Основными электрическими параметрами электростатического генератора являются:
- выходное напряжение генератора U2:
- ток нагрузки генератора I;
- напряжение возбуждения
- скорость перемещения транспортера ν или число оборотов ротора п в единицу времени.
При неизменной скорости движения транспортера соотношения между остальными тремя параметрами (U2, I и U1) находятся в определенной зависимости и графически изображаются соответствующими характеристиками.
Произведение первых двух параметров характеризует выходную мощность генератора Р.
Особый интерес представляют также ток короткого замыкания /Iк.з, напряжение холостого хода Ix.x.
Основной характеристикой электростатического генератора является зависимость между выходным напряжением U2 и током нагрузки I, иначе называемая вольт-амперной характеристикой.
Если для возбуждения электромагнитных машин необходим ток, то для возбуждения электростатических генераторов требуется определенное напряжение возбуждения. Когда источник возбуждения подсоединяется к индуктору, ток возбуждения является только током потерь, и в большинстве случаев им можно пренебречь. У хорошо разработанных генераторов он составляет около 1% тока нагрузки. При постоянном напряжении возбуждения заряд транспортера остается также постоянным. Таким образом, как уже отмечалось ранее, всякий электростатический генератор является генератором постоянного по величине тока. Напряжение генератора зависит от величины нагрузки R и принимает значение U=IR. Это напряжение имеет своим пределом величину Uмакс, зависящую от конструкции генератора, которую нельзя превышать во избежание пробоев. Поскольку ток генератора неизменен, характеристики идеального генератора для различных напряжений возбуждения изображаются прямыми линиями, параллельными оси напряжений (рис. 2-46,а). Характеристики не могут возрастать до бесконечности, так как они ограничиваются допустимым значением Uмакс.
Характеристика, параллельная оси напряжений, имеет только теоретическое значение. В действительности с появлением высокого напряжения на выходе генератора возникают электрические потоки рассеяния, уменьшающие отдаваемый генератором ток. Потоки рассеяния пропорциональны выходному напряжению, поэтому ток генератора под нагрузкой равен:
(2-65)
где C1 и С2 — постоянные, пропорциональные электрической проводимости;
U1 — напряжение возбуждения;
U2— выходное напряжение генератора. Для различных напряжений возбуждения получается семейство характеристик, параллельных друг другу и составляющих с осью напряжении некоторый угол.
На рис. 2-47 одна из характеристик отмечена цифрой 1,
Большой интерес представляет исследование режима работы генератора при максимальных мощностях для различных напряжений возбуждения. Препятствием к увеличению тока является не только реакция генератора (появление паразитных потоков), но и наложение электрических полей у транспортера в момент его прохождения под индуктором за счет поля зарядов транспортера и поля индуктора. Напряженность поля в самом неблагоприятном месте, которая не-должна превосходить электрическую прочность среды, можно выразить формулой
(2-66) так как плотность зарядов, определяющая напряженность поля со стороны транспортера, пропорциональна напряжению возбуждения.
Рис. 2-47. Семейство характеристик реального генератора с учетом реакции генератора.
1— характеристики для различных напряжений возбуждения; Lмакс —линия максимальных мощностей.
Здесь c3 и c4 — постоянные с размерностью, обратной размерности длины·. Подставляя значение U1 из (2-66) в (2-65), получаем максимально возможный ток для данного напряжения возбуждения:
Рис. 2-48. Семейство характеристик ЭСГ с транспортерами- проводниками.
На рис. 2-47 это соотношение представлено прямой Lмакс, ограничивающей возможную область работы генератора и называемой характеристикой максимальных мощностей. Угол прямой с осью напряжений больше угла характеристик при постоянном возбуждении. Это означает, что у генератора, работающего под максимальной нагрузкой (на пределе ионизации и пробоя), уменьшение тока намного превышает его спад, обусловленный реакцией генератора или остаточными емкостями. Как и характеристики при постоянном возбуждении, линия максимальных мощностей большей частью не может быть продолжена до пересечения с осью напряжений. Так образуется зона, содержащая возможные рабочие точки, в виде трапеции, ограниченной обеими осями координат, прямой максимальных мощностей и линией максимального напряжения. Наклон прямой максимальных мощностей зависит от конструкции генератора и его типа. В генераторах с транспортерами-проводниками наложение обоих полей наибольшее, так как оба поля — поле переносимых зарядов и поле электродов высокого напряжения — действуют между теми же электродами и в направлении тех же силовых линий, как это видно из приводимого ранее уравнения (2-20). Поэтому линия максимальных мощностей заканчивается в точке максимального напряжения, расположенной на оси напряжений (рис. 2-48), и для рабочих характеристик остается только небольшой треугольник.
У генераторов с движущейся лентой наклон линии максимальных мощностей значительно меньше, однако мощность их ограничена по причине малой плотности переносимых зарядов.
