Генерация высокого постоянного напряжения с помощью выпрямительных схем необходима в том случае, если требуется получить токи более 1 —10 мА. Однако в этих схемах должны быть предусмотрены специальные меры для снижения пульсаций постоянного напряжения.
Имеется много вариантов схем выпрямления, однако ограничимся рассмотрением только наиболее важных из них. Большинство схем в принципе являются промежуточными между двумя предельными случаями однополупериодного выпрямителя (см. 9.2.3.1) и схемы умножения (см. 9.2.3.2). В однополупериодном выпрямителе высокое переменное напряжение преобразуется в высокое постоянное напряжение. Для этого необходимы специальные выпрямляющие и сглаживающие устройства.
В каскадных схемах можно получить высокое постоянное напряжение от источника с гораздо меньшим переменным напряжением, а следовательно, при малых затратах на его создание. Однако это относится к случаю, когда стоимость дополнительных диодов и конденсаторов, необходимых для обеспечения заданной мощности, невелика.
Рис. 9.16. Однополупериодный выпрямитель с нагрузкой и фильтром: а — схема: б — изменение во времени напряжений и тока
Рис. 9.15. Однополупериодный выпрямитель без нагрузки: а — схема из трех элементов; б — изменение во времени потенциалов и токов при заземлении точки а; в — то же при заземлении точки b
Обе схемы в принципе подходят для того, чтобы с их помощью пояснить процесс выпрямления, и поэтому далее они будут рассмотрены подробно. Затем остановимся кратко на новейших принципах построения выпрямительных схем, появившихся в последние годы благодаря успехам в области технологии изготовления полупроводников и конденсаторов (см. 9.2.3.4) и нашедших широкое практическое применение (см. 9.2.3.3).
9.2.3.1. Однополупериодное выпрямление с фильтрацией напряжения.
Чтобы преобразовать периодически меняющееся напряжение в постоянное, необходимы три элемента (рис. 9.15,а): источник переменного напряжения u(t), выпрямитель (диод) D, работающий в качестве переключателя напряжения, и конденсатор С, накапливающий заряд, при этом не важно, является ли напряжение синусоидальным или содержит высшие гармоники при постоянном максимальном значении Uм.
Каждый из этих трех элементов схемы принципиально может иметь заземленную точку, и изменение во времени снимаемого напряжения зависит от выбора точек съема. Однако при получении высокого напряжения целесообразно заземлять одну из точек а или b источника переменного напряжения, так как этот источник обычно имеет обмотку трансформатора высокого напряжения со слабой на одном конце изоляцией относительно заземленных сердечника или первичной обмотки (см. 9.1.2.2). Если заземлена точка b, требуется дополнительная изоляция источника переменного напряжения.
Схема без нагрузки. Для понимания любых схем выпрямления важно уяснить, как изменяются напряжения на всех трех элементах во времени, при этом диод D считается идеальным коммутатором.
Если заземлена точка а, то имеем известную в технике низких напряжений и широко применяемую во многих электронных устройствах однополупериодную схему. На рис. 9.15,б показаны изменения во времени потенциалов узловых точек Фа, Фb, и Фс, а также тока через диод iD в случае включения схемы на идеальное синусоидальное напряжение в момент его перехода через нуль. Через диод ток проходит только в период нарастания напряжения в первый полупериод [iD=C(du/dt)]. Переносимый током заряд
не зависит от характера нарастания напряжения u(t); он накапливается и остается в конденсаторе С при уменьшении напряжения, так как диод при ФС>Ф& заперт. На конденсаторе остается постоянное напряжение ί/Μ, если не меняется максимальное значение переменного напряжения во времени и конденсатор не разряжается. Напряжение на диоде Ud(t) = =фс—ф& пульсирует, и в каскадных схемах (см. 9.2.3.2) одно- полупериодный выпрямитель можно рассматривать как источник переменного напряжения.
Аналогично рассмотрим и случай заземления точки Ь.
Результат представлен на рис. 9.15,в, который получается из рис. 9.15,6, если принять потенциал Ф6 = 0. Эта схема, в которой выходным напряжением является UD(t) и которая отличается от схемы на рис. 9.15,а, называется схемой удвоения Вилларда и является существенной частью каскадных схем (см. 9.2.3.3). Сглаживание пульсирующего напряжения невозможно, так как при параллельном включении диода и конденсатора теряются выпрямительные свойства схемы.
В обоих вариантах схемы воздействующее на диод напряжение одинаково, на конденсаторе напряжение равно UM, а обратное напряжение диода — 2UM.
Схема с нагрузкой. При нагрузке однополупериодного выпрямителя (рис. 9.16,в) в выходном напряжении содержатся пульсации (рис. 9.16,б), так как через нагрузку R в течение
периода стекает заряд
При практическом определении параметров устройств высокого напряжения с такой схемой необходимо учитывать падение напряжения как на диоде (см. 9.2.3.4), так и в трансформаторе. Последнее может оказаться сравнительно большим из-за высокого напряжения короткого замыкания [9.72].
9.2.3.2. Каскадная схема Грайнахера.
Схема, предложенная Грайнахером в 1920 г. [9, 22], известна в англоязычной литературе как схема Кокрофта и Валтона, которые гораздо позднее [9, 23] использовали ее в ускорителе протонов. Эта схема и в настоящее время остается важнейшей при получении высокого постоянного напряжения с использованием источника относительно низкого переменного напряжения в очень широких диапазонах напряжений и токов. Практическое использование каскадных схем сильно упростилось с внедрением полупроводниковой техники, так как отпала необходимость в затратах на источники подогрева катодов, находящихся под высоким потенциалом ранее применявшихся кенотронов высокого напряжения.
При отсутствии нагрузки теоретически можно получить сколь угодно высокое постоянное напряжение. Однако тщательный анализ показывает, что «внутреннее сопротивление» схемы, обусловленное процессами перезарядки конденсаторов, сильно снижает выходную мощность, с чем необходимо считаться при выборе параметров схемы.
Естественно, nопт может принимать только целые значения, что необходимо учитывать при анализе этого уравнения.
Применение каскадных выпрямителей на практике требует учета описанных эффектов и проведения соответствующей оптимизации и параметров схемы. Так как во все расчетные формулы входит произведение fC, то прежде всего необходимо установить, не является ли более предпочтительным питание с повышенной частотой, чем увеличением емкости. Теоретические оценки по приведенным формулам возможны лишь с учетом сделанных упрощений. В крупных установках необходимо прежде всего учитывать падения напряжения в трансформаторе и на диодах, а также паразитные емкости между обеими колоннами конденсаторов и относительно земли. Каскадный выпрямитель в этом случае должен рассматриваться как цепочечная схема. Впрочем, мощность выпрямителя может быть существенно увеличена, если предусмотреть вторую или третью колонны промежуточных конденсаторов, к которым подключаются сдвинутые по фазе переменные напряжения. Такой многофазный каскадный генератор способен работать на общую цепь фильтровых конденсаторов. Более подробные сведения по этому вопросу можно найти в [9.24, 9.72].
Рис. 9.20. Каскадный выпрямитель с промежуточным трансформаторным питанием
Динамические характеристики выпрямителя даже при идеальной системе регулирования зависят от динамических внутренних сопротивлений диодов и индуктивности рассеяния, влиянием которых мы пренебрегали. С помощью ЭВМ можно рассчитать и эти характеристики [9.25].
Другие виды каскадных схем.
В случае высокого внутреннего сопротивления каскадного выпрямителя при большом числе ступеней необходимо дальнейшее совершенствование схем каскадных выпрямителей. В принципе это удается путем подвода переменного питающего напряжения к участкам схемы, находящимся под высоким потенциалом, при этом фильтровые конденсаторы выпрямителя как бы включаются по каскадной схеме. Однако возникают проблемы, связанные с тем, что трансформаторы должны работать под некоторым высоким постоянным напряжением, что затрудняет подвод энергии к трансформаторам. Принципиально можно подводить энергию с помощью индивидуальных изолирующих трансформаторов или генераторов с приводами в ви де изоляционных валов, однако затраты при таком решении очень велики, и поэтому этот способ редко реализуется на практике.
