ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ. ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие ряда отраслей промышленности и новейшей техники со второй половины ХХ века потребовало создания установок на весьма большие постоянные токи, измеряемые сотнями килоампер. В большинстве случаев подобные установки являются низковольтными. В этих условиях для электрических униполярных машин открылись широкие перспективы практического использования, так как именно указанный тип источников электрической энергии позволяет сравнительно простыми и экономичными средствами генерировать без пульсаций постоянный ток большой величины. В связи с этим к униполярным генераторам был снова проявлен повышенный интерес исследователей, благодаря чему оказалась успешно решенной проблема токосъема, который долгое время сдерживал развитие униполярных машин. Использование новых жидкометаллических сплавов, обладающих низкой температурой плавления и низкой вязкостью при высокой электрической проводимости, позволили разработать экономичные, малогабаритные токосъемные устройства, допускающие высокие плотности тока в контакте. Это дало возможность построить весьма мощные униполярные генераторы, которые сочетают лучшие качества, присущие машинам данного типа: простоту и надежность конструкции, малые габариты и высокие технико-экономические показатели, генерирование напряжения и тока без пульсаций, высокую термическую и перегрузочную способность по току, отсутствие изнашивающихся частей в силовой цепи и т. д.

Во второй половине ХХ века за рубежом был сделан ряд уникальных установок с униполярными генераторами, в которых для съема больших токов использован жидкометаллический контакт.

По характеру работы эти установки можно разделить на две группы:

1) для длительных стационарных режимов;

2) для импульсных режимов в течение сравнительно небольшого промежутка времени.

Рис. 1. Генерирующая установка мощностью 60 Мвт с шестью униполярными генераторами

Целесообразно кратко рассмотреть назначение некоторых установок и основные данные входящих в них униполярных генераторов.

Примером стационарной установки может служить агрегат, который состоит из паровой турбины и шести униполярных генераторов мощностью по 10 Мвт каждый [43]. На рис. 1 видно, что генераторы находятся на одном валу с турбиной (по три с каждой стороны). При скорости вращения 3600 об/мин каждый генератор обеспечивает напряжение 67В и рассчитан па длительный ток, равный 150кА. Электрические цепи якорей при последовательном соединении позволяют получить рабочее напряжение 400В при токе 150кА.

Подобные установки могут быть использованы в металлургической и химической промышленности, в частности для получения электролизом алюминия, меди и других металлов; для питания дуговых печей и электромагнитных насосов, перекачивающих жидкий металл; получения хлора и т. Д. Электромагнитные насосы применяются, например, с целью обеспечения циркуляции теплоносителя в атомных реакторах.

Указанные униполярные генераторы построены фирмой GEC (США) и прошли испытание на заводах в г. Скенектеди, По сообщению фирмы, кпд генератора весьма высок - более 98%, вес 25 т; габариты: длина - 3,56 м (включая муфты сцепления), высота-1,78 м, ширина - 2,56 м. Униполярный генератор рассчитан на работу в течение нескольких лет без остановки для ухода и ремонта. Вспомогательные агрегаты находятся вне генератора и допускают использование резервных устройств без остановки машины.

На рис. 2 показаны униполярные генераторы, которые входят в силовую установку аэродинамической трубы (г. Тулахома. США). труба служит для испытаний в потоке горячих газов моделей управляемых снарядов и космических летательных аппаратов [69]. Каждый из генераторов при скорости вращения 1800 об/мин развивает напряжение 45 в и способен обеспечить рабочий ток в 550ка. [4]

Рис. 2. Силовая установка с четырьмя униполярными генераторами (по два на одном валу) для аэродинамической трубы

Внешний вид машины, построенной фирмой GEC, показан на рис. 3. Униполярные генераторы в этой установке используются для зарядки индуктивной катушки, которая затем при разряде через электрическую дугу в течение 0,01 сек обеспечивает пик тока до 1000ка. Скорость воздуха в аэродинамической трубе достигает двадцатикратной скорости звука.

Рис. 3. Внешний вид мощного униполярного генератора фирмы GEC

В настоящее время имеется целый ряд подобных униполярных генераторов, также предназначенных для импульсных режимов. Например, в Мичиганском университете для аэродинамической трубы используется генератор с номинальным током 60 ка и пиковым 300 ка. Он развивает напряжение 40 в при от-!10сительно высокой скорости вращения, равной 10 000 об/мин

Другой важной областью применения мощных униполярных генераторов являются экспериментальные установки ядерной физики, главным образом для питания обмоток электромагнитов. По-видимому, они найдут применение для аналогичной цели в магнитогидродинамических генераторах.

Исследовательский центр NASA (США) применяет униполярный генератор для создания сильных магнитных полей (до 10 вб/м). Форсирование возбуждения генератора позволяет достигнуть максимального тока в 300ка за 1 сек.

Уникальный униполярный генератор вертикального типа (рис. 4) был построен и испытан в Австралийском национальном университете (г. Канберра). Генератор предназначен для питания обмоток магнитов протон-синхротрона на 10 млрд. электрон-вольт [71]. В импульсном режиме он способен обеспечить ток до 1600ка при начальном напряжении 800в. Генератор имеет два дискообразных ротора диаметром около 3,54 м и весом 40 т каждый, которые раскручиваются в противоположных направлениях до скорости 900 об/мин. 0днако вес машины очень большой - 1500 т.

Выше были рассмотрены только наиболее мощные современные установки, где нашли применение униполярные генераторы. Кроме того, имеется большое количество индивидуальных униполярных машин (включая двигатели) на относительно меньшие токи, отличающиеся специфическими параметрами (высокоскоростные, на повышенное напряжение - до 550 в. с малым моментом инерции и т.д.). Их практическое использование может быть весьма разнообразным, например, для исследования коммутационной аппаратуры, в качестве двигателей при питании от низковольтных источников, а также в виде датчиков напряжения без пульсаций для шлейфовых осциллографов взамен тахогенераторов и т.д.

Целью настоящего обзора является ознакомление научно-технических работников с этапами развития униполярной машины, ее конструктивными особенностями и методами расчета, так как в настоящее время не имеется обобщающей работы по униполярным машинам. Необходимо указать, что ряд основных вопросов по методу расчета подобных машин и их переходных режимов, несмотря на определенные практические достижения в ряде стран, в литературе недостаточно освещены. В связи с этим в книге дан подробный теоретический анализ таких первостепенных вопросов, как расчет потерь в жидкометаллическом контакте, анализ устойчивости положения жидкости в специально оговоренных.

Рис 4 Внешиий вид импульсного униполярного генератора Австралийского национального университета: 1 - шинопровод; 2 - баки со сплавом NaK

к оглавлению

Реальная физика Изобретения Никола Тесла FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира