В системах автоматического управления современного промышленного производства, для электрификации транспорта, в производстве гальванопокрытий и для других целей используется постоянный ток. Для получения постоянного тока, кроме машин постоянного тока, аккумуляторов и гальванических элементов, служат преобразователи и выпрямители переменного тока.
Преобразователи.
Рис. 61. Устройство твердых выпрямителей:
а — купроксного (меднозакисного), б — селенового
Простейшим преобразователем является двигатель-генератор, представляющий собой агрегат, состоящий из двух машин: электродвигателя трехфазного тока и генератора постоянного тока. Применяют также одноякорные преобразователи — электрические машины, в которых ротор имеет общую комбинированную обмотку переменного и постоянного тока. Одна сторона обмотки одноякорного преобразователя присоединена к контактным кольцам, на которые через щетки подается трехфазный переменный ток, другая сторона обмотки присоединена к коллектору, с которого через щетки снимается постоянный ток.
Простейшим преобразователем является двигатель-генератор, представляющий собой агрегат, состоящий из двух машин: электродвигателя трехфазного тока и генератора постоянного тока. Применяют также одноякорные преобразователи — электрические машины, в которых ротор имеет общую комбинированную обмотку переменного и постоянного тока. Одна сторона обмотки одноякорного преобразователя присоединена к контактным кольцам, на которые через щетки подается трехфазный переменный ток, другая сторона обмотки присоединена к коллектору, с которого через щетки снимается постоянный ток.
Простейшим преобразователем является двигатель-генератор, представляющий собой агрегат, состоящий из двух машин: электродвигателя трехфазного тока и генератора постоянного тока. Применяют также одноякорные преобразователи — электрические машины, в которых ротор имеет общую комбинированную обмотку переменного и постоянного тока. Одна сторона обмотки одноякорного преобразователя присоединена к контактным кольцам, на которые через щетки подается трехфазный переменный ток, другая сторона обмотки присоединена к коллектору, с которого через щетки снимается постоянный ток.
Выпрямители.
В настоящее время в промышленности широко применяют твердые, ламповые электронные, ртутные и механические выпрямители.
Твердые выпрямители.
Из твердых выпрямителей наибольшее применение имеют купроксные (меднозакисные), селеновые, германиевые и кремниевые. Действие твердых выпрямителей основано на том, что запорный слой, возникающий в месте контакта металла с полупроводником или двух полупроводников, пропускает ток лишь в одном направлении.
Купроксный выпрямитель (рис. 61, а) состоит из набора элементов. На круглой медной шайбе 5 имеется слой закиси меди 4, к которому прижата металлическая пластина 3. Набор таких элементов собирают на изолированный болт 2 и зажимают латунными шайбами 1. Контакт (медь — закись меди) пропускает ток только в одном направлении.
Селеновые выпрямители.
Селен — твердый металл серого цвета, обладающей свойством создавать в контакте с другим металлом- запорный слой, пропускающий ток в одном направлении; он также обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от освещенности, которое используется в фотоэлементах. Устройство одного селенового элемента показано на рис. 61, б. На железную никелированную шайбу 9 нанесен тонкий слой селена 8, к которому прижата шайба 7 из сплава висмута, олова и кадмия. Пластины 6 служат для присоединения селенового выпрямителя к цепи. Под пластину 6 подложена латунная шайба 1. Напряжение на один селеновый выпрямитель составляет 10—18 В.
Рис. 62. Германиевый выпрямитель: а — внешний вид, б — устройство; 1 — керамический патрон, 2 и 8 — штырьки детектора, 3 и 7 — проволочные выводы, 4 — кристаллодержатель, 5 — германиевая пластина, 6 — контактная пружина
Рис. 63. Простейшие схемы выпрямления переменного тока: а — однополупериодного, б — двухполупериодного; 1 — трансформатор, 2 — твердый выпрямитель, 3 — нагрузка
Германиевые и кремниевые выпрямители.
