КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
(КГ) — устройство для преобразования низкого перем. напряжения в высокое постоянное. Низкое напряжение выпрямляется в отд. каскадах, а затем полученные пост. напряжения включаются последовательно и суммируются. Связь каскадов с источником питания осуществляется через ёмкостные реактивные сопротивления или посредством взаимоиндукции.
Рис. 1. Схема каскадного генератора с последовательным (а) и параллельным (б) питанием: Хn — реактивные сопротивления, u n — напряжения каскадов (n=1, 2, . . ., N), U н — напряжение на выходе генератора, u вх — напряжение источника питания.
При последоват. питании (рис. 1, а) перем. ток от источника питания к последующим каскадам протекает через сопротивления связи X i предыдущих каскадов. Для генераторов этого типа характерны нелинейный рост внутр. сопротивления при увеличении числа каскадов N, а также зависимость распределения напряжения по каскадам от сопротивления нагрузки. 3 .
Рис. 2. Схема каскадного генератора Кокрофта — Уолтона (а) и Хейлперна (б).
Рис. 3. Каскадныйгенератор по схеме Шенкеля.
У генераторов с параллельным питанием каскадов (рис. 1, б )падение напряжения пропорц. N, а распределение напряжений по каскадам не зависит от сопротивления нагрузки. Однако в этом случае сопротивления связи должны быть рассчитаны на полное напряжение КГ. н на выходе КГ изменяется пропорц. напряжению источника питания, u вх , а при увеличении сопротивления нагрузки 
Рис. 5. Зависимость напряжения на выходе каскадного генератора от напряжения источника питания (1) и сопротивления нагрузки (2).
R н стремится к нек-рой пост. величине U нхх — напряжению холостого хода (рис. 5). Кпд каскадных генераторов обычно составляет 70-80%, а у мощных генераторов с кремниевыми вентилями может превышать 90%. Макс, достигнутое напряжение ёмкостных КГ ок. 5 MB при мощности 200 кВт, а КГ с индуктивной связью — 3 MB при мощности 100 кВт.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое «КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР» в других словарях:
КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР — (генератор КОКРОФТА УОЛТОНА), устройство, в котором создается постоянное высокое напряжение за счет умножения низкого переменного напряжения в контуре, содержащем выпрямители и конденсаторы. см. также ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ УСКОРИТЕЛЬ … Научно-технический энциклопедический словарь
каскадный генератор — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN cascade generator … Справочник технического переводчика
каскадный генератор — pakopinis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. cascade generator vok. Kaskadengenerator, m rus. каскадный генератор, m pranc. générateur en cascade, m … Automatikos terminų žodynas
каскадный генератор — pakopinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cascade generator vok. Kaskadengenerator, m rus. каскадный генератор, m pranc. générateur en cascade, m … Fizikos terminų žodynas
Каскадный генератор — Кокрофта Уолтона генератор, высоковольтный генератор, работающий по принципу умножения напряжения. Впервые К. г. был построен в 1932 Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном, которые с его помощью ускоряли ионы до больших энергий. К. г. состоит обычно … Большая советская энциклопедия
каскадный генератор напряжения ускорителя — Устройство ускорителя заряженных частиц, в котором ускоряющее напряжение создается суммированием напряжения отдельных генераторов постоянного напряжения. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных частиц EN cascade generatorCockroft… … Справочник технического переводчика
Каскадный генератор напряжения ускорителя — 42. Каскадный генератор напряжения ускорителя ускорителя заряженных частиц Устройство, в котором ускоряющее напряжение создается посредством схем умножения на Источник: ГОСТ 22491 87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения оригинал… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
КАСКАДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ — высоковольтный ускоритель, источником напряжения в котором служит т. н. каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное напряжение (до 5 МВ) … Большой Энциклопедический словарь
