CC BY
16
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1972
Том 227
ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭСГД
А. М. КУПЦОВ, М. Н. ЛИСЕЦКАЯ
(Представлена научным семинаром кафедры теоретических основ электротехники я лаборатории роторных ЭСГ НИИ ЯФ)
Электростатические генераторы с транспортером-диэлектриком (ЭСГД) используются в ряде отраслей промышленности [1]. Однако ввиду малой мощности область их применения весьма ограничена. Увеличение мощности ЭСГД может быть достигнуто как за счет улучшения технологии изготовления (уменьшение зазоров ротор — статор и ротор— ионизатор, применение материалов с большой электрической прочностью и проницаемостью), так и за счет качественных изменений в конструкции. Последнее, как правило, становится возможным после тщательного анализа его рабочих процессов.
Несмотря па то, что ЭСГД уже долгое время выпускаются промышленностью, его рабочие процессы изучены недостаточно. В частности, нет ясности в коммутационных процессах [2, 3].
Известно [2—3], что коммутация в ЭСГД, обеспечивая на диэлектрик ротора нанесение и съем зарядов, создает в соответствующей цепи напряжение и ток. При этом предполагается, что в нагрузке ток создается за счет разрядки заряженного транспортера (диэлектрика ротора) на сопротивление нагрузки [2].
Для генераторов с транспортерами-проводниками вопросы коммутации рассматривались в [4, 5]. Там было показано, что такой упрощенный подход в рассмотрении коммутационных процессов не является оправданным.
В связи с этим в данной статье предпринята попытка подобного [4—5] экспериментального исследования с целью уточнения характера коммутационных процессов в ЭСГД.
Для исследования использовался одподисковый электростатический генератор, диск которого изготовлен из эпоксидной смолы. Диаметр диска—140 мм, толщина—1 мм. Скорость вращения диска—2780 об ¡мин. Схематически генератор с элементами измерительной схемы показан на рис. 1. На схеме условно изображены индукторы, щетки-ионизаторы, выполненные в виде узких ножей, и измерительные сопротивления.
Рис. 1. Схема осциллографировапия токов: 1,2 — индукторы возбуждения и разрядный; ■3,5—щетки разрядная и зарядная; 4— ротор
Генератор работал в режиме короткого замыкания. Для увеличения тока нагрузки и для устранения возможности пробоя с высоковольтного индуктора возбуждения на щетку при повышении напряжения возбуждения индукторы были покрыты тонкими изолирующими пластинами.
Методика исследования, результаты которого излагаются в данной статье, в основном подобна изложенной в [4]. Отличие состояло лишь в величинах сопротивлений, применяемых для осциллографиро-вания и в выборе осциллографа (ОК-17 М). Осциллографирование производилось при подаче сигналов непосредственно на отклоняющие пластины осциллографа.
Полученные результаты и их обсуждение
На рис. 2б, в показаны типовые осциллограммы тока в цепях щетки (и), индуктора (/2) и нагрузки (/3). По внешнему виду ток в цепи щетки (рис. 2, а) представляет собой нерегулярные импульсы,
амплитуда и длительность которых изменяется с изменением приложенного напряжения возбуждения. Чем больше напряжение возбуждения, тем больше амплитуда импульсов, и наоборот. Установлено, что при увеличении напряжения возбуждения (тока па-грузки) частота следования вышеуказанных импульсов также увеличивается. Для определения частоты следования импульсов на осциллограмме показана градуировочная кривая синусоидального тока с частотой 5 кгц. В момент времени, когда импульсы на осциллограмме отсутствуют, ток в цепи равен нулю, т. е. постоянная составляющая тока в цепи щетки отсутствует.
Ток в цепи индуктора (рис. 2,6) представляет собой импульсы, подобные импульсам тока в цепи щетки, но обратной полярности. Если осциллографирование тока в цепи индуктора производится одновременно с осцил-лографированием тока в цепи щетки, то на осциллограмме отчетливо видно, что это одни и те же импульсы. В токе цепи индуктора есть постоянная составляющая. Ее полярность соответствует полярности тока в цепи щетки. При этом соотношение между постоянной составляющей и переменной таково, что среднее значение тока, показанное микроамперметром (М-135), равно нулю. Это соотношение остается справедливым при любом напряжении возбуждения на линейной части характеристики короткого замыкания.
Ток в цепи нагрузки представляет собой совокупность импульсной и постоянной составляющих. Полярность у них одинакова и совпадает с полярностью им пульсов в цепи щетки. Амплитуда импульсов существенно меньше, чем у импульсов в цепях щетки и индуктора. Среднее значение тока, показанное прибором, равно току в цепи щетки.