Схемы, приведенные ниже, позволяют путем модульного построения каскадного генератора получать испытательные постоянные напряжения, в частности, при испытаниях кабелей и другого оборудования высокого напряжения на месте его монтажа, так как с их помощью удается облегчить сложные проблемы транспортировки испытательного оборудования.
Каскадные схемы с трансформаторным подпором. Как видно из рис. 9.20, модуль такой схемы состоит из трансформатора с тремя обмотками, к обмотке 2 высокого напряжения которого подключены два однополупериодных выпрямителя с разными полярностями.
Рис. 9.21. Принципиальная схема дельтатрона (без системы регулирования):
1 — генератор с частотой 50—100 кГц; 2 —каскадный выпрямитель; 3 — согласующий элемент
Оба фильтровых конденсатора выпрямителей соединены последовательно, и каждый модуль может создавать напряжения 2Uhk. Промежуточный потенциал обмотки высокого напряжения равен Uhm. Если сердечник 4 трансформатора имеет этот же потенциал, то все обмотки низкого напряжения (первичная 1 и третичная 3) должны быть изолированы на постоянное напряжение UHм. Вторичную обмотку высокого напряжения, как это следует из 9.1.2.2, не обязательно целиком изолировать от сердечника. Находящаяся под потенциалом 2UHм третичная обмотка позволяет обеспечивать питание следующей последовательно включенной ступени. Таким образом, можно включить последовательно по крайней мере несколько ступеней. Каскадное включение трансформаторов ограничивает мощность устройства, так как реактивное сопротивление КЗ, представляющее собой внутреннее сопротивление устройства подпора напряжения, резко растет с увеличением числа ступеней, о чем подробно говорилось в 9.1.2.2. Можно было бы повысить мощность, использовав высокую частоту, однако при этом реактивное сопротивление КЗ также возрастет. Поэтому обычно в таких схемах используют промышленную частоту 50 или 60 Гц.
Дельтатроны (энгетроны). Эти схемы, описанные пока лишь в патентах и отчетах по научно-исследовательским работам [9.26, 9.27], построены по принципу модернизированного трансформаторного подпора (рис. 9.21). Они состоят из нескольких трансформаторов без сердечников, включенных по каскадной схеме, которые питаются переменным напряжением от генератора высокой частоты. Так как при последовательном включении обмоток трансформаторов ступеней нельзя получить эффективную передачу мощности вследствие большого результирующего последовательного сопротивления и затрат на намагничивание, то эти реактивные сопротивления должны быть скомпенсированы. Компенсация осуществляется включением конденсаторов Ср параллельно вторичным и первичным обмоткам и конденсаторов Cs последовательно с трансформаторами. Если частота колебаний источника питания выбрана такой, что частота собственных колебаний контура, образованного Ср и главной индуктивностью, чуть ниже ее (этот контур представляет собой емкостную нагрузку), то по частично скомпенсированной с помощью Cs продольной индуктивности рассеяния создается путь для передачи мощности через обмотки и нагрузку. Таким образом, каскад трансформаторов ведет себя как полосовой фильтр, и при правильном выборе всех элементов на каждой ступени возникает напряжение (хотя и небольшое), которое от ступени к ступени имеет некоторый фазовый сдвиг.
Это переменное напряжение снимается с каждой ступени и затем выпрямляется многоступенчатым каскадным выпрямителем. Так как в трансформаторах без сердечника просто обеспечить изоляцию между обмотками на напряжение в несколько десятков киловольт при сохранении высокой связи между ними, то все элементы, входящие в схему на рис. 9.21, монтируются в виде модуля, при этом, по крайней мере, трансформаторные модули могут быть залиты эпоксидной смолой, чтобы сохранить одинаковыми размеры сопрягаемых сторон модулей и тем самым поддержать постоянной электромагнитную связь обмоток. Так как обмотки каждой ступени находятся под разным потенциалом и гальванически связаны по цепям постоянного напряжения, то при их последовательном соединении и получается высокое постоянное напряжение.