каскадный ускоритель — высоковольтный ускоритель, источником напряжения в котором служит так называемый каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное напряжение (до 5 MB). * * * КАСКАДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ КАСКАДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ,… … Энциклопедический словарь
КАСКАДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ — высоковольтный ускоритель, источником напряжения в к ром служит т. н. каскадный генератор, преобразующий низкое перем. напряжение в высокое пост. напряжение (до 5 MB) … Естествознание. Энциклопедический словарь
Источник
Исследование работы каскадного генератора постоянного тока
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КАСКАДНОГО
ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Известны всего два способа преобразования низкого напряжения в высокое и сверхвысокое постоянное напряжение: электростатические генераторы с механическим транспортером зарядов и различные устройства, включающие в себя повышающие трансформаторы и выпрямители переменного тока. Область применения электростатических генераторов ограничена сравнительно небольшой их мощностью (порядка нескольких киловатт), а также теми случаями, когда КПД установки не имеет первостепенного значения. Во всех других случаях для получения высокого постоянного напряжения приходится использовать ту или иную комбинацию повышающих трансформаторов и выпрямителей. Для получения постоянного напряжения требуемого значения, при относительно небольшой амплитуде напряжения, можно использовать последовательное включение нескольких выпрямителей (каскадов) при фиксированной разности потенциалов на них. Высоковольтные генераторы постоянного напряжения, основанные на этом принципе, получили название каскадных генераторов.
Каскадный генератор постоянного тока – один из наиболее распространенных в настоящее время источников высокого и сверхвысокого постоянного напряжения. Традиционная область использования каскадных генераторов – это питание различной электрофизической аппаратуры и, в первую очередь, высоковольтных ускорителей различных типов. Они успешно используются также для питания электротехнических устройств и для испытаний высоковольтной аппаратуры, работающей при постоянном напряжении.
В зависимости от типа связи между каскадами и способа питания каскадов выпрямителей от источника питания различают каскадные генераторы с емкостной или индуктивной связью с последовательным питанием каскадов.
В настоящее время наиболее детально изучены каскадные генераторы с емкостной связью между каскадами и последовательным питанием от источника. Генераторы, собранные по такой схеме, обычно принято называть генераторами Кокрофта-Уолтона (рис. 1).
Такие генераторы позволяют получать в настоящее время постоянное напряжение порядка 4¸5 МВ при мощности свыше 100 кВт. При последовательном питании ток от источника протекает к последующим каскадам через емкостное сопротивление связи предыдущих каскадов. В таких генераторах внутреннее сопротивление схемы возрастает нелинейно с ростом числа каскадов. При этом наблюдается зависимость распределения напряжения по каскадам генератора от тока нагрузки. Достоинством таких генераторов является постоянство напряжения на элементах каскада независимо от его расположения.
В основе работы каскадного генератора лежит принцип зарядки емкостей каждого последующего каскада пульсирующим напряжением на выпрямителях. При приложении синусоидального напряжения трансформатора к схеме потенциал точки 0¢ будет изменяться по закону j0¢ = Umsinwt (рис. 2). В течение первой половины положительного полупериода потенциал j1¢ может быть больше j0. Выпрямитель V2 будет открыт и конденсатор С1 будет заряжаться до напряжения UС1= Um.
Пока открыт выпрямитель V2 напряжение на конденсаторе С1’ изменяется UС1¢=Umsinwt. В процессе работы генератора в стационарном режиме без нагрузки конденсатор С1 зарядится до UС1 =Um. В течение второй половины положительной полуволны потенциал j0¢ начнет уменьшаться и потенциал j1¢ станет меньше потенциала j1. Выпрямитель V2 закроется. При дальнейшем изменении потенциала точки 1¢ в течение первой половины отрицательной полуволны j1¢ станет меньше j0 и выпрямитель V1 откроется. Будет происходить дозаряка конденсатора С1’. В следующий положительный полупериод напряжение в точке 1’ будет U1¢=Um + Umsinwt будет приложено к конденсатору С1 и зарядит его в процессе работы генератора до UС1=2Um. В течение второй половины отрицательной полуволны j0¢станет возрастать и, следовательно, j1¢>j1. Выпрямитель V2 закроется.
