Роторные генераторы

Роторные генераторы делятся на две основные группы:

• генераторы с металлическим ротором;

• генераторы с ротором из изоляционного материала.

Как те, так и другие известны очень давно.

Первые генераторы были усовершенствованы в 30-х годах А. Ф. Иоффе и Б. М. Гохбергом, вторые в течение многих лет разрабатывались французским ученым Фелиси, исследования которого легли в основу серии генераторов с цилиндрическим изоляционным ротором.

Роторные генераторы позволяют получить постоянное и достаточно стабильное напряжение до 2·10⁶ в при большей силе тока — порядка десятков миллиампер. В этом отношении они могут сравниться только с каскадными генераторами. Однако отсутствие выпрямляющих устройств и других сложных элементов делает роторные генераторы сравнительно простыми и дешевыми, а отсутствие пульсации напряжения выгодно отличает их по эксплуатационным показателям от каскадных генераторов.

Генератор с изоляционным цилиндрическим ротором на напряжение 100…600 кв. представляет собой цилиндрический ротор, выполненный из эпоксидной смолы — так называемого аральдита, обладающего высокими механическими и изоляционными свойствами. Цилиндрический ротор вращается с большой скоростью, около 3000 об/мин в атмосфере водорода при высоком давлении. Водород обеспечивает достаточную электрическую прочность газовых промежутков при низких потерях на трение о газовую среду (в 10 раз меньших, чем о воздух). В роторных генераторах с изоляционным ротором так же, как и в генераторах Ван де Граафа, заряд переносится изоляционным транспортером. В электростатическом генераторе этим транспортером является резиновая лента, скорость которой не может быть больше 30…40 м/с.

В роторном генераторе, где механически обработанный и прочный изоляционный цилиндр вращается в подшипниках, зарядные иглы и электрод могут находиться на значительно меньшем расстоянии один от другого, чем в генераторе Ван де Граафа, Благодаря этому на поверхность эпоксидного ротора наносится заряд значительно большей плотности, чем это возможно при использовании резиновой ленты.

Практика показывает, что плотность заряда в роторном генераторе в четыре раза больше, чем в генераторе Ван де Граафа. Окружная скорость ротора также может быть больше, чем 20…40 м/с. Все это создает предпосылки для получения машины большой силы тока — порядка нескольких миллиампер. Простота конструкции, отсутствие ряда сложных электрических цепей и громоздких движущихся элементов в роторном генераторе позволяют получить высокий к. п. д.

На рис. 31 приведена упрощенная схема роторного генератора, с помощью которой можно уяснить общий принцип устройства подобных машин.

Основной частью генератора является тонкостенный цилиндрический ротор 1, выполненный из изоляционного материала высокой диэлектрической и механической прочности.

Рис. 31. Схема роторного генератора: 1 – тонкостенный цилиндрический ротор, 2 – зарядный генератор, 3 – металлический электрод, 4 – зарядное устройство

Направление вращения ротора показано на рисунке стрелкой. Отрицательный полюс зарядного генератора 2 присоединен к металлическому электроду 3, находящемуся вблизи внутренней стенки цилиндра и укрепленному неподвижно. Напряжение зарядного генератора 2 порядка 15… 30 кв. Вблизи наружной цилиндрической поверхности ротора напротив электрода 3 установлено зарядное устройство 4, представляющее собою щетку с металлическими иголками, обращенными острыми концами к цилиндрической поверхности ротора. Щетка заземлена. Электрическое поле в пространстве между щеткой и электродом 3 заставляет стекать положительный заряд с острых концов иголок и наносит его на наружную цилиндрическую поверхность ротора. Плотность заряда определяется емкостью поверхности ротора по отношению к электроду и поверхностной электрической прочностью материала ротора. Атмосфера водорода, в которой находится все устройство, способствует быстрому стеканию заряда со щетки (ионы водорода обладают большой подвижностью).

В результате вращения ротора заряд стекает со щетки непрерывно и вся верхняя поверхность ротора от точки А до точки D оказывается несущей положительный заряд, распределенный сравнительно равномерно. Потенциал этого заряда по отношению к земле в точке А определяется напряжением зарядного генератора 2. Разность потенциалов U₁ между электродом 3 и наружной поверхностью ротора равна напряжению генератора 2. При достаточной поверхностной диэлектрической прочности плотность заряда и напряжение U₁ связаны зависимостью

σ =C₁·U₁,

где σ — плотность заряда; C₁— удельная емкость поверхности ротора по отношению к электроду 3.

