CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
Том 206 1973
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗАЗОРОВ РОТОР —СТАТОР И РОТОР —ЩЕТКА НА ТОК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДИСКОВОГО СТЕРЖНЕВОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
ГЕНЕРАТОРА
А. Ф. КАЛГАНОВ, Э. А. ПОДПЛЕТНЕВА, Ю. Н. СИВКОВ
(Представлена объединенным научным семинаром кафедры теоретических основ электротехники п сектора, роторных ЭСГ НИИ ЯФЭА)
Во многих работах, посвященных исследованию стержневых ЭСГ, последние рассматриваются лишь как системы, обладающие линейными характеристиками [1—8]. Результаты исследований, в том числе выведенные аналитическим путем зависимости одних параметров от ¡других, дают многое для понимания происходящих в ЭСГС процессов. Однако они оказываются недостаточными для оценки максимальных .'выходных параметров ЭСГ, поскольку эти параметры достигаются в условиях, когда система становится нелинейной (режим насыщения) и уже не описывается аналитически.
В связи с отсутствием аналитического расчета ЭСГС в режимах насыщения максимальные выходные параметры ЭСГС обычно оцениваются экспериментальным путем [9—11].
Дополнительная нелинейность вносится в систему ЭСГС при замене контактной коммутации на газоразрядную.
Нами проведены экспериментальные исследования зависимости максимального тока к. з. однодискового ЭСГС от величины зазора й\ /ротор — статор при контактной коммутации и от величины зазора 5 между коллекторной частью ротора и щеткой при газоразрядной коммутации.
Исследования проводились на генераторе, описанном в [12], при атмосферных условиях. Контактная коммутация осуществлялась с помощью узких щеток по методике [12], а газоразрядная — с помощью Щеток в виде стальных стержней диаметром 4 мм, концы которых, обращенные к коллекторной части ротора, имели конусообразную форму; конец конусной части округлялся радиусом 1 мм и шлифовался. Положение щеток-стержней относительно коллекторной части ротора регулировалось с помощью резьбового соединения других их концов со щеткодержателями. Величина зазора определялась по шагу резьбы щетки-стержня и по углу поворота крепящей гайки.
Влияние зазора ротор — статор
На рис. 1 кривая 1 изображает зависимость/к.3. т= в условиях, когда оба зазора между ротором и дисками двойного статора поддерживались одинаковыми. Ток измерялся микроамперметром М-194, имеющим класс точности 1,0.
Как видно из рисунка, кривая 1 имеет два характерных участка. Первый из них соответствует зазорам 0,2 -г- 1 мм, когда с увеличением зазора ток к. з. резко уменьшается. Второй участок соответствует зазорам й\ 1 мм, когда с увеличением зазора уменьшение тока к. з. становится незначительным.
Характер зависимости 1к.з.т = /(¿1) соответствует характеру изменения пробивной напряженности
Епр слабонеравномерного электрического поля в зависимости от величины пробивного промежутка. Придерживаясь исходных позиций, изложенных в [13], в отношении связи максимального тока к. з. с величиной средней
г
£ %
50
к] . л
V /
№
ВО
60
¿ю
20
О
\ I
\ !
£ пред
[ пред
Я/ Ю* •)
0,2
ол
0,6 0,$
Рис. 1. Зависимости максимального тока к. з. от величины зазоров ротор-статор однодиско-вого ЭСГС
Рис. 2. Зависимости напряженности электрического поля от межэлектродного расстояния стандартного разрядника
(Еп[)) и от зазора ротор—статор ЭСГС (£дред и £11ред)
предельной напряженности поля Е' в зазоре ротор —статор ЭСГС
эту напряженость можно оценить по соотношению
Г'
^ прел
25/г
(1)
где
— максимальная величина средней поверхностной плотности переносимого ротором заряда, определяемая по максимальному току к. з.; 5 —двусторонняя рабочая поверхность ротора; п — число оборотов ротора в секунду.
