ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1935 года по МПК H02M1/22 

Предлагаемое изобретение относится к выпрямительным устройствам, в которых применен механический выпрямитель или в виде коллектора из трех или числа, кратного трем пластин или в виде ртутно-струйного коммутатора, приводимого во вращение синхронным двигателем и включенного по схеме с отрицательным проводом от нулевой точки трансформатора.

С целью уменьшения искрения на коммутаторе параллельно механическому выпрямителю включен ртутный выпрямитель, питаемый от того же трансформатора, что и механический выпрямитель.

На чертеже фиг. 1 изображает принципиальную схему предлагаемого выпрямительного устройства для случая применения ртутно-струйного коммутатора; фиг. 2 - то же, но для случая механического выпрямителя в виде указанного выше коллектора; фиг. 3 - возможное видоизменение формы выполнения предлагаемого устройства; фиг. 4 - ртутно-струйный коммутатор в продольном разрезе (каждой фигуре присвоены свои собственные обозначения).

В случае осуществления предлагаемого выпрямительного устройства с помощью параллельно работающих ртутного выпрямителя и механического ртутно-струйного коммутатора предполагается использовать положительные качестве обоих выпрямителей - коммутацию первого и высокую проводимость второго. В результате должен получиться экономический выпрямитель с высоким коэфициентом полезного действия и устойчивый в работе.

Отрицательные качества механических выпрямителей - наличие вращающихся частей - здесь отсутствуют.

Вес и габаритные размеры системы в сравнении с другими видами преобразователей весьма малы, что должно удешевить здания подстанций и фундаменты.

Согласно изобретению трансформатор I имеет во вторичной обмотке отпайки от нескольких витков на каждой фазе для компенсирования разницы падений напряжения в ртутном и струйном выпрямителях.

Трехфазная реактивная катушка II с двойной обмоткой 6 и 7 является по существу трансформатором, но в рабочем процессе имеет от него некоторое отличие. Катушка включена одними обмотками 6 последовательно с ртутным выпрямителем III, а другими 7 - с анодными пластинами 9 струйного выпрямителя V и обмотками напряжения 3 головки IV.

К головке IV струйного выпрямителя подается питание от трех направлений:

а) обмотка постоянного тока 1 питается от батареи 10 или от сети постоянного тока 5 посредством переключателя 1 без разрыва цепи обмотки;

б) обмотка напряжения 3 получает питание от зажимов обмотки 7 катушки II;

в) обмотки 2 и 4 для смешения движения сопла и постоянства ампер-витков приключены к вторым выводам вторичной обмотки трансформатора I и включены между собой последовательно. Вследствие обратного направления витков в обмотках 2 и 3 ампер-витки обмотки 2 вычитаются из ампер-витков обмотки 3.

Вторые концы обмоток 3 и 4 соединены в общую звезду, являющуюся нейтральной точкой трансформатора, т.е. минусом системы.

Ртутный выпрямитель III мало чем отличается от нормальной конструкции. Следует лишь отметить, что мощность его не будет превышать 20% от общей мощности выпрямленного тока.

Струйный выпрямитель V представляет аппарат, в котором струя ртути получает круговое движение вокруг конуса 8 и поочередно замыкает с ним пластины (анодные) 9, т.е. действие струи ртути в струйном выпрямителе аналогично действию дуги ртутных паров в ртутном выпрямителе.

Основное в этом аппарате - это головка IV выпрямителя. Здесь ртутная струя приобретает круговое движение и автоматически регулирует движение струи ртути синхронно с изменениями кривой выпрямленного тока (следит за углом перекрытия анодов).

Как указывалось выше, основной задачей в предлагаемом устройстве является прохождение полного тока через струйный выпрямитель и лишь только в моменты коммутации (передача нагрузки с одной фазы на другую) использование ртутного выпрямителя. Эта задача осуществляется следующим образом. Пусть, например, в первой фазе напряжение в положительном направлении увеличивается и достигает величины, при которой между анодом этой фазы и катодом в ртутном выпрямителе возникнет дуга, после чего ток этой фазы начнет нарастать.