Когда потенциал j0¢ станет снова отрицательным и будет возрастать, то в какое-то время j1
Источник
9.1 Каскадный генератор
Основой такого генератора является мостовая выпрямительная схема Грейнахера для получения удвоенного напряжения. В этой схеме на вторичной обмотке трансформатора получается в режиме холостого хода удвоенное напряжение. Если напряжение, индуцированное по вторичной обмотке, соответствует изображенному стрелкой (рис. 52 ,а), то конденсатор C 1 заряжается через диод D 1 до максимального значения напряжения
Рис. 52. Схема удвоителя напряжения по Грейнахеру (а) и каскадная схема многократного повышения напряжения (б).
трансформатора. В следующем полупериоде напряжение на трансформаторе имеет обратный знак. Теперь это напряжение складывается с напряжением конденсатора и сумма напряжений подается через диод D 2 на потребитель, включенный параллельно со сглаживающим конденсатором. В следующий полупериод конденсатор C 1 снова заряжается и затем снова удвоенное напряжение подводится к потребителю.
В многоступенчатом устройстве (рис. 52 ,б) часть схемы, охватываемая пунктиром, соответствует простой схеме Грейнахера. Переменное напряжение появляющееся между точками А и Б этой части схемы, играет для последующих ступеней ту же роль, что и напряжение трансформатора для первой ступени. Примыкающая часть вновь представляет чистую схему Грейнахера. Если число ступеней n , то напряжение, соответствующее
где U 0 трансф — амплитудное напряжение на вторичной обмотке трансформатора. С помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого 330=70 000 , можно на четырех ступенях достичь напряжения 800 000 В (действующему значению 70 кВ соответствует амплитудное напряжение на трансформаторе U 0 трансф D 100 кВ). Полная схема ускоряющей установки изображена на рис. 53 .
Рис. 53. Каскадный генератор с ускорительной трубкой. Мотор М мощностью 8820 Вт (12 л.с.) подключен к сети. Он приводит во вращение генератор G , который в свою очередь питает главный трансформатор с коэффициентом трансформации 330=100 000 . Конденсаторы служат одновременно механическими опорами (пунктирные линии). Точки каскадного генератора, соответствующие 2 10 5 , 4 10 5 , 6 10 5 и 8 10 5 В (200, 400, 600 и 800 кВ), через защитные сопротивления соединены с электродами ускорительной трубки. Эти электроды размещены в вертикальных фарфоровых трубах в вакууме около 10 5 10 6 торр. Источник ионов встроен в верхний электрод ускорительной трубки, в нем возбуждается высокочастотный разряд ( 5 10 6 с 1 ). Вытягивание ионов достигается благодаря приложенному постоянному вытягивающему напряжению от 5 10 3 до 10 10 3 В (5–40 кВ). Эти устройства питаются от генератора мощностью 10 3 Вт (1 кВт) при частоте 50 Гц, для вращения которого служит изолирующая лента индукционного мотора (1103, 25 Вт) (1.5 л.с.), стоящего на земле и подключенного непосредственно к сети. Сила тока на мишени измеряется с помощью микроамперметра. Ядерные реакции происходят на мишени, изображенной короткой горизонтальной черточкой, в результате ударов ионов о мишень. Устройства подобного рода применяются в настоящее время в ионной имплатационной технике для легирования кристаллов полупроводников.
Большое преимущество каскадного генератора заключается в возможности достижения большой силы тока. Она может достигать нескольких миллиампер. В большинстве опытов по ядерной физике полная мощность генератора не требуется, так что она остается неиспользованной. Под нагрузкой наблюдается падение напряжения, значение
которого определяется силой тока и числом ступеней:
Напряжение становится пульсирующим, так как зарядка прерывиста:
Здесь i — ток нагрузки; C — емкость, имеющая достаточно большое значение и одинаковая для всех конденсаторов (лишь емкость первого конденсатора составляет 2C ); f — частота напряжения питания.
