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Plusieurs dispositifs ont déjà été proposés et expérimentés pour donner à une génératrice électrostatique une caractéristique en charge ? (I) sensiblement à tension constante.
Ces dispositifs concernaient surtout des génératrices à courroies, utilisées avec des tubes accélérateurs de particules, pour lesquels il était nécessaire d'obtenir une excellente stabilité de la tension et un temps de réponse extrêmement court. Les montages correspondants étaient, en général, fort complexes.
La présente invention concerne un système de régulation pour gé- nératrices électrostatiques, à transporteurs conducteurs ou à transporteurs isolants, permettant de réaliser des ensembles ayant un caractère industriel par leur simplicité, leur prix de revient modéré, l'utilisation, pour leur réalisation, de pièces ou d'organes normalisés, enfin, la possibilité de les employer dans des machines de puissances très différentes.
Ce système est caractérisé par la combinaison de tout ou partie des moyens suivants; - Un générateur haute tension d'excitation primaire, dont la ten- sion de sortie peut être commandée au moyen d'une tension réglable de pola- risation, fournie par une source de très faible puissance.
- Une génératrice électrostatique montée en amplificatrice de tension entre ledit générateurs-primaire et la génératrice électrostatique principale.
- Un dispositif électrostatique de renversement de polarité par renversement du sens de la rotation, ce dispositif pouvant être combiné avec la génératrice amplificatrice.
- La tension de polarisation du générateur d'excitation primaire étant liée à la tension de débit de la génératrice principale.
- Une excitation compound ou hypercompound pouvant éventuellement être réalisée.
Pour montrer les caractéristiques techniques de l'invention et ses avantages, on va en décrire plusieurs exemples de réalisation, étant entendu que ces exemples n'ont aucun.Caractère limitatif quant aux modes de mise en oeuvre de l'invention ou aux applications que l'on peut en fai- re.
La fig. la, représente un schéma simplifié d'un montage conforme à l'invention, les figso 1b, 1c et ld montrant certaines caractéristiques de ce montage, la polarité de la borne isolée étant négative.
Les figs. 2 et 3 représentent deux montages possibles du généra- teur d'excitation primaire.
Les figs. 4a et 4b concernent un exemple de montage d'une généra- trice électrostatique à transporteur isolant en amplificatrice.
La fige 5 donne un premier exemple de montage régulateur à ampli- ficatrice électrostatique, dont les fig. 5b à 5g montrent certaines carac- téristiques, la polarité de la borne isolée étant négative.
La fig. 6 donne un second exemple de montage régulateur à ampli - ficatrioe électrostatique, la polarité de la borne isolée étant positive.
La fige 7 représente schématiquement une génératrice électrosta- tique à transporteur isolant dont la polarité de la borne isolée est liée au sens de rotation.
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La fige 8 représente une génératrice électrostatique à transpDr- teurs conducteurs ayant la même propriété.
La fige 9 représente un montage régulateur comprenant les orga- nes nécessaires pour fonctionner indifféremment pour une polarité positive ou négative de la borne isolée.
Les figs. 10a et 10b concernent un montage comprenant une exci- tation compound ou hypercompound.
La fig. Il concerne une génératrice à transporteur isolant, munie d'un dispositif de régulation conforme à l'invention,et montre plus parti- culièrement le groupement des divers organes, la polarité de la borne iso- lée étant négative.
La fig. 12 représente une réalisation industrielle du montage re- présenté schématiquement sur la fig. Il.
Dans ce qui suit, les potentiels seront, sauf précision contrai- re, supposés mesurés par rapport à la terre.
Le circuit schématique représenté sur la figo la comprend une génératrice électrostatique à transporteur isolant Gp, excitée par un géné- rateur auxiliaire de haute tension dont la tension aux bornes E2 peut être commandée au moyen d'une tension réglable de polarisation p.
La génératrice Gp débite sur le récepteur P, la polarité de sa borne isolée étant négative.
Cette génératrice sera avantageusement du type décrit dans le brevet français N 1.051.430, déposé le 21 Novembre 1951. On y reconnaît l'ioniseur de charge 1 relié à la terre, l'inducteur de charge 2 relié au générateur d'excitation G.E., l'ioniseur de débit 3 et son inducteur de dé- bit 4, le rotor transporteur de charges électriques 5. Pour la clarté du dessin, l'organe répartiteur de tension en matière légèrement conductri- ce n'a pas été représenté.
On suppose que la tension E2 diminue lorsque la tension p croît en valeur absolue.
La tension U aux bornes de la génératrice principale, qu'il s'a- git de réguler, est appliquée à une chaîne de résistances stables R for- mant diviseur de tension. Une fraction donnée de la haute tension soit v1 =U/n (n = rapport de division) est prélevée sur la chaîne et appliquée comme polarisation au générateur d'excitation G.E.
En supposant que les polarités soient celles indiquées sur la figure, on voit que cette fraction v1 de la haute tension U introduit une rétroaction, et le montage est tel qu'il assure la régulation, avec une certaine approximation, de ladite haute tension. Si celle-ci pour une raison quelconque, (par exemple, diminution du courant demandé par le ré- cepteur P) a tendance à augmenter, la tension vl croît, entraînant une ré- duction de la tension d'excitation E2, donc du courant engendré par la ma- chine principale Gp, ce qui a pour effet de rétablir l'équilibre. Le pro- cessus inverse a lieu si la haute tension U tend à diminuer (augmentation du courant demandé).
Afin d'accroître la sensibilité du dispositif, on a avantage à placer, en série avec la fraction-de tension prélevée sur la chaîne de ré- sistances, une source CT donnant une tension vo parfaitement stable (piles, alimentation stabilisée ... ) telle que la valeur de la tension de polarisa- tion appliquée au générateur G.E. soit alors, en valeur absolue : p = v1 - vo. Pour une même valeur de p, la fraction v1, prélevée, doit être plus
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grande que précédemment (vo en plus) et une même variation A U de la hau- te tension se traduit par une variation absolue plus forte de la valeur effective de p.
Les diagrammes représentés montrent : - sur la fig. 1b, le courant I débité par la génératrice princi- pale, en fonction de sa tension d'excitation E2.
- sur la fig. 1c, la tension d'excitation fournie par le généra- teur G.E. en fonction de la valeur de la tension de polarisation p qu'on lui applique.
Le passage de la marche pratiquement à vide (courant Ia) à la marche en pleine charge - (courant Ib), nécessite un accroissement ¯ E2 de l'excitation, permis par une variation ¯ p de la tension de polarisa- tion. Cette variation A p suppose que la haute tension a varié de 4 U = ¯ pxn. Cette variation U représente donc la chute de tension aux bornes, entre les marches à vide et à pleine charge. D'où la caractéristi- que U (I) que confère à la génératrice le dispositifde régulation, et re- présentée sur la fig. 1d.
On conçoit que cette caractéristique sera d'autant moins incli- née (chute de tension en charge réduite, donc bonne régulation) que : a) Les tangentes à la caractéristique 1 (Eg) de la génératrice Gp, dans la zone de fonctionnement correspondant à ¯ E2, auront des "pentes" plus fortes. b) Le générateur G.E. aura une tension rapidement variable en fonction de la tension de polarisation. c) La fraction de tension prélevée sur la chaîne sera plus gran- de, donc, pour un générateur G.E. donné, que la contre-tension vo sera plus grande, et par conséquent qu'il y aura la possibilité de travailler avec un rapport n = Upetit. v1
On peut accroître également la sensibilité, dans le but de ré- duire la chute de tension en charge à U, en attaquant le générateur G.E.
par l'intermédiaire d'un amplificateur (tube électronique par exemple, mon- té en amplificateur à courant continu). On trouvera plus loin un exemple d'un tel montage.
On remarquera également qu'il est possible de régler la valeur de la haute tension ainsi régulée, en n'agissant que sur des circuits à basse tension : par exemple, en déplaçant le curseur K sur la chaîne de résistan- ces, de manière à faire varier le rapport n. La valeur de la tension v1 n'est, en effet, au maximum, que de quelques centaines de volts.
