Вакуумный конденсатор переменной емкости

Вакуумный конденсатор переменной емкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в электронной промышленности при модернизации и разработке новых типов высоковольтных вакуумных конденсаторов.

Известны вакуумные конденсаторы постоянной и переменной емкости с коаксиальными цилиндрическими емкостными электродами, расположенными внутри металлодиэлектрического корпуса [1].

Недостатком их является температурная нестабильность емкости, вызванная изменением продольных размеров элементов конденсаторов при изменении температуры.

Известна конструкция вакуумного конденсатора переменной емкости с коаксиальными цилиндрическими емкостными электродами с устройством для повышения температурной стабильности емкости, которая выбрана в качестве прототипа [2].

Вакуумный конденсатор содержит вакуумированный корпус, состоящий из цилиндрической диэлектрической оболочки, соединенной торцовыми поверхностями с внешними выводами, внутри которого размещены пакеты неподвижных и подвижных цилиндрических коаксиальных электродов, один из которых соединен с внешним выводом, а другой смонтирован на штоке, который имеет возможность возвратно-поступательного передвижения по направляющей втулке с обеспечением герметизации за счет использования металлического сильфона, соединенного с основанием подвижного пакета и выводом. Конструкция конденсатора имеет вне вакуумного корпуса устройство для повышения температурной стабильности емкости, выполненное в виде последовательно соединенного набора чередующихся по коэффициентам линейного расширения полых цилиндров и опорного основания, имеющих скосы под углом 45°, что позволяет при повышении температуры компенсировать изменение перекрытия емкостных электродов и тем самым уменьшить температурное изменение емкости.

Недостаток конструкции прототипа состоит в сложности изготовления устройства и его эксплуатации и невозможности реализовать ее в конденсаторах постоянной емкости. Очевидно, по этой причине конденсатор-прототип не нашел практического применения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции вакуумного конденсатора с коаксиальными цилиндрическими емкостными электродами, обладающей: 1) повышенной температурной стабильностью; 2) простотой изготовления.

Это достигается тем, что в вакуумном конденсаторе, содержащем вакуумированный корпус, состоящий из цилиндрической изоляционной оболочки, соединенной торцовыми поверхностями с внешними выводами, внутри которой размещены пакеты неподвижных и подвижных цилиндрических коаксиальных емкостных электродов, внутренние электроды которых представляют центральный и смежный с ним электроды емкостного блока, один из которых соединен с выводом неподвижного пакета, а другой смонтирован на штоке, который имеет возможность возвратно-поступательного передвижения по направляющей втулке с обеспечением герметизации конденсатора за счет использования металлического сильфона, соединенного с основанием подвижного пакета и вторым внешним выводом, согласно предлагаемому изобретению центральный емкостный цилиндрический коаксиальный электрод выполнен из материала с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), меньшим по величине, чем ТКЛР смежного емкостного электрода, причем перекрытие этих двух электродов при выбранных радиальном расстоянии между ними и ТКЛР материалов их рассчитано таким образом, что при нагреве изменение (уменьшение) емкости между ними компенсирует изменение (увеличение) емкости, создаваемой остальными емкостными электродами.

При этом в конденсаторах с междуэлектродным радиальным промежутком выше 1,0-1,5 мм (напряжением выше 15-25 кВ) смежный электрод выполнен из материала с ТКЛР, близким к ТКЛР материала остальных емкостных электродов, который образует с центральным электродом вакуумный промежуток с повышенной электрической прочностью, что позволяет уменьшить радиальное расстояние между ними.

Увеличение емкости конденсатора при нагреве, вызванное продольным увеличением перекрытия емкостных электродов, компенсируется уменьшением емкости центрального и смежного (противоположного) электродов за счет увеличения радиального между ними расстояния. Если центральный электрод выполнен из материала с ТКЛР меньшим, чем у смежного противоположного электрода, при нагреве их между ними увеличится радиальное расстояние, и емкость между ними уменьшится, уменьшая емкость всего конденсатора, тем самым компенсируя увеличение емкости за счет продольного увеличения перекрытия емкостных электродов пакетов.