В это время в головке IV струйного выпрямителя V сопло под действием сердечника с обмоткой напряжения 3 этой фазы направит ртутную струю для замыкания анодной пластины 9 первой фазы с конусом 8. (катодом)

Вследствие этого анод первой фазы будет шунтирован ртутной струей струйного выпрямителя V, и ток первой фазы направится по новому пути - через ртутную струю, как имеющую меньшее сопротивление.

В это время в катушке II ток, проходивший до шунтирования по обмотке 6, будет уменьшаться; в то же время в обмотке 7 ток, который проходит через ртутную струю струйного выпрямителя, будет увеличиваться, и поскольку магнитные потоки этих обмоток катушки II направлены в обратные стороны и противодействуют друг другу, то этот переход тока с ртутного выпрямителя на струйный происходит довольно быстро. Затем дуга ртутного выпрямителя III затухает, и ток целиком идет через ртутную струю.

Начало очередного этапа коммутации - коммутации размыкания совпадает с уменьшением тока первой фазы. Уменьшение тока в обмотке 7 реактивной катушки наводит в обмотке 6 первой же фазы электродвижущую силу того же направления, что и в этой фазе главного трансформатора. Вследствие этого анод первой фазы вторично зажигается, и ток, снова возрастая, будет проходить через дугу ртутного выпрямителя.

Струя ртути к второму этапу коммутации, т.е. к концу работы этой фазы будет увеличивать свое сопротивление, что является следствием увеличения длины струи благодаря особым вырезам в конусе 8. Также этому увеличению сопротивления помогает уменьшение сечения струи, соединяющей конус 8 с анодной пластиной 9. Увеличение омического сопротивления струи предусматривается такой величины, что ток почти целиком перейдет опять на ртутный выпрямитель, и разрыв в струйном выпрямителе происходит при незначительном токе, тем более, что переходу помогает катушка II. Искры разрыва быть не должно - этого не допустит при имеющейся разности напряжений между дугой и струей атмосфера паров ртути.

Далее тот же процесс повторяется и во второй фазе. Таким образом, струйный выпрямитель пропускает около 9/10 общего выпрямленного тока, а через ртутный выпрямитель проходит 1/10. Мощность ртутного выпрямителя в 20% от общей мощности взята с запасом на случай продолжительных перегрузок.

При увеличении нагрузки время горения анода соответственно возрастает, поэтому желательно, чтобы угол замкнутого состояния в струйном выпрямителе также изменялся в соответствии с изменениями нагрузки. Эта задача решается тем, что струя ртути, имеющая по своей длине почти равномерное сечение, будет, падая на конус на различных расстояниях от его центра, изменять свою ширину в месте соединения конуса с анодными пластинами, т.е. изменять угол замкнутого состояния, который можно довести до 180°. Чем ближе к центру конуса падает струя ртути, тем больше угол замкнутого состояния; поэтому ампер-витки переменного магнитного поля должны с увеличением нагрузки выпрямленного тока уменьшаться и вместе с этим уменьшается радиус кругового вращения сопла. Указанное достигается ослаблением поля обмотки напряжения 3 ампер-витками обмотки 2, имеющей витков больше, нежели в обмотке 4, вследствие чего общее число действующих ампер-витков уменьшится. При всем этом на работе будет еще сказываться и форма конуса и его поверхность.

Наличие обмоток 2 и 4 служит для управления ртутной струей в зависимости от изменений нагрузки (угла перекрытия). Обмотки 2 и 3 намотаны парно по одной на трех сердечниках; третьи обмотки 4 размещены на других трех сердечниках. Сердечники с обмотками 4 помещают между сердечниками с обмотками 2 и 3. Обмотка 3 уменьшает ампер-витки обмотки 2 для того, чтобы ампер-витки обмотки 4, создаваемые нагрузкой, не влияли на радиус кругового вращения сопла, т.е. чтобы число ампер-витков при всех нагрузках оставалось почти неизменным. Обмотки 4 заставляют сопло следовать за изменениями кривой анодных токов, так как кривая выпрямленного тока несколько отстает от напряжения. Для предотвращения случайного искрообразования на анодных пластинах 9 служат приключенные параллельно анодным пластинам обмотки 3, которые берут часть перенапряжения на себя, т.е. в еще большей степени сглаживают переход тока с струйного выпрямителя на ртутный.