Enfin, la liaison entre la tension de polarisation p et la ten- sion de débit U peut être, bien entendu, obtenue autrement que par un di- viseur de tension.àrésistances, en utilisant, par exemple, un dispositif rotatif à influence électrostatique, analogue à ceux utilisés dans les volt- mètres électrostatiques rotatifs.
Si la génératrice principale Gp doit fournir une tension telle que sa borne isolée soit positive, le générateur G.E. sera relié à l'ioni- seur 1 ou à l'inducteur 2, selon que le potentiel de sa borne isolée sera positif ou négatif.
Dans les deux cas, il est indispensable que les valeurs absolues des tensions E2 et p varient en sens inverse. Avec la plupart des sour-
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ces électroniques ordinaires, cette condition exigera que l'attaque du générateur G.E. se fasse à travers un dispositif, (tube électronique par exemple), renversant la polarité du potentiel du point x, et pouvant avoir en outre une fonction amplificatrice, le sens de branchement de la source G.T. étant également renversé.
Le générateur d'excitation G.E. sera avantageusement du type à redresseurs, alimenté par impulsions ou par oscillateur à fréquence rela- tivement élevée (20 à 300 kHz par exemple).
Les petits générateurs de ce type sont devenus courants et bon marché, étant en particulier utilisés en télévision.
Les figs. 2 et 3 représentent schématiquement deux montages pas- sibles, donnés à titre d'exemple.
Sur la fig. 2, la fraction om du bobinage B est traversée par un courant fonction de la polarisation de repos - (Vgo + p) appliquée à la pentode Ho A cette polarisation de repos, un petit oscillateur non repré- senté sur le schéma superpose une tension en dent de scie qui vient "blo- quer" périodiquement la pentode, annulant ainsi subitement le courant. A chaque blocage, une surtension Va importante apparaît entre la borne n de la bobine et la masse, suivie d'oscillations amorties. La bobine se compor- te alors comme un transformateur élévateur vis-à-vis du montage redresseur sur lequel elle débite. Dans le cas de la fig. 2, ce montage redresseur est du type multiplicateur de tension, et comprend trois condensateurs C1, 02 et C3, et trois redresseurs R1, R2 et R3.
Finalementil apparaît entre la borne de sortie Se et la masse une tension continue E2, fonction de la surtension Va, donc du courant coupé, et en fin de compte, de la tension de polarisation p appliquée à la pentode. Lorsque le potentiel négatif du point x, p, (voir fig. la) augmente en valeur absolue, Eg diminue.
Sur la fig. 3, la pentode H fonctionne en oscillatrice normale, grâce aux enroulements anode A et grille F du transformateur L qui compor- te un secondaire haute tension C. Ce transformateur fonctionne à une fré- quence généralement choisie entre 20 kHz (bobinage à circuit:magnétique) et 300 kHz (bobinage à air). Les bornes X et Y du secondaire alimentent ensuite un montage redresseur quelconque, simple alternance, doubleur, mul- tiplicateur de tension, etc... non représenté sur le schéma.
La polarisation moyenne de la pentode, liée à la tension fixe, dans une certaine mesure, la valeur de la haute tension redressée. Le mon- tage représenté sur la fig. 1 fonctionne d'une manière satisfaisante si la génératrice Gp se contente d'une tension d'excitation modérée et se trou- ve appelée à fonctionner sous un régime à peu près constant. Dans le cas contraire, on est conduit à y introduire quelques modifications.
En effet, des essais effectués par la Demanderesse ont montré, par exemple, qu'une génératrice électrostatique à transporteur isolant à deux pôles dont le rotor avait comme dimensions : longueur :250 mm., diamètre : 140 mm., et d'une puissance de 300 W. sous 150 kV, devait être pourvue d'une excitation capable de varier de 20 kV à 40 kV entre la mar- che à vide et la marche à pleine charge.
Il en résulte que la régulation d'une telle machine peut être difficilement assurée par les petits générateurs haute tension des modèles décrits. Ils fournissent le plus souvent des tensions de 20 kV environ, variant au maximum de quelques kV par ajustement de la polarisation. Il est donc nécessaire d'intercaler, dans certains cas, entre le générateur d'excitation G.E. et la génératrice principale Gp, une machine électrosta- tique Ga fonctionnant en amplificatrice.
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Les génératrices électrostatiques à transporteurs, conducteurs ou à transporteurs isolants peuvent, en effet, être montées en amplifica- trices*
La fige 4a donne un exemple d'un tel montage d'une génératrice à transporteur isolant.
Une source de tension continue 8 fait apparaître une différence de potentiel E entre l'inducteur de charge 9 et l'ioniseur de charge 10.
L'inducteur de débit 11 et l'ioniseur de débit 12 débitent le courant i' sur le circuit récepteur Q*
Pour des caractéristiques de construction données (épaisseur et nature du rotor, distance ioniseur-rotor, nature et pression du gaz am- biant, etc...) et pour une vitesse de rotation déterminée, le courant débi- té par la machine est fonction de E. Le courant, d'abord nul, apparaît assez brusquement lorsque E atteint une valeur Ea correspondant au "seuil d'amorçage" des ioniseurs. Il croît alors très vite en fonction de E, suivant une allure presque linéaire dans une certaine zone; puis, à partir d'une certaine valeur, une saturation.se manifeste.
La courbe i' = f (E) varie un peu, suivant que la machine débite un court-circuit (tension de sortie nulle) ou au contraire débite sur un circuit Q aux bornes duquel apparaît la tension V. L'apparition de cette tension se traduit dans la machine par des flux parasites qui provoquent une réaction :à égalité d'excitation, le courant i' décroît lorsque V aug- mente.
De toute manière, il est possible de tracer la courbe i' = f (E) réelle (voir Fig. 4b), tenant compte de la tension de débit V = Qi, Q re- présentant la résistance (réelle ou équivalente) du circuit au point de fonctionnement envisagé. En partant de cette courbe i' = f (E),on peut dé- finir pour chaque point de fonctionnement ce qu'on appellera la "pente" de la machine, ayant pour valeur :
EMI5.1
ais S = dE On l'exprimera, par exemple, en microampères par kilovolt.
La pente est approximativement constante dans toute la région', où. la courbe il - f (E) peut être assimilée à une droite; elle varie naturel- lement de part et d'autre de cette région.
La pente est fonction de certaines caractéristiques de construc- tion de la machine.
Pour une machine donnée, travaillant dans des conditions et sur une résistance de charge déterminées, la pente est une caractéristique bien définie.
Si la machine précédente débite sur un circuit de charge Q que. l'on supposera être une résistance obéissant à la loi d'Ohm, une tension V = Qi' apparaît aux bornes de ce circuit. Si l'excitation varie de ¯ E, le courant doit varier de A i' =S ¯ E et la tension V de ¯ V= Q ¯ i'= Qs A E. On peut donc écrire : ¯ V = k ¯ E, avec k = Qs.
Le facteur k représente un "coefficient d'amplification" qui met en évidence la fonction amplificatrice que peut jouer une machine électros- tatique : les variations de la tension de sortie sont k fois plus grandes que les variations de la tension d'excitation ou "tension d'entrée".
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Toutes les considérations précédentes restent valables, quelle que soit la polarité imposée par la source d'excitation 8. Elles sont va- lables également lorsque la source 8, au lieu de polariser l'inducteur de charge, se trouve insérée entre l'ioniseur de charge et la masser
Enfin, il est également possible de remplacer la résistance de charge Q, que l'on a supposé suivre la loi d'Ohm, par une charge quelcon- que ayant toute caractéristique tension--courant désirée. Le coefficient d'amplification est alors fonction de la résistance équivalente de cette charge, au point de fonctionnement considéré.
Une résistance de charge suivant au moins approximativement la loi d'Ohm, est toutefois intéressante dans la plupart des applications, car elle confère à l'ensemble une amplification à peu près linéaire dans toute la zone de travail utilisée.
Une variation de la tension d'entrée E se répercute sur la ten- sion de sortie V avec un certain retard dû: - au temps de transfert des charges électriques depuis les ioni-
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seurs de charge 'jusqu'à ceux de débit.
