CC BY
10
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО _ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 162 1967
ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЯ ЩЕТОК ЭСГ НА ВЕЛИЧИНУ ТОКА
НАГРУЗКИ
А. М. КУПЦОВ
(Представлена научным семинаром кафедры теоретических основ электротехники)
Различные отрасли производства, науки, техники нуждаются в компактном, надежном, недорогом, источнике высокого напряжения. Одним из источников высокого постоянного напряжения является электростатический генератор (ЭСГ).
Электростатические генераторы оказались необходимыми и нашли широкое применение в ускорении заряженных частиц, в рентгенотехнике, телевидении и особенно в электронно-ионной технологии. Широко применяются электростатические генераторы ' зажигания для автомобилей.
В лабораториях и производстве установлено и работает большое число ЭСГ, отличающихся друг от друга как по конструктивному выполнению, так и по принципу действия. Наибольшее распространение получили электростатические генераторы, в которых перенос заряда осуществляется посредством металлических стержней — проводников (ЭСГП) или твердого диэлектрика (ЭСГД).
Принцип действия и основные элементы электростатического генератора с транспортерами-проводниками, соединенными по каскадной схе-* м'е, достаточно полно описаны в [1].
Нами проведено исследование работы такого электростатического генератора со статором из полупроводящего материала при различном положении коммутирующих устройств — щеток.
Было установлено, что при смещении щеток относительно геометрической нейтрали генератора [2] при индукторах, расположенных на геометрической нейтрали, происходит заметное снижение тока и напряжения генератора при одном и том же сопротивлении нагрузки.
Это снижение тока и напряжения объясняется уменьшением величины разности зарядов, отданной в нагрузку.
Подсчитаем величину этой разности зарядов при одновременном см'ещении высоковольтной и низковольтной щеток относительно геомет-
тс
рической нейтрали на угол+/с-— , где /с = 1, 2, 3,..., 2т — число транс-
яг
портеров ротора, т. е. на угол, кратный углу между двумя соседними транспортерами, при условии, что щет-ки не выходят за область индукторов. Положительные углы отсчитываются при смещении щеток по ходу вращения ротора, отрицательные — при смещении против враще-ния ротора.
Воспользуемся цепочечной схемой замещения ЭСГП и методом электростатической аналогии в применении к расчету данного типа генераторов, изложенным в [3].
Схема замещения генератора с контактной коммутацией при кон-дукционной схем'е возбуждения с полупроводящим статором представлена на рис. 1. Здесь щетки смещены относительно геометрической нейтрали в сторону вращения ротора на некоторый угол, характеризуемый коэффициентом к.
Рис. 1. Схема замещения ЭСГ с полупроводящим статором
Эта схема с помощью метода наложения [4] рассчитывается как цепь постоянного тока, что позволяет, в силу формальной аналогии между электростатическим полем и полем постоянного тока, определить искомую разность зарядов, отданную в нагрузку.
Опуская ряд преобразований, имеем согласно методике расчета [3]-
46 н С2 эЬ 8+1 т сЬ ¿т 2£/в , 2 11 Я - Ч ^-2— +-------,
2 - 2
где С/с — напряжение источника возбуждения;
/?е — повторное сопротивление четырехполюсников цепной схе
мы, равное
Ч — постоянная распространения четырехполюсников, равная
1п
1 +/1 +4С,/С,
2С3
С, и Сз — частичные емкости транспортеров;
5—число транспортеров, перекрытых индуктором; ин — напряжение нагрузки,
В случае, если щетки расположены на геометрической нейтрали, т. е. при к = 0, величина разности зарядов будет:
ЛГГ и т — 5 + 1
4инС2$Ъ -т
2</. 2 Цх — —---[--„
2 2
Ток нагрузки генератора определится величиной подсчитанного заряда и равен:
/ = 2тп (д —
л
где п — скорость вращения ротора. Напряжение нагрузки генератора:
Сравним токи нагрузки генератора при работе со щетками, расположенными на геометрической нейтрали (/) и при работе со
сдвинутыми щетками на угол к^ П определив их отношение:
Г 1 + тИ
/ 1 + М:Ь кТ
о о . т — 5 + 1 8 тпн^Ь-т
где М =_?_
+ 1)вЬ ^
Полученное отношение показывает, что при одновременном смещении высоковольтной и низковольтной щеток в ту или иную сторону от геометрической нейтрали происходит снижение тока нагрузки.
Аналогично можно выяснить влияние смещения только одной из щеток либо высоковольтной, либо низковольтной на работу данного Уипа генераторов.
7С
Пусть низковольтная щетка сдвинута на угол тогДа»
рассчитав схему, подобную рис. 1, получим искомую разность зарядов:
ив$Ъту .
д — д = -;--!--
* 4 ^ < т + к , т — к
ЯсЭЬ- Т 5П - 7
+
/ г и т — 8 + 1 ит Т и2
4М-т^Ь— сЬ2
_2 2 2
/ ■ 14 и М + К и т-~к
(от — 5 + I) эп-7 эп -у
В силу симметрии расчетной схемы при смещении высоковольтной щетки результат будет таким же. Выражение для разности зарядов без сдвига щетки останется прежним, что позволяет найти отношение токов со сдвигом щетки (//) и без сдвига щетки (/)
Ы Х+М
I
л тЛ- к , т — к
БП -У • БП -Г
2 1 2
эИ2
ту
+ Мс Ь2
ку
или при яг>10/с с достаточной точностью получим
Л/ __ 1 + М
1 1 + МсЬ2— 2
что свидетельствует о некотором снижении тока при см'ещении щетки.
Явление снижения тока и напряжения нагрузки при сдвиге щеток подтверждается экспериментально.
Экспериментальные данные, полученные на опытной модели ЭСГГ1,
и данные расчета при сдвиге щеток на угол + — приведены в таблице.
т
Таблица
/?Н п Расчетные данные Эксперимент, данные
МОЯ об\мт ГЦ % Л',/ и /'// % Л'// %
500 1000 89 97 86 92
1000 1000 82 95,5 79,5 89
1500 1000 78 94 74,5 87,3
Некоторое расхождение расчетных данных с данными эксперимента связано с трудностью получения полупроводящего статора, тем не менее полученные результаты позволяют сделать ряд выводов: 1. При смещении щеток относительно геометрической нейтрали уменьшается величина заряда, переданного в нагрузку и, следовательно, происходит снижение тока и напряжения нагрузки генератора при одном и том же сопротивлении нагрузки.
2. Относительное снижение тока нагрузки зависит от величины сопротивления нагрузки, от скорости вращения ротора, от числа транспортеров ротора и от частичной емкости между транспортерами. Важное значение имеет шириаа индуктора. Наибольшее снижение, очевидно,, будет в режиме, близком к режиму холостого хода. .
3. Величина этого снижеиия зависит от характера и величины смещения щеток и будет наибольшей при одновременном смещении высоковольтной и низковольтной щеток относительно геометрической нейтрали.
4. Оптимальное положение щеток с точки зрения получения максимального тока нагрузки — геометрическая нейтраль.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Ф. Иоффе. Электростатический генератор, ЖТФ, т. IX, 23, 1939.
2. В. И Левитов, А. Г. Л я п и н. Электростатические генераторы с жестким ротором, ч. I, Цинтиприборэлектропром, М, 1963.
3. В. А. Л у к у т и н, В. В. Пацевич, В. Д. Э с ь к о в. К электрическому расчету ЭСГ, Тезисы докладов на VI межвузовской конференции по электронным ускорителям,, г. Томск, Изд. ТГУ, 1966.
4. Г, В. 3 е в е к е, П. А. И о н к и н и др. Основы теории цепей, ГЭИ, 1963-
