Описанные физические и конструктивные принципы роторного электростатического генератора с транспортером- диэлектриком (применение цилиндрического ротора из высококачественного диэлектрика, полупроводящего статора из однородного материала, а также водорода в качестве газа-наполнителя) были реализованы в 1951 г. в небольшом генераторе с ротором диаметром 78 мм. Ротор располагался внутри статора. Затем перешли к расположению его поверх статора. Французской фирмой SAMES (анонимное общество электростатических машин) совместно с лабораторией электростатики и физики металлов Гренобльского университета под руководством проф. Фелиси разработаны и построены к 1957 г. свыше 80 генераторов роторного типа с напряжением от 50 до 600 кВ и током более 10 мА. Каждая модель генератора характеризуется размерами ротора, определяющими его мощность. Напряжение же и ток генератора могут изменяться в широких пределах в зависимости от количества индукторов или полюсов. В табл. 2-3 приведены рабочие характеристики некоторых выполненных генераторов.
Увеличение мощности генераторов с увеличением их размеров объясняется не только увеличением рабочей поверхности, но и увеличением скорости ее перемещения, так как для вращения ротора используется обычно двигатель на 3 000 об/мин. Для увеличения мощности генераторов малых размеров необходимо применять двигатели с большим числом оборотов. Так, специальный генератор был запроектирован на 12000 об/мин с питанием от сети в 400 Гц. Иногда представляет интерес применение асинхронного преобразователя частоты, дающего 6 000 об/мин.
В качестве примера приведем размеры генератора габарита 140. Внутренний диаметр ротора равен 140 мм, толщина его стенки 4 мм. Толщина стенки стеклянного цилиндра статора около 5 мм, зазор между статором и ротором 0.3 мм. Таблица 2-3
Рабочие характеристики некоторых генераторов фирмы SAMES
Рис. 2-43. Генератор на 160 кВ, 2,5 мА или на 110 кВ, 3,5 мА.
Справа — пульт управления.
Длина ротора составляет 220 мм, полезная его длина равна длине коронирующей пластинки ионизатора 185 мм. Диаметр каркаса около 180 мм, его длина — около 350 мм. Внутренний диаметр цилиндра давления 200 мм, толщина его стенки 5 мм. Генератор работает в среде сжатого до 16 ат чистого водорода. Двигатель генератора располагается также в цилиндре давления. Соединение валов двигателя и ротора осуществляется эластичной муфтой. Крышки цилиндра давления имеют необходимые выводы низкого и высокого напряжений, а также устройства для нагнетания газа, регулировки и контроля его давления.
Рис. 2-44. Генератор на 600 кВ, 4,5 мА.
На рис. 2-43 дана фотография установки с генератором габарита 140. Генератор вместе с источниками питания и схемами регулировки и стабилизации располагается в металлическом шкафу размерами 132X43Х37 см. Высокое напряжение отводится с помощью гибкого кабеля с соответствующей изоляцией. Небольшой пульт управления размером 23,5χ37χ28 см позволяет производить дистанционное управление генератором. Благодаря малой внутренней емкости генератора (порядка 150 пф) освобождаемая при ее разряде энергия также мала. Ток короткого замыкания генератора, как мы знаем, лишь на немного превышает рабочее значение тока. Эти два свойства генератора обеспечивают как безопасность обращения с ним, так и безопасность для приемников тока. Потому некоторые модели подобного типа генераторов выполняются с открытыми выводами высокого напряжения и со встроенным в шкаф пультом управления. Генератор имеет воздушное охлаждение с помощью вентилятора. Вес всей установки порядка 160 кг.
При четырехполюсном исполнении напряжение генератора регулируется от 40 до 160 кВ, при шестиполюсном— от 30 до 110 кВ. В обоих случаях падение напряжения под нагрузкой составляет несколько процентов. Возникающие случайно мгновенные или относительно быстрые колебания напряжения составляют ≤±3 000 В. Изменения в напряжении питания на ±10% вызывают изменения высокого напряжения на ±3 000 В.
Генераторы описанного типа могут быть применены для электрических испытаний изоляторов, кабелей и других устройств высокого напряжения. Они являются ценными лабораторными аппаратами.
На рис. 2-44 дана фотография генератора на 600 кВ мощностью порядка 2,5 кВт (полезных). Генератор снабжается двойной системой регулировки, допускающей его работу или при средней стабильности напряжения, или при высокой стабильности напряжения. В табл. 2-4 даны характеристики этих режимов работы генератора.
Характеристики режимов работы генератора на 600 кВ
Генератор на 600 кВ размещен в цилиндре диаметром 65 см. Общая высота установки 230 см, вес 950 кг. Генератор имеет шкаф вспомогательных цепей размером 139X104X41 см и пульт управления размером 100Х47Х35 см. При работе генератора на высокой стабильности генератору придается еще один блок — блок RC весом около 400 кг, в который входит конденсатор высокого напряжения, необходимый для осуществления схемы высокой стабильности. Генератор применяется в качестве источника высокого напряжения в ускорителях заряженных частиц; может быть применен и для других целей.
В настоящее время отдельные генераторы с одним ротором могут быть выполнены максимум на 600— 800 кВ при полном использовании возможной мощности. Для создания более высоких напряжений, превышающих 1 Мв, необходимо применять последовательное соединение отдельных генераторов. Схема такого соединения для трех генераторов приведена на рис. 2-45.
Рис. 2-45. Схема последовательного соединения роторных ЭСГ.
I — источник возбуждения;
R1 ,R2и R3 —сопротивления делителя напряжения.
Taблицa 2-4
Применение высокоомного делителя напряжения позволяет автоматически выравнивать токи всех генераторов и поддерживать напряжения возбуждения последующих после первого генераторов. Для запуска генераторов необходимо подать напряжение возбуждения только на первый генератор. Как только потенциал ионизатора первого генератора превысит потенциал индуктора зарядного устройства второго генератора на величину напряжения коронирования этого устройства, второй генератор также начинает вырабатывать ток, поглощая подводимый к нему ток первого генератора. Так как повышение напряжения U2 первого генератора стремится усилить возбуждение второго, что приводит к поглощению тока в зарядном устройстве второго генератора и понижению напряжения U2 первого генератора, то этим обеспечивается автоматическое выравнивание токов и напряжений. Для тока определяющим является только независимое возбуждение первого генератора. Это напряжение можно регулировать по общему напряжению так же, как и для одного генератора, задаваясь целью получить ту или иную характеристику, в том числе и характеристику постоянного напряжения (см. § 2-12).
Чтобы осуществить механический привод отдельных генераторов от одного двигателя, необходимы муфты с изоляцией на напряжение U2. Для научных исследований каждый генератор можно расположить на изолированной подставке с ременным приводом от наружного двигателя. Так как в этом случае вал ротора отдельного генератора выводится через крышку цилиндра давления наружу, то он должен иметь соответствующее уплотнение. Для промышленного использования желательна более компактная конструкция с изоляцией в сжатом газе всей установки. В настоящее время такая установка разрабатывается на напряжение до 2,5 Мв. Применение трех отдельных генераторов по 600 кВ позволило получить выходное напряжение 1 600 кВ при токе в несколько миллиампер. Расчетное напряжение 1 800 кВ не было получено, так как напряжение было ограничено внешней изоляцией электрода сверхвысокого напряжения и изоляцией резервуаров давления отдельных генераторов.