- au temps nécessaire pour charger ou décharger les capacités, volontairesouparasites, du circuit de débit.
Le temps de réponse peut être rendu assez faible pour être com- patible avec la majorité des problèmes, en particulier lorsque la machine amplificatrice est utilisée dans un circuit de régulation. On notera que pour le réduire, il y a lieu : - d'augmenter la vitesse de rotation et de multiplier le nombre de pôles, - de réduire les capacités du circuit de débit.
Pour une vitesse de rotation de 3.000 tr/mn, et une machine à deux pôles seulement, le temps de transfert n'est que de l'ordre du centiè- me de seconde.
Au cours d'essais, la Demanderesse a obtenu les résultats sui- vants, avec une génératrice à transporteur isolant à rotor cylindrique, à deux pôles :
Rotor : Diamètre : :90 mm.
Epaisseur : 2 mmo
Longueur : 40 mm.
Vitesse de rotation : 2.800 tr/mn.
Gaz ambiant hydrogène sous 12 atm.
Résistance de charge Q : 1.000 M
Seuil d'amorçage Ea = 14 kV.
Zone utilisée (i' : de 10 à 40 uA
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(iizdel0âÓkYe Variation nécessaire de l'excitation pour couvrir la zone ci-dessus'.......... : 15,3 à 16,3 kV.
Pente moyenne dans la zone d'utilisation s = 30 uA kv.
Coefficient d'amplification moyen
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dans la zone d'utilisation ....08000....". : k = 30
Les figso 5a et 6 donnent deux exemples schématiques de montages régulateurs, pourvus tous deux d'une amplificatrice électrostatique Ga.
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La fig. 5a représente un montage correspondant à une polarité négative de la borne isolée.
Le générateur G.B. fournit la tension d'excitation primaire -)-
E1 (qui diminue lorsque la tension de polarisation qu'on lui applique aug- mente en videur absolue). Cette tension E1 excite l'amplificatrice Ga qui fait apparaître aux bornes de sa résistance de charge la tension E2 qui sert à exciter la génératrice principale Gp dont l'inducteur de charge 2 est positif. Une fraction de la tension de débit U, prélevée sur la chaî- ne de résistances R, se trouve "comparée" à la contre-tension de référence fournie par la source CT et la différence est appliquée comme tension de polarisation au générateur G.E.
Les fige 5b, 5c et 5d représentent respectivement des exemples de courbes de réponse des trois organes t G.E., Ga et Gp.
Les fige, 5e, 5f et 5g représentent respectivement les trois mê- mes courbes, en montrant les correspondances entre chacune d'elles. On voit que le passage de la marche à vide (la) à la marche en pleine charge (Ib) nécessite la variation A E2 d'excitation pour Gp; cette variation, grâce à Ga, est réduite à à E1 pour le générateur G.E. Cette variation, ¯ E1, enfin, est produite par une variation de la polarisation ¯ p. D'es- sais réalisés par la demanderesse sur la génératrice dont il a été question ci-dessus, il résulte que les ordres de grandeur des variations des diver- ses tensions peuvent être, par exemple, les suivants : si E2 doit varier de 20 à 40 kV ( ¯ E2 = 20 kV), E1 doit varier de 15.000 à 15.500 V.
( ¯ E1= 500 V.) et p de - 20 à - 30 V. (¯ p=10V.).
On a supposé dans l'exemple précédent (fig. 5a) que la borne iso- lée de la source G.E. était positive (cas fréquent des petits générateurs ordinaires pour télévision), alors que la borne isolée de la génératrice principale était négative. La tension E1 devait être, dans ces conditions, appliquée à l'ioniseur de charge 6 de l'amplificatrice Ga, et la réaction se produisait dans le bon sens si G.B. était tel que El diminuait lorsque sa tension de polarisation p augmentait en valeur absolue.
La fig. 6 représente un montage analogue au précédent, mais où la borne isolée du circuit d'utilisation est positive.
Dans ces conditions, la tension d'excitation E2, fournie par l'am- plificatrice Ga doit être telle que l'inducteur de charge de Gp soit néga- tif. Le générateur G.E. sera relié à l'ioniseur de charge 6 ou à l'induc- teur de charge 7 de Ga, selon que la polarité de sa borne isolée sera né- gative ou positive,
Si le générateur G.E. est tel que sa tension de sortie diminue lorsque le potentiel négatif du point x augmente en valeur absolue, il est nécessaire de prévoir un organe renversant le sens des variations de la fraction de tension prélevée sur la chaîne de résistances R.
Cet organe pourra être un tube électronique monté convenablement, et pouvant travail- ler également en amplificateur.La figo 6 donne un exemple d'un tel orga- ne, comprenant un,tube électronique T, alimenté par une source Vd de ten- sion anodique, et une résistance de charge rc. Le sens de variation de la tension'de polarisation p est ainsi renversé, et la réaction se fait dans le bon sens, c'est-à-dire que lorsque la tension U augmente, la ten- sion p' diminue en valeur absolue, la tension de polarisation p augmente en valeur absolue, et le potentiel E1 diminue.
Si l'on désire disposer d'une génératrice dont la polarité de la borne isolée puisse être inversée à volonté, l'utilisation d'un montage tel que celui représenté sur la fige 6 exigerait d'y inclure des dispositifs
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permettant de modifier les connexions pour que, la 'borne isolée étant néga- tive : - d'une part, 1 organa comprenant le tube T soit lais hors-circuit, - d'autre part, le générateur G.E. soit relié 4 l'ioniseur de char- ge 6 au lieu de l'inducteur de charge 7. Dans ce dernier cas, les connexions à modifier sont des connexions haute tension, ce qui est pratiquement à éviter. Il y a alors intérêt à utiliser un autre dispositif de changement de polarité, n'exigeant qu'une action sur des organes à basse tension.
¯Deux exemples de tels dispositifs sont schématiquement représentés sur les figs.7 et 8.
La génératrice électrostatique à transporteur isolant représentée sur la fig. 7 comprend - un ioniseur de charge Il, relié à la masse, son inducteur de charge D1, relié à un générateur d'excitation 13.
- un ioniseur de débit 12 et son inducteur de débit D2, tous deux reliés à la borne de sortie isolée 14.
- un ioniseur de débit 13 et son inducteur de débit D3, tous deux reliés à la masse (par l'intermédiaire du circuit auxiliaire 15) et à l'inducteur de charge D4. L'ioniseur de charge I4 'est relié à la masse.
En supposant que la source 13 porte l'inducteur D1 à un poten- tiel positif, le fonctionnement est le suivant si le rotor 16 tourne dans le sens indiqué par la flèche f1, les charges négatives déposées par l'ioniseur Il sont relevées par l'ioniseur I2, et le potentiel de la bor- ne de débit 14 est négatif.
Si le rotor 16 tourne dans le sens indiqué par la flèche f2, les charges négatives déposées par l'ioniseur Il sont relevées par l'ioniseur I3. En s'écoulant par le circuit 15, ces charges font apparaître aux bor- nes de ce circuit une tension telle que le potentiel de l'inducteur de 'charge D4 est négatif. L'ioniseur de charge I4 qui fait face à cet induc- teur dépose sur le rotor 16 des charges positives, qui sont relevées par l'ioniseur I2 et le potentiel de la borne 14 est positif.
De multiples variantes sont possibles à partir de ce schéma. On notera les points suivants : a) le raisonnement fait en supposant positive la borne isolée de la source d'excitation 13 s'applique de la même façon si cette borne est négâtive :toutes les polarités sont alors changées. b) au lieu dé polariser l'inducteur de charge D1, la source d'excitation peut être insérée entre l'ioniseur Il et la masse. Mais cet- te source doit alors débiter le même courant que la machine. c) La machine peut être réalisée de telle sorte que les quatre groupes d'inducteurs-ioniseurs soient à 90 . Mais il peut être préférable de répartir ces groupes en tenant compte des différences de potentiel apparaissant entre eux au cours du fonctionnement.
