступени рис. 3-41 может быть представлена в виде простой схемы двухполупериодного выпрямления напряжения с подключением приходящейся на нее части нагрузки (рис. 3-42).
Диаграмма токов и напряжений для схемы рис. 3-42 изображена на рис. 3-43, где U2—напряжение на вторичной обмотке трансформатора; UR— напряжение на нагрузке; i— ток во вторичной обмотке трансформатора i' и ί"— токи через соответствующие вентили; а—угол зажигания вентиля, т. е. угол, cooтветствующий началу прохождения тока через вентиль; 0 — угол отсечки, т. е. время в электрических градусах, в продолжение которого вентиль пропускает ток.
Рис. 3-43. Диаграмма токов и напряжений для электрической схемы рис. 3-42.
При такой схеме включения силовые трансформаторы каждой ступени, кроме первой, оказываются под постоянным напряжением относительно земли, причем это напряжение увеличивается от ступени к ступени. Л. К. Вальтер и К. Д. Синельников предложили питание изолированных силовых трансформаторов каждой ступени от изолированных асинхронных генераторов переменного тока.
Рис. 3-45. Электрическая схема последовательного соединения конденсаторно-вентильных схем умножения напряжения с отдельным питанием каждой ступени (по А. К. Вальтеру и К. Д. Синельникову).
Этот принцип был применен ими при постройке установки, которая состояла из двух соединенных последовательно схем учетверения напряжения, осуществленных путем использования обеих полуволн переменного тока. Схема соединения первой ступени установки изображена на рис. 3-46.
Накал катодов кенотронов, включенных в схему, производился с помощью аккумуляторов. Возбуждение статора генератора также осуществлялось аккумулятором. Ротор генератора вращался с помощью ременной передачи от двигателя, установленного на земле. Кожаные ремни шириной 50 мм работали при расстоянии между осями шкивов в 1 750 мм и разности потенциалов 400 кВ. Ток утечки по ремню был меньше 0,1 мА. Напряжение установки регулировалось изменением тока в цепи возбуждения генераторов с помощью реостата. Перемещение скользящего контакта реостата под напряжением производилось с помощью длинных шнурков.
Измеренное падение напряжения на ступени при токе 10 мА составило 22,5 кВ, а при токе 1 мА не более 2,5 кВ. Установка, примененная для питания разрядной трубки, надежно зарекомендовала себя в работе.
На рис. 3-47 изображена электрическая схема каскадного генератора с питанием ступени от отдельной схемы удвоения.
Рис. 3-46. Электрическая схема одной ступени восьмикаскадного генератора с питанием от отдельных силовых трансформаторов (по А. К. Вальтеру и К. Д. Синельникову).
Переходные трансформаторы Тр1, Тр2,..., Тр2п с коэффициентом трансформации 1:1 питают силовые трансформаторы ступеней Тр1, Тр2, ...,Трп и трансформаторы накала катодов выпрямителей, не показанные на схеме. Использование обоих полупериодов переменного тока путем включения силовых трансформаторов по схеме удвоения улучшает эффективность установки. Выпрямители в этой схеме должны быть рассчитаны на удвоенное максимальное напряжение трансформатора, а конденсаторы— на максимальное напряжение.
На рис. 3-48 приведена схема десятикаскадного генератора с механическими выпрямителями.
Питание каждой ступени осуществляется от отдельного трансформатора Tp1, ...,Трп, присоединенных соответственно к синхронным генераторам Г1,.., Ги. На эскизе этой установки, изображенной на рис. 3-49, показаны кольцевые трансформаторы, компактно соединенные с синхронными генераторами. Машины постоянного тока, служащие для возбуждения генераторов, расположены на отдельном изолирующем валу.
Напряжение на зажимах питающих трансформаторов регулируется с помощью сопротивления в главной цепи возбуждающих генераторов. Установка имеет 20 конденсаторов общей емкостью 2 000 пф.
Механические выпрямители размещены в отдельной колонне, заполненной азотом при давлении 3 ат. Азот циркулирует, охлаждая также и синхронные генераторы, и отдает тепло в теплообменнике.
Делитель напряжения уложен по внутренней поверхности гетинаксового цилиндра 2, охватывающего все остальные колонны. Этот цилиндр поддерживает шаровой электрод 1 диаметром 1,5 м. Для выравнивания распределения падения напряжения вдоль оси опорного цилиндра укреплены кольца. Сглаживание колебаний напряжения на выходе установки достигается путем включения емкости С1и. Емкость С1и будет сглаживать колебания напряжения, когда она будет больше каждой из емкостей каскадного генератора. Генератор предназначен для ускорения заряженных частиц, поэтому внутри несущей колонны имеется также и
ускорительная трубка 3. Полярность изменяется путем переключения 4 направления магнитного потока в возбуждающих обмотках генераторов.
Каждый каскад в схеме рис. 3-48 представляет собой схему удвоения, например каскад
Рис. 3-47. Электрическая схема генератора с питанием каждой ступени от отдельной схемы удвоения и переходными трансформаторами.
Последний каскад представлен однополупериодной схемой выпрямления, включающей емкость Си и выпрямитель Ви. Напряжение вдоль колонны емкостей распределяется равномерно. Питание такой схемы можно выполнить через переходные трансформаторы, как это представлено на рис. 3-47.
Рис. 3-48. Электрическая схема десятикаскадного генератора с механическими выпрямителями и питанием трансформаторов ступеней генераторами.
Параллельное питание ступеней каскадного генератора от отдельных источников является наиболее приемлемым при сооружении каскадных генераторов на 3 000 кВ и выше при значительном токе нагрузки.
Так, генератор на 1 000 кВ, построенный по схеме, представленной на рис. 3-47, дает рабочий ток 12 мА. Общая высота генератора составляет 7 м, вес установки 8 000 кг. Обращают внимание малый рабочий градиент в этой установке и большая строительная высота.
Рис. 3-49. Эскизы десятикаскадного генератора с механическими выпрямителями и питанием от отдельных трансформаторов.