В случае применения в качестве механического выпрямителя коллектора 9 (фиг. 2) последний снабжен для регулирования работы при помощи передвижных щеток, дополнительными коллекторными пластинами, расположенными каждая на отдельном изолирующем кольце 10, 11, и 12 (фиг. 2). Последние снабжены особыми контактными системами и включены параллельно главным кольцам 8. Главный коллектор 9 предназначен для снятия основной нагрузки постоянного тока щетками 17.

Переменный ток подводится к сплошным металлическим кольцам 8 при помощи щеток 16. Для осуществления параллельной работы механического и ртутного выпрямителя применен регулятор напряжения, состоящий из электромагнита с двумя обмотками 74 и 75, 76, магнитные оси которых не совпадают.

Обмотка 74 включена в цепь ртутного выпрямителя 42. Обмотка же 75, 76 присоединена одним концом к щеткам 22, 28, 26 механического выпрямителя. Последнее предусмотрено для того, чтобы токи короткого замыкания, возникающие в момент перекрытия щетками двух секторов вспомогательного коллектора, создавали в электромагните поле, обратное полю тока в обмотке 74, а якорь электромагнита, соединенный механически со щетками, уменьшал перекрытие. При отсутствии же этих токов якорь должен новорачивать щетки так, чтобы ртутный выпрямитель 42 был сам огражден от перегрузки.

Для изменения оси магнитного потока синхронного двигателя 1, вращающего механический выпрямитель, в целях компенсации действия отставания тока нагрузки от напряжения, применена дополнительная обмотка возбуждения 71.

В форме выполнения предлагаемого устройства согласно схеме фиг. 3 выводы вторичной обмотки главного трансформатора 1 соединены через обмотку синхронного генератора 3 с анодами ртутного выпрямителя 7 с одной стороны, и со щетками коммутатора 2 - с другой.

Коммутатор 2, указанный синхронный генератор 3, синхронный двигатель 8 и два возбудителя 17 и 19 сидят на одной оси.

Генератор 3 и двигатель 8 имеют компаундное возбуждение, создаваемое двумя возбудителями 17 и 19, из которых возбудитель 17 имеет шунтовое возбуждение 16, а возбудитель 19 как шунтовое 14, так и возбуждение 13, пропорциональное рабочему току устройства.

Сегмент коммутатора 2 соединен с катодом ртутного выпрямителя 7.

Рабочий процесс предлагаемого устройства заключается в следующем. При нарастании тока в первой фазе он проходит через обмотку генератора 3 и дугу ртутного выпрямителя 7. Далее последний шунтируется коммутатором 2, и поскольку разница в падениях напряжения коммутатора и ртутного выпрямления составляет 25-30 V, весь ток пойдет уже через коммутатор, и дуга в ртутном выпрямителе гаснет. Далее, при убывании тока до нуля щетка этой фазы должна разомкнуться. Тогда перед размыканием в обмотке генератора, которая включена последовательно, наводится некоторая электродвижущая сила, достаточная для зажигания дуги и перехода тока опять обратно на ртутный выпрямитель, и процесс продолжается на следующей фазе. Задача генератора - давать напряжение в моменты коммутации размыкания. Поскольку генератор механически соединен с коммутатором амплитуда напряжения генератора всегда будет совпадать с размыканием щеток, а поэтому в какое бы время ни происходило размыкание, всегда перед этим нагрузка уже перейдет на ртутный выпрямитель и коммутация происходит почти без тока. В виду того, что при различных значениях нагрузки значения амплитуды напряжения генератора также должны изменяться, генератор имеет двойное возбуждение 5 и 6; одно 6 - зависимое от нагрузки, а другое 5 поддерживает напряжение, требуемое для компенсации падения напряжения в дуге.

Мощность генератора 3 невелика (в процентном отношении), так как он работает незначительные отрезки времени и притом тогда, когда ток уже спадает к нулю.