Généralement, la ten- sion de débit étant supérieure aux tensions d'excitation (directe ou in- directe), on peut avoir intérêt à réduire le développement des sections auxiliaires S2 et S3 au profit des sections principales S1 et S4. d) Le circuit auxiliaire 15 peut être une simple résistance obéissant à la loi d'Ohm.
Dans certains cas,,.on peut, au contraire, avoir intérêt à utiliser une résistance ne suivant pas cette loi, un circuit à caractéristique tnsion-courant non linéaire, un circuit à caractéristi- que genre "effluve", etc,.. Le circuit influe en effet sur la caractéris-
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tique générale de la machine qu'il est possible, de cette façon, d'amener à l'allure désirée. e) Enfin, la génératrice peut jouer, en plus, un rôle d'amplifi- catrice tel que celui qui a été décrit ci-dessus.
La fig. 8 représente une génératrice électrostatique à transpor- teur conducteur bénéficiant d'un montage analogue au précédent.
Le fonctionnement est le suivant s en supposant que la borne iso- lée de la source d'excitation 17 est positive, si les transporteurs conduc- teurs tournent dans le sens indiqué par la flèche f1, le transporteur 20 situé en regard de l'inducteur 18 rompt le contact avec le plot de masse
21 en emportant des charges négatives.
Celles-ci sont recueillies par le plot de débit 22 relié à l'in- ducteur de débit 19 et à la borne de débit isolée 23, dont le potentiel est alors négatif. Si les transporteurs tournent dans le sens indiqué par. la flèche f2, le transporteur 20 vient charger négativement l'inducteur de débit 24, relié à la masse (à travers le circuit auxiliaire 25) et à l'inducteur 26 : celui-ci provoque donc, dans les transporteurs venant en regard, l'apparition de charges positives qui sont relevées par le plot de débit 22. Le potentiel de la borne 23 est alors positif.
La fig. 9 représente schématiquement un montage permettant d'in- verser à volonté la tension de débit.
La génératrice Ga a un double rôle amplification et changement de polarité.
La rotation des génératrices Ga et Gp est assurée par un moteur triphasé asynchrone M. Un inverseur 27 permet de renverser à volonté le sens de rotation.
Les inverseurs 28 et 29 permettent de mettre hors circuit ou en circuit l'organe de renversement de polarité comprenant le tube T.
Si Ga tourne dans le sens indiqué par f2, le potentiel de l'ioni- seur de débit 30 de Ga et de l'inducteur de charge 31 de Gp est négatif, et le potentiel U est positif, Inversement, si Ga tourne dans le sens in- diqué par f1, le potentiel de l'ioniseur 30 et de l'inducteur 31 est posi- tif, et le potentiel U est négatif.
On remarquera qu'une polarité positive de la borne isolée Gp cor- respond, dans la génératrice Ga, au relevage direct par l'ioniseur de débit 30 des charges négatives déposées par l'ioniseur de charge 32, alors qu'une polarité négative de ladite borne correspond à la mise en action des ioni- seurs 33 et 34, et des inducteurs 35 et 36.
Le montage inverse de Ga pourrait également être réalisé, mais le premier est préférable. En effet, le coefficient d'amplification de Ga correspondant au sens de rotation f1 est normalement plus élevé que celui correspondant au sens f2.
Si la borne isolée de Gp est positive, le générateur C.E. est at- taqué par l'intermédiaire du tube électronique T, qui peut déjà jouer un rôle amplificateur. Il y a donc intérêt à ce que le plus faible coeffi- cient d'amplif ication de Ga corresponde à la mise en circuit du tube T.
Les deux exemples de montages qui viennent d'être décrits d'après les figs. 5.2;et 6 peuvent être généralisés à d'autres combinaisons.
On devra seulement veiller à ce que les trois conditions suivan- tes se trouvent remplies @
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a) la source CT donnant une contre-tension constante, doit être placée de telle sorte que sa tension se retranche de la tension prélevée sur la chaîne de résistances.
A noter qu'elle peut se trouver insérée soit dans la connexion. de polarisation, soit dans la chaîne de résistances (emplacement Z de la fig. 5a). b) le générateur G.E. doit débiter un certain courant de manière à permettre les variations de la tension d'excitationiprimaire E dans les deux sens et avec une constante de temps suffisamment réduite '(sans débit, El pourra augmenter, mais ne diminuera pas, les condensateurs du montage ne se déchargeant pas), ce courant doit être d'autant plus grand que - les condensateurs du montage ont une capacité plus importante.
- le temps de réponse du systèmen doitêtre faible.
- les variations exigées pour E1 sont grandes.
Pratiquement, grâee à l'amplificatrice Ga, ces variations sont faibles (quelques centaines de volts); quant aux condensateurs du montage., leur capacité peut être très réduite en raison de la fréquence relativement grande du courant alimentant le système redresseur.
Si la source'G.E. alimente l'ioniseur de Ga (cas de la fig. 5a) elle doit débiter le courant ia qui peut être suffisant ; onpeut toutefois adjoindre une résistance de fuite en parallèle sur la source G.E. dans le but d'accroître le débit total.
Mais si la source G.E. polarise simplement l'inducteur de Ga dont la consommation est pratiquement nulle, cette résistance de fuite ad- ditionnelle devient indispensable (résistance rf de la fige 6). c) Si la tension d'excitation primaire El fournie par le généra- teur G.E. diminue lorsque le potentiel négatif p du point x croît en valeur absolue (cas de la plupart des montages), le fonctionnement stable est as- suré seulement lorsque la borne isolée de la génératrice principale est négative, (à un accroissement U correspond une diminution de E1).
Une polarité positive de la borne isolée de Gp exigerait au con- traire que la tension El diminue lorsque la polarisation appliquée àla source G.E. devient moins négatie - ou plus positive - Comme il a été ci-dessus, avec la plupart des sources électroniques, cette condition ren- dra nécessaire que l'attaque se fasse par l'intermédiaire d'un organe ren- versant le sens des variations de la fraction de tension prélevée sur la chaîne de résistances. Cet organe pourra être un tube électronique dont la :fige 6 a donné un exemple de montage
La chute de tension ¯ U en pleine charge, obtenue avec le dispo- sitif de régulation ci-dessus peut être assez faible, et convenir à la plu- part des cas (moins de 10% par exemple).
Toutefois, il est possible de créer un véritable compoundage du système, permettant d'annuler cette chute de tension, et même de la rendre négative (hypercompoundage). Il suffit pour cela, à l'exemple du compoun- dage des dynamos, d'ajouter à l'excitation un terme complémentaire, fonc- tion du courant débité. La fig. 10a, dérivée de la fige 5a, montre de quelle façon on peut y parvenir.
Le courant I débité par la génératrice principale dans le circuit extérieur ne se referme plus directement par l'ioniseur de charge 1; on lui fait traverser une résistance ajustadle Ra, mise en série avec la chai- ne de résistances. Aux bornes de la résistance Ra apparaît une tension
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RaI. Cette tension, proportionnelle au courant débité I, se retranche de la polarisation négative U qui tend à "bloquer" le générateur d'excita- tion G.E. Le potentiel Ru point. x est alors égal à p = vo - U + RaI.
Il en résulte un renforcement de l'excitation proportionnel à In, qui fait apparaître le compoundage. Le réglage de la résistance Ra permet de doser ce renforcement et de relever plus ou moins la caractéristique en charge
U(I) représentée sur la fige 10b. Une variation de Ra fait pivoter cette caractéristique (qui peut ne pas être absolument linéaire),sensiblement autour de l'ordonnée à l'origine (tension à vide). Cette tension à vide peut prendre diverses valeurs, U1, U2, etc... en déplaçant le curseur K le long de la résistance R1.
La fig. 11 représente le schéma d'une réalisation industrielle d'une génératrice à transporteur isolant dont la borne isolée est négative, correspondant au montage de la fig. 10a.
