ГЛАВА ТРЕТЬЯ
СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ, КАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
3-1. ВЫПРЯМИТЕЛИ И НЕКОТОРЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Для получения высокого постоянного напряжения путем выпрямления переменного напряжения предложены различные электрические схемы. В литературе описаны теория выпрямления переменного тока, применяемые выпрямители и их классификация. В настоящем параграфе приводятся некоторые материалы по выпрямителям, имеющие специальный интерес для высоких и сверхвысоких напряжений. Преобразование переменного тока в постоянный происходит с помощью выпрямительных устройств, которые пропускают ток только в одном направлении. При изменении полярности на электродах ток через такое устройство или совсем не проходит, или протекает очень небольшой.
Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется величиной отношения мощности, отдаваемой потребителю, к мощности, получаемой от источника тока. Мгновенная мощность, отдаваемая нагрузке в проводящий полупериод, составляет:
где ud — падение напряжения на нагрузке;
ia—ток через выпрямитель в проводящем направлении.
Мощность, получаемая от источника тока, равна:
где иа — падение напряжения в выпрямителе в проводящую часть периода.
Таким образом, мгновенное значение к.п.д.
(3-1)
Если падение напряжения в выпрямителе мало изменяется в проводящую часть периода, то по формуле (3-1) можно вычислить и среднее значение к.п.д. за период, но вместо мгновенных значений напряжений следует подставить их средние значения.
Свойства выпрямителя в непроводящую часть периода характеризуются величиной пробивного напряжения и величиной обратного тока.
Можно указать следующие типы выпрямителей высокого напряжения:
а) механические;
б) электронные (кенотроны);
в) газонаполненные с накаленным катодом (газотроны);
г) ртутные;
д) дуговые;
е) твердые;
ж) некоторые особые типы выпрямителей.
В механических выпрямителях пропускание тока в одном направлении обусловливается тем, что в соответствующий момент на промежуток времени, как это требуется по рабочему режиму, подвижной контакт замыкается с неподвижным. Механический выпрямитель представляет собой устройство, включающее приемник постоянного тока на промежуток времени, пока напряжение питающего переменного тока имеет определенную полярность, и отключающее его, когда изменяется полярность питающего напряжения.
В механическом выпрямителе замыкание тока между подвижным и неподвижным контактами происходит через искру. Длина воздушного промежутка между электродами и общие размеры выпрямителя определяются величиной рабочего напряжения.
Механические выпрямители выполняются или с вращающимся стержнем, или с вращающейся шайбой. Вращение стержня или шайбы производится синхронным двигателем, питаемым током той же частоты, какую имеет выпрямляемое напряжение.
В настоящее время разработаны конструкции механических выпрямителей, позволяющие получать выпрямленное напряжение до 3000 кВ. Эти устройства представляют собой несколько механических выпрямителей, соединенных последовательно. Экспериментальным путем подобраны необходимые размеры элементов выпрямителя и их взаимное расположение, обеспечивающее равномерное распределение восстанавливающегося напряжения и высокое запирающее напряжение.
С помощью механического выпрямителя достигали значения выпрямленного тока до 300 мА при напряжении 700 кВ.
Увеличение выпрямленного тока ограничивается возникновением «кругового огня» между перемещающимися контактами.
Механические выпрямители позволяют получать выпрямленное пульсирующее напряжение. Сглаживание пульсации достигается путем включения на зажимы приемника емкости или выпрямлением многофазного тока.
Регулирование величины напряжения на зажимах приемника осуществляется изменением величины питающего переменного напряжения. Величину постоянного напряжения можно также регулировать путем изменения момента контакта подвижных электродов с неподвижными так, чтобы замыкание их происходило при заданном напряжении. В этом случае регулирование ведется поворотом статора двигателя при постоянной величине питающего выпрямитель переменного напряжения.
При работе механические выпрямители создают значительный шум и сильно ионизируют воздух. Существенные неполадки в работе выпрямителя могут возникать вследствие наличия вращающихся частей.
В электронных и ионных выпрямителях (электрические выпрямители) ток между двумя электродами, переносимый электронами или ионами, проходит всегда только в одном направлении.
Для выпрямления напряжения до 400 кВ употребляются кенотроны (рис. 3-1). Действие этого прибора основано на использовании электронной эмиссии катода. Ток через прибор проходит в том случае, когда накаленный катод будет отрицательным. Если полярность электродов прибора изменяется, то ток через кенотрон не проходит, так как высокий вакуум в приборе является хорошим изолятором. Плотность тока при полном использовании всех электронов, даваемых накаленным катодом, при достаточном анодном напряжении (ток насыщения) составит:
(32)
где е — заряд электрона;
φ — потенциал выхода электронов из катода;
Т — температура, °К;
k — постоянная Больцмана;
а—постоянная термоэлектронной эмиссии, зависящая от материала катода.
Максимальная температура катода ограничивается испарением вещества катода, которое при повышении температуры возрастает в еще более сильной мере, чем электронная эмиссия. Катод из вольфрамовой накаленной нити толщиной от 200 до 400 мк может давать на каждый ватт мощности накала ток эмиссии до 8 мА при достаточной продолжительности жизни катода. Температура нити при этом будет достигать 2 600° К. Для получения от вольфрамового катода тока эмиссии 1 а, необходимо подводить мощность накала почти 120 Вт. Практически необходимая мощность, затрачиваемая на накал катода, получается еще больше вследствие потерь тепла через охлаждаемые концы нити.
Оксидные, торированные и другие активированные вольфрамовые или даже никелевые катоды обнаруживают значительно большую эмиссию, поэтому в последнее время они стали применяться в выпрямителях большого тока, например газотронах. При температуре 2 000° К торированный вольфрамовый катод дает 50 мА на каждый ватт подводимой мощности накала, следовательно, ток 1 а будет получен при мощности накала 20 Вт. Указанная мощность накала также необходима и в том случае, когда ток через выпрямитель проходит не непрерывно, а перемежающимися толчками величиной до 1 а.
Даже при достаточном накале катода ток эмиссии ограничивается тем, что вылетающие из нити электроны образуют около нити облачко отрицательного объемного заряда, уменьшающего поле около нити. Ток с накаленной нити катода и напряжение на кенотроне снизаны формулой
(3-3) где U — напряжение между катодом и анодом;
А—постоянная, зависящая от конструкции прибора.
Для случая плоского катода, находящегося на расстоянии х от плоского анода с площадью поверхности S, полный ток в цепи анода ранен:
(3-4)
Для катода, расположенного по оси цилиндрического анода, с радиусом ra и боковой поверхностью Sa, получим:
(3-5) 
а
Формула (3 5) верна при
·10, где rк — радиус катода.
С увеличением разности потенциалов между катодом и анодом ток вначале растет, затем вследствие ограниченной эмиссии катода, когда все электроны, выделяемые катодом, примут участие в переносе тока, наступает насыщение. Ток ограничивается также и объемным зарядом, образующимся около нити.
Согласно (3-3) для поддержания данного значения тока всегда необходима определенная величина напряжения между катодом и анодом. Электроны, проходя путь между катодом и анодом под действием разности потенциалов между ними, приобретают кинетическую энергию. В результате бомбардировки анода ускоренными электронами будет иметь место некоторое повышение его температуры. Анод всегда необходимо изготовлять таким образом, чтобы обеспечить отвод тепла. Кенотроны строятся так, чтобы в продолжение полупериода запирания тока они выдерживали бы напряжение, равное удвоенному рабочему. При работе кенотрона в схемах высокого напряжения отрицательные заряды накапливаются на внутренней поверхности баллона и увеличивают сопротивление прибора. Поверхностный электронный заряд влияет на прохождение тока так же, как отрицательно заряженная сетка в трехэлектродной лампе.
Вследствие действия поверхностного заряда внутреннее падение напряжения в кенотроне может превышать нормальное в 3—15 раз. Бомбардировка анода электронами и влияние поверхностного заряда приводят к значительному разогреванию анода и возникновению рентгеновских лучей. Вследствие этого выпрямление больших токов с помощью кенотронов затруднительно.
При конструировании кенотрона на высокое напряжение и большой ток необходимо преодолеть следующие затруднения:
- недостаточную эмиссию катода;
- недостаточную механическую прочность катода, испытывающего механическую нагрузку в электрическом поле;
- необходимость достигнуть высокого значения величины напряжения обратного зажигания;
- уменьшить энергию, рассеиваемую на аноде;
- не допустить возникновения рентгеновского излучения, получающегося при большом падении напряжения на кенотроне.
Катод испытывает действие механических сил, величина которых пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Раскаленная металлическая нить имеет невысокую механическую прочность и может разрушиться пондеромоторными силами в электрическом поле, особенно если последнее действует кратковременно, ударно. Механическая прочность нити катода выше, если усилия будут действовать вдоль нити. Это достигается как путем выбора формы самой нити, так и путем подбора конфигурации электрического поля. Механические усилия, испытываемые нитью катода в присутствии электрического поля, могут быть ослаблены экранированием нити.
Для обеспечения высокого значения напряжения обратного зажигания требуется принимать значительное расстояние между электродами, которое растет с напряжением по экспоненциальному закону.
Мощность, рассеиваемая на аноде, возрастает экспоненциально с величиной выпрямленного тока (пропорционально I)· С увеличением тока, проходящего через выпрямитель, проблема отвода мощности, рассеиваемой на аноде, становится одной из важнейших. Например, в кенотроне на рабочее напряжение 150 кВ и ток 0,75 а падение напряжения составляет 3 кВ, а рассеиваемая на аноде мощность 2 250 Вт.
Строятся кенотроны с торированной вольфрамовой нитью накала. Длительный ток через такой кенотрон составляет 3,6 а, кратковременный—до 10 а, рабочее напряжение 100 кВ, мощность на выходе 360 кВт. Внутреннее падение напряжения для этих кенотронов при токе 3,6 а составляет 1,2 кВ, максимальная мощность, рассеиваемая на аноде, 4 200 Вт, а средняя 1 400 Вт. Мощность, необходимая для накала нити катода при токе через кенотрон 10 а, составляет 250 Вт.
Вследствие ограниченного рабочего напряжения кенотронов иногда их включают последовательно. Последовательное включение кенотронов может привести к затруднениям, связанным с неравномерным распределением напряжения между кенотронами в оба полупериода. Выравнивание падения напряжения можно осуществить путем изменения тока эмиссии или путем принудительного выравнивания, присоединяя электроды кенотрона к соответствующим контактам делителя напряжения.
Для получения большого тока часто кенотроны включают на параллельную работу. Два кенотрона КР-220, включенные параллельно, могут пропускать общий ток 60—70 мА.
С целью дальнейшего уменьшения падения напряжения на самом выпрямителе при больших токах можно использовать сетку, помещаемую между анодом и катодом; на сетке поддерживается положительный потенциал относительно катода. Сетка может быть использована также и для прерывания тока при наличии напряжения, для чего на нее нужно подавать отрицательный потенциал. Этим свойством вакуумных выпрямительных трубок с сеткой, дающим возможность управлять током через прибор, не обладает никакой другой тип выпрямителей.
На рис. 3-2 изображены: а — кенотрон с цилиндрическим анодом, образующим собой часть вакуумной оболочки; б—кенотрон с цилиндрическим анодом; в — кенотрон для выпрямления больших токов 1—2 а и г — кенотрон для выпрямления очень высокого напряжения (до 450— 500 кВ), электроды которого выполнены с большим радиусом закругления.
В эвакуированном баллоне, наполненном парами ртути, упругость которых соответствует комнатной температуре, помещается два электрода. В том случае, когда накаливаемый электрод имеет отрицательную полярность, в промежутке может начаться дуговой разряд. Этот разряд может поддерживаться при напряжении ниже напряжения зажигания и перейти в стационарный дуговой.
Рис. 3-2. Кенотроны на высокое напряжение. а - кенотрон с цилиндрическим анодом, образующим собой часть вакуумной оболочки; б—кенотроне цилиндрическим анолом; в -кенотрон для выпрямления больших токов (до 1,5 —2 а); г —кенотрон для выпрямления очень высокого напряжения.
Если накаливаемый электрод имеет положительную полярность, то такого понижения разрядного напряжения не получается. Таким образом, прибор в области некоторых значений напряжений пропускает ток при отрицательной полярности накаливаемого катода и прерывает его при положительной полярности этого электрода.
По поводу работы ионного выпрямителя заметим еще следующее: электроны, летящие из накаливаемого катода, возбуждают в парах ртути много положительных ионов, число которых вполне достаточно для компенсации отрицательного пространственного и поверхностного зарядов. Поэтому в этих выпрямителях ограничение тока за счет действия объемных зарядов, как это наблюдается в вакуумных выпрямителях, исключено. В газонаполненных выпрямителях положительные ионы играют роль положительно заряженной сетки, однако их действие значительно эффективнее.