Обмотка генератора размещена так, что электродвижущая сила наводится в кратковременные промежутки (20-30° основного периода), в виду чего обмотка занимает незначительную часть числа пазов. Последнее обстоятельство вынуждает брать для полезной мощности генератора типовую мощность, в 2-3 раза большую.

Синхронный двигатель 8 должен иметь мощность, в 2 раза большую, нежели генератор, хотя будет нагружен не выше 75% полной мощности. Нагрузка двигателя заключается во вращении генератора, коммутаторов и возбудителей. Из этих величин переменными будут генератор 3 и возбудитель 19.

Нагрузка генератора 3 регулирует время коммутации размыкания, т.е. синхронный двигатель 8, помимо смещения поля возбуждения 9 от нагрузки постоянного тока, будет стремиться сохранить постоянство нагрузки на генераторе 3. Так, если по каким-либо причинам (резкое увеличение нагрузки постоянного тока) коммутация размыкания будет происходить при полном токе, то мощность генератора 3 может увеличиться в 2-3 раза. Это вызовет перегрузку двигателя 8, отчего последний затормозится и уменьшит скорость и, наоборот, если обратные причины (резкое уменьшение нагрузки или колебания напряжения сети) вынудят двигатель отстать, то коммутация размыкания уже происходит при нулевых значениях тока или даже при обратном токе на коммутаторе 2, отчего нагрузка генератора 3 падает до нуля и синхронный двигатель 8 получает ускорения.

Из сказанного видно, что при известных соотношениях полей возбуждения 5, 6-9, 10 генератора 3 и двигателя 8 нагрузка генератора будет почти постоянна (при полной нагрузке на стороне постоянного тока) и что время коммутации размыкания регулируются двумя условиями: а) нагрузкой генератора и б) смещением поля возбуждения 9 синхронного двигателя 8. Эти условия должны создать устойчивую работу системы даже при резко изменяющейся нагрузке. Соотношение устанавливается реостатами обмоток возбуждения 5, 6, 9, 10, 13, 14 и 16 и общим регулятором 15.

В качестве ртутно-струйного механического выпрямителя может быть применен управляемый ртутно-струйный коммутатор, выполненный по типу обращенного выпрямителя Гартмана.

Как известно, последний представляет собой выпрямитель с ртутной струей, по которой пропускается выпрямляемый переменный ток и которая находится в поле постоянного магнита. В настоящем случае удобнее применить выпрямитель обращенного типа, т.е. у которого по струе проходит постоянный ток, причем струя помещена во вращающееся магнитное поле. Для этого необходимо иметь специальный источник постоянного тока низкого напряжения. В качестве такового можно применить униполярный генератор или преобразователь.

Время и продолжительность коммутации в подобном ртутно-струйном коммутаторе изменяется при помощи смещения в пространстве фазы вращающегося магнитного поля и его величины. Последнее сказывается на радиусе вращения струи.

Внешняя форма конструкции струйного выпрямителя имеет сходство с металлическим ртутным выпрямителем (фиг. 4).

Корпус цилиндрической формы в нижней части заканчивается конусом с отверстием для отвода ртути в насос.

Корпус закрывается крышкой 1, на которой установлены анодные пластины 2, смотровые окна и головка управления струей. В центре корпуса помещается конус 26, на который попадает струя ртути и принимает вследствие этого форму серповидного сечения. Величина угла, на который растекается по конусу струя, может изменяться в зависимости от того, на каком расстоянии от центра конуса падает струя ртути на конус; чем ближе падает струя к центру, тем больше угол замкнутого состояния, и обратно, чем дальше, тем меньше угол.

Конус 26 укрепляется в станке держателя 25, вследствие чего имеется возможность точно центрировать конус и регулировать его высоту в зависимости от условий испытания. Для лучшего контакта конуса с корпусом в стакан наливается ртуть.

Анодные пластины сжаты в контактных вилках; последние служат и анодными выводами. Пластины благодаря особым прорезам в держателях 29 и прокладке 32 могут перемещаться в трех направлениях, чем обеспечивают достаточно правильный подбор как расстояния свободного движения струи между конусом и пластинами, так и угла наклона самих пластин.

Головка для управления струей насажена на базальтовую трубку 5, приваренную к крышке корпуса. Магнитопровод состоит из шести сердечников 12, расположенных по окружности под углом 60°, и одного цилиндра 10, замыкающего верхние концы сердечников. Нижние концы сердечников создают вращающее поле.

Сердечники и цилиндр стянуты болтами между горизонтальными фланцами. Весь магнитопровод выполнен из трансформаторного железа. Внутри сердечников перемещается одна катушка постоянного тока 11, поток которой охватывает все шесть сердечников и поляризует гибкое сопло 22. На каждый сердечник надеты катушки 13, три обмотки которых создают основное переменное поле, совпадающее с фазой сети, а три других - зависимое переменное поле со сдвинутой фазой, автоматически изменяющееся по величине пропорционально нагрузочному току и уменьшающее величину основного переменного поля.

Подобная зависимость между полем и нагрузкой может быть достигнута различными путями, например, при помощи фазорегулятора.

Сочетание двух вращающихся полей - постоянного и переменного (по фазе и величине), дающих некоторое результирующее поле, и обусловит соответственные отклонения ртутной струи, а следовательно даст требуемое регулирование коммутации ртутно-струйного выпрямителя.

1. Выпрямительное устройство с применением механического выпрямителя или в виде коллектора из трех или числа, кратного трем, пластин или в виде ртутно-струйного коммутатора, приводимого в действие синхронным двигателем и включенного по схеме с отрицательным проводом от нулевой точки трансформатора, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искрения на коммутаторе, параллельно механическому выпрямителю включен ртутный выпрямитель, питаемый от того же трансформатора, что и механический выпрямитель.

2. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что в случае применения в качестве механического выпрямителя коллектора последний снабжен для регулирования работы при помощи передвижных щеток дополнительными коллекторными пластинами, расположенными каждая на отдельном кольце 10, 11 и 12 с контактным сегментом и включенными параллельно главным пластинам.

3. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что для осуществления параллельной работы механического выпрямителя и ртутного выпрямителя применен регулятор нагрузки, состоящий из электромагнита с двумя обмотками, магнитные оси коих не совпадают, одна из которых 74 включена в цепь ртутного выпрямителя, а другая 75, 76 присоединена одним концом к щеткам 18, 22, 28, 26, а другим концом - к щеткам 21, 25, 29 механического выпрямителя с той целью, чтобы токи короткого замыкания, возникающие в момент перекрытия щетками двух секторов вспомогательного коллектора, создавали в электромагните поле, обратное полю тока в обмотке 74, а якорь электромагнита, соединенный механически со щетками, уменьшал перекрытие, при отсутствии же этих токов якорь поворачивал щетки, так, чтобы ртутный выпрямитель был огражден от перегрузки.

4. При устройстве по п. 2 применение для изменения оси магнитного потока синхронного двигателя, вращающего механический выпрямитель, в целях компенсации действия отставания тока нагрузки от напряжения, дополнительной обмотки возбуждения 71.

5. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью поддержания дуги ртутного выпрямителя в момент размыкания контактов механического выпрямителя, в линию переменного тока ртутного выпрямителя последовательно включен синхронный генератор 3, сидящий на одном валу с механическим выпрямителем.

6. Форма выполнения устройства по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что синхронный генератор имеет компаундное возбуждение, создаваемое двумя возбудителями 17 и 19, служащими также для возбуждения синхронного двигателя 8, из которых возбудитель 17 имеет шунтовое возбуждение, а возбудитель 19 как шунтовое, так и возбуждение, пропорциональное рабочему току устройства.

7. Форма выполнения устройства по п. 1 с применением в качестве механического выпрямителя ртутно-струйного коммутатора, отличающаяся тем, что последний выполнен по типу обращенного выпрямителя Гартмана, т.е. с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, и ртутной струей, через которую пропускается постоянный ток.

8. При устройстве по п. 7 применение приспособления для смещения в пространстве фазы вращающегося магнитного поля с целью автоматической регулировки времени коммутации.