Les divers organes sont répartis entre trois ensembles*
L'ensemble I constitue le bloc moteur -générateur. Il renferme à l'intérieur d'une enceinte contenant de l'hydrogène extra-pur sous une pression de l' ordre de 10, à 15 Kg/cm2, la génératrice principale Gp, à rotor en forme de cloche, à quatre pelés, la génératrice amplificatrice Ga et sa résistance de charge ? , le moteur N entraînant simultanément Ga et Gp, la résistance R.
On reconnaît la sortie haute tension S, isolée pour la tension U, l'entrée 40 de l'excitation primaire, isolée pour la tension E1, les traversées basse-tension 41 (prise de courant de mesure de régulation), 42 (retour du courant principal assurant le oompoundage), 43 (alimentation du moteur).
L'ensemble II est le bloc d'excitation; non nécessairement pres- surisé, il a toutefois avantage à être monté près de l'ensemble I, à qui il est relié par la connexion d'excitation primaire 44*
Il comprend le générateur d'excitation primaire G.E.. l'alimenta- tion AL fournissant la tension de chauffage et la tension anodique des tu- bes électroniques à partir du secteur, la source C.T., constituée par un tube stabilisateur à gaz St et sa résistance série 45 qui, à partir de la tension anodique ci-dessus, donne une tension plus faible mais parfaitement constante.
L'ensemble III est le bloc de commande qui peut être, à volonté, groupé avec les ensembles I et II ou au contraire placé à distance. Dans ce dernier cas, la liaison se fait au moyen d'un câble 50 à basse tension à plusieurs conducteurs, dont la longueur peut être quelconque.
Ce bloc, qui groupe tous les organes de contrôle et de commande, renferme essentiellement - un microampèremètre à câble mobile 60, gradué directement en kilovolts, et étalonné en agissant sur un shunt non représenté.
Cet appareil indique en permanence la haute tension U.
- un potentiomètre 46, sur le curseur duquel on prélève la ten- sion de réaction envoyée à l'ensemble II.
- une résistance complémentaire 47, choisie au moyen d'un commu- tateur 48. Ce commutateur permet de faire varier la haute tension stabi- lisée par paliers ; lepotentiomètre 46, de son côté, joue le rôle de ver- nier et assure le réglage progressif dans chacune des gammes sélectionnées par 47.
- une résistance Ra ajustable, dite "de compoundage", qui permet
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de relever plus ou moins la caractéristique U.
@ un milliampèremètre 61 indiquant en permanence le courant ab- sorbé par le circuit extérieur.
A la sortie du milliampèremètre,le circuit retourne à l'ensemble II et se referme à la masse, à travers le stabilisateur St qui introduit de la sorte, avec le sens désiré, la contre-tension souhaitable.
En amont de Ra vient aboutir la connexion 62 ramenant le courant débité par la génératrice principale aux ioniseurs de charge de celle-ci.
Il s'ensuit que la résistance Ra et le milliampèremètre 61 se trouvent tra- versés par le courant absorbé dans le circuit extérieur (à l'exclusion du courant i de la chaîne de régulation).
La prise 49 permet l'alimentation des trois blocs à partir du secteur AS.
La fig. 12 représente une réalisation industrielle conforme au schéma qui vient d'être décrit.
On reconnaît le bloc I,comprenant : la sortie haute tension (côté débit), S, -la résistance R, constituée, par une chaîne de résistan- ce montée dans un boîtier isolant 51 et enroulée de telle sorte que son extrémité 64 est connectée à la haute tension, et que, en se développant, la chaîne se rapproche de l'extérieur (le potentiel diminuant peu à peu) et vient se terminer en 65, où une connexion basse tension 52 assure la liaison avec les autres résistances ou potentiomètres de la chaîne situés dans le bloc III,- la génératrice principale Gp, reliée au moteur M par l'accouplement 53,,, la génératrice Ga montée en porte-à-faux sur le moteur M selon un dispositif décrit dans la demande de brevet français n 664.846 déposée le 8 Mars 1954, et ayant pour titre :
"Nouveau mode de réalisation de machines électrostatiques à transporteurs isolants cylindriques" -, la résistance de charge de Ga, tous ces organes étant enfermés dans l'enceinte pressurisée 54. Le bloc I est relié au secteur 49 par la con- nexion 560
Le bloc d'excitation II est relié - au secteur 49 par la connexion 55.
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Several devices have already been proposed and tested to give an electrostatic generator a characteristic in charge? (I) substantially at constant voltage.
These devices mainly concerned belt generators, used with particle accelerator tubes, for which it was necessary to obtain excellent voltage stability and an extremely short response time. The corresponding arrangements were, in general, very complex.
The present invention relates to a regulation system for electrostatic generators, with conductive carriers or with insulating carriers, making it possible to produce assemblies having an industrial character by virtue of their simplicity, their moderate cost price, the use, for their production, of finally, the possibility of using them in machines of very different powers.
This system is characterized by the combination of all or part of the following means; - A high-voltage primary excitation generator, the output voltage of which can be controlled by means of an adjustable polarization voltage, supplied by a very low power source.
- An electrostatic generator mounted as a voltage amplifier between said primary generator and the main electrostatic generator.
- An electrostatic device for reversing polarity by reversing the direction of rotation, this device being able to be combined with the amplifying generator.
- The bias voltage of the primary excitation generator being linked to the output voltage of the main generator.
- A compound or hypercompound excitation can possibly be carried out.
To show the technical characteristics of the invention and its advantages, several exemplary embodiments thereof will be described, it being understood that these examples have no limiting character as to the embodiments of the invention or to the applications that the invention has to offer. 'we can do it.
Fig. 1a is a simplified diagram of an assembly in accordance with the invention, FIGS. 1b, 1c and ld showing certain characteristics of this assembly, the polarity of the isolated terminal being negative.
Figs. 2 and 3 represent two possible arrangements of the primary excitation generator.
Figs. 4a and 4b relate to an example of assembly of an electrostatic generator with insulating carrier as an amplifier.
Figure 5 gives a first example of a regulator assembly with an electrostatic amplifier, of which FIGS. 5b to 5g show certain characteristics, the polarity of the isolated terminal being negative.
Fig. 6 gives a second example of a regulator assembly with an electrostatic amplifier, the polarity of the isolated terminal being positive.
Fig. 7 schematically represents an electrostatic generator with an insulating carrier, the polarity of the insulated terminal of which is linked to the direction of rotation.
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Fig. 8 represents an electrostatic generator with conductive transpersons having the same property.
Fig. 9 represents a regulator assembly comprising the organs necessary to operate indifferently for a positive or negative polarity of the isolated terminal.
Figs. 10a and 10b relate to an assembly comprising a compound or hypercompound excitation.
Fig. It relates to a generator with insulating conveyor, provided with a regulating device in accordance with the invention, and more particularly shows the grouping of the various components, the polarity of the isolated terminal being negative.
Fig. 12 shows an industrial embodiment of the assembly shown schematically in FIG. He.
In what follows, the potentials will be, unless otherwise specified, assumed to be measured with respect to the earth.
The schematic circuit shown in FIG. 1a comprises an electrostatic generator with insulating carrier Gp, excited by an auxiliary high voltage generator, the voltage of which at the terminals E2 can be controlled by means of an adjustable polarization voltage p.
The generator Gp debits on the receiver P, the polarity of its isolated terminal being negative.
This generator will advantageously be of the type described in French patent N 1,051,430, filed on November 21, 1951. It recognizes the charge ionizer 1 connected to earth, the charge inductor 2 connected to the excitation generator GE, the flow ionizer 3 and its flow inductor 4, the electric charge conveyor rotor 5. For clarity of the drawing, the voltage distributing member made of slightly conductive material has not been shown.
It is assumed that the voltage E2 decreases when the voltage p increases in absolute value.
The voltage U across the terminals of the main generator, which has to be regulated, is applied to a chain of stable resistors R forming a voltage divider. A given fraction of the high voltage, i.e. v1 = U / n (n = division ratio) is taken from the chain and applied as bias to the G.E.
Assuming that the polarities are those indicated in the figure, it can be seen that this fraction v1 of the high voltage U introduces a feedback, and the assembly is such that it ensures the regulation, with a certain approximation, of said high voltage. If this for some reason (for example, decrease in the current demanded by the receiver P) tends to increase, the voltage v1 increases, causing a reduction in the excitation voltage E2, and therefore of the current. generated by the main machine Gp, which has the effect of restoring the balance. The reverse process takes place if the high voltage U tends to decrease (increase in the current requested).
In order to increase the sensitivity of the device, it is advantageous to place, in series with the voltage fraction taken from the resistor chain, a CT source giving a perfectly stable voltage vo (batteries, stabilized power supply, etc.) such that the value of the bias voltage applied to the generator GE is then, in absolute value: p = v1 - vo. For the same value of p, the fraction v1, taken, must be more
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larger than previously (vo in addition) and the same variation A U of the high voltage results in a stronger absolute variation of the effective value of p.
The diagrams shown show: - in fig. 1b, the current I delivered by the main generator, as a function of its excitation voltage E2.
- in fig. 1c, the excitation voltage supplied by the G.E. generator as a function of the value of the polarization voltage p that is applied to it.
The change from almost no-load operation (current Ia) to full load operation - (current Ib) requires an increase ¯ E2 of the excitation, made possible by a variation ¯ p of the bias voltage. This variation A p supposes that the high voltage has varied by 4 U = ¯ pxn. This variation U therefore represents the voltage drop across the terminals, between no-load and full-load operations. Hence the characteristic U (I) conferred on the generator by the regulation device, and shown in FIG. 1d.
It can be seen that this characteristic will be all the less inclined (voltage drop under reduced load, therefore good regulation) than: a) The tangents to characteristic 1 (Eg) of the generator Gp, in the operating zone corresponding to ¯ E2, will have steeper "slopes". b) The G.E. generator will have a rapidly varying voltage depending on the bias voltage. c) The fraction of voltage taken from the chain will be greater, therefore, for a given GE generator, the counter-voltage vo will be greater, and consequently there will be the possibility of working with a ratio n = Upetit. v1
The sensitivity can also be increased, in order to reduce the voltage drop under load to U, by driving the generator G.E.
by means of an amplifier (electron tube for example, mounted as a direct current amplifier). An example of such an arrangement will be found below.
It will also be noted that it is possible to adjust the value of the high voltage thus regulated, by acting only on low voltage circuits: for example, by moving the slider K on the resistance chain, so as to vary the ratio n. The value of the voltage v1 is, in fact, at most only a few hundred volts.
Finally, the connection between the bias voltage p and the flow voltage U can of course be obtained other than by a voltage divider with resistors, using, for example, a rotary device with electrostatic influence, analogous to those used in rotary electrostatic voltmeters.
If the main generator Gp must supply a voltage such that its isolated terminal is positive, the generator G.E. will be connected to ionizer 1 or to inductor 2, depending on whether the potential of its isolated terminal is positive or negative.
In both cases, it is essential that the absolute values of the voltages E2 and p vary in the opposite direction. With most sour-
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these ordinary electronics, this condition will require that the attack of the generator GE be done through a device, (electron tube for example), reversing the polarity of the potential of the point x, and being able to also have an amplifying function, the direction of connection of the GT source being also reversed.
The G.E. excitation generator will advantageously be of the type with rectifiers, supplied by pulses or by an oscillator at a relatively high frequency (20 to 300 kHz for example).
Small generators of this type have become common and inexpensive, being used in particular in television.
Figs. 2 and 3 schematically represent two passable assemblies, given by way of example.
In fig. 2, the fraction om of the winding B is crossed by a current which is a function of the rest bias - (Vgo + p) applied to the pentode Ho At this rest bias, a small oscillator not shown in the diagram superimposes a voltage in sawtooth which periodically “blocks” the pentode, thus suddenly canceling the current. At each blocking, a significant overvoltage Va appears between terminal n of the coil and ground, followed by damped oscillations. The coil then behaves like a step-up transformer with respect to the rectifier assembly on which it debits. In the case of fig. 2, this rectifier assembly is of the voltage multiplier type, and comprises three capacitors C1, 02 and C3, and three rectifiers R1, R2 and R3.
Finally, a direct voltage E2 appears between the output terminal Se and the ground, a function of the overvoltage Va, therefore of the cut-off current, and ultimately, of the bias voltage p applied to the pentode. When the negative potential of the point x, p, (see fig. La) increases in absolute value, Eg decreases.
In fig. 3, the pentode H operates as a normal oscillator, thanks to the anode A and gate F windings of transformer L which has a high voltage secondary C. This transformer operates at a frequency generally chosen between 20 kHz (winding to circuit: magnetic ) and 300 kHz (air winding). The secondary X and Y terminals then supply any rectifier assembly, half-wave, doubler, voltage multiplier, etc., not shown in the diagram.
The average polarization of the pentode, related to the fixed voltage, to a certain extent, the value of the rectified high voltage. The assembly shown in fig. 1 operates satisfactorily if the generator Gp is satisfied with a moderate excitation voltage and is called upon to operate under an approximately constant regime. Otherwise, we are led to introduce some modifications.
Indeed, tests carried out by the Applicant have shown, for example, that an electrostatic generator with an insulating conveyor with two poles, the rotor of which had the dimensions: length: 250 mm., Diameter: 140 mm., And of a power of 300 W. at 150 kV, had to be provided with an excitation capable of varying from 20 kV to 40 kV between no-load operation and full load operation.
It follows that the regulation of such a machine can hardly be ensured by the small high voltage generators of the models described. They most often provide voltages of about 20 kV, varying at most a few kV by adjustment of the polarization. It is therefore necessary to insert, in certain cases, between the excitation generator G.E. and the main generator Gp, an electrostatic machine Ga operating as an amplifier.
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Electrostatic generators with carriers, conductors or insulating carriers can, in fact, be mounted as amplifiers *
Fig. 4a gives an example of such an assembly of a generator with insulating conveyor.
A DC voltage source 8 causes a potential difference E to appear between the charge inductor 9 and the charge ionizer 10.
The flow inductor 11 and the flow ionizer 12 deliver the current i 'to the receiver circuit Q *
For given construction characteristics (thickness and nature of the rotor, distance between ionizer and rotor, nature and pressure of the ambient gas, etc.) and for a determined speed of rotation, the current delivered by the machine is a function of of E. The current, initially zero, appears quite suddenly when E reaches a value Ea corresponding to the "starting threshold" of the ionizers. It then grows very quickly as a function of E, following an almost linear pace in a certain zone; then, from a certain value, saturation manifests itself.
The curve i '= f (E) varies a little, depending on whether the machine delivers a short-circuit (zero output voltage) or on the contrary delivers on a circuit Q across which appears the voltage V. The appearance of this voltage is reflected in the machine by parasitic flows which cause a reaction: with equal excitation, the current i 'decreases when V increases.
In any case, it is possible to plot the real curve i '= f (E) (see Fig. 4b), taking into account the flow voltage V = Qi, Q representing the resistance (real or equivalent) of the circuit. at the intended operating point. Starting from this curve i '= f (E), we can define for each operating point what we will call the "slope" of the machine, having as value:
EMI5.1
ais S = dE It will be expressed, for example, in microamperes per kilovolt.
The slope is approximately constant throughout the region ', where. the curve il - f (E) can be assimilated to a straight line; it naturally varies on either side of this region.
The slope depends on certain construction characteristics of the machine.
For a given machine, working under certain conditions and with a certain load resistance, the slope is a well-defined characteristic.
If the previous machine delivers on a charging circuit Q que. one will suppose to be a resistance obeying the law of Ohm, a tension V = Qi 'appears at the terminals of this circuit. If the excitation varies by ¯ E, the current must vary by A i '= S ¯ E and the voltage V by ¯ V = Q ¯ i' = Qs A E. We can therefore write: ¯ V = k ¯ E, with k = Qs.
The factor k represents an "amplification coefficient" which highlights the amplifying function that an electrostatic machine can play: the variations in the output voltage are k times greater than the variations in the excitation voltage or " input voltage ".
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All the preceding considerations remain valid, whatever the polarity imposed by the excitation source 8. They are also valid when the source 8, instead of polarizing the charge inductor, is inserted between the ionizer of load and massage her
Finally, it is also possible to replace the load resistor Q, which has been assumed to follow Ohm's law, with any load having any desired voltage - current characteristic. The amplification coefficient is then a function of the equivalent resistance of this load, at the operating point considered.
A load resistance following at least approximately Ohm's law, however, is of interest in most applications, because it gives the assembly an approximately linear amplification throughout the working area used.
A variation in the input voltage E has repercussions on the output voltage V with a certain delay due to: - the transfer time of the electric charges from the ions.
EMI6.1
load sors to those of debit.
- the time necessary to load or unload the capacities, voluntary or parasitic, of the flow circuit.
The response time can be made low enough to be compatible with most problems, especially when the amplifier machine is used in a control circuit. It will be noted that to reduce it, it is necessary: - to increase the speed of rotation and to multiply the number of poles, - to reduce the capacities of the flow circuit.
For a rotation speed of 3,000 rpm, and a machine with only two poles, the transfer time is only of the order of a hundredth of a second.
During tests, the Applicant obtained the following results, with a generator with insulating conveyor with cylindrical rotor, with two poles:
Rotor: Diameter:: 90 mm.
Thickness: 2 mmo
Length: 40 mm.
Rotation speed: 2,800 rpm.
Hydrogen ambient gas at 12 atm.
Load resistance Q: 1.000M
Ignition threshold Ea = 14 kV.
Zone used (i ': from 10 to 40 uA
EMI6.2
(iizdel0âÓkYe Necessary variation of the excitation to cover the above area '..........: 15.3 to 16.3 kV.
Average slope in the area of use s = 30 uA kv.
Average amplification coefficient
EMI6.3
in the area of use .... 08000 .... ".: k = 30
Figures 5a and 6 give two schematic examples of regulator assemblies, both provided with an electrostatic amplifier Ga.
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Fig. 5a represents an assembly corresponding to a negative polarity of the isolated terminal.
The G.B. generator supplies the primary excitation voltage -) -
E1 (which decreases when the bias voltage applied to it increases as an absolute bouncer). This voltage E1 excites the amplifier Ga which causes the voltage E2 to appear at the terminals of its load resistance, which serves to excite the main generator Gp, the load inductor 2 of which is positive. A fraction of the flow voltage U, taken from the resistance chain R, is "compared" to the reference counter-voltage supplied by the source CT and the difference is applied as bias voltage to the generator G.E.
Figures 5b, 5c and 5d respectively represent examples of response curves of the three organs t G.E., Ga and Gp.
Figures 5e, 5f and 5g represent the same three curves respectively, showing the correspondences between each of them. It can be seen that the change from idle operation (la) to full load operation (Ib) requires the variation A E2 of excitation for Gp; this variation, thanks to Ga, is reduced to at E1 for the generator G.E. This variation, ¯ E1, finally, is produced by a variation of the polarization ¯ p. From tests carried out by the Applicant on the generator referred to above, it follows that the orders of magnitude of the variations of the various voltages can be, for example, the following: if E2 must vary by 20 at 40 kV (¯ E2 = 20 kV), E1 must vary from 15,000 to 15,500 V.
(¯ E1 = 500 V.) and p from - 20 to - 30 V. (¯ p = 10V.).
We assumed in the previous example (fig. 5a) that the isolated terminal of the G.E. source was positive (frequent case of small ordinary generators for television), while the isolated terminal of the main generator was negative. The voltage E1 had to be, under these conditions, applied to the charge ionizer 6 of the amplifier Ga, and the reaction took place in the right direction if GB was such that El decreased when its polarization voltage p increased in absolute value. .
Fig. 6 represents an assembly similar to the preceding one, but where the isolated terminal of the user circuit is positive.
Under these conditions, the excitation voltage E2, supplied by the amplifier Ga must be such that the charge inductor of Gp is negative. The G.E. generator will be connected to the charge ionizer 6 or to the Ga charge inductor 7, depending on whether the polarity of its isolated terminal is negative or positive,
If the G.E. generator is such that its output voltage decreases when the negative potential of point x increases in absolute value, it is necessary to provide a device reversing the direction of the variations of the voltage fraction taken from the chain of resistors R.
This member may be an electron tube properly mounted, and may also work as an amplifier. Fig. 6 gives an example of such a member, comprising an electron tube T, supplied by an anode voltage source Vd. , and a load resistor rc. The direction of variation of the polarization voltage p is thus reversed, and the reaction takes place in the right direction, that is to say that when the voltage U increases, the voltage p 'decreases in absolute value, the polarization voltage p increases in absolute value, and the potential E1 decreases.
If one wishes to have a generator of which the polarity of the isolated terminal can be reversed at will, the use of an assembly such as that shown in fig 6 would require the inclusion of devices.
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making it possible to modify the connections so that, the isolated terminal being negative: - on the one hand, 1 organ including tube T is left off, - on the other hand, the generator GE is connected to the ionizer load 6 instead of the load inductor 7. In the latter case, the connections to be modified are high voltage connections, which is practically to be avoided. It is therefore advantageous to use another device for changing polarity, requiring only action on low voltage components.
¯Two examples of such devices are shown schematically in figs. 7 and 8.
The electrostatic generator with insulating carrier shown in FIG. 7 comprises - a charge ionizer II, connected to ground, its charge inductor D1, connected to an excitation generator 13.
- a flow ionizer 12 and its flow inductor D2, both connected to the isolated output terminal 14.
- A flow ionizer 13 and its flow inductor D3, both connected to ground (via the auxiliary circuit 15) and to the charge inductor D4. The charge ionizer I4 'is connected to ground.
Assuming that the source 13 brings the inductor D1 to a positive potential, the operation is as follows if the rotor 16 rotates in the direction indicated by the arrow f1, the negative charges deposited by the ionizer Il are detected by l ionizer I2, and the potential of the flow terminal 14 is negative.
If the rotor 16 rotates in the direction indicated by the arrow f2, the negative charges deposited by the ionizer II are detected by the ionizer I3. By flowing through circuit 15, these charges cause a voltage to appear at the terminals of this circuit such that the potential of the charge inductor D4 is negative. The charge ionizer I4 which faces this inductor deposits positive charges on the rotor 16, which are detected by the ionizer I2 and the potential of terminal 14 is positive.
Many variations are possible from this diagram. The following points will be noted: a) the reasoning made by supposing the isolated terminal of the excitation source 13 to be positive applies in the same way if this terminal is negative: all the polarities are then changed. b) instead of polarizing the charge inductor D1, the excitation source can be inserted between the ionizer II and the ground. But this source must then deliver the same current as the machine. c) The machine can be made so that the four groups of inductor-ionizers are at 90. But it may be preferable to distribute these groups taking into account the potential differences appearing between them during operation.
Generally, the flow voltage being greater than the excitation voltages (direct or indirect), it may be advantageous to reduce the development of the auxiliary sections S2 and S3 in favor of the main sections S1 and S4. d) The auxiliary circuit 15 can be a simple resistor obeying Ohm's law.
In certain cases, on the contrary, it may be advantageous to use a resistor not following this law, a circuit with a non-linear tnsion-current characteristic, a circuit with a "corona" type characteristic, etc. circuit influences the character-
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general tick of the machine that it is possible, in this way, to bring to the desired speed. e) Finally, the generator can also play an amplifying role such as that which has been described above.
Fig. 8 represents an electrostatic generator with a conductive carrier, benefiting from an assembly similar to the preceding one.
The operation is as follows, assuming that the isolated terminal of the excitation source 17 is positive, if the conducting conveyors rotate in the direction indicated by the arrow f1, the conveyor 20 located opposite the inductor 18 breaks contact with the ground stud
21 by carrying negative charges.
These are collected by the flow pad 22 connected to the flow inducer 19 and to the isolated flow terminal 23, the potential of which is then negative. If the carriers turn in the direction indicated by. the arrow f2, the conveyor 20 negatively charges the flow inductor 24, connected to the mass (through the auxiliary circuit 25) and to the inductor 26: the latter therefore causes, in the conveyors coming opposite, the The appearance of positive charges which are detected by the flow rate pad 22. The potential of terminal 23 is then positive.
