Устройство для преобразования электрического тока Советский патент 1936 года по МПК H02M7/72 H02M1/12 

Уже известен ряд схем, служащвх для выпрямления переменного тока и для преобразования постоянного тока в переменный. В этих схемах применяются управляемые вентили, т. е. вентили, угол зажигания которых может быть задан по желанию. Это могут быть, например, тиратроны с накаливаемым катодом, выпрямители с жидким катодом с сетками, вентили, работзающие при повышенном давлении (вентили Маркса), и т. д. Анодный ток во всех этих вентилях прекращается только тогда, когда анодное напряжение переходит через нуль и принимает отрицательное значение. Прервать анодный ток при положительном анодном напряжении невозможно. Поэтому все известные выпрямительные и преобразовательные схемы, работающие с такими вентилями, етрадают одним общим весьма крупным недостатком:

1)при работе их в выпрямительном режиме регулировка величины выпрямленного напряжения путем изменения угла зажигаЪия управляемых вентилей влечет за собой появление отстающего сдвига фаз в цепи переменного тока;

2)устойчивая работа таких схем

в инвертерном режиме оказывается возможной только тогда, когда в сети переменного тока, которую они питают, имеются вспомогательные источники безваттного опережающего тока (перевозбужденные альтернаторы, синхронные или асинхронные компенсаторы, статические конденсаторы и т. п.).

Были попытки построить преобразовательные устройства, свободные от вышеназванного недостатка, применяя специальные типы управляемых вентилей, в которых по желанию можно прерывать ток в любой момент (таковы, например, ионные трубки с холодным катодом с магнитным контролем, некоторые специальные конструкции тиратронов и т. д.).

Однако, можно заранее сказать, что такие попытки связаны с серьезными затруднениями, так как насильственное прерывание тока через вентиль неизбежно ведет к появлению перенапряжений в схеме.

В настоящем изобретении предлагаются новые схемы для выпрямления переменного тока и преобразования постоянного тока в переменный.

В предлагаемом устройстве используются управляемые вентили, обладающие обычными свойств.ами (т. е. такие, в которых сеткой задается только момент начала прохождения тока).

Несмотря на это, при работе такого устройства в выпрямительном режи.ме можно регулировать напряжение выпрямленного тока от максимума до нуля, причем cos f в питаюш;бй выпрямитель сети может также совершенно пезависимо регулироваться; можно, например, поддерживать все время cos 9 ; 1 или з-аставить работать выпрямитель с-оперезйающим сдвигом фаз.

При работе в пнвертерйом режиме (ири преобразовании постоянного тока в иеременный) предлагаемое устройство может питать нагрузку, имеюш;ую любой сдвиг фаз, и поэтому совершенно не нуждается в наличии в сети переменного тока фазокомпенсатора.

Кроме того, это же устройство мо}кет служить в качестве генератора чисто реактивной мощности и поставлять в сеть перемеиного тока по желанию опережающий или отстающий ток.

На чертеже фиг. 1, 2 и 3 изобраягают принципиальные схемы, по которым может быть осуществлено предлагаемое устройство; фиг. 4, 5 и 6-соответствующие диаграммы токов и напряж.ений.

На чертеже 1 обозначает сеть переменного тока, 2-силовой трансформатор, I, II, HI-управляемые вентили (например, тиратроиы), 3-сглаживающий дроссель в цепи постоянного тока (присутствие его совершенно необходимо для действия схемы как в выпрямительном, так и в инвертерном режиме), 4- шины пестоянного тока. При работе схемы в выпрямительном режиме положительным полюсом является катод, а средняя точка силового трансформатора-минусом.

Полярность шин постоянного тока при работе в инвертерном режиме показана в скобках.

В анодной цепи тиратрона III (в дальнейшем этот тиратрон будет называться „тушащим тиратроном или более обще „тушащим вентилем) имеется источник переменного, напряжения повышенной частоты. Это может быть, например, альтернатор 5, вращаемый двигателем 6.

На фиг. 4 чертежа изображены кривые токов и напряжений в схеме фиг. 1

при работе ее в выпрямительном режиме. На фиг. 5 изображены кривые токов и напряжеиий в этой же схеме при раj боте ее в инвертерном режиме. i Кривые построены в предположении, I что индуктивность катодного дросселя 3 j весьма велика, благодаря чему пульса; ции постоянного тока исчезающе малы. . Индуктивностями в анодных цепях упраI вляемых вентилей пренебрегают. БлагоI даря этому углы перекрытия отсутствуют и токи через управляемые вентили имеют вид прямоугольных импульсов.