При одинаковом между всеми электродами радиальном расстоянии и выбранном материале центрального электрода можно, манипулируя длиной перекрытия центрального и смежного электродов, добиться полной компенсации увеличения емкости конденсатора в результате нагрева, при этом числовое значение длины перекрытия внутренних смежных электродов l₀ определится формулой

l 0 = [ Δ C k ' + 2 π ε 0 ε ⋅ [ Δ l п о д . + Δ l н е п о д . ] ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) ] × ln ( R 2 R 1 ) × ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) 2 π ε 0 ε ⋅ [ ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) − ln ( R 2 R 1 ) ] ,       ( 1 )

где Δ C k ' - изменение емкости конденсатора за счет продольного изменения размеров элементов его (без учета изменения емкости центрального и смежного емкостных электродов); Δl_под. - изменение длины перекрытия за счет подвижного пакета; Δl_непод. - изменение длины перекрытия за счет неподвижного пакета; R₁ - наружный радиус ценрального электрода; R₂ - внутренний радиус смежного электрода; α₁ - ТКЛР материала центрального электрода, град^-1; α₂ - ТКЛР материала смежного электрода, град^-1; ΔT - изменение температуры, °C; ε₀ - электрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между электродами.

В ряде случаев применения вакуумных конденсаторов необходимо иметь определенное значение температурного коэффициента емкости (ТКЕ) их, иногда его отрицательное значение. Необходимое значение температурного коэффициента емкости конденсатора обеспечивается с помощью выбора материала центрального электрода и выполнения определенного соотношения между величинами его длины и радиального расстояния до смежного электрода. Установить необходимое значение ТКЕ конденсатора возможно изменением длины центрального электрода, его радиального расстояния до смежного электрода и выбором их материалов.

Перечень чертежей.

На фиг.1 представлена конструкция вакуумного конденсатора переменной емкости; 1 - основание подвижного пакета емкостных электродов конденсатора, 2 - изоляционная оболочка, 3 - основание неподвижного пакета емкостных цилиндрических коаксиальных электродов конденсатора, 4 - центральный электрод, 5 - смежный электрод, 6 - сильфон, 7 - регулировочный винт, 8 - шток; 9 - подшипник, 10 - втулка, 11 - вывод подвижного пакета, 12 - вывод неподвижного пакета.

На фиг.2 представлена схема расположения элементов части вакуумного конденсатора переменной емкости, центральный электрод поз.4, выполнен из материала с меньшим, чем у смежного электрода поз.5, значением ТКЛР; l₀ - длина перекрытия центрального и смежного электродов; l_П - длина перекрытия электродов в пакетах; R₁ - наружный радиус центрального электрода; R₂ - внутренний радиус смежного электрода.

На фиг.3 представлен расчетный график зависимости изменения емкости от величины междуэлектродного зазора двухэлектродной системы, где d - междуэлектродный зазор, ΔС - изменение емкости при перегреве арматуры конденсатора на 100°C для электродов из меди и инвара (центральный) при перекрытии их l₀=30 мм.

Манипулируя материалом центрального электрода по величине ТКЛР и его размерами, возможно получить необходимое изменение емкости центрального и смежного электродов для компенсации изменения емкости пакетов остальных емкостных электродов при их нагреве.

Возможна реализация предлагаемой конструкции в конденсаторах постоянной емкости.

Для повышения уровня номинального напряжения конденсатора с центральным электродом из материала, имеющего ТКЛР, меньший по величине, чем ТКЛР материала смежного электрода, необходимо выполнить смежный электрод из материала, близкого по ТКЛР к материалам остальных емкостных электродов, но имеющего в паре с центральным электродом электрическую прочность выше, чем электрическая прочность емкостных электродов в емкостном блоке (например, нержавеющей стали).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления.