В результате вращения ротора рассматриваемый участок поверхности ротора площадью 1 см² пройдет точку A, удалится от электрода 3 и будет двигаться дальше к точке С. При удалении площадки от электрода емкость ее по отношению к земле резко уменьшится и станет равной С₂. При этом С₂ <С₁. Так как плотность заряда не изменилась (предполагается достаточная поверхностная прочность ротора) и осталась прежней величиной σ, то потенциал заряда по отношению к земле должен вырасти во столько раз, во сколько уменьшилась емкость. Таким образом,

Увеличение потенциала может быть очень большим. Обычно U₂ больше U₁ в десятки раз.

Разрядное устройство 5, представляющее собою такую же щетку, как и зарядное устройство 2, снимает заряд с поверхности ротора и направляет его к нагрузке 6, например, к ускорительной трубке.

В таком упрощенном виде, однако, генератор не может быть использован для практических целей. Для получения предельного напряжения, соответствующего поверхностной прочности ротора, потенциал должен нарастать постепенно. Это достигается некоторым усложнением конструкции машины.

Практически применяемая конструктивная схема роторного генератора показана на рис. 32.

Рис. 32. Практическая схема роторного генератора с изоляционным ротором: 7 – электрод-статор, 8 – второй электрод, 9 – сопротивление, 10 – лампа

По сравнению с рис. 31 здесь добавлен неподвижный электрод-статор 7, выполненный из специального полупроводящего материала. Утечка заряда через этот статор составляет около 10 % от полного заряда. В районе разрядного устройства на статоре расположен второй электрод 8, соединенный с разрядным устройством. Это обеспечивает постоянный ток по статору. Потенциал статора по отношению к земле нарастает линейно от —U_l до +U₂. Напряжение между статором и ротором по всей длине зазора остается постоянным, так как емкость ротора по отношению к полупроводящему статору остается постоянной для всех углов φ.

Ротор машины выполняется из эпоксидной смолы. Толщина стенки его порядка 2…3 мм, зазор между статором и ротором примерно 0,3 мм. Давление водорода в корпусе 15…20 aтм.

Коронирование с острия зарядного устройства начинается при атмосферном давлении и напряжении 2,6 кв. В атмосфере азота эта величина поднимается до 3,7 кв. Ширина зарядного и разрядного электродов обычно равна 30…40 мм.

Роторные генераторы безопасны для обслуживающего персонала. Даже при напряжении несколько сот киловольт поражение током от него приводит лишь к неприятному ощущению. Это вызвано тем, что ток короткого замыкания машины соответствует рабочему току, а собственная емкость систем весьма мала. При коротком замыкании напряжение генератора падает практически до нуля.

Для системы стабилизации роторных генераторов обычно используется балластное сопротивление 9, (см. рис. 32) включенное параллельно нагрузке. Оно потребляет энергию такого же порядка, как основная нагрузка. Сигнал с части балластного сопротивления подается на сетку лампы 10, включенной в цепь зарядного устройства. При работе на ускорительной трубке возможно также использование сигнала, полученного от датчика, установленного на ионопроводе и фиксирующего положение пучка. Система стабилизации напряжения, показанная на рис. 2, представлена в упрощенном виде, практически она значительно сложнее.

В основу роторных генераторов с металлическим ротором положена следующая конструкция (см. рис. 33).

Рис. 33. Схема роторного генератора с металлическим ротором.

Ротор генератора представляет собой ряд отполированных дисков толщиной в несколько миллиметров с зубцами на их наружной поверхности. Ротор вращается внутри статора, также состоящего из ряда дисков с зубцами. Шаг зубцов ротора и статора одинаков, поэтому, как показано на рис. 33а, может быть положение, когда зубцы статора и ротора находятся друг против друга в осевом направлении. При повороте на угол, соответствующий угловому полушагу зубцов, ротор занимает положение, показанное на рис. 33б, когда зубцы ротора расположены в промежутках между зубцами статора. В первом положении емкость системы максимальна, во втором положении минимальна. При правильном выборе размеров зубцов и при достаточно малых зазорах между зубцами статора и ротора колебание емкости может быть очень большим (в десятки и сотни раз). Если в первом положении ротор получит заряд при напряжении зарядного устройства U_l то во втором положении ротора вследствие уменьшения емкости системы напряжение на роторе возрастет до

где С₁ и С₂ — емкость ротора по отношению к статору в первом и во втором положениях.

Щеточная система, снимающая заряд с ротора, должна рабо­тать при втором положении ротора, т. е. при минимальной емкости.

Такова принципиальная основа конструкции роторных генераторов с металлическим ротором. Возможны и другие комбинации, использующие принцип увеличения напряжения при уменьшении емкости системы.