Импульсные генераторы. Ниже будут рассмотрены основные данные и конструктивные схемы некоторых униполярных генераторов, предназначенных для импульсных режимов работы. За небольшой интервал времени (от десятых долей до нескольких секунд) внезапного короткого замыкания цени якоря генератора часть кинетической энергии, запасенной ротором в процессе разгона, преобразуется в энергию электрического импульса.

Рис. 45. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора с параллельной и послеловательной обмотками возбуждения

На рис. 45 показана принципиальная схема одного из таких униполярных генераторов [83], который используется для получения импульсов тока, достигающих 56 ка, в цепи бетатрона. При скорости вращения в 19 000 об/мин и величине индукции магнитного поля генератора, равной 0,4 вб/м, напряжение на зажимах якоря составляет всего 2,5 в. В машине отсутствует магнитопровод из стали. Поле создается двумя возбуждающими обмотками: независимого питания / и последовательной с якорем 2. На риС, 45 стрелками показано согласное направление токов в указанных обмотках, необходимое для создания наибольшего магнитного поля. 50

Ротор выполнен в виде диска 3 из сплава -меди с бертглли-ем (98% Си и 2% Ве). Прочность диска соответствует прочности инструментальной стали. Это обеспечивает высокую угонную скорость вращения диска - 30 000 об/мин. Ротор приводится во вращение сжатым воздухом, для чего в .нем предусмотрены огв-2)стия, выполняющие роль лопаток турбины.

Токосъем осуществляется струевым ртутным контактом. Прн диаметре щетки 3,2 см (4 п 5) плотность тока в струе ртути составляла 4000 а/см. Окружная скорость на периферии диска равна 150 м/сек. Величина соиротивления замкнутой цепи якоря с учетом последовательной обмотки возбуждения, которая одновременно является обмоткой бетатрона, снижена до 2 10 ом.

Другая оригинальная принципиальная схема униполярного генератора приведена на рис. 46, с помощью которой авторы [73] исследовали возможность получения сильных маг-нитых полей. В связн с этим у генератора, как и в предыдущей конструкции, совершенно

отсутствуют элементы из ферромагнитных материалов.

Внутренний диск и охватывающий его цилиндр вращаются в противоположные стороны. По направлению АВ в диске и цилиндре индуктируются электродвижущие силы. В воздушный зазор между вращающимися частями на короткое время вспрыскивается ртуть, тем са.мым создается замкнутый контур, по которому будет протекать ток. Линии тока показаны па рисунке стрелками. В области между поверхностями диска и Цилиндра возникнет сильное магнитное поле. Для испытанного Лабораторного образца небольшого униполярного генератора оказалось возможным в течение 0,1 сек получить ток в 300 ка (при этом рассеиваемая мощность 100 кет), который создал вуказалной зоне магнитное поле с индукцией 5 = 0,5 вб/м. 4* 51

Рис. 46. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора с самовозбуждением н нормальная составляюшяч тока; тангенциальная со-

ста вляющая

По выражению для напряженности поля определим принятый диаметр диска машины

Согласно приведенным данным получим: Dp = 24 см.

Интересно решена задача создания поля возбуждения генератора. Оно образуется токами двух колец, причем одно из них питается от вспомогательного источника и создает начальное поле, которое вызывает нарастание тока якоря. Ток, протекая по второму специальному кольцу, еще более усиливает магнитное ноле возбуждения генератора. Для получения требуемого направления поля это кольцо разделено па отдельные элементы с помощью наклонных канавок, заполненных изоляцией. В результате ток протекает под углом к оси вращения диска, что дает тангенциальную составляющую /т (см. рис. 46), которая обусловливает намагничивающую силу вдоль оси кольца. Необходимое радиальное направление результирующего поля возбуждения машины достигается согласованием углов наклона канавок на левом и правом кольцах.

Уникальный импульсный генератор дискового типа на пик тока в 1600 ка при начальном напряжении 800 в был разработан и прошел успешные испытания в Австралийском национальном университете [71, 41]. Генератор предназначен для создания пульсирующего тока (примерно сицусоидальной формы) в обмотке возбуждения орбитального безжелезного магнита протон-синхротрона на 10 млрд. электрон-вольт. Необходимо указать, что в СССР для аналогичных целей была применена система с синхронными машинами и вентилями [3]. В течение периода нарастания тока в обмотке магнита ишхрофазотрона игнитроны работают в режиме выпрямления, питаясь от синхронных генераторов. После достижения током наибольшего значения игнитроны переводятся в инверторный режим, а синхронные машины начинают работать в двигательном режиме, преобразуя электромагнитную энергию поля обмотки магнита в кинетическую энергию вращающихся масс.

Принципиальная схема униполярного генератора дана на рис. 47. Два ротора с вертикальными осями вращаются в противоположные стороны со скоростью 900 об/мин. Каждый ротор состоит из двух изолированных друг от друга стальных дисков 7, каждый из которых имеет диаметр 354 см, толщину 25,4 см, вес 20 т. Общий вес генератора составляет 1500 т. Диски попарно насажены на валы /, которые вращаются в упорных подшипни-

Рис. 47. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора на напряжение 800 в

ках. Между цилиндрическими полюсами электромагнитов 2 (с диаметрами 376 см) создается равномерное магнитное поле с помощью катушек возбуждения 5. Расстояние между указанными полюсами 156 см. Для замыкания силовых линий поля имеется прямоугольное ярмо. Цепь возбуждения питается от генератора мощностью 750 кет. При индукции в межполюсном пространстве 1,6 вб/м в каждом диске наводится э.д.с, равная 200 е. С помощью струйных контактов 6 диски соединяются последовательно и через жидкометаллический прерыватель 4 зг-мыкаются на обмотку 5 магнита синхротрона.

В качестве жидкометаллической среды применен эвтектический сплав натрия с калием (NaK). который выбрасывается через форсунки на движущиеся поверхности дисков. Благодаря большой скорости истечения жидкости струя ие успевает сильно нагреться. Токосъем осуществляется с периферии дисков и на кольцах диаметром 122 см с помощью непрерывных плоских (листовых) струй, подводимых радиальио вокруг дисков. Через все форсунки за время работы в течение 1 сек выбрасывается свыше 1 т жидкого сплава NaK. При испытании контакт удовлетворительно выдержал в течение около 0,2 сек импульс тока, равный 1800 ка. Для нагрузки использовалась электролитическая ванна, к которой ток подводился системой алю.миниевых шин. Так как значительная часть кинетической энергии униполярного генератора теряется за счет нагрева стальных дисков (до 10° С за один импульс), то предусмотрен отвод тепла с по-

мощью водяного охлаждения в перерыве между импульсами. Расчетная периодичность импульсов составляет порядка 10 ман.

Разгон роторов униполярной машины производится в двигательном режиме при питании ее силовой цепи от выпрямительной установки постоянного тока. Требуемый ток в 3000 а подводится дополнительньгми Струевыми контактами. Кинетическая энергия двух роторов при скорости вращения 900 об/мин составляет 6- 10* дж. Перед замыканием силовой цепи подается сплав через форсунки.

Компактную конструкцию импульсного генератора на повышенную скорость вращения разработала фирма Allis Chalmers [47], На рис. 48 показан продольный разрез импульсного генератора. При скорости вращения 7200 об/мин он рассчитан на начальное напряжение 30 е и ток 60 ка. За счет форсирования возбуждения генератор обеспечивает импульс тока в 300 ка, величина которого автоматическим регулированием в течение 3 сек поддерживается постоянной с точностью до 17о, независимо от сопротивления нагрузки. Время достижения максимального тока составляет 1 сек.

Генератор имеет высокое использование материалов, представляя собой цилтщр, плотно заполненный стальными и медными частями. Относительный вес на единицу мощности подобных конструкций согласно [47] может быть достигнут порядка 1,3 кг/квт.

Рис. 48. Проло.

льный ра.зрез импульсного униполярного генератора фирмы Alhs Chalmers на 300 ка t- ] т f

Конструктивная схема рассматриваемого генератора относительно проста. Стальной кованый ротор 5 охватывается стальным массивным статором 2. Две кольцевые катушки 3 создают поле возбуждения, направление силовых линий которого показано на рис. 48. Съем тока осуществляется с помощью сплава NaK (56% Na и 44% К), который подается в канавки специального устройства 4. Конструкция этого устройства позволяет не опасаться осевого смещения вала, поэтому машина не нуждается в торцевых подшипниках. Применяются подшипники качения 7. Линии тока, как это показано на рисунке, пройдя через ротор и токосъемные устройства, собираются в центральной части, где расположены сборные шины /. Таким образом, обеспечивается компенсация реакции тока якоря. Внутренняя полость генератора заполнена сухим азотом с небольшим избыточным над атмосферным давлением. Корпус должен быть хорошо герметизирован 6.

Генератор приводится во вращение через мультипликатор асинхронным двигателем мощностью 1850 кет. Исследовательский центр NASA применяет рассмотренный агрегат с импульсным униполярным генератором для питания обмоток электромагнита, который способен создать сильное магнитное поле с индукцией до 10 вб/м.

Номинальные данные униполярных генераторов подобной рассмотренной выше конструкции изменяются в определенных пределах. Например, в Мичиганском университете находится в эксплуатации импульсный генератор, имеющий номинальный ток 60 ка, максимальный 300 ка, напряжение 40 в, скорость вращения 10000 об/мин; в КалифорниР1Ском университете машина предназначена для получения импульса тока до 1500 ка и используется для обеспечения энергией специальных ядерных установок.

Генератор фирмы General Electric. На рис. 49 показан униполярный генератор, изготовленный фирмой GEC [43]. Он рассчитан на длительный режим работы в течение нескольких лет без останова для ухода и ремонта. Вспомогательные агрегаты (насосы, теплообменники) находятся вне генератора и допуска-FOT использование резервных устройств без останова машины.

Номинальные данные генератора: мощность 10 Мет, напряжение 67 е, ток 150 ка. скорость вращения 3600 об/мин, мощность возбуждения 0,1% от полной.

Вес машины - 25 т, следовательно, вес на единицу мощности- 2,5 кГ/квт. Габариты (включая муфты сцепления): длина- 356 см, высота - 178 см, ширина - 256 см. К,п.д. генератора более 98%), тогда как к.п.д. современных мощных коллекторных машин постоянного тока не более 94-957о.

Для токосъема используется эвтектический сплав натрия с калием (температура плавления-12° С).