Это наиболее простое и дешевое устройство ядерной техники, по крайней мере в его незавершенном исполнении (рис. 54 ). Принцип его работы таков. Ряд игл, находящихся под постоянным напряжением порядка 10 4 В (10 кВ), заряжает проходящую перед ними диэлектрическую ленту. Лента, приводимая в движение мотором, переносит этот заряд к верхнему электроду, где он снимается с помощью второго ряда игл. Генератор обладает, с одной стороны, большой силой тока, а с другой — максимально достижимым напряжением. Сила переносимого лентой тока выражается в виде
где v — скорость ленты; b — ее ширина; — поверхностная плотность заряда на ленте. Последняя теоретически ограничена электрической плотностью воздуха:
макс D » 0 E макс 8:8 10 12 3 10 6 2:6 10 5 A с = м 2 D 2:6 10 9 A с = см 2 :
В действительности допустима примерно половина этого значения. Однако в верхний электрод можно встроить перезаряжающее устройство, которое осуществляет удвоение заряда. В случае приборов высокого качества можно ожидать вышеприведенное значение. Так, при скорости ленты 20 м/с и ширине полосы 0.5 м можно достичь значения силы тока 200–300 мкА. Определяющей для максимального значения напряжения величиной являются размеры верхнего электрода: напряжение можно повышать до тех пор, пока в наиболее опасной точке оно не превысит электрической прочности. В случае идеальной сферы, укрепленной на идеальном изоляторе, напряжение пробоя
U макс D rE макс D 3 10 6 r;
где E макс — электрическая прочность воздуха, а r — радиус сферы.
Верхний электрод установки с напряжением 1.5 МВ должен иметь диаметр приблизительно 1 м. Но в действительности частично из соображений безопасности, частично для того, чтобы внутри электрода с высоким напряжением разместить необходимые приборы, применяют электроды с большим´ радиусом. Кроме того, им придается форма, отличная от сферической, чтобы уменьшить напряженность поля вдоль опорных изоляторов, вызывающих возникновение тока утечки.
Поскольку ток утечки на верхнем электроде увеличивается с увеличением напряжения, то напряжение на установке может быть повышено лишь до значения, при котором
Рис. 54. Генератор Ван-де-Граафа и ускоритель в исполнении, предназначенном для работы на
1 — высоковольтный электрод; 2 — колонна сопротивлений; 3 — ускорительная трубка; 4 — электронная пушка, 5 — мишень, 6 — диффузионный насос; 7 — отклоняющий магнит; 8 — генератор; 9 — лента; 10 — опорный изолятор; 11 — приводной двигатель; 12 — вакуумметр.
между проводимым и стекающим токами достигается равновесие. Получающееся при этом напряжение, естественно, должно быть меньше напряжения пробоя для верхнего электрода. Условие равновесия записывается в виде
где i уск — ток в ускорительной трубке, а i .U / потерь — ток утечки, зависящий от напряжения. Его можно, варьируя расстояние иглы от электрода, искусственно повышать или понижать. Таким образом достигается очень тонкая регулировка напряжения при неизменяющемся значении подводимого тока.
На рис. 54 изображен генератор Ван-де-Граафа, установленный на открытом воздухе. Ускоритель и источник напряжения представляют единое целое.