На рис. 2 приведены зависимость = /■(</,), подсчитанная по
(1) с использованием экспериментальных значений /к.3. ш, и зависимость ¿'пред = ! №)» подсчитанная по соотношению
Е'
р _ С< пред (С).
¿-пред — 9
ЛГ0
где £11ред — амплитудное значение достигнутой напряженности поля; /^—коэффициент, характеризующий, согласно [13], степень равномерности электрического поля в зазоре ротор—статор ЭСГС. В рассматриваемом случае величина /с0 изменяется от 0,91 до 0,95 при изменении й\ от 0,2 до 0,8 мм.
Для сравнения на рис. 2 приведена зависимость электрической прочности £пр воздушного промежутка, образованного шарами диаметром 2,5 см, по данным [14].
Из приведенных данных видно, что как Е , так и £пред меньше величины £пр. При этом разница между £пр и £пред составляет 25 -н -^-30%, а между £пр и £преа 17 — 27%. С учетом наличия тангенциальной составляющей электрического поля в зазоре ротор — статор, которая в среднем оценивается в одну десятую от нормальной составляющей поля, можно констатировать удовлетворительное (в пределах 15-г-20%) совпадение значений £ гр и £ ред . Неполное совпадение этих величин может быть как за счет того, что коэффициент Ко, возможно, недостаточно точно характеризует неравномерность поля в ЭСГС, так и из-за необеспеченности условий поддержания пробивных напря-женностей поля в зазоре ротор — статор впоследствие влияния, например, щелочно-коллекторной системы.
Полученные данные наглядно свидетельствуют о необходимости поддержания в ЭСГС весьма малых зазоров ротор — статор с целью повышения удельных энергетических показателей* и это накладывает особые требования к точности изготовления и сборки основных рабочих элементов генератора.
В многодисковых ЭСГС каждый диск ротора отделен от статора двойным зазором. В реальных конструкциях ЭСГС обеспечение строгого совпадения величин обоих зазоров (особенно когда они весьма малы) затруднительно, если не невозможно. В связи с этим представляет практический интерес знание степени изменения величины /к.3 т генератора с изменением одного из двух зазоров. Нами проведено экспериментальное определение такого изменения на однодисковом ЭСГС, Результаты эксперимента приведены на рис. 1 в виде зависимости т — f {d\ i d[ — const (кривая 2), когда один из зазоров (d\) изменялся от 0,2 до 4 мм, а другой (d"i) оставался неизменным и равным 0,2 мм. Как видно, кривая 2 по характеру изменения аналогична кривой 1, но расположена выше (ток к. з. для этого случая значительно больше).
Объяснение хода кривой 2 может быть сведено к следующему. Если ток ¡к.з.т определяется достигаемой величиной £„ред, которая, в свою очередь, зависит от du то для однодискового генератора с двойным статором он может быть представлен суммой двух токов: /¿зт = = f{d\) и 1'кзт= f(d[). При d\ — const и увеличивающемся d\ ток Г3 т должен быть постоянен, а ток I'Kt3tfn и суммарный ток /к.3.т должны уменьшаться; при этом вследствие постоянства/кзт уменьшения Iк.з.т должны быть значительно меньше, чем в случае, когда увеличиваются оба зазора одновременно. Это положение иллюстрируется кривой 3 рис.1. Ордината ее точки является суммой половины ординаты кривой 1 для dx = 0.2мм и половины ординаты той же кривой для текущего увеличенного значения dv. Как видно, кривые 2 и 3 почти совпадают; различие между ними не превышает 6%, что находится в пределах погрешности оценки величины dt. В этих условиях ток к. з. ЭСГС может быть определен как
/к.з. = 5лг0 (Е'п + ЕГп),
где Егп и Е"п — нормальные составляющие поля в зазоре; d\ и d\, соответственно.
