книги из ГПНТБ / Полотовский Л.С. Емкостные машины постоянного тока высокого напряжения

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решениях XXI съезда КПСС указано на необходи­ мость самого широкого внедрения электротехники во все области народного хозяйства. Передача энергии постоян­ ным током высокого напряжения, использование атом­ ной энергии для мирных целей, широкое развитие радио­ техники и внедрение автоматизации производственных процессов заставляют изыскивать новые способы преоб­ разования механической энергии в электрическую энер­ гию постоянного тока высокого напряжения в генерато­ рах и обратного преобразования в двигателях.

Настоящая работа, посвященная рассмотрению ем­ костных машин постоянного тока высокого напряжения, не являясь обзором осуществленных машин, ставит пе­ ред собой задачу — дать классификацию емкостных ма­ шин, их общую теорию, и на этой базе оценить возмож­ ности создания при современном уровне техники емкост­ ных машин с большой удельной мощностью и высоким к. п. д.

Помимо этого,, в работе рассматриваются характе­ ристики различных типов машин в генераторном и дви­ гательном режиме, условия самовозбуждения, коммута­ ция и в заключение разбирается работа емкостных ма­ шин в различных конкретных схемах.

В книге не рассматриваются расчеты электрических полей в различных конструкциях машин; по этому во­ просу имеется многочисленная литература, а целый ряд задач, связанных с определением наивыгоднейшей фор-

5

В В Е Д Е Н И Е

Первыми генераторами, преобразующими механиче­ скую энергию в электрическую, были так называемые электростатические машины. Они появились в 1650 г. вначале как машины трения, а затем, со второй поло­ вины XIX в. как машины, использующие открытое Эпинусом в середине XVIII в. явление электростатической индукции и получившие наименование электрофорных.

Весьма остроумная машина трения была создана в XVIII в. Ломоносовым [Л. 1]. Его машина представ­ ляла собой полый металлический шар, внутри которого вращалась кисть, электризующая трением внутреннюю поверхность шара. Заряды переходили на внешнюю по­ верхность шара, приобретавшего при этом высокий потенциал. Эта машина свидетельствует о том, что Ломоносову, задолго до Фарадея, было известно явле­ ние сосредоточения зарядов на внешней поверхности по­ лых тел.

Помимо Ломоносова, машины трения разрабатыва­ лись и другими русскими учеными — Болотовым [Л. 2]

иПетровым [Л. 3].

Вразвитии электрофорных машин как с металличе­ ским, так и с диэлектрическим ротором, помимо Теплера [Л. 5], Гольтца [Л. 6] и др., большой вклад был внесен

русскими учеными Шведовым [Л. 8], Тепловым [Л. 9], Яблочковым [Л. 10], Пушковым [Л. 11], создавшими це­ лый ряд машин.

Термин «электростатическая машина» принципи­ ально неудачен, потому что в электростатическом поле невозможно непрерывное преобразование механической энергии в электрическую.

Еще в 1907 г. Баркгаузеном [Л. 15] и Пуанкаре [Л. 16] было доказано, что для преобразования механи­ ческой энергии в электрическую необходимым условием является-изменение емкости или индуктивности* между

7

отдельными частями машины. Поэтому машины, исполь­ зующие электрическое поле, правильнее называть «ем­ костными», подобно тому, как машины с магнитным по­ лем называют «индуктивными».

Принцип действия емкостной машины может быть пояснен следующим образом. Любая емкостная машина, независимо от ее конструктивного осуществления, все­ гда состоит из неподвижной части — статора, и подвиж­ ней части, так или иначе перемещающейся относительно

Проводником, так и диэлектриком. В соответствии с этим емкостные машины могут иметь проводящий или диэлек­ трический ротор.

, Изменение заряда ротора, соединенного с нагрузкой, сопровождается током в цепи нагрузки.

В качестве конкретного примера рассмотрим емкост* йую машину с дисковым проводящим ротором, схемати­

щиеся вокруг оси. К полудискам статора подведено noj етУяннЬ^ напряжение во'ЗоужШ.ения Us. На Торец ротор­

8

ного диска наложены щетки а, приключенные к на­ грузке.

На полудисках ротора, расположенных против заря­ женных поверхностей полудисков статора, индуцируются заряды разных знаков, величина которых q определяется емкостью С между полудиском статора и полудиском ротора,

При вращении ротора заряды на его полудисках из­ меняются, что сопровождается током

в цепи нагрузки. Так как щетки попеременно касаются обоих полудисков ротора и тем самым производят ком­ мутацию тока, то во внешней цепи пойдет пульсирую­ щий ток неизменного направления.

Из выражения для тока емкостной машины видно, что для увеличения ее мощности необходимо увеличи­ вать напряжение возбуждения или скорость изменения емкости. Увеличению напряжения возбуждения, т. е. на­ пряженности поля, созданного между статором и рото­ ром, ставит предел электрическая прочность рабочего диэлектрика машины. Скорость изменения емкости мо­ жет быть увеличена или за счет возрастания максималь­ ного значения емкости или путем повышения скорости движения ротора; последняя ограничена механической прочностью ротора и возрастанием потерь на трение при движении ротора в газовой или жидкой среде.

Ограниченная электрическая и механическая проч­ ность элементов емкостных машин привели к тому, что несмотря на их большую давность, более чем на 200 лет превышающую возраст индуктивных машин, емкостные машины не получили широкого применения. В настоя­ щее время они используются лишь для следующих целей:

1) для демонстраций по физике, как источник напря­ жения в несколько десятков тысяч вольт;

2) для исследования атомного ядра и питания мощ­ ных рёнтгенбйских труШщ где они применяются как ге­

9