Дуговой генератор

д

ДУГОВОЙ ГЕНЕРАТОР, генератор электрических токов высокой частоты, основной частью которого является вольтова дуга, питаемая источником постоянного тока. По своему существу дуговой генератор является преобразователем постоянного электрического тока в переменный высокочастотный ток.

Общая схема соединений дугового генератора представлена на фиг. 1.

Общая схема соединений дугового генератора

Здесь: V0 - напряжение источника постоянного тока, L0 - самоиндукция больших реактивных (дроссельных) катушек и R0 - сопротивление в цепи постоянного тока (первичная цепь); С и L - емкость и самоиндукция в цепи колебательного контура (вторичная цепь); R - сопротивление этой же цепи - эквивалент факторов, поглощающих энергию колебательного контура; А - вольтова дуга, являющаяся одновременно частью цепи, как постоянного тока, так и колебательного контура. Назначение самоиндукции L0 - не допускать проникания электрических колебаний в цепь постоянного тока. Сопротивление R0 служит для регулирования силы питающего тока.

Теория дугового генератора. Действие дугового генератора основано на свойстве вольтовой дуги изменять свое сопротивление в зависимости от силы проходящего тока: при возрастании силы тока сопротивление дуги падает, а при уменьшении - ее сопротивление растет. Эта особенность вольтовой дуги подчиняется закону т. н. падающей характеристики. Фиг. 2, изображающая графически этот закон для случая медленных изменений силы тока, дает статическую характеристику дуги.

Теория дугового генератора

Кривая представляет напряжение на электродах дуги VА в виде функции силы тока дуги iA. Закон изменения VА выражается уравнением равносторонней гиперболы:

Dugovoy generetor 3

где а и b - константы дуги.

Работа дугового генератора может быть представлена следующим образом. После подключения генератора к зажимам источника постоянного тока и до зажигания дуги напряжение на ее зажимах равно напряжению источника постоянного тока V0. Но как только дуга загорится (вследствие надлежащего сближения ее электродов), напряжение на ее электродах начнет падать, и поэтому конденсатор С начнет разряжаться через дугу: в цепи C-A-L-R (фиг. 1) начинается генерирование высокочастотного переменного тока. Вследствие наличия электрических колебаний в этой цепи ток дуги будет постоянно складываться из двух слагающих: из тока, посылаемого через дугу непосредственно самим источником постоянного тока, и из тока колебательного контура. Сила тока дуги д. б. поэтому некоторой периодически меняющейся величиной, а, следовательно, и сопротивление дуги, в силу ее падающей характеристики, будет также периодически меняющейся величиной.

Если обозначим через V0 напряжение на зажимах источника постоянного тока, через I0 - силу тока питания, через VА - напряжение на электродах дуги, через iА - силу тока дуги, через iH - силу тока колебательного контура, то электродинамика дугового генератора определится системой следующих уравнений:

Dugovoy generetor 4

Уравнение (1) выражает напряжение на электродах дуги как функцию тока дуги. Т. к. здесь ток дуги iА - величина периодическая и быстро меняющаяся, то уравнение (1) является уравнением динамической характеристики дуги (фиг. 3). Для сравнения на фиг. нанесена пунктиром статическая характеристика той же дуги.

Уравнение динамической характеристики дуги

Уравнение (2) выражает напряжение на зажимах источника постоянного тока как сумму падений напряжения в цепи тока. Т. к. сила тока I0, при наличии достаточно большой самоиндукции L0, остается величиной практически постоянной, то уравнение (2) может быть представлено в виде:

Dugovoy generetor 6

Уравнение (3) выражает ток дуги в виде суммы двух слагающих: постоянной части I0 и переменной части iH.

Уравнение (4) есть уравнение ЭДС и падений напряжения в цепи колебательного контура. Из уравнений (1), (2), (3), (4), путем дифференцирования и ряда других преобразований, получим следующее характеристическое уравнение дугового генератора:

Dugovoy generetor 7

где ϱA - сопротивление дуги. Это сопротивление - величина комплексная:

Dugovoy generetor 8

Здесь Dugovoy generetor 9 - активная составляющая сопротивления дуги - та переменная часть сопротивления дуги, которая вызывает периодически повторяющуюся посылку энергии в колебательный контур; jwl - реактивная составляющая сопротивления дуги - вызывает кажущееся увеличение реактивного сопротивления колебательного контура (w - угловая частота).

Уравнение (5) имеет решение:

Dugovoy generetor 10

где iHmax - амплитуда тока колебательного контура и δ - декремент затуханий колебательного контура, причем

Dugovoy generetor 11

На основании уравнения (8) имеем следующее условие, необходимое и достаточное для получения незатухающих колебаний:

Dugovoy generetor 12

т. е. среднее (за период iА) значение активной составляющей сопротивления дуги должно быть достаточным для уничтожения затухающего влияния сопротивления колебательного контура.

Период колебательного контура

Период колебательного контура

В зависимости от формы динамической характеристики дуги и от соотношения величин I0 и iHmax получаются разные частные случаи электродинамики дугового генератора.