Рис. 64. Схемы включения полупроводниковых выпрямителей:
а — мостовая однофазная, б — трехфазная, в — мостовая трехфазная
Германий — хрупкий металл серовато-белого цвета, близкий по своим свойствам к олову; кремний — главная составная часть земляных пород. Для лучшей проводимости к этим элементам добавляют разные примеси, в их числе индий — редкий химический элемент в виде белого мягкого металла. В этих выпрямителях выпрямление тока происходит в месте соприкосновения контактной пружины с пластинкой из германия (рис. 62) или кремния. Германиевые и кремниевые выпрямители при малых габаритах допускают большую плотность тока и имеют высокий к. п. д., чем выгодно отличаются от купроксных и селеновых.
Простейшие схемы включения в сеть твердых выпрямителей показаны на рис. 63. При однополупериодном выпрямлении (рис. 63, а) нижняя часть синусоидальной кривой тока срезается выпрямителем и получается пульсирующий ток с перерывом в полпериода. При двухполупериодном выпрямлении образуется пульсирующий ток без перерывов (рис. 63, б).
Рис. 65. Принцип работы кенотрона: а — схема кенотрона, б — диаграммы тока и напряжения
Рис. 66. Принцип действия стеклянного двуханодного ртутного выпрямителя
Наиболее распространенные схемы включения твердых выпрямителей показаны на рис. 64.
Ламповые электронные выпрямители — кенотроны. Их широко применяет в радиотехнических аппаратах и в технике высоких напряжений. Одним из видов такого выпрямителя является кенотрон, схема которого показана на рис. 65, а. В стеклянном баллоне 1, имеющем высокий вакуум, находятся нить накала (катод) и пластинка 3 (анод). Батарея 4 дает накал катоду 2, а трансформатор 5 присоединяют к аноду 3 и нагрузке 6. От нагретого катода 2 отрываются отрицательно заряженные электроны и устремляются к аноду только в течение полупериода, когда от трансформатора проходит на анод положительный потенциал. В этот момент и проходит ток в цепи. В течение полупериода, когда анод получает потенциал отрицательного знака, электроны от него отталкиваются и ток в цепи не проходит. Таким образом, от трансформатора 5 через нагрузку 6 ток проходит только в одном направлении.
На рис. 65, б приведены диаграммы тока и напряжения кенотрона.
Ртутные выпрямители. Ртутные выпрямители бывают в стеклянных баллонах или металлических сосудах. Принцип действия стеклянного ртутного выпрямителя показан на рис. 66. Стеклянный баллон 1 с высоким вакуумом заполнен парами ртути при очень незначительном давлении. В нижней части баллона имеется жидкая ртуть 5 (катод), в которую входит впаянный в баллон стержень из молибдена 7.
Рис. 67. Упрощенная схема металлического ртутного выпрямителя:
1 — радиатор анода и анодный вывод, 2 — изолятор анода, 3 — анод, 4 — стабилизирующая сетка, 5 — управляющая сетка, 6 — экран анода, 7 — ртуть (катод), 8 — изолятор, 9 — дежурный анод в экране, костальная колба с водяным охлаждением, 11 — пусковой анод
В стеклянные отростки баллона помещены графитные аноды 2. Дополнительный анод 3 с небольшим количеством ртути служит для зажигания дуги.
Стеклянный баллон наклоняют в правую сторону .так, чтобы ртуть 8 баллона замкнулась с ртутью анода 3, при этом образуется замкнутая цепь переменного тока через половину вторичной обмотки трансформатора 4, нагрузку 5, дроссель 6, катод 7 и анод 3.
При возвращении баллона в первоначальное вертикальное положение происходит разрыв ртути и в этом месте возникает электрическая дуга. На поверхности ртути 8 образуется раскаленное светлое пятно, от которого отрываются электроны, устремляясь то к одному, то к другому аноду 2. Направление потока электронов зависит от того, какой из анодов в данный полупериод имеет положительный потенциал. Так образуется выпрямленный ток, проходящий в одном направлении через нагрузку 5 и дроссель 6. Дроссель 6 включают в цепь выпрямленного тока для сглаживания пульсаций. Это необходимо, чтобы избежать гашения дуги в момент прохождения кривой тока через нулевое значение.
