Файл: Полотовский Л.С. Емкостные машины постоянного тока высокого напряжения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 67
Скачиваний: 0
л. с. п о л о т о в с к и
ЕМКОСТНЫЕ МАШИНЫ
постоянного ТОКА
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА |
1 9 6 0 |
ЛЕНИНГРАД |
U - 9 9 2 >
В книге излагается общая теория емкостных машин постоянного тока и рассматриваются возможности создания машин высокой удельной мощности. Указываются также области примене ния подобных машин.
Книга предназначена для инженеров, работающих в области высоких и сверх высоких напряжений, а также для лиц, разрабатывающих различного рода электрофизическую аппаратуру.
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-
1* |
3 |
по, существу уже решен в других
.и, напримрр в гидродинамике, по созданию мощных, надежных в эксплуа-
1 вместе с тем простых емкостных машин под силу , коллективу исследователей и конструкторов, и наящий труд является лишь основой для дальнейшей
работы в этом направлении.
В целях наглядного представления о развитии уче ния о емкостных машинах автор счел целесообразным привести перечень работ в хронологическом порядке.
Автор выражает благодарность рецензенту профес сору Н- Н. Щедрину и профессору А. Е. Каплянскому за ряд ценных замечаний.
Отзывы и замечания по настоящей книге просьба на правлять по адресу: Ленинград Д-41, Марсово поле 1, Л. О. Госэнергоиздата.
Автор
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|
|||
Введение . ............................................................................................ |
|
7 |
||||||
Глава первая. Классификация |
иосновы |
теории емкостных |
|
16 |
||||
|
|
м а ш и н ............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
§ |
I. Существующие классификации.................................... |
|
— |
|||||
§ |
2. |
Новая классификация.................................................... |
|
|
17 |
|||
§ |
3. |
О теории емкостных маш ин |
.......................................... |
|
24 |
|||
Глйва вторая. Теория биполярныхм аш и н ........................................ |
|
28 |
||||||
§ |
4. |
Дифференциальные |
уравнения машины |
|
|
|||
§ |
5. |
Форма кривых тока и напряж ения............................ |
|
30 |
||||
§ |
6. |
Простейшая |
машина постоянноготока . . . . |
|
35 |
|||
§ |
7. |
Многополюсная |
м а ш и н а ............................................... |
|
|
39 |
||
§ |
8. |
Многодисковая |
м а ш и н а .............................................. |
|
|
40 |
||
§ |
9. |
Уничтожение |
влияния реакции я к о р я ....................... |
|
43 |
|||
§ |
10. |
Мощность и к. п. д............................................................. |
|
|
47 |
|||
§ |
11. |
К ом м утация...................................................................... |
|
|
|
|
54 |
|
§ |
12. |
Машина с диэлектрическим |
р о то р о м ....................... |
|
57 |
|||
§ |
13. |
Самовозбуждение............................................................ |
|
|
61 |
|||
ГлОва третья. Теория униполярныхм аш и н ....................................... |
|
64 |
||||||
§ |
14. |
Дифференциальные уравнения машины . . . |
. |
— |
||||
§ |
15,1 |
Форма кривых тока и напряжения . . . . . . |
|
05 |
||||
§ |
10. |
Индуктированный |
тОк и напряжение холостого |
|
||||
|
|
х о д а .............................................................. |
|
|
|
, . . . |
66 |
|
Глава четвертая. Характеристики емкостных генераторов . |
. |
69 |
||||||
§ 17. |
Независимое |
возбуж дение |
......................................... |
|
— |
|||
§ |
18. |
Параллельное |
возбуждение.......................................... |
|
|
76 |
||
§ |
19. |
Последовательное |
возбуж дение................................ |
|
82 |
|||
Глава пятая. Характеристики емкостных |
двигателей . . . . |
|
86 |
|||||
§ 20. |
Параллельное |
возбуждение......................................... |
|
|
— |
|||
§ 21. |
Последовательное |
возб уж д ен и е....................... |
|
89 |
||||
§' |
22. |
Двигатель е объединенными цепями возбуждения |
91 |
|||||
|
|
и якОр'я.................................................................................. |
|
|
|
|
|
5
Глава шестая. Пути увеличения удельной |
мощности |
емкост |
|
||
|
|
ных маш ин....................................................... |
|
100 |
|
§ |
23. |
Введение электрически прочной среды . |
. . . |
— |
|
§ |
24. |
Введение среды с большой диэлектрической про- |
|
||
, |
|
ницаемостью........................................................... |
|
112 |
|
§ 25. |
Механический к о н так т ........................................ |
|
115 |
|
|
§ 26. |
Емкостная машина с механическим контактом |
117 |
|||
|
|
статор — ротор .................................................................. |
|
|
|
§ |
27. |
Перспективы создания мощных |
емкостных |
машин |
121 |
Глава седьмая. Некоторые вопросы работы емкостноймашины |
125 |
||||
§ |
28. |
Регулирование емкостной |
м аш ины ........... |
— |
|
§ |
29. |
Работа емкостной машины |
на емкостнуюнагрузку |
127 |
|
§ 30. |
Работа емкостной машины |
на индуктивную |
на |
132 |
|
|
|
грузку ................................................................................ |
|
|
|
§ 31. |
О питании емкостной машиной нескольких при |
137 |
|||
|
|
емников ................................................ |
. . . . . . |
||
З а к л ю ч е н и е .................................................................................. |
|
|
140 |
||
|
|
Приложения. |
|
|
|
1. Учет |
нелинейности диэлектрика . ...............................................142 |
||||
2. Расчет формы ротора по заданному закону изменения |
|
||||
емкости |
статор — р о т о р ....................................................... |
|
144 |
|
|
Л и т е р а т у р а .................................................................................. |
|
|
148 |
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
|
статора, |
которую |
мы в |
||||
|
дальнейшем будем |
ус |
|||||
|
ловно называть |
ротором, |
|||||
|
независимо |
от |
характера |
||||
|
ее движения. |
|
|
уст |
|||
|
|
Статор |
|
является |
|||
|
ройством, |
служащим |
для |
||||
|
сообщения |
заряда |
дви |
||||
|
жущемуся |
ротору |
путем |
||||
|
электростатической |
|
ин |
||||
|
дукции, или путем кон- |
||||||
|
дуктивного |
соединения |
|||||
|
ротора со статором (в |
||||||
|
определенные |
моменты |
|||||
|
времени), |
или, |
наконец, |
||||
|
за |
счет |
трения |
ротора |
|||
Рис. 1. |
о статор. |
В |
этой |
работе |
|||
|
машины трения не рас |
||||||
Как известно, |
сматриваются. |
быть |
как |
||||
электризуемое |
тело может |
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
чески представленную на рис. 1. |
|
||
Неподвижная |
система возбуждения — статор — со |
||
стоит |
из двух металлических, изолированных |
друг от |
|
друга, |
полудисков |
5. Против него соосно расположен |
|
ротор — такой же диск из двух полудисков R, |
вращаю |
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
dq __ |
Us |
dC |
dt |
2 |
dt |
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