У роторных генераторов с транспортером-диэлектриком благодаря наличию сплошного полупроводящего статора силовые линии электрического поля у электродов высокого напряжения параллельны поверхности транспортера (тангенциальная составляющая поля E), так что общая напряженность поля, равная геометрической сумме тангенциальной и нормальной составляющих, практически равна последней, определяемой плотностью заряда σ. Поэтому уменьшение выходного тока с увеличением напряжения U2 у таких генераторов незначительно, а точка максимально возможной мощности лежит на пересечении линии максимальных мощностей и прямой максимального напряжения (рис. 2-47). Так, в генераторе с ротором диаметром 15 см был получен ток короткого замыкания 7,7 мА; при напряжении 167 кВ полезный ток составлял еще 6,1 мА, хотя благодаря восьмиполюсному исполнению тангенциальная составляющая напряженности поля вдоль стеклянного цилиндра достигала почти 70 кВ/см. Можно считать, что в роторном генераторе уменьшение тока вызывается лишь реакцией генератора под нагрузкой. Эту реакцию можно выразить через уменьшение нормальной составляющей напряженности поля Еп на величину Еп=kEp пропорциональную тангенциальной составляющей напряженности поля; здесь k — коэффициент пропорциональности. Тогда мощность генератора под нагрузкой определится как
Мощность будет максимальной тогда, когда отсюда
(2-68)
В лучших конструкциях генераторов и в самом оптимальном (форсированном) режиме k имеет значение по
рядка двух. Так, для приведенного выше примера k=1,8 при En= 250 кВ/см и Et=70 Kв/cм. Заменяя S и
и в (2-68) через Геометрические размеры и число оборотов ротора, получаем:
где V — полезный объем ротора;
п — число его оборотов в секунду. Отсюда максимальная удельная объемная мощность генератора
(2-69)
Для Еп=Епр= 250 кВ/см; k=1,8 и п = 50 об/сек
Действительная (рабочая) удельная мощность в 2— 3 раза ниже приведенного значения, так как выдерживается определенный запас по мощности для обеспечения надежной промышленной эксплуатации генератора. Невозможно длительно поддерживать поле в состоянии, близком к пробивному. Кроме того, сверхинтенсивная ионизация, обеспечивающая большую плотность переносимых зарядов, вызывает выделение большого количества тепла и усиленную бомбардировку ионами поверхности транспортера, что приводит к быстрому его разрушению. Для примера укажем, что в только что рассмотренном генераторе рабочее напряжение поддерживается не свыше 80 кВ при токе 5 мА. Генератор развивает, таким образом, мощность 400 Вт, тогда как в форсированном режиме мощность может быть более 1 кВт.
Характеристики электростатического генератора с независимым постоянным возбуждением и характеристика максимальных мощностей (рис. 2-47) являются иллюстрацией возможных мощностей и рабочих точек генератора. Как и для электромагнитных машин, действительные (рабочие) характеристики могут принимать форму характеристик последовательного, параллельного или смешанного соединений выходного напряжения с возбуждающим. При последовательном соединении выходное напряжение пропорционально выходному току, и генератор имеет возрастающую характеристику (рис. 2-49,а).
Для практики наиболее удобной является характеристика смешанного соединения, так как в большинстве случаев потребитель энергии требует постоянства напряжения (рис. 2-49,б). В случае смешанного соединения (примененном двух предыдущих способов) выходное напряжение независимо от тока (рис. 2-49,в).
Рис. 2-49. Семейства характеристик генераторов.
а — последовательного соединения; б — параллельного соединения; в— смешанного соединения; Lмакс —линии максимальных мощностей; gмакс- максимальная внешняя проводимость.
Параллельное соединение дает уменьшение напряжения с увеличением тока; генератор имеет падающую характеристику. Из § 2-9 видно, что ток, а следовательно, и напряжение при постоянной нагрузке пропорциональны напряжению возбуждения. Электростатический генератор является, таким образом, усилителем напряжения и мощности. Если же учесть, что потребляемая источниками возбуждения мощность ничтожна, то этот усилитель можно уподобить трехэлектродной электронной лампе, сеткой которой является индуктор зарядного устройства, катодом — зарядный ионизатор, а анодом — разрядное устройство. Роль управляющего напряжения играет напряжение возбуждения.
В связи с этим роторный электростатический генератор с транспортером-диэлектриком легко соединяется со схемами электронной регулировки, с помощью которых удобно производятся регулировка и стабилизация выходного напряжения.
Длительное время существовало мнение о бесперспективности электростатических машин. Раньше это объяснялось отсутствием теории машин и в связи с этим теми весьма скромными результатами, которых достигали с выполненными образцами машин. В настоящее время теория электростатических машин, в частности генераторов, достаточно разработана и практически нашла свое выражение в нескольких типах емкостных генераторов.
Имеются попытки конструирования электростатических двигателей, как это видно на примере опыта Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ленина.
Преимущества электростатических генераторов по сравнению с другими источниками напряжения очевидны. Если сооружение электромагнитной машины на десятки тысяч вольт представляется довольно трудной задачей, то с помощью электростатических генераторов более или менее доступными средствами получают сотни тысяч и миллионы вольт. Если стабилизация выпрямленного тока требует дорогостоящей системы фильтров, то в электростатических генераторах мы имеем естественный постоянный слабопульсирующий ток.