Сущность изобретения поясняется приведенными формулами, чертежами фиг.1-2 и расчетным графиком фиг.3.

У переменного вакуумного конденсатора пакет емкостных цилиндрических электродов укреплен на основании, которое соединено со штоком, продольно скользящем во втулке с помощью вращения регулировочного винта, укрепленного на подшипнике, упирающемся на втулку (фиг.1). Другой пакет укреплен на неподвижном основании.

В общем виде изменение перекрытия емкостных электродов Δl за счет изменения температуры ΔT выразится как

где Δl_Эл.Н - изменение длины электродов неподвижного пакета; Δl_Эл.П - изменение длины электродов подвижного пакета; Δl_Ш - изменение части размера штока; Δl_рег - изменение части длины регулировочного винта; Δl_{осн.п_} - изменение высоты основания подвижного пакета; Δl_осн.н - изменение высоты основания неподвижного пакета; Δl_об - изменение высоты изоляционной оболочки; Δl_вт - изменение части длины втулки; Δl_в.п - изменение длины вывода подвижного пакета; Δl_в.н - изменение длины вывода неподвижного пакета; Δl_под - изменение высоты подшипника.

Емкость пакетов цилиндрических коаксиальных электродов определяется выражением [3]

С = 2,775 ⋅ 10 − 11 ⋅ l ( n − 1 ) ⋅ [ 2 R 1 + ( n − 2 ) ( δ + t ) δ + 1 ] ,           ( 3 )

где l - перекрытие емкостных электродов; n - число электродов; R₁ - наружный радиус центрального электрода; t - толщина стенки электродов; δ - междуэлектродный промежуток.

Изменение длины перекрытия электродов на величину Δl за счет нагрева вызовет изменение емкости конденсатора ΔС_к

Δ С к = 2,775 ⋅ 10 − 11 ⋅ Δ l ⋅ ( n − 1 ) ⋅ [ 2 R 1 + ( n − 2 ) ( δ + t ) δ + 1 ] ,           ( 4 )

где Δl - сумма всех изменений продольных размеров элементов, влияющих на изменение размера перекрытия, определяется по формуле (2).

Емкость двух цилиндрических коаксиальных металлических электродов, разделенных диэлектриком, равна [4]

С 13 − 14 = 2 π ε 0 ε ⋅ l П ln R 2 R 1 ,                             ( 5 )

где l_П - длина перекрытия электродов; R₁ - наружный радиус центрального электрода; R₂ - внутренний радиус смежного электрода; ε₀ - электрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между электродами.

При перегреве на величину ΔT продольные размеры элементов конденсатора увеличиваются на величину

Δ l Э = l Э ⋅ α Э ⋅ Δ Т Δ l р е г = l р е г ⋅ α р е г ⋅ Δ Т Δ l Ш = l Ш ⋅ α Ш ⋅ Δ Т Δ l о б = l о б ⋅ α о б ⋅ Δ Т Δ l о с н . п = l о с н . п ⋅ α о с н . п ⋅ Δ Т                                                                                                           ( 6 ) Δ l о с н . н = l о с н . н ⋅ α о с н . н ⋅ Δ Т Δ l в т = l в т ⋅ α в т ⋅ Δ Т Δ l в . п = l в . п ⋅ α в . п ⋅ Δ Т Δ l в . н = l в . н ⋅ α в . н ⋅ Δ Т Δ l п о д = l п о д ⋅ α п о д ⋅ Δ Т

где α_Э, α_рег, α_Ш, α_об, α_вт, α_в.п, α_в.н, α_осн.п, α_осн.н, α_под - ТКЛР материалов емкостных электродов, регулировочного винта, штока, изоляционной оболочки, втулки, выводов подвижного и неподвижного, оснований и подшипника, град^-1; l_Э - длина емкостных коаксиальных электродов, м; l_рег, l_Ш, l_об, l_вт, l_в.п, l_в.н, l_осн.п, l_осн.н, l_под - длина частей регулировочного винта и штока, изоляционной оболочки, втулки, выводов подвижного и неподвижного, высота оснований подвижного и неподвижного, подшипника.