При высоких напряжениях (свыше 1 МВ) размеры генератора Ван-де-Граафа в исполнении, предназначенном для работы на открытом воздухе, стали бы настолько большими, что пришлось бы воспользоваться установкой, находящейся под давлением. Всю установку окружают оболочкой (отсюда название Tankgenerator ), которую наполняют газом под высоким давлением от 0:49 10 5 до 1:47 10 5 Н = м 2 (от 5 до 15 ат). Обычно — это смесь N 2 — CO 2 . Чтобы повысить электрическую прочность, добавляют к смеси немного фреона (CCl 2 F 2 ) или шестифтористой серы (SF 6 ). Благоприятные условия для создания электрического поля могут быть обеспечены различными системами электродов.
В случае так называемых тандем-ускорителей ион, ускоренный в направлении от заземленного электрода разностью потенциалов между этим электродом и электродом, находящимся под высоким потенциалом, перезаряжается и вновь ускоряется по направлению к заземленному электроду. Так достигается удвоение конечной энергии 1 .
1 В последнее десятилетие все большее распространение получают так называемые импульсные элек-
Два полых металлических D-образных дуанта, полости которых повернуты друг к другу так, как это показано на рис. 55 , помещаются в однородное магнитное поле и к ним подводится переменное напряжение. Эта установка представляет собой один из самых удачных приборов для исследований в области атомной физики — циклотрон (Лоуренс, 1930 г.).
Частицы, выходящие из источника ионов, расположенного между электродами, ускоряются электрическим полем и попадают внутрь одного из дуантов, где электрического поля практически нет. Там действует магнитное поле, заставляющее частицы двигаться по круговой траектории. После прохождения полукруга частицы выходят в зазор между дуантами, где электрическое поле увеличивает их энергию на величину qU . Таким образом, частицы с возросшей скоростью входят в другой дуант. Там они описывают полукруг большего радиуса, соответствующий достигнутой ими скорости. Выйдя в зазор, частицы снова получают энергию от электрического поля, направление которого уже изменилось, так что оно снова стало ускоряющим и, двигаясь еще быстрее, проходят полукруг еще большего радиуса. Наконец, когда частицы, обладающие максимальной энергией, движутся по траектории наибольшего радиуса, определяемого размерами дуантов, их можно вывести из прибора, например с помощью отклоняющего напряжения.
Использование отклоняющего электрического поля для изменения направления движения заряженных частиц не слишком удачно, так как требуется
поле, обладающее огромными напряженностями, что предъявляет слишком серьезные требования к электрической прочности промежутков и требует применения источников сверхвысокого напряжения, сводя на нет главное преимущество циклотрона как относительно низковольтного ускорителя. Поэтому часто используют дуанты неравного диаметра, так что частица, обладающая максимальной энергией, выходит из большего дуанта по касательной, что позволяет использовать магнитное поле циклотрона и для вывода частицы из прибора.
Используя сравнительно низкое напряжение, удается получить очень большие энергии, так как частицы вынуждены многократно пройти это напряжение (зазор с этой разностью потенциалов). Именно поэтому ускоритель такого типа называют циклическим ускорителем.
Действию циклотрона способствует тот факт, что период обращения частицы в од-
тронные ускорители прямого действия, позволяющие в течении коротких ( 6 10 7 с) промежутков времени получать токи до 10 6 А при напряжениях до 1:5 10 7 В. Достижение столь высоких параметров стало возможным благодаря использованию в качестве катодов автоэлектронных эмиттеров различной конструкции в течении времени, за которое при приложенных напряжениях не успевает развиться пробой.
нородном магнитном поле не зависит ни от ее энергии, ни от скорости:
Если электрическое поле, прилагаемое между электродами, имеет частоту f D 1=T , то автоматически выполняется требование, чтобы частица, которая стартует в заданной фазе, каждый раз приходила в зазор в той же фазе, а следовательно, приобретала бы энергию. Частота напряжения источника, питающего дуанты, таким образом, выражается
Максимальная энергия, получаемая с помощью циклотрона, может быть рассчитана следующим образом. Наибольшая скорость, которую приобретает частица, равна:
где r макс — наибольший возможный радиус, близкий к радиусу дуанта. Конечная энергия частицы выразится формулой
Источник