Практические осуществления дугового генератора. Задача получения незатухающих электрических колебаний высокой частоты (от 4·104 до 106 пер/сек.) при большой мощности их с помощью вольтовой дуги была впервые разрешена для целей радиотелеграфирования в 1902 году датчанином Вальдемаром Паульсеном. В его дуговом генераторе, работающем колебаниями второго рода, вместо дуги с двумя угольными электродами для анода применен медный электрод с водяным охлаждением, а угольному катоду придано медленное вращательное движение, в результате чего получается ровное горение дуги; дуга помещается в охлаждаемой водой камере и горит в атмосфере газов, богатых водородом, а потому очень теплопроводных (светильный газ, пары алкоголя, пары керосина и т. п.). С помощью указанных способов интенсивного охлаждения тепловая инерция дуги, а, следовательно, и дуговой гистерезис сильно уменьшены, вследствие чего свободно получается устойчивая высокая частота. Кроме того, дуга помещается в сильном поперечном магнитном поле (магнитное дутье); в определенный момент периода, когда сила тока дуги приближается к нулю, магнитное поле разрывает и гасит дугу и вслед затем энергично деионизирует междуэлектродное пространство; благодаря этому ветви динамической характеристики дуги получаются более отвесными, и напряжение, необходимое для зажигания дуги, более высоким, а от этого мощность дугового генератора увеличивается. Охлаждение медного анода придало паульсеновскому дуговому генератору особую устойчивость.

Формы магнитных цепей

Главнейшие части паульсеновского генератора: магнитная цепь, катушки возбуждения, огневая камера и электроды. Фиг. 4 представляет разные формы магнитных цепей, фиг. 5 - наиболее распространенную и наивыгоднейшую форму магнитных полюсов.

Форма магнитных полюсов

Длина G воздушного промежутка - от 25 до 175 мм; α - от 55 до 60°; отношение d/G = tg α. Сила магнитного поля в воздушном промежутке - от 10 до 20 и даже до 25 килогаусс. Наивыгоднейшая сила магнитного поля определяется, по Фуллеру, так:

Сила магнитного поля

(где V0 - в kV, I0 - в А, λ - в км), причем для этилового спирта k = 8,5, для керосина k = 4,25 V. Вес и размеры магнитной цепи - в зависимости от мощности генератора.

Получение магнитного дутья в дуговом генераторе производится чаще всего посредством тока, питающего дугу (самовозбуждение); катушки электромагнитов, создающих магнитное дутье, вводятся в цепь постоянного тока, и тогда они выполняют роль реактивных катушек. В этом случае требуется применение чрезвычайно тщательной изоляции, которая была бы в состоянии противостоять ударам и разрушительному влиянию токов высокой частоты. Реже имеет место питание катушек электромагнитов от постороннего источника тока (независимое возбуждение). Применяется также и смешанная форма возбуждения: часть витков вводится в цепь постоянного тока последовательно с дугой, а часть их питается током от независимого источника.

Огневая камера дугового генератора представляет собою герметически закрывающуюся коробку, имеющую два отверстия для ввода магнитных полюсов, два других отверстия для ввода электродов и отверстие, через которое вводится струя водорода или светильного газа или впрыскивается по каплям алкоголь, бензин или керосин. Крышка камеры д. б. отвинчиваемой, для ее чистки. Наружный воздух не должен иметь доступа в камеру. В виду опасности взрывов камера должна иметь один или несколько предохранительных клапанов. Размеры камеры определяются в зависимости от величины необходимой охлаждающей поверхности. При малых мощностях камера имеет воздушное охлаждение (с помощью вентилятора), при больших мощностях она имеет водяное охлаждение (водяная рубашка). Анод делается б. ч. из меди высшего качества. По своей форме - это трубка с двойными стенками. Наружный диаметр - от 9 до 32 мм. Внутри анода - водяное охлаждение. Т. к. анод обыкновенно подключается к антенне и поэтому находится под высоким напряжением по отношению к земле, то он д. б. тщательно изолирован от камеры. Катод делается обыкновенно из угля или графита. Диаметр его - от 9 (в малых генераторах) до 50 мм (в самых больших). Гильза, в которой вращается держатель катода, в мощных генераторах имеет иногда водяное охлаждение. Употребительное напряжение тока питания - от 500 до 1500 V.

На фиг. 6 - представлен 500-kW паульсеновский генератор американской конструкции.

Паульсеновский генератор американской конструкции

Коэффициент отдачи паульсеновских генераторов зависит от способа присоединения их к антенне. Так, при прямом соединении дугового генератора с антенной (фиг. 7) коэффициент отдачи достигает 50%, при непрямом соединении (фиг. 8 и 9) можно получить коэффициент отдачи в 60%.

Коэффициент отдачи паульсеновских генераторов зависит от способа присоединения их к антенне

Для освобождения антенны от высших гармоник дугового генератора применяется более сложная схема, с промежуточным контуром (фиг. 10).

Схема дугового генератора с промежуточным контуром

Наибольшей мощности (до 3600 kW) дуговой генератор установлен был в 1919—21 гг. на острове Яве, но он не оправдал возлагавшихся на него надежд.

В настоящее время дуговые генераторы устанавливаются вновь редко и вытесняются ламповыми генераторами, представляющими большие удобства при работе с длинными волнами на малые и средние расстояния и короткими - на большие.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.