Изменение емкости пары емкостных электродов (в переменном конденсаторе), выполненных из одного материала, при нагреве определится как

Δ С Т = 2 π ε 0 ε × × [ l Э ⋅ ( 1 + 2 ⋅ α э ⋅ Δ Т ) + Δ Т ⋅ ( l р е г ⋅ α р е г + l Ш ⋅ α Ш + l о с н . п ⋅ α о с н . п + l о с н . н ⋅ α о с н . н − l о б ⋅ α о б − Δ l в т ⋅ α в т − Δ l в . п ⋅ α в . п − Δ l в . н ⋅ α в . н − l п о д ⋅ α п о д ln R 2 ( Δ T ) R 1 ( Δ T ) ] , ​ ​       ( 7 ) где R_1(ΔT) - наружный радиус центрального электрода; R_2(ΔT) - внутренний радиус смежного электрода при перегреве на ΔT.

Используя материал центрального емкостного электрода с величиной ТКЛР, меньшей величины ТКЛР материала смежного электрода, возможно решение проблемы создания конденсатора с высокой температурной стабильностью емкости.

Если центральный электрод 4 согласно схеме части конденсатора переменной емкости фиг.2 выполнен из материала с низким значением ТКЛР по сравнению с материалом смежного электрода 5, то при нагревании конденсатора наряду с продольным увеличением размера емкостных электродов будет происходить увеличение междуэлектродного радиального зазора между электродом 4 и смежным электродом 5. Оно будет тем больше, чем больше разница в величинах ТКЛР материалов этих электродов α₁ и α₂. Изменение емкости ΔС_13-14 между этими электродами с учетом продольного изменения положения их при перекрытии l₀ и изменения радиального расстояния между ними можно определить по формуле

Δ С 13 − 14 = C 0 ( 13 − 14 ) − C T ( 13 − 14 ) = 2 π ε 0 ε ⋅ l 0 ln ( R 2 R 1 ) − 2 π ε 0 ε ⋅ [ l 0 + Δ l п о д . + Δ l н е п о д . ] ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) ,           ( 8 )

где C_0(13-14) - емкость центрального и смежного электродов при начальной температуре;

ΔC_13-14 - изменение (уменьшение) емкости центрального и смежного электродов;

C_T(13-14) - емкость центрального и смежного электродов при перегреве на ΔT;

Δl_под. - изменение длины перекрытия за счет подвижного пакета электродов;

Δl_непод. - изменение длины перекрытия за счет неподвижного пакета электродов;

ΔT - температура перегрева.

Δ l п о д . = l э . п ⋅ α э . п + l р е г ⋅ α р е г + l Ш ⋅ α Ш + l о с н . п ⋅ α о с н . п − l о б ⋅ α о б − Δ l в т ⋅ α в т − Δ l в . п ⋅ α в . п − Δ l в . н ⋅ α в . н − Δ l п о д ⋅ α п о д Δ l н е п о д = Δ l э . н ⋅ α э . н + l о с н . н ⋅ α о с н . н                                                                                                                                                                                                                                                                                                             .   ( 9 )

Для того чтобы компенсировать изменение емкости всего конденсатора при нагреве, необходимо условие равенства Δ С 13 − 14 = Δ C к ' , где Δ C к ' - изменение (увеличение) емкости конденсатора за счет продольного изменения размеров элементов его (без учета изменения емкости центрального и смежного емкостных электродов). Тогда формула (4) примет следующий вид:

Δ С к ' = 2,775 ⋅ 10 − 11 ⋅ Δ l ⋅ ( n − 2 ) ⋅ [ 2 ( R 1 + δ + t ) + ( n − 3 ) ( δ + t ) δ + 1 ] ,           ( 10 )

Из равенства (10) и (8) получим

l 0 = [ Δ C k ' + 2 π ε 0 ε ⋅ [ Δ l п о д . + Δ l н е п о д . ] ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) ] × ln ( R 2 R 1 ) × ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) 2 π ε 0 ε ⋅ [ ln ( R 2 ⋅ ( 1 + α 2 ⋅ Δ T ) R 1 ⋅ ( 1 + α 1 ⋅ Δ T ) ) − ln ( R 2 R 1 ) ] .       ( 1 )

Выражение (1) позволяет рассчитать при выбранном ТКЛР материала центрального электрода величину его длины для компенсации изменения емкости конденсатора при перегреве на ΔТ. Выбор материала центрального электрода следует производить из перечня отечественных материалов, приведенных в [5].

Задавшись значением междуэлектродного радиального зазора между центральным и смежным электродами, равным величине радиального зазора между электродами конденсатора, зная ТКЛР материала емкостных электродов, начиная со смежного, и выбрав материал центрального электрода, можно определить длину перекрытия l₀ центрального и смежного электродов, приравняв изменение емкости Δ С к ' за счет продольного приращения перекрытия изменению емкости ΔС_13-14 за счет увеличения радиального зазора между центральным и смежным электродами при нагреве.

На фиг.1 представлена конструкция вакуумного конденсатора переменной емкости с повышенной температурной стабильностью емкости. Конденсатор содержит вакуумированный корпус, состоящий из изоляционной цилиндрической оболочки (2), соединенной торцевыми поверхностями с внешними выводами, внутри которого размещены пакеты емкостных цилиндрических коаксиальных электродов (1) и (3), один из которых соединен с внешним выводом, а другой смонтирован на штоке (8), который имеет возможность возвратно-поступательного передвижения по направляющей втулке (10) с обеспечением герметизации за счет использования металлического сильфона (6), соединенного с основанием подвижного пакета (1) и внешним выводом.

Центральный емкостной электрод 4 выполнен из инвара с ТКЛР=1,5·10^-6 град^-1, а смежный и остальные электроды - из меди с ТКЛР=17,5·10^-6 град^-1. Для компенсации изменения емкости конденсатора при нагреве за счет увеличения длины перекрытия емкостных электродов длина центрального инварового электрода рассчитывается, исходя из величин радиального расстояния между ним и смежным электродом, ТКЛР материалов этих электродов и температуры перегрева.

При конструировании вакуумного конденсатора с высокой температурной стабильностью, исходя из технологических требований, возможно длину центрального электрода выбрать равной длине остальных емкостных электродов. При этом следует, пользуясь выражением (10), подобрать материал с необходимым значением ТКЛР для обеспечения равенства изменений емкостей конденсатора и центрального и смежного электродов.

При работе конденсатора в радиоэлектронной аппаратуре, когда через него проходит высокочастотный ток и к выводам приложено напряжение, а окружающая его среда имеет повышенную по сравнению с нормальной температуру, элементы конденсатора нагреваются. Нагрев приводит к изменению их размеров, что приводит к увеличению перекрытия емкостных электродов и увеличению емкости. В то же время радиальное расстояние между поверхностями центрального и смежного электродов увеличивается в связи с разностью ТКЛР их материалов, емкость между ними уменьшается на величину, равную величине изменения емкости, вызванной увеличением длины перекрытия, что делает конденсатор, отличающийся повышенной температурной стабильностью.

Из графика фиг.3 следует, что использование предложенного способа эффективно для вакуумных конденсаторов с междуэлектродным промежутком 0,25-1,5 мм, то есть рассчитанных на номинальные напряжения до 25 кВ (ампл) [1].