На фиг. 4 и 5 кривые А и В-напря1 ясения, подаваемые, от силового трансi форматора 2 на аноды тиратронов I и II, 1 -кривая напряжения альтернатора 5. Для того, чтобы возможно детальнее представить картину прохождения токов в схеме согласно фиг. 1, частота напряжения альтернатора 5 (кривая D на фиг. 4 и 5) взята всего в 6 раз выше частоты преобразуемого переменного тока. Следует отметить, что совсем необязательно, чтобы отношение частоты переменного напряжения в анодной цепи тушащего тиратрона Ш к частоте преj образуемого переменного тока было целым числом. При преобразовании 50-периодного тока рационально выбрать частоту альтернатора 5 порядка 1500 герц. Амплрпуда напряжения, отдаваемого альтернатором 5, должна быть на 15-200/о выше амплитуды каждой из фаз вторичной обмотки силового трансформатора 2. Кривые / и / на фиг. 4 и 5-анодные токи тиратронов I и П. I,,, - анодный ток тушащего тиратрона III, / и Яд - ток и напряжение в сети переменного тока.

На сетки всех тиратронов (фиг. 1)

I с помощью батареи 10, приключенной

I плюсом к катоду, задано отрицательное

смещение, достаточное, чтобы запереть

тиратроны.

Для зажигания тиратронов слуягат коммутаторы 13 и 15. Синхронный двигатель 12 вращает щетки 14 и 16, соединенные с полюсом батареи 11. Когда щетка стоит па каком-либо из контактов коммутатора, на сетку тиратрона, соединенную с данным контактом, иодается плюс и этот тиратрон может пропускать

ток. На фиг. 4 и о кривая F,, изображает сеточное напряжение тиратрона II, кривая FJ,,- сеточное напряжение тиратрона I.

Рассмотрим механизм прохождения токов в этой схеме сначала при работе в выпрямительном режиме (фиг. 4).

В момент времени / напряжение в анодной цепи тушащего тиратрона III достигает той же величины, что и напряжение горящего тиратрона П; так как еще до момента / в цепи сетки тиратрона III было подано добаврчное положительное напряжение (напряжение батареи 11), то в момент 4 ток с тиратрона II переходит на тиратрон III.

Если постоянная деионизации тиратрона I достаточно мала, то к тому моменту, когда напряжение в цепи тиратрона П1 снова станет ниже, чем в цепи тиратрона I, последний надежно заперт сеточным напряжением, и нагрузочный ток будет продолжать замыкаться через тиратрон III.

Ток будет продолжать течь через тиратрон Ш и после того момента, когда напряжение альтернатора 5 перейдет через нуль и примет отрицательное значение. При этом ток будет течь за счет энергии, запасенной в индуктивности катодного дросселя 3.

В момент 4 напряжение, действующее в анодной цепи тиратрона III, становится ниже, чем напряжение в цепи тиратрона П. Так как на сетку тиратрона Ц еще задолго до момента гз было подано положительное напряжение, то с момента 4 ток начинает проходить через тиратрон IL

Сеточное напряжение тиратрона Ш к этому моменту уже отрицательно. Поэтому он деионизируется и, несмотря на то, что в интервале бывают моменты, когда напряжение в его анодной цепи выше напряжения цепи тиратрона П, он тока не проводит.

Пезадолго до момента 4 на сетку тиратрона III снова подается положительное напряжение и, так как в 4 напряжение в его анодной цепи становится выше напряжения в цепи тиратрона П, то ток переходит на тиратрон III, а тиратрон П потухает.

В момент t ток снова переходит на тиратрон I, а затем через некоторое

время он снова перекинется на тиратрон III и т. д.

Па фиг. 4 защтрихованы те части периода кривых напряжений, в течение которых ток течет через соответствующие тиратроны.

Кривая и на фиг. 4 и 5 представляет напряжение между катодом управляемых вентилей и нулевой точкой силового трансформатора.

Среднее арифметическое этой кривой и представляет постоянную составляющую напряжения выпрямленного тока. На фиг. 4 постоянная составляющая обозначена V .

Таким образом, очевидно, что ток через каждый из главных тиратронов А и В перестает течь задолго до перехода через нуль напряжения фаз трансформатора, соединенных с анодами этих тиратронов. Это происходит благодаря наличию тиратрона Ш, который на короткий промежуток времени перехватывает на себя нагрузочный ток. Таким образом он вполне оправдывает свое назначение тушащего тиратрона.

Если заставить тиратрон П1 зажигаться в более ранний полупериод, то среднее значение кривой U станет меньше, т. е. уменьшится выпрямленное напряжение, ток в первичной обмотке силового трансформатора, а следовательно и в сети переменного тока, еще больпте сдвигается в сторон опережения.