В результате компенсации отрицательного пространственного заряда положительными ионами падение напряжения в газотроне в проводящий полупериод сильно уменьшается. Оно составляет 15—25 в. и в известных пределах не зависит от величины тока через газотрон.
В ионных выпрямителях периодическое замыкание и размыкание цепи тока осуществляется электрической дугой, горящей в наполненном газом или парами пространстве между неподвижными электродами.
Один из электродов — катод испускает электроны, которые под действием приложенного напряжения направляются к другому электроду— аноду. На пути между катодом и анодом электроны производят ударную ионизацию молекул газа или пара, заполняющего объем. Так как анод выпрямителя не испускает электронов, то дуга между электродами поддерживается только в ту часть периода, когда электронный ток движется от катода к аноду.
В настоящее время катоды газотронов большей частью строятся оксидными. Недостатком газотронов является относительно низкая электрическая прочность газового промежутка при рабочем давлении в баллоне порядка 10-2 мм рт. ст. Вследствие этого газотроны обычно строятся на невысокое рабочее напряжение до 15—20 кВ. Заводом «Светлана» построены многоступенчатые газотроны, в которых полые аноды для последующих более высоких ступеней играют роль катода.
На рис. 3-3 представлена схема устройства газотрона с обратным напряжением 250 кВ. Между катодом 1 и анодом 2 находятся восемь промежуточных электродов: таким
образом, разрядное пространство разбивается на девять промежутков. Длина каждого разрядного промежутка составляет 5 см.
Рис. 3-3. Схема устройства газотрона с обратным напряжением 250 кВ.
Баллон выпрямителя окружен рядом концентрических колец, образующих цепочку конденсаторов 3. С помощью получившегося емкостного делителя напряжение по выпрямителю распределяется линейно. Емкостный делитель облегчает зажигание разряда в газотроне в рабочий полупериод. После прекращения тока через газотрон заряды оседают на промежуточных электродах. Это ускоряет процесс деионизации. Вследствие этого напряжение обратного зажигания в таком приборе значительно повышается и достигает 25—30 кВ на каждый промежуток между двумя соседними электродами.
На рис. 3-4 дано распределение падения напряжения между электродами газотрона в пропускающий (кривая 1, масштаб слева) и запирающий полупериод (кривая 2, масштаб справа).
Напряжение обратного зажигания газотрона зависит от температуры. Для приведенного выше девятиступенчатого газотрона при температурах 30 и 45° С это напряжение соответственно составляет 300 и 250 кВ. При повышении температуры наступает обратное зажигание. При температуре ниже 15° С давление паров ртути становится недопустимо низким и падение напряжения в газотроне в проводящую часть периода сильно увеличивается, что приводит к быстрому разрушению катода. По этой же причине газотрон не должен работать с недокаленным катодом. Допустимые колебания напряжения накала газотрона ограничивают пределами +10% и —5% номинальной величины. Область температур, в которой газотрон, наполненный парами ртути, может работать, лежит в интервале 15—40 С.
Рис. 3-4. Распределение падения напряжения между электродами газотрона.
Существенную роль играют металлические цилиндры, надеваемые на баллон выпрямителя и образующие систему конденсаторов. Благодаря этому выпрямитель электрически экранируется в установке.
Атмосферные влияния, например осаждающуюся на стеклянных стенках влагу, можно исключить с помощью лаковых покрытий стекла или погружения выпрямителя в пластическую изолирующую среду или масло. Общая длина газотрона на 250 кВ, предназначенного для работы в воздухе, составляет 70 см.
Выпрямители этого типа в лабораториях успешно применялись на напряжения до 400 кВ. Наряду с многоступенчатыми выпрямителями для высоких напряжений строятся газотроны, рассчитанные на большие токи и более низкое напряжение.
Фактически имеется возможность при увеличении размеров и улучшении охлаждения увеличить ток и рабочее напряжение газотрона.
С помощью сетки, введенной в выпрямитель, можно управлять моментом зажигания дуги. Когда сетка положительна по отношению к катоду, она не препятствует прохождению электронов от катода и зажиганию дуги. Если на сетку подано отрицательное напряжение раньше, чем в выпрямителе загорелась дуга, сетка не пропускает электроны к аноду, и дуга не загорится. Управляемые газонаполненные выпрямители с оксидным катодом — тиратроны строятся для напряжений в несколько десятков киловольт. Однако с помощью этого типа выпрямителей нельзя путем подачи отрицательного потенциала на сетку прерывать ток в цепи высокого напряжения, как это делается в вакуумных выпрямителях. Это происходит потому, что вокруг отрицательно заряженной сетки образуется положительный пространственный заряд такой большой плотности, что он полностью ее экранирует. Таким образом, управляющие сетки в ионных выпрямителях в отличие от электронных могут только регулировать момент зажигания дуги или предотвратить зажигание, но не в состоянии погасить дугу или изменить величину тока, текущего через дугу.
Для возможности применения ионного выпрямителя на высоком напряжении необходимо, чтобы промежуток между катодом и анодом не пробивался в той части периода, в которой дуга не горит, т. е. имел бы высокое значение величины напряжения обратного зажигания. Известно, что электрическую прочность газового промежутка можно повысить, значительно понизив давление до весьма малой величины (порядка 10-3 мм рт. ст.) или, наоборот, увеличив давление до нескольких десятков атмосфер. Первый путь применяется в ртутных выпрямителях. С помощью ртутного выпрямителя можно выпрямлять весьма большой ток. В качестве катода здесь служит жидкий металл — ртуть, автоэлектронная эмиссия которого поддерживает электрическую дугу в колбе. Во время работы выпрямителя на поверхности ртутного катода образуется светлое катодное пятно, которое является областью испарения ртути и источником электронов, поддерживающих дугу. Ртуть в области катодного пятна по современным исследованиям имеет температуру около 200° С. Аноды изготовляются из материала с малой электронной эмиссией (графит, сталь). Различают многоанодные и одноанодные ртутные выпрямители; многоанодные выпрямители имеют общий катод. В многоанодных выпрямителях дуга горит попеременно между главными анодами и катодами и катодное пятно поддерживается непрерывно. В одноанодных выпрямителях дуга между главным анодом и катодом горит только часть периода. Для непрерывного поддержания катодного пятна вводятся дополнительные вспомогательные аноды. Дуга между катодом и вспомогательным анодом поддерживается за счет вспомогательного источника энергии. По направлению к главному аноду электрический ток течет в продолжение того полупериода переменного напряжения, в котором ртутный электрод является отрицательным. В ртутных выпрямителях возможно обратное зажигание, например, если вследствие большой плотности тока на аноде образуется раскаленное пятно, которое будет испускать электроны.
Выпрямители с ртутным катодом выполняются двух видов: экситроны—выпрямители с непрерывно горящей дугой возбуждения и игнитроны — выпрямители, у которых катодное пятно исчезает при каждом погасании главной дуги.
Для увеличения электрической прочности конструкции пространство между анодом и катодом разделяется на отдельные промежутки путем установки последовательного ряда электродов. Анод тщательно экранируется от катода, чтобы на него не попадали капли ртути. При рациональном выборе схемы выпрямления с помощью таких выпрямителей можно собрать выпрямительный агрегат на 100—400 кВ.
Рис. 3-5. Одноанодный ртутный выпрямитель.
В настоящее время на большие токи и напряжения строятся в основном одноанодные выпрямители, как более простые и экономически целесообразные. На рис. 3-5 изображен одноанодный ртутный выпрямитель на высокое рабочее напряжение с постоянно горящей дугой возбуждения. Катод 15 закрыт экранами 9 и 10 с отверстиями, через которые выходит дуга главного разряда. Включение производится путем вытягивания из катода иглы зажигания 11. В последующем разряд поддерживается вспомогательными анодами возбуждения 12, 13 и 14. Дополнительный анод 8 вытягивает главную дугу из- под экранов. Сетки 7 и 6 обеспечивают управление моментом зажигания дуги. Промежуточные электроды 5, 4, 3 и 2 изолируют анод 1 от катода, предохраняют его от покрытия ртутью и дают хорошее распределение напряжения; к. п. д. выпрямителя составляет 99,5%.
В первые годы после Отечественной войны для опытной электропередачи постоянного тока Каширская ГРЭС — Москва напряжением 200 кВ были применены ртутные выпрямители на максимальный ток 150 а и номинальное обратное напряжение 120 кВ. Выпрямитель — одноанодный разборный с металлическим анодом и ртутным катодом. Корпус выпрямителя охлаждается маслом, а анод — при помощи воздушного охладителя. Между анодом и катодом помещаются две сетки —
управляющая и экранная. Анод окружен четырьмя потенциальными цилиндрами и имеет промежуточные электроды для равномерного распределения электрического поля. В выпрямителе поддерживается глубокий вакуум порядка 10-5 мм.рт.ст. с помощью специальных насосов, к.п.д. порядка 99,9%, что определяется незначительным падением напряжения в дуге (30—35 в).
Рис. 3-6. Общий вид ртутного выпрямителя на 130 кВ, 900 а
Для возможности преобразования напряжения 200 кВ выпрямители включены в шестифазную мостовую схему по три в каждом плече. Длительная эксплуатация в течение ряда лет опытной электропередачи постоянного тока доказала надежность работы данной схемы.
На рис. 3-6 показан одноанодный выпрямитель, созданный в ВЭИ для линии электропередачи постоянного тока Сталинградская ГЭС — Донбасс. Основными частями выпрямителя являются: анод, охлаждаемый с помощью специального охладителя; анодный изолятор с вспомогательными вводами; камера с охлаждающими ребрами; корпус с охлаждающей рубашкой, катод с устройством для охлаждения. Тепло, выделяемое в выпрямителе, отводится охлаждающей жидкостью и охлаждающими ребрами камеры и охладителя. Охлаждение катода— жидкостное, но достаточно и естественного, воздушного охлаждения. Выпрямитель успешно прошел испытания и принят для установки по восьмимостовой схеме. Напряжение каждого моста 100 кВ, в плечо моста по этой схеме включается последовательно по два вентиля. Вентиль способен работать один в плече, если будут разработаны схемы, ограничивающие токи и напряжения в аварийных режимах.
Укажем также на разновидность ртутного выпрямителя— игнитрон. Игнитрон является одноанодным прибором. В этом выпрямителе катодное пятно погасает и каждый период 1 раз образуется заново. Для этого в каждый проводящий полупериод на опущенный в ртуть стержень (зажигатель) из полупроводящего материала подается импульс напряжения. Сдвигая по фазе зажигающие импульсы напряжения, можно изменять время прохождения тока через игнитрон и, таким образом, изменять среднее значение анодного тока. Падение напряжения в игнитроне составляет от 15 до 20 В. Игнитроны строятся на токи в сотни ампер при напряжениях до 10—20 кВ.
Вторым типом мощного выпрямителя переменного тока на высоком напряжении является дуговой выпрямитель, работающий при высоком давлении газа. Такой выпрямитель может быть рассчитан на напряжение 300—400 кВ. Номинальный ток при неподвижных электродах равен 200 а. В ртутных выпрямителях с жидким ртутным катодом электрическая дуга горит в атмосфере ртутных паров при малом давлении. В дуговых выпрямителях дуга горит в атмосфере газа при высоком давлении, которое необходимо для повышения электрической прочности дугового промежутка.
Такой выпрямитель состоит из двух полых металлических электродов, промежуток между которыми обдувается сильной струей газа при давлении в несколько атмосфер. Дуга зажигается 1 раз в период приложенного переменного напряжения. Зажигание дуги производится путем подачи на электроды высокочастотного напряжения большой амплитуды или другого вспомогательного устройства. Дуга горит в продолжение всей проводящей части периода. Деионизация и восстановление электрической прочности промежутка при интенсивном обдувании электродов наступают быстро. В нерабочей части периода ток через выпрямитель не проходит. В следующий полупериод опять производится зажигание дуги путем подачи синхронного импульса напряжения и цикл повторяется. Из рассмотрения рабочего цикла выпрямителя следует, что выпрямляющее действие такого промежутка основано не на различии в физических свойствах электродов, как, например, в ртутных выпрямителях или кенотронах, а на выборе момента зажигания дуги. Изменяя момент зажигания дуги, можно пропускать ток через выпрямитель в том и другом направлении.
Для улучшения распределения напряжения в нерабочую часть периода промежуток между электродами разделяют на несколько частей, вводя промежуточные электроды.
На рис. 3-7 изображен дуговой выпрямитель на напряжение 160—200 кВ и ток 200 а, имеющий четыре промежутка. Он снабжен двумя рядами зажигающих электродов 3, отделенных от главных электродов 1 экранами 2. Обе вспомогательные дуги зажигаются одновременно, каждая из них перекрывает по два промежутка. Вспомогательные дуги соединяются в центре выхлопной камеры 9. Главная дуга проходит по оси выпрямителя через центральные отверстия всех электродов и выхлопной камеры. Зажигающие электроды и выхлопная камера присоединены к емкостному делителю напряжения, что обеспечивает распределение обратного напряжения па все четыре промежутка.
Рис. 3-7. Дуговой выпрямитель с четырьмя промежутками. 1— главные электроды; 2— экранирующие электроды; 3 —зажигающие электроды; 4 — изолирующие цилиндры; 5 —опорный изолятор; 6 — подвод центрального дутья; 7 —подвод бокового дутья; 8 — выхлопные трубы; 9 — выхлопная камера; 10 — сито для очистки воздуха; 11— трубка для охлаждения воды; 12—кольцевая камера; 13 — изолирующее кольцо.
Недостатком дуговых выпрямителей является обгорание наконечников главных электродов, необходимость их периодической смены. Падение напряжения в дуговом выпрямителе в проводящий полупериод достигает нескольких сотен вольт, что влечет за собой значительные потери мощности в выпрямителе, снижение его к.п.д. и усложнение системы охлаждения. Коэффициент полезного действия дугового выпрямителя значительно ниже к. п. д. ртутного выпрямителя и составляет 97—97,5%.
Дуговые выпрямители пока не дают вполне удовлетворительного решения задачи применительно к целям электропередачи постоянным током высокого напряжения.В технике высоких напряжений можно применять и электролитические выпрямители. Это в равной мере относится и к сухим выпрямителям, таким как селеновые и меднозакисные (купроксные). При последовательном включении возможно применение этих выпрямителей на высоком напряжении. В этом случае исключается управление током.
Меднозакисные выпрямители в рентгеновских установках применяются на напряжение до 400 кВ. С этой целью большое количество меднозакисных выпрямителей включают последовательно. Они заключены в трубки длиной около 30 см каждая. Для предупреждения разряда по поверхности нескольких таких трубок, соединенных последовательно, погружаются в масло. Их сопротивление в проводящем направлении и ток в обратном направлении являются незначительными. В другом случае меднозакисный выпрямитель, набранный из пластин диаметром 19 мм, пропускал ток 100 мА при величине выпрямленного напряжения 150 кВ.
Построены электрофильтры для очистки газов, в которых применены меднозакисные выпрямители на напряжение 50 кВ. Мощность установок достигает 15 кВт.
Применяют селеновые выпрямители высокого напряжения. Селеновый выпрямитель на 200 кВ состоит из 7 000 последовательно включенных элементов, помещенных в масло. Последнее служит для целей охлаждения и изоляции. Общая длина выпрямителя 127 см; диаметр концевых полусферических электродов равняется 260 см.
Существенным преимуществом сухих выпрямителей перед кенотронами и газотронами является отсутствие постороннего питания, сравнительно высокий к.п.д., постоянная готовность к работе, нетребовательность к уходу, нечувствительность к толчкам и тряске, долговечность (срок службы несколько десятков тысяч часов).
Эти положительные свойства обеспечили им преимущественное перед другими видами преобразователей распространение в ряде отраслей науки.
Были предложены еще различные управляемые типы выпрямителей. Упомянем выпрямитель с ртутным лучом, статический выпрямитель Ленинградского электрофизического института. В этих выпрямителях проводимость возникает при включении магнитного поля, что делает возможным управление.
Перейдем теперь к рассмотрению некоторых простейших схем выпрямления. На рис. 3-8 представлены однополупериодная и двухполупериодная электрические схемы выпрямления переменного напряжения. Здесь же приводится форма кривой напряжения, которая получается при включении схемы па небольшую нагрузку. Такую же форму кривой будет иметь и ток. протекающий через активное нагрузочное сопротивление. С помощью схемы а ток пропускается только в продолжение одного полупериода переменного напряжения, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.
С помощью схемы б, содержащей четыре выпрямителя, можно использовать обе полуволны переменного тока. В этом случае форма кривой напряжения на приемнике получится такой, как это представлено на рис. 3-8. При включении по этой схеме ток через приемник проходит в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов. Па рис. 3-9 представлена электрическая схема рентгеновского аппарата, собранная с применением четырех кенотронов. Если правый конец обмотки будет иметь положительный потенциал, то ток протекает по цепи: кенотрон К1—рентгеновская трубка 2—кенотрон К3—обмотка трансформатора 1. Когда левый конец обмотки будет иметь положительный потенциал, ток протекает по цепи: кенотрон К4— рентгеновская трубка 2—кенотрон К2 — обмотка трансформатора 1.
Рис. 3-8. Электрические схемы выпрямления переменного напряжения и формы кривой выпрямленного напряжения.
Рис. 3-9. Четырехвентильная мостовая схема выпрямления.
В продолжение каждой полуволны напряжения трансформатор нагружается равномерно и ток проходит через объект в течение большей части периода. На рис. 3-10 представлены кривые напряжения (1) и тока (2), получаемые на трубке.
Рис. 3-10. Кривые тока и напряжения на трубке в схеме рис. 3 9.
Особенностью схемы при малых нагрузках (1—2 мА) является сглаживание пульсации напряжения на объекте и выпрямителях. Причиной этого является медленный разряд на землю емкостей обмоток трансформаторов накала 3, 4 и 5 кенотронов и арматуры объекта испытания. Указанные емкости, будучи включенными параллельно объекту, сглаживают пульсацию напряжения на его зажимах.
На рис. 3-11,а представлена простейшая схема для выпрямления трехфазного тока.
Рис. 3-11. Простейшая схема для выпрямления трехфазного тока(а) и кривая выпрямленного напряжения (б).
Ток в цепи выпрямителя протекает от анода к катоду через нагрузку и вторичную обмотку трансформатора. Таким образом, через цепь выпрямленного тока и присоединенную к ней нагрузку непрерывно протекает ток одного и того же направления. По каждой из вторичных обмоток трансформатора протекает прерывистый ток одного направления. По первичной обмотке трансформатора и питающей цепи протекает переменный ток.
Па рис. 3-11,б дана кривая напряжения, получаемого на зажимах трехфазного шестикенотронного выпрямителя. Кривые 1, 2 и 3 являются составляющими фазных напряжений выпрямленного трехфазного тока, 4—кривая результирующего напряжения на зажимах установки. Как видно, напряжение на зажимах установки пульсирует с шестикратной частотой выпрямленного переменного тока. Преимуществом такой электрической схемы является возможность получения больших мощностей при наилучшем использовании питающей сети низкого напряжения. Падение напряжения в схеме трехфазного выпрямления при той же потребляемой мощности значительно меньше, чем в схеме однофазного выпрямителя. С повышением числа фаз выпрямляемого тока уменьшаются величина пульсации напряжения и потери мощности в схеме. Мощные выпрямительные установки обычно присоединяются к трехфазным сетям через специальные преобразователи. С помощью последних трехфазный ток преобразуется в шестифазный или двенадцатифазный. Для выпрямления напряжения, величина которого превосходит рабочее напряжение выпрямителя, их можно включать последовательно.
При необходимости уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения в схему выпрямителя включаются специальные цепи, носящие название сглаживающих фильтров. Основными типами фильтров выпрямителей являются Г- и П-образные фильтры рис. 3-12. Величины емкости и индуктивности на выходе схемы выпрямления выбираются из условия допустимой пульсации напряжения на зажимах объекта Rн за время, в течение которого не происходит подзарядка емкости. Индуктивность L сглаживает высокочастотные колебания в цепи. Для уменьшения пульсаций выпрямленного высокого напряжения при небольших токах нагрузки часто вместо LC-фильтров применяют RС-фильтры.
Рис. 3-12. Г-образная (а) и П-образная (б) схемы фильтров выпрямителей.
Приведенная на рис. 3-11 простейшая трехфазная схема выпрямления тока и другие схемы, применяемые в маломощных установках низкого напряжения, не могут быть применены при передаче энергии постоянным током высокого напряжения. Большая величина пульсации выпрямленного тока и искажение формы кривой тока в питающей сети создают недопустимо большие дополнительные потери в генераторах и вызывают ряд других затруднений.
Шестифазная схема с общим катодом дает меньшие колебания потребляемого тока, но амплитуда напряжения в нерабочий полупериод более чем в 2 раза превышает выпрямленное напряжение.
Для передачи энергии постоянным током высокого напряжения наиболее удачными являются мостовые и каскадно-мостовые схемы включения вентилей, разработанные советскими учеными. Они наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к схемам выпрямления и инвертирования, т. е. преобразования постоянного тока в переменный.
Важнейшей схемой в системе электропередачи постоянным током высокого напряжения является дважды трехфазная мостовая схема.