Влияние зазора ротор — щетка
На рис. 3 приведены зависимости максимального тока к. з. при газоразрядной коммутации в относительных единицах р (как отношении 64
максимального тока к.з. при газоразрядной коммутации к максимальному току к. з. при контактной коммутации при прочих равных условиях (от величины зазора ротор — щетка 6 для двух значений зазора ротор — статор d\ (0,2 и 1 мм, причем dx — d\ =df\). Значения токов к. з. при контактной коммутации соответствуют данным кривой 1 рис. 1.
Из полученных данных следует, что с увеличением зазора максимальный ток к. з. генератора уменьшается; при этом степень уменьшения тока тем больше, чем больше зазор между ротором и статором. Другой характерной особенностью зависимостей р = f(6)di = const является то, что при малых значениях d\ (порядка 0,2 мм) ток к. з. генератора практически не изменяется при изменении зазора 6 в диапазоне 0 ч- 0,5 мм, тогда как при зазоре d\ = 1 мм резкое уменьшение тока наблюдается уже при зазоре б — 0,2 мм.
Выводы
1. Подсчитанные по максимальному току к. з. предельно достижимые значения нормальной составляющей напряженности электрического поля в зазоре ротор — статор ЭСГС оказываются близкими к значениям электрической прочности среды в сопоставимых условиях, что является дополнительным подтверждением справедливости ранее высказанных в отношении методики оценки максимального тока к. з. ЭСГС.
2. При наличии двойного статора и, соответственно, двойного зазора между ротором и статором ток к. з. однодискового генератора прямо пропорционален сумме величин напряженностей поля, достигаемых в каждом из зазоров.
3. Использование газоразрядной коммутация в ЭСГС практически не приводит к снижению максимального тока к. з., если обеспечиваются достаточно малые зазоры как между ротором и щеткой, так и между ротором и статором.
ЛИТЕРАТУРА
I. С. А. Бобковский. ЖТФ, 10, № 17, 1404, 1940.
2. Ю. С. К о р 13 е н я и к о в, В. В. Пацевич. Ю. Н. Сивков. Электронные ускорители (Труды 5 межвузовской конференции, Томск, 1964 г.), М., 1966.
3. В. А. Л у к у т и н, В. Д. Эськов. Ж. «Энергетика и транспорт», № 2, 1967.
4. В. А. Луку тин, В. Д. Эськов. Изв. ТПИ, т. 149, 1966.
5. А. П. Кононов, В. А. Лукутин, В. В. Пацевич. Изв. ТПИ, т. 149, 1966.
6. В. Д. Эськов. Изв. ТПИ, т. 152, 1966.
7. А. П. Кононов, В. В. Пацевич, В. Д. Эськов. Ж- «Энергетика и транспорт», № 4, 1967.
8. А. П. Кононов. Исследование электростатического генератора дискового типа. Диссертация, Томск. 1967.
9. N. J. F е 1 i с 1, J. Р h u s, et Rad, 9, № 2, 66, 1948.
10. В. В. Пацевич. Некоторые вопросы теории и расчета ЭСГ с транспортерами-проводниками. Диссертация, Томск, 1963.
11. А. Ф. Калганов, В. В. Пацевич, Ю. Н. Сивков. Тезисы докладов всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по вопросам создания и методам испытания высоковольтной физич. аппаратуры, Томск, 1967.
12. А. Ф. Калганов, Э. А. Подплетнева, Ю. Н. Сивков. К вопросу о сравнении экспериментальных и ¡расчетных характеристик короткого замыкания стержневого ЭСГ. Настоящий сборник.
13. А. Ф. Калганов. Об энергетическом соотношении между стержневыми ЭСГ и ЭСГ с транспортером-диэлектриком. Настоящий сборник.
14. Под ред. проф. А. А. Воробьева. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения, ГЭИ, 1960.
to ß
Q6
Cfi й2
W.- /»я
$ МП
(15 15
Рис. 3. Зависимости максимального тока к. з. от величины зазора ротор-шетка при различных зазорах ротор—статор
исходных положении