В первом приближении можно считать, что для схемы фиг. 1

cos, ,

д max

где Vg - максимальное возможное значение напряжения выпрямленного тока. Однако, в противовес обычным схемал управляемых выпрямителей сдвиг фаз в этой схеме не отстающий, а опережа эщий.

При каждом переходе тока от тира трона I к тиратрону П, а также при обрат ном переходе нагрузочный ток течет через тиратрон III в течение, примерно, одного полупериода повыщенной частоть;, причем проходит он дважды в течение каждого периода преобразуемого тока.

В общем случае, когда преобразовательная схема имеет т фаз, ток через тиратрон III течет /га раз в течение каждого периода преобразуемого тока.

JПоэтому, если частота переменного напряжения, в анодной цепи тиратрона III в N раз выше частоты преобразуемого тока, то продолжительность .протекания тока в его анодной цепи для схемы

фиг. 1 составляет -ту всего времени.

Поэтому кажущаяся мощность альтернатора в одной цепи тиратрона П1

равна от мощности выпрямленного тока. Следует также указать, что эта мощность не является чисто ваттной мощностью, так как ток через тиратрон Ш сдвинут по фазе относительно напряжения альтернатора 5 (он начинается позже момента, перехода через нуль напряжения альтернатора 5 и кончает проходить также позже, т. е. сдвинут в сторону отставания). Поэтому мощность двигателя 6, вращающего альтернатор, может быть взята значительно меньше, чем ,-1 (W -мощность постоянного тока).

Рассмотрим теперь фиг. 5, на которой изображены кривые токов и напряжений в схеме фиг. l прп работе ее в инвертерном режиме.

В момент 1 ток переходит с тиратрона I на тиратрон III, так как, начиная с этого момента, нанряжение в анодной цени тиратрона П1 выше, чем напряжение в цепи тиратрона I, а сеточное напряжение его положительно.

К моменту 4 тиратрон I заперт сеткой; на сетке же тиратрона П в момент уже положительное напряжение и, 1;ак как напряжение в цепи тиратрона П1 после момента 4 становится более отрицательным, чем напряжение в цепи тиратрона II, ток в этот момент переходит с тиратрона Ш на тиратрон II. Затем в момент 4 на сетке тиратрона П1 снова оказывается плюс и ток опять переходит на тиратрон 1П и т. д.

На фиг. 2 показан вариант предлагаемого устройства применительно к ртутному выпрямителю с управляющими сетками. Существенным отличием схемы фиг. 2 является то, что в ней

помимо главных анодов а и и и питаемого повышенной частотой анода d имеется еще один вспомогательный анод Z, приключаемый непосредственно к нулевой точке силового трансформатора.

Остальные обозначения на этой фигуре следующие: 1 - сеть переменного тока, 2 - силовой трансформатор, 3 - сглаживающий дроссель, 4 - шины постоянного тока, б - альтернатор повышенной частоты, 6-двигатель, вращающий этот альтернатор, 7, 8, 9 и 10 - сеточные сопротивления, 11 и 12 -- батареи смещения, 13, 15 и 18 - коммутаторы.

Щетки этих коммутаторов вращаются синхронным двигателем 20. В сеточной цепи анода z, имется выключатель 19, при замыкании которого на сетку анода 0 все время подается положительное напряжение и последний работает тогда, как простой, не управляемый анод.

Чтобы не усложнять чрезмерно кривых токов и напряжений, разберем работу схемы согласно фиг. 2 только для случая, когда выключатель 19 замкнут и анод Z работает как не унравляемый.

На фиг. 6 даны кривые токов и напряжений в этой схеме при работе ее в выпрямительном режиме (анод z, как условлено, не управляется). Кривые А и - соответственно - напряжения на главных анодах, D-напряжение повышенной частоты на вспомогательном аноде, / и / - анодные токи главных

анодов, /. - ток анода z, / -ток анода d, /д и ток и напряжение в сети

переменного тока.

Кривая FJ, представляет собой напряжение сетки, управляющей анодом Ь. Кривая V - напряжение сетки, управляющей „тушащим анодом d.

В момент 1 на сетку, управляющую анодом Ъ, подается положительный толчок напряжения и анод b начинает проводить ток. Ток через анод b течет до момента 4- За некоторое время до момента 4 положительное напряжение подается на сетку анода d. В момент 4 напряжение на аноде d становится равным напряжению , на аноде Ь. Так как сеточное напряжение анода d в это время также положительно, то нагрузочжый ток переходит с анода Ь на анод d, В, точке tg напряжение в цепи анода d Становится ниже, чем напряжение в цепи анода Ъ; однако, если время деионизации анода Ь достаточно мало, то ток через анод Ъ в момент t не возобновится, а будет продолжать течь через анод d. В момент з напряжение в цепи анода d переходит через нуль.

