Файл: Туровский Я. Техническая электродинамика.pdf

сов). Этот поток направлен навстречу потоку полюсов, когда на­ грузка имеет индуктивный характер, и согласно — при емкостной нагрузке. Изменяя ток возбуждения im и сохраняя тем самым по­ стоянной индукцию Вр (для уменьшения изменений напряжения),

При активной нагрузке генератора линии магнитного поля, на­ правленные первоначально по радиусу, начинают вытягиваться в на­

150

поворачивается теперь к поверхности статора, что обозначает пере­ дачу энергии из зазора в статор. Этот поворот линий индукции в зазоре вызван появлением при активной нагрузке токов якоря,

меньше известного угла нагрузки 0 синхронной машины; их наиболь­

и равен мощности на единицу поверхности, проникающей из воздуш­ ного зазора в статор.

Полный поток мощности, проникающий в статор при постоянном возбуждении, равен:

Формула (3-28) позволяет быстро определить основные размеры машины либо ее активную мощность.

П р и м е р . Проверим, какую активную мощность можно было бы получить от турбогенератора при частоте вращения 50 об/с, ча­ стоте тока 50 Гц, с основными размерами: /=5,25 м; D = l м; 6р = = 47,5 мм, работающего при постоянном возбуждении, соответствую­ щем индукции при холостом ходе В Р =0,79Т и при угле нагрузки, изменяющемся в пределах в = 10ч-15°.

В первом приближении можем принять:

151

Пользуясь подобным методом, можно провести аналогичные расчеты для постоянной результирующей индукции в зазоре, опреде­ лить момент и т. п.

3-10. ПОТОК мощности

В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРАХ

Принцип действия современных электрических машин основан на законе электромагнитной индукции, определяемом вторым уравне­ нием Максвелла (2-2). Те же виды машин могут быть построены [Л. 3-1] на принципе магнитоэлектрической индукции, т. е. путем образования вихревого магнитного поля и тока за счет изменения электрического поля (2-1):

rot H = dD/oY.

Преобразуя левую сторону с помощью теоремы Стокса (2-11), а правую — с помощью закона Гаусса (2-14), получаем «закон пол­ ного тока для электростатических машин»

и

где We= j" DdA—поток электростатической индукции, охватываемый

А

замкнутым магнитным контуром /. На этом принципе основано дей­ ствие электростатических машин, у которых магнитное поле и ток появляются в результате движения или изменений электрического поля.

Главным препятствием на пути широкого применения этого мето­ да является отсутствие материалов и конструкционных систем, кото­ рые позволили бы увеличить поток ЧГ Е , подобно тому, как это дела­ ют в случае магнитного потока, применяя сталь и увеличивая число витков. Это обстоятельство не позволяет также получить достаточно большую концентрацию энергии электрического поля.

152

Так, без особого труда удается получить в воздухе магнитную индукцию В = 1,2 Т, чему соответствует плотность энергии магнит­ ного поля

W„=BV2fx=l,22 /(2-4rt- 10-') = =6,73 • Ю5 Вт • с/м3 .

Вместе с тем напряженность электрического поля, выдерживае­ мая надежно воздухом, составляет всего £ = 1 1 • 102 кВ/м, чему соот­ ветствует плотность энергии электрического поля

№о = е £ 2 /2=10 - э (П • 105 )2 /(2 • 4я • 9) = =5,35 Вт-с/м3 .

Как видно из этого примера, в магнитном поле можно накопить энергию, примерно в 100 ООО раз большую, чем в электрическом поле.

Рис. 3-12. Движение потоков энергии в электростатическом генераторе.

а — х о л о с т о й х о д ( з а р я д к а ) ; б — работа ( р а з р я д к а ) .

Преобразование механической энергии в электрическую реали­ зуется в электростатических машинах за счет преодоления кулоновых сил электростатического притяжения при принудительном от­ носительном движении тел, несущих заряды противоположного знака.

На рис. 3-12 показана схема наиболее упрощенной электроста­ тической машины в виде плоского конденсатора с подвижными об­ кладками. Если при холостом ходе, т. е. при открытых зажимах (рис. 3-12,а), обкладки имеют постоянный заряд Q, то, выполняя работу отодвигания пластин, увеличим энергию электрического поля конденсатора

где А — поверхность пластины (обкладки); а — расстояние между пластинами.

Если скоростью отодвигания пластин является v, то ток смеще­ ния внутри конденсатора равен ii — Qvj(2a) и направлен от положи­ тельной пластины к отрицательной. Этот ток и напряжение между обкладками создают поле согласно (3-16), описанное ранее при об­ суждении плоского конденсатора. Вектор Пойнтинга, как и раньше, направлен извне к оси конденсатора и равен:

153

Это соответствует зарядке генератора за счет выполненной ра­ боты. При нагрузке электростатического генератора (рис. 3-12,6) ток разряда внутри конденсатора направлен от отрицательной пластины к положительной. Отсюда следует также, что вектор Пойнтинга имеет при разряде противоположное направление и равен:

S2 =«iV(2nra).

Таким образом, при разряде энергия поля генератора выходит из него через боковые поверхности конденсатора. В электростатиче­ ских генераторах оба вида работы: удаление обкладок и разряд — происходят одновременно.

Fz G А В V

Рис. 3-13. Схема самовозбуждающегося элек­

ника.

Подобным образом происходит передача энергии и в электро­ магнитах при движении их якорей [Л. 3-1].

На рис. 3-13 показана схема одной из возможных конструкций

разрядными остриями и расположены очень близко к барабану Z.

154

Пластина Р 2 получает кратковременный импульс постоянного напряжения от устройства, составленного из индукционной катушки и диода. В результате этого отрицательный заряд в виде искры пере­ ходит от Кг на транспортер Z, а затем к собирателям Кз и Кь. Соби­ ратель Кз переносит часть полученного заряда на возбуждающий полюс F2; Кз и F 2 имеют, следовательно, одинаковый потенциал. Так как Ki заземлен, он имеет потенциал, несколько меньший, чем Кз, и поэтому он не только отнимает отрицательные заряды, но также сообщает положительные заряды транспортеру Z и таким образом в 2 раза увеличивает ток. Положительные заряды транспортера пе­ реходят на собиратели Ki, Л'г, и здесь описанный цикл явлений по­ вторяется, но уже при отрицательном полюсе.

Электростатические генераторы применяют для окраски, очистки газов, для пылеуловителей, для устройств увлажнения полуфабри­ катов в текстильной промышленности, для цветной печати, в рент­ генотехнике, в электронной микроскопии, в метрологии [Л, 3-4].

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ЭКРАНИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ

4-1. ВИДЫ И РОЛЬ ЭКРАНОВ

В связи с постройкой все более мощных трансформато­ ров, генераторов и иных энергетических устройств, а так­ же в связи с растущим использованием материалов при ограниченных размерах этих устройств конструктор должет считаться с необходимостью ограничения вредных тепловых и энергетических эффектов концентраций полей рассеяния. Одним из наиболее эффективных методов решения этой проблемы является магнитное и электро­ магнитное экранирование, которое в последнее время приобретает в технике сильных токов все большее зна­ чение.

Э к р а н а м и в этой работе будем называть металли­ ческие преграды в виде стенок, сеток, короткозамкнутых витков, магнитных шунтов и т. п., задачей которых явля­ ется защита некоторых областей от внешних электричес­ ких или магнитных полей либо защита внешнего окру­ жающего пространства от выхода наружу поля, замкну­

рокое применение в технике высоких напряжений и вы­

155