При визуальном наблюдении за коммутационными зонами отчетливо видно, что между диском ротора и щетками существует область
Рис. 2. Типовые осциллограммы токоз
достаточно яркого голубоватого свечения. При возрастании напряжения возбуждения она расширяется и усиливает свое свечение. Заметно смещение этой зоны относительно середины индуктора в сторону против вращения диска ротора. Свечение сопровождается характерным для коронного разряда шумом.
Из сопоставления приведенных осциллограмм тока в цепях разрядной -системы и результатов визуального наблюдения за коммутационными зонами следует, что импульсы в цепях щетки обусловлены именно током короны, существующей в промежутке ионизатор — ротор. Подтверждается это тем, что увеличение тока через газовый промежуток сопровождается увеличением частоты следования импульсов тока, что характерно для тока короны [6].
Поскольку в цепи индуктора на основании вышеприведенных осциллограмм нерегулярные по характеру импульсы имеют точно такую же форму и частоту, что и в цепи щетки, то, очевидно, что это одни и те же импульсы. Отсюда следует вывод, что ток короны газового, промежутка (щетка — диэлектрик) протекает в цепи щетка — индуктор. Но в цепи индуктора среднее значение тока, измеренное микроампер-метром, равно нулю. Это соответствует тому, что в этой же цепи протекает и другой ток 'иного направления. На осциллограмме заметно наличие постоянной составляющей. Такой же виличины постоянная составляющая тока (согласно 1 закона Кирхгофа для узла) должна быть в цепи нагрузки.
Таким образом, заключаем, что ток разрядки транспортера минует цепь нагрузки и протекает по цепи индуктора. Это полностью совпадает с явлением разрядки транспортеров в ЭСГП.
Наличие импульсов в цепи нагрузки можно объяснить тем, что часть заряда диэлектрика не участвует в индуцировании заряда на индукторе, а связана непосредственно с землей. Чем полнее индуктор экранирует коммутирующие участки диэлектрика, тем меньше импульсы в цепи нагрузки.
Основываясь на вышеизложенном, можно показать, что в любой момент времени ток в цепи нагрузки — величина практически постоянная. Для этого рассмотрим схему, показанную на рис. 3, изображающую разрядную коммутационную зону ЭСГД. Для упрощения расчета принято, что ротор генератора является цилиндром. В любой момент времени ток в цепи определяется скоростью изменения заряда индуктора
Рис. 3
¿н
dqi
dt
(1)
где — заряд индуктора, определяемый разностью зарядов, индуцированных зарядами ротора, и величиной скомпенсированного заряда
<7кн = д — дек- (2)
Так как геометрическое положение ротора и зоны коммутации относительно индукторов для данного режима работы не изменяется,
3. Заказ 7484.
а следовательно, и расположение зарядов на роторе, то величина q является постоянной (q — const).
qCK = °lvt = 2 rdnRU, (3)
где v = 2 TzRn,
0 — плотность зарядов диэлектрика на см длины;
1 — длина щетки;
п — скорость вращения;
R—радиус транспортера;
t — время. Окончательно
/н = = _ l^L = _ 2тгolRn. (4)
dt dt
Поскольку все величины в выражении (4) от времени не зависят, то ток в цепи нагрузки — величина постоянная, что полностью подтверждается результатами эксперимента.
Выводы
Анализ экспериментальных данных по исследованию коммутации ЭСГД показал, что коммутационные процессы в них подобны процессам в ЭСГ с большим числом транспортеров-проводников на полюсный шаг.
В обоих случаях коммутация в разрядной системе представляется следующим образом. Заряды, нанесенные на проводящий транспортер в ЭСГП 'или 'на элемент поверхности диэлектрика в ЭСГД, наводят на индукторе при подходе к нему заряды противоположного знака. При наведении зарядов в цепи нагрузки и индуктора протекает практически постоянный ток. При подходе транспортера или заряженной поверхности диэлектрика к щетке происходит компенсация зарядов транспортера и индуктора через искровой разряд в ЭСГП или через корону в ЭСГД. Компенсация зарядов сопровождается появлением импульсной составляющей тока в цепи щетки и индуктора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Под редакцией В. И. Л е в и т о в а, А. П. Л я п и н а. Применение электрического поля в промышленности и сельском хозяйстве. ВНИИЭМ, М., 1964.
2. А. Ф. И о ф ф е. Электростатический генератор. ЖТФ, т. IX, 1939.
3. В. И. Левитов, А. Г. Л я п и н. Электростатические генераторы с жестким ротором, ч. II. ВНИИЭМ, М., 1965.
4. А. М. Купцов, В. В. П а ц е в и ч. Анализ коммутации в электростатических генераторах. «Электричество», № 7, 1968.
5. А. М. Купцов. Физические процессы в электростатических генераторах. Диссертация, Томск, 1968.
6. Дж. М и к, Дж. Крэгс. Электрический пробой в газах. ИЛ, М., 1961.