Fig. 9 schematically represents an assembly making it possible to invert the flow voltage at will.
The Ga generator has a double role of amplification and change of polarity.
The rotation of the generators Ga and Gp is ensured by an asynchronous three-phase motor M. An inverter 27 makes it possible to reverse the direction of rotation at will.
The inverters 28 and 29 make it possible to switch off or on the polarity reversal member comprising the tube T.
If Ga rotates in the direction indicated by f2, the potential of the flow ionizer 30 of Ga and the charge inductor 31 of Gp is negative, and the potential U is positive, Conversely, if Ga rotates in the direction indicated by f1, the potential of ionizer 30 and inductor 31 is positive, and potential U is negative.
It will be noted that a positive polarity of the isolated terminal Gp corresponds, in the generator Ga, to the direct reading by the flow ionizer 30 of the negative charges deposited by the charge ionizer 32, while a negative polarity of said terminal corresponds to the activation of ionizers 33 and 34, and inductors 35 and 36.
Reverse Ga mounting could also be done, but the former is preferable. Indeed, the amplification coefficient of Ga corresponding to the direction of rotation f1 is normally higher than that corresponding to the direction f2.
If the isolated terminal of Gp is positive, the generator C.E. is attacked via the electron tube T, which can already play an amplifying role. It is therefore advantageous for the lowest amplification coefficient of Ga to correspond to the switching on of tube T.
The two examples of assemblies which have just been described from FIGS. 5.2; and 6 can be generalized to other combinations.
We just have to make sure that the following three conditions are met @
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a) the CT source giving a constant counter-voltage, must be placed in such a way that its voltage is cut off from the voltage taken from the resistance chain.
Note that it can be inserted either in the connection. polarization, or in the chain of resistors (location Z in fig. 5a). b) the generator GE must deliver a certain current so as to allow the variations of the primary excitation voltage E in both directions and with a sufficiently reduced time constant '(without flow, El may increase, but will not decrease, capacitors of the assembly not discharging), this current must be all the greater as - the capacitors of the assembly have a greater capacity.
- the system response time must be low.
- the variations required for E1 are large.
In practice, thanks to the Ga amplifier, these variations are small (a few hundred volts); as for the capacitors of the assembly, their capacity can be very reduced because of the relatively high frequency of the current supplied to the rectifier system.
If the source'G.E. feeds the Ga ionizer (case of fig. 5a) it must deliver the current ia which may be sufficient; however, a leakage resistor can be added in parallel with the G.E. source in order to increase the total flow.
But if the G.E. source simply polarizes the Ga inductor, the consumption of which is practically zero, this additional leakage resistance becomes essential (rf resistance in fig. 6). c) If the primary excitation voltage El supplied by the generator GE decreases when the negative potential p of point x increases in absolute value (in the case of most assemblies), stable operation is ensured only when the terminal isolated from the main generator is negative, (to an increase U corresponds a decrease in E1).
A positive polarity of the isolated terminal of Gp would instead require that the voltage El decreases when the bias applied to the source GE becomes less negated - or more positive - As has been above, with most electronic sources, this This condition will make it necessary for the attack to be made by means of a device reversing the direction of the variations of the voltage fraction taken from the resistance chain. This member may be an electron tube, the: pin 6 has given an example of assembly
The voltage drop ¯ U at full load, obtained with the above regulation device, can be quite low, and be suitable in most cases (less than 10% for example).
However, it is possible to create a real compounding of the system, making it possible to cancel this voltage drop, and even to make it negative (hypercompoundage). To do this, it suffices, for the example of the calculation of dynamos, to add to the excitation a complementary term, depending on the current delivered. Fig. 10a, derived from figure 5a, shows how this can be achieved.
The current I delivered by the main generator to the external circuit is no longer closed directly by the load ionizer 1; it is passed through an adjustable resistance Ra, placed in series with the chain of resistances. Across the resistor Ra appears a voltage
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RaI. This voltage, proportional to the current output I, is cut off from the negative bias U which tends to "block" the generator of excitation G.E. The potential Ru point. x is then equal to p = vo - U + RaI.
This results in a strengthening of the excitation proportional to In, which causes compounding to appear. The adjustment of the resistance Ra makes it possible to measure this reinforcement and to raise more or less the characteristic under load
U (I) shown in fig 10b. A variation of Ra rotates this characteristic (which may not be absolutely linear), substantially around the y-intercept (no-load voltage). This no-load voltage can take various values, U1, U2, etc ... by moving the cursor K along resistor R1.
Fig. 11 shows the diagram of an industrial embodiment of a generator with an insulating conveyor, the insulated terminal of which is negative, corresponding to the assembly of FIG. 10a.
The various organs are divided between three groups *
The set I constitutes the engine-generator block. It contains inside an enclosure containing extra-pure hydrogen under a pressure of the order of 10, to 15 kg / cm2, the main generator Gp, with a bell-shaped rotor, with four peels, the amplifying generator Ga and its load resistance? , the motor N simultaneously driving Ga and Gp, the resistance R.
We recognize the high voltage output S, isolated for the voltage U, the input 40 of the primary excitation, isolated for the voltage E1, the low-voltage bushings 41 (regulation measurement current outlet), 42 (return of the main current providing the oompoundage), 43 (motor power supply).
Set II is the excitation block; not necessarily pressurized, it has the advantage of being mounted near assembly I, to which it is connected by the primary excitation connection 44 *
It comprises the primary excitation generator GE. The supply AL supplying the heating voltage and the anode voltage of the electronic tubes from the mains, the source CT, constituted by a gas stabilizer tube St and its resistance series 45 which, from the above anode voltage, gives a lower but perfectly constant voltage.
The set III is the control unit which can be, at will, grouped with the sets I and II or on the contrary placed at a distance. In the latter case, the connection is made by means of a low-voltage cable 50 with several conductors, the length of which may be of any length.
This block, which groups together all the control and command devices, essentially contains - a movable cable microammeter 60, graduated directly in kilovolts, and calibrated by acting on a shunt, not shown.
This device constantly indicates the high voltage U.
a potentiometer 46, on the slider from which the reaction voltage sent to unit II is taken.
a complementary resistor 47, chosen by means of a switch 48. This switch makes it possible to vary the stabilized high voltage in stages; the potentiometer 46, for its part, plays the role of a verifier and ensures the progressive adjustment in each of the ranges selected by 47.
- an adjustable resistance Ra, called "compounding" resistance, which allows
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to raise more or less the characteristic U.
@ a milliammeter 61 permanently indicating the current absorbed by the external circuit.
On leaving the milli-ammeter, the circuit returns to assembly II and closes to ground, through the stabilizer St which thus introduces, with the desired direction, the desirable counter-voltage.
Upstream of Ra comes the connection 62 returning the current delivered by the main generator to the charge ionizers of the latter.
It follows that the resistance Ra and the milli-ammeter 61 are crossed by the current absorbed in the external circuit (to the exclusion of the current i of the regulation chain).
The socket 49 allows the supply of the three blocks from the AS sector.
Fig. 12 represents an industrial embodiment in accordance with the diagram which has just been described.
We recognize the block I, comprising: the high voltage output (flow side), S, - the resistor R, consisting of a resistance chain mounted in an insulating case 51 and wound so that its end 64 is connected at high voltage, and that, as it grows, the chain gets closer to the outside (the potential gradually decreasing) and ends at 65, where a low voltage connection 52 ensures the link with the other resistors or potentiometers of the chain located in block III, - the main generator Gp, connected to the engine M by the coupling 53 ,,, the generator Ga mounted cantilever on the engine M according to a device described in the patent application French n 664.846 filed on March 8, 1954, and entitled:
"New embodiment of electrostatic machines with cylindrical insulating conveyors" - the load resistance of Ga, all these components being enclosed in the pressurized enclosure 54. Block I is connected to the sector 49 by connection 560
The excitation block II is connected - to the sector 49 by the connection 55.