Практически реализованные установки на напряжение 1 МВ и ток 5 мА имеют рабочее напряжение модулей 40 кВ. Элегазовая изоляция модулей гарантирует их компактность и простоту выполнения. Повышение рабочей частоты каскадных выпрямителей до 100 кГц снижает затраты на сглаживание пульсаций. Накопленная в устройстве энергия оказывается незначительной, что существенно в некоторых исследованиях, например, при слабом повреждении изоляции при пробоях. Такая схема предпочтительна и в случае точного и быстрого регулирования напряжения, так как применяемые для этого ламповые генераторы не должны изменять заряд в энергоемких конденсаторах, работающих в каскадных схемах при относительно низких частотах.
Постоянная времени регулирования может иметь значения порядка нескольких миллисекунд, что типично при степени стабилизации напряжения
равной 10-4. Несмотря на малую энергию конденсаторов, пульсации незначительны (10-4—10-3), поскольку упомянутый ранее фазовый сдвиг напряжения ступеней приводит к их снижению. Кроме того, особыми преимуществами являются компактность и небольшая масса таких источников напряжения. Так, устройство на напряжение 800 кВ и ток 6 мА имеет высоту около 2 м и весит 600 кг (изготовитель — фирма DELTA — RAY, Woburn/Mass, США).
Выпрямительные элементы и конденсаторы.
Из рассмотрения всех схем выпрямителей, предназначенных для испытаний оборудования высокого напряжения, следует, что номинальные токи таких устройств существенно меньше 1 А,
однако обратное напряжение диодов может достигать очень больших значений.
Пока не появились полупроводниковые выпрямители, единственной возможностью получения постоянного высокого напряжения являлось использование механических синхронных коммутаторов и вакуумных кенотронов. В старых установках и в настоящее время можно встретить эти выпрямители. Необходимый синхронный привод в механическом коммутаторе или система накала катодов кенотронов, находящаяся частично под высоким потенциалом, создавали дополнительные технические трудности.
В настоящее время используются исключительно полупроводниковые выпрямители в установках самых высоких напряжений в виде цепочки диодов или выпрямительных столбов. При выборе выпрямителя следует учитывать, какие полупроводниковый материал и тип диода лучше всего удовлетворяют условиям работы. Так как обратное напряжение отдельного элемента в большинстве случаев недостаточно для получения действительно высоких напряжений (селеновые шайбы — менее 50 В, кремниевые диоды — менее 2500 В), то каждый выпрямитель должен содержать большое число последовательно соединенных элементов. Никаких проблем не возникает, если гарантировано равномерное распределение обратного напряжения по элементам. Кремниевые диоды имеют небольшие, но сильно различающиеся обратные токи и емкости запорного слоя. Кроме того, в крупных устройствах паразитные емкости изменяют распределение напряжения. Большие емкости запорного слоя (у плоских диодов) и способность выдерживать кратковременные перегрузки по обратному напряжению являются полезными факторами. По этой причине селеновые шайбы нашли широкое применение, несмотря на то что они имеют большие размеры и обладают низким коэффициентом полезного действия. Так как обратное напряжение селеновых шайб невелико, обратные токи относительно большие, а ток в прямом направлении ограничен, то вместо них в настоящее время широко применяются кремниевые диоды. Многие изготовители поставляют выпрямительные элементы с напряжением по крайней мере несколько киловольт, которые могут быть использованы в выпрямительных устройствах высокого напряжения.
Наиболее крупное и широко известное выпрямительное устройство предназначено для однополупериодного выпрямления переменного напряжения 1,2 МВ и получения постоянного напряжения до 1,5 МВ при токе до 60 А. Такой выпрямитель с обратным напряжением 3,4 МВ выполнен из селеновых элементов, имеет длину 12 м и содержит цепочки конденсаторов для выравнивания распределения напряжения вдоль него, из-за чего конструкция оказывается очень дорогой [9.28].
К конденсаторам, применяемым в выпрямительных установках, не предъявляется высоких требований, так как работают они при постоянном напряжении и нет необходимости стабилизировать их емкости. Наряду с конденсаторами с бумажно- масляной изоляцией при напряжениях порядка нескольких киловольт могут использоваться конденсаторы с керамической изоляцией из титаната бария.