В ртутном выпрямителе вследствие перегрева анодов 2, который может произойти из-за плохого охлаждения или плохого вакуума, возможно явление обратного зажигания. Сущность этого явления заключается в том, что при высокой температуре аноды тоже испускают отрицательные электроны и выпрямленный ток проходит не в одну, а в обе стороны. При этом происходит короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора. Поэтому в цепях ртутных выпрямителей устанавливают быстродействующие автоматы, отключающие выпрямители при появлении обратного зажигания.
Современные ртутные выпрямители на большие мощности выполняют в металлических баках с водяным охлаждением и со сложной схемой управления и защиты. Металлические ртутные выпрямители выполняются многоанодными и одноанодными.
В металлическом ртутном выпрямителе с шестью главными анодами (рис. 67) пусковой анод 11, работающий от соленоида, служит дополнительным анодом; с его помощью осуществляют зажигание. Кроме Того, имеются два «дежурных» анода 9 (один из которых виден на рис. 67), назначение которых поддерживать дугу, когда основной ток незначителен. Для охлаждения стальной колбы 10 выпрямителя применена система циркуляции воды.
Несмотря на специальные меры уплотнения и герметизации, в колбу все же проникает воздух и нарушается ее вакуум. В связи с этим металлические ртутные выпрямители имеют постоянно действующие вакуумные насосы.
Для регулировки выпрямленного тока, а также для быстрого устранения обратного зажигания служат управляющие сетки 5; в момент обратного зажигания на все сетки подается отрицательный полюс напряжения.
Металлические ртутные выпрямители изготовляют на выпрямленный ток до 8000 А при напряжении до 800 В. Имеются также ртутные выпрямители высокого напряжения специальной конструкции.
В настоящее время получили широкое распространение безнасосные запаянные металлические ртутные выпрямители, в которых для сохранения вакуума применены специальная обработка и соединение металла с керамикой и стеклом. Охлаждение такого выпрямителя может быть воздушное или водяное.
В одноанодных выпрямителях ток обратного зажигания меньше, чем в многоанодных. Габариты одноанодных ртутных выпрямителей также значительно меньше многоанодных. Одноанодные выпрямители бывают двух основных типов: с постоянно возбуждающим дежурным анодом и игнитроны, в которых дуга возбуждается и гаснет в течение каждого периода. В течение отрицательного полупериода игнитрон (рис. 68) не работает; это и является основной причиной снижения опасности обратного зажигания. В игнитроне имеется поджигающий электрод (игла) 2, изготовляемый из полупроводникового вещества (например, карборунда или карбида бора). Острие иглы погружено в ртуть.
Для создания разряда необходим короткий импульс тока порядка 50 А и напряжение в несколько сотен вольт. Регулировка выпрямленного напряжения производится изменением величины поджигающего импульса. Необходимая для поджигания энергия не зависит от размеров игнитрона, что и позволяет придать ему наименьшие габариты.
Рис. 68. Устройство игнитрона: 1 — графитный йод, 2 — поджигающий электрод
Механические выпрямители.
Они имеют различные конструктивные устройства, но принцип их действия заключается во вращении токосъемников, скользящих по неподвижным контактам, к которым подводится переменный ток. Токосъемники вращаются синхронно с частотой переменного тока и снимают ток постоянной полярности.
Механические выпрямители (рис. 69) на высокие напряжения (до 150 кВ) и малые токи (до 0,2 А) применяют, например, в электрофильтрах для очистки газов. Крестовина с подвижными контактными сегментами 1, 2, 3 и 4 укреплена на валу 5 синхронного двигателя. Каждая пара сегментов 1—4 и 2—3 имеет электрическое соединение. Напряжение от трансформатора 6 подводится к неподвижным контактным сегментам 7 и отводится во внешнюю сеть к нагрузке Н от неподвижных сегментов 8.
В течение первого полупериода синусоиды переменного тока вращающаяся крестовина находится в положении I, в течение второго полупериода — в положении II. Нетрудно убедиться в том, что в обоих случаях с неподвижных сегментов 8 будет сниматься ток постоянного направления.