Емкостные электроды вакуумных конденсаторов изготавливаются в основном из меди. Для конденсаторов, рассчитанных на напряжения выше 15-25 кВ и имеющих радиальные междуэлектродные промежутки выше 1,5 мм, следует изготавливать смежный электрод из материала, который обеспечивает междуэлектродному промежутку повышенную электрическую прочность с центральным электродом, например, из никеля, ТКЛР которого равен 13·10^-6 град^-1, нержавеющей стали и др., имеющих ТКЛР, близкий к меди. Известно [6], что электрическая прочность промежутков в вакууме между электродами из этих материалов составляет 192 кВ/мм и 134 кВ/мм соответственно, тогда как электроды из меди выдерживают только 54 кВ/мм. Использование этих материалов в качестве смежного электрода позволит без снижения электрической прочности всего конденсатора уменьшить зазор между центральным и смежным электродами и эффективно использовать предложенный механизм компенсации увеличения емкости пакета электродов при нагреве.

При выводе формулы сделан ряд допущений. С учетом этого, а также наличия технологических допусков при изготовлении элементов конструкции, зависимости ТКЛР материалов от температуры необходимо проведение экспериментальной отработки конденсатора в части выбора материала центрального электрода, его размеров для получения минимального значения ТКЕ.

Предлагаемая конструкция вакуумного конденсатора превосходит техническое решение, выполненное согласно А.с. №1417689 СССР, H01G 5/015 - прототип, так как обеспечивает простоту изготовления и возможность уменьшения ТКЕ вакуумных конденсаторов как переменной, так и постоянной емкости.

Источники информации

1. Буц В.П. Вакуумные конденсаторы. / В.П.Буц, М.Т.Железнов, М.М.Юринов. - Л.: Энергия, 1971. - 136 с.

2. А.с. 1417689 СССР, МКИ4 H01G 5/015. Устройство для повышения температурной стабильности емкости вакуумного конденсатора переменной емкости. / Н.С.Радаев, В.А.Шокоров, М.М.Юринов (СССР). - №4101228/24-21; заявл. 15.08.86; опубл. 15.04.88. - 3 с: ил.

3. Шокоров В.А. Расчет емкостных блоков электрических конденсаторов с цилиндрическими электродами. / В.А.Шокоров, И.Ф.Чупахин. «Электронная техника», сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. Выпуск 4 (35). 1979. - ст.79-83

4. Иоссель Ю.Я. Расчет электрической емкости. / Ю.Я.Иоссель, Э.С.Кочанов, М.Г.Струнский. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 288 с.

5. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. / Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.

6. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. / И.Н.Сливков. - М., Атомиздат, 1972. - 304 с.

1. Вакуумный конденсатор переменной емкости, содержащий вакуумированный корпус, состоящий из цилиндрической изоляционной оболочки, соединенной торцовыми поверхностями с внешними выводами, внутри которой размещены пакеты неподвижных и подвижных цилиндрических коаксиальных емкостных электродов, внутренние электроды которых представляют центральный и смежный с ним электроды емкостного блока, один из которых соединен с выводом неподвижного пакета, а другой смонтирован на штоке, который имеет возможность возвратно-поступательного передвижения по направляющей втулке с обеспечением герметизации конденсатора за счет использования металлического сильфона, соединенного с основанием подвижного пакета и вторым внешним выводом, отличающийся тем, что центральный емкостный цилиндрический коаксиальный электрод выполнен из материала с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), меньшим по величине, чем ТКЛР смежного емкостного электрода, причем величина перекрытия этих двух электродов при выбранных радиальном расстоянии между ними и ТКЛР материалов их рассчитывается исходя из равенства величин изменения емкости между центральным и смежным электродами и изменения емкости, создаваемой остальными емкостными электродами при нагреве.

2. Вакуумный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что смежный емкостной электрод выполнен из никеля, нержавеющей стали или другого материала, который образует с центральным электродом вакуумный промежуток с повышенной электрической прочностью.