В схеме согласно ят. 1 ток продолжал бы течь через анод d и после этого момента, но в разбираемой схеме фиг. 2 в момент g ток перейдет на анод z и будет течь через него, пока не наступит момент зажигания анода d.

Переход тока с анода d на анод z в момент ts объясняется тем, что в цепи анода d после момента 4 появляется отрицательная э, д. с.

В цепи же анода z никакой э. д. с. нет и поэтому при помощи дросселя 3 легче заставить протекать нагрузочный ток через анод z, чем через анод d. В момент 4 на сетку анода а подается положительный импульс и ток с анода z переходит на анод а. В момент е ток снова переходит на анод d, затем снова переходит на анод z, через который течет до тех пор, пока снова не наступит зажигание анода 5 и т. д.

Кривая и на фиг. 6 изображает напряжение между катодом и нулевой точкой трансформатора в том случае, когда анод z работает кан не управляемый. Кривая эта никогда не принимает отрицательных значений, благодаря чему -амплитуды содержащихся в ней гармоник не так велики. Среднее арифметическое значение этой кривой и является постоянной составляющей выпрямленного тока V .

Из фиг. 6 видно, что в схеме фиг. 2 можно регулировать отдельно и угол зажигания и угол потухания главных анодов а та Ь.

Таким образом, можно независимо друг от друга регулировать и нанряжение выпрямленного тока Vg и сдвиг фаз в питающей выпрямитель сети. Это представляет известное преимущевтво схемы фиг. 2 по сравнению со схемой фиг. 1. Некоторым недостатком же схемы фиг. 2 является наличие в ней лишнего вспомогательного вентиля или анода.

Выще было отмечено, что значительная часть тока, проходящего через тушащий анод d, является безваттной. Поэтому можно включить в цепь анода резонансный контур, что и показано на фиг. 2, где в цепь анода d включен конденсатор 22 и настроенный трансформатор 21. Альтернатор 5 при такой схеме включения должен поставлять только ваттную составляющую анодноГо тока и поэтому может быть взят значительно меньшей мощности, чем это следует по формуле -г

Наконец на фиг. 3 показан еще один вариант преобразовательной схемы.

Принцип ее действия такой же, как и схемы фиг. 2. Основным ее отличием является то, что в ней в качестве источника повышенной частоты в цепи тушащего анода d применен статический умножитель частоты.

Цифра 20 обозначает трансформатор, удваивающий частоту; 19 символически представляет следующие ступени умножения.

Можно, например, применить утроители частоты тока с помощью всего лищь трех ступеней утроения и можно умножить образуемую частоту в 27 раз, что при основной частоте 50 герц составит 1350 герц. Это вполне может обеспечить нормальную работу преобразователя.

Предмет изобретения.

1. Устройство для нреобразования электрического тока с применением управляемых ионных приборов, присоединенных к вторичной обмогке анодного трансформатора, имеющей нулевую точку, например, соединение звездой, отличающееся тем, что между нулевой точкой трансформатора и катодом ионных приборов включен вспомогательный управляемый иопный прибор (например, тиратрон), в анодную цепь которого введен источник переменного напряжения, с частотой выше частоты преобразуемого переменного тока, с амплитудой, большей амплитуды переменного фазного напряжения вторичной обмотки анодного трансформатора, с целью регулирования выпрямленного напряжения и коэфицнента мощности.

2. Видоизменение устройства по и. 1, отличающееся тем, что между нулевой .точкой анодного трансформатора и общим полюсом управляемых приборов включены два вспомогательных управляемых ионных прибора, в анодную цепь одного из которых введен источник переменного напряж.ения повышенной частоты.

3. Форма выполнения устройства по пи. 1 и 2 применительно к управляемым выпрямителям с жидким катодом, отличающаяся применением вспомогательных анодов, также снабженные управляющими сетками и присоединяемых

к нулевой точке анодного трансформатора.

4.Применение в устройстве по пп. 1 и 3 в качестве источника повышенной: частоты в анодной цепи вспомогательного ионного прибора статического умножителя частоты.

5.Применение в устройстве по пп. 1 и 3 в анодной цепи вспомогательного прибора колебательйого контура; питаемого от дополнительного источника.

6.Применение устройства по пп. 1 и 5 в качестве генератора реактивного тока для компенсации сдвига фаз в электрических сетях.

t,

фйГ.4

f,

. I 1

yls

3,i

2

2

-o-ryggy д

4 -W

fcte аТМ к авторскому свидетельству Г. И.

t t. {.u ФЙГ.5 Бабата № 48755

ФИГ6 ,. , ,

I .« I I I