В табл. 2-5 приведены основные данные о некоторых выполненных электростатических генераторах. Их энергетическим показателем является удельная объемная мощность или мощность, приходящаяся на единицу полезного объема, занимаемого ротором или статором. Наименьшую удельную мощность имеют генераторы с движущейся лентой. В десятки раз большую удельную мощность имеют дисковые генераторы с транспортерами-проводниками. Затем следуют стержневые генераторы и, наконец, роторные с транспортером-диэлектриком. Данные удельной мощности являются опытными. Теоретические значения удельной объемной мощности составляют: для многодисковых многосекторных генераторов порядка 500 кВт/м3, для стержневых радиальных генераторов 2 000 кВт)м3 и для роторных генераторов с транспортером-диэлектриком— порядка 500 кВт/м3. Практическая удельная мощность наибольшая у роторных генераторов с транспортером-диэлектриком.
Таблица 2-5
Основные данные электростатических генераторов
Примечание. Рабочий объем подсчитывался по диаметру дисков и длине роторов.
* Объем кольцевой колонки.
** Объем статора.
*** Объем основного ротора.
Все генераторы, за исключением первого и последнего, относятся к генераторам с транспортерами-проводниками.
В генераторах небольших размеров можно получать токи до 20 мА и с уверенностью рассчитывать на повышение до 50 мА. Значительный ток генератора обеспечивает более стабильную работу приемников тока. Так, в случае питания таким генератором электронных или ионных ускорительных трубок значительная часть тока может быть отведена в цепь распределения напряжения по трубке, что обеспечит строгую его равномерность. Кроме того, вследствие высокой стабильности напряжения генератора улучшаются характеристики ускоряемого пучка заряженных частиц, чем повышается эффективность его действия. Это же свойство генератора должно привести к широкому применению его для исследования поведения диэлектриков в сильных постоянных электрических полях и при испытаниях изоляции.
При промышленных применениях большое значение имеет стоимость используемой установки. Подсчитано, что при серийном изготовлении роторных генераторов их стоимость должна быть меньше стоимости электромагнитных машин соответствующей мощности.
Недостатком цилиндрических генераторов с транспортером-диэлектриком является то, что мощность их растет пропорционально только квадрату линейных размеров, тогда как мощность электромагнитных машин увеличивается пропорционально кубу их линейных размеров. Это объясняется тем, что еще не разработаны многороторные генераторы, в которых бы лучшим образом использовался объем. Разработка многодисковых генераторов с транспортерами-диэлектриками также наталкивается на ряд практических трудностей и неудобств. В основном это — необходимость снабжать каждый диск отдельными системами зарядных и разрядных устройств, что не способствует хорошему использованию рабочего пространства генератора.
В настоящее время представляется реальным строительство цилиндрических генераторов с транспортером-диэлектриком на десятки киловатт. Дальнейшее развитие генераторов должно привести к еще большему увеличению их мощности. Тогда можно будет ставить вопрос о их промышленном использовании для производства электрической энергии хотя бы для ограниченных целей.
ЭСГ с движущейся лентой имеют небольшую удельную мощность, малый к. п. д., а срок службы· от ремонта до ремонта вследствие выхода из строя ленты исчисляется лишь сотнями часов. Поэтому в некоторых случаях им предпочитают трансформаторно-выпрямительные установки (каскадные генераторы), у которых значительно больше как срок службы, так и мощность. С разработкой цилиндрических генераторов с транспортером-диэлектриком на большее напряжение и применением их последовательного соединения они должны получить преимущественное использование в качестве источников сверхвысокого напряжения.
Роторные генераторы с транспортерами-проводниками теоретически развивают большую удельную мощность по сравнению с генераторами с транспортерами-диэлектриками, однако практическое их использование затрудняется конструктивными и эксплуатационными недостатками. Их характеристика максимальных мощностей, как это видно из рис. 2-48, очень неудобна. Максимальная мощность достигается при половинном напряжении и половинном токе. У генераторов с транспортерами-диэлектриками максимальная мощность при равных условиях почти в 4 раза больше, поскольку допускается работа при максимальном напряжении и незначительном уменьшении тока (рис. 2-49,в). Генераторами с транспортерами-проводниками нельзя получить большие абсолютные мощности из-за трудности правильной установки многих дисков или радиальных стержней. Даже моноблочное исполнение дисков не привело к улучшениям в этом отношении. Наконец, щеточная система не позволяет развивать большие скорости вращения роторов. Образующиеся загрязнения (от трения) ухудшают изолирующие свойства среды (сжатого газа) и, таким образом, сводят на нет преимущества генераторов. Однако в ряде специальных случаев генераторы с транспортерами-проводниками могут иметь преимущество по сравнению с генераторами с транспортерами-изоляторами. Возможно, что дальнейшее развитие теории и практики конструирования таких генераторов позволит устранить присущие им недостатки и в полной мере использовать их достоинства.
