Устройство для преобразования электрического тока

Класо 21 02, 12 Й ДЕТЕЛЬСТНО НА ИЗОБРЕТЕНИЕ ОПИСАНИЕ устройства для преобразования электрического токаБаба авторскому свидетельству Г. 15 декабря 1934 года (спр заявленном59042). ыдаче авторского свидетельства опубликовано августа 1936 год Уже известен ряд схем, служащих 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, работающие 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 прн положительном анодном напряжении невозможно, Поэтому все известные выпрямительные и преобразовательные схемы, работающие с такими вентилями, страдают одним общим весьма крупным недостатком:1) при работе их в выпрямительном режиме регулировка величины выпрямленного напряжения путем изменения угла зажигания 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 нреобразовательные устройства, свободные от вышеназванного недостатка, применяя специальные типы управляемых вентилей, в которых пожеланию 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 свойствами (т, е, такие, в которых сеткой задается только момент начала прохождения тока).Несмотря на это, при работе такого устройства в выпрямительном режиме можно регулировать напряжение выпрямленного тока от максимума до нуля, причем сояв питающей выпрямитель сети может также совершенно независимо регулироваться; можно, например, поддерживать все время соз =-1 или заставить работать выпрямитель с.опережающим сдвигом фаз.При работе в ннвертерйом режиме (при преобразовании постоянного тока в переменный) предлагаемое устройство может питать нагрузку, имеющую любой сдвиг фаз, и поэтому совершенно не нуждается в наличии в сети переменного тока фазокомпенсатора,Кроме того, это же устройство может служить в качестве генератора чисто реактивной мощности и поставлять в сеть переменного тока по желанию опережающий или отстающий ток.На чертеже фиг. 1,и 3 изображают принципиальные схемы, по которым может быть. осуществлено предлагаемое устройство; фиг, 4, 5 и 6 - соответствующие диаграммы токов и напряжений,На чертеже 1 обозначает сеть переменного тока, 2 - силовой трансформатор, М, Н, П 1 - управляемые вентили (например, тиратроны), 3 - сглаживающий дроссель в цепи постоянного тока (присутствие его совершенно необходимо для действия схемы как в выпрямитель" ном, так и в инвертерном режиме), 4 - шины постоянного 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 П 1 (в дальнейшем этот тиратрой будет называться тушащим тиратроном" или более обще тушащим вентилем") имеется источник переменного, напряжения повышенной частоты. Это может быть, например, альтернатор 5, вращаемый двигателем б.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 напряжений в этой же схеме при ра боте ее в инвертерном режиме,Кривые построены в предположении,что индуктивность катодного дросселя 3весьма велика, благодаря чему пульса ,ции постоянного тока исчезающе малы,Индуктивностями в анодных цепях упра; вляемых вентилей пренебрегают. 1 элагодаря этому углы перекрытия отсутствуют и токи через управляемые вентили имеют вид прямоугольных импульсов.На фиг, 4 и 5 кривые А и В в напряжения, подаваемые.,от силового транс форматора 2 на аноды тиратронов 1 и П,В в крив напряжения альтернатора 5., Для того, чтобы возможно детальнее, представить картину прохождения токов, в схеме согласно фиг. 1, частота напря; жения альтернатора 5 (кривая З нафиг. 4 и 5) взята всего в 6 раз выше частоты преобразуемого переменного тока.Следует отметить, что совсем необяза тельно, чтобы отношение частоты переменного напряжения в анодной цепитушащего тиратрона П 1 к частоте пре образуемого переменного тока было це лым числом, При преобразовании 50-периодного тока рационально выбрать частоту альтернатора 5 порядка 1500 герц,Амплитуда напряжения, отдаваемого аль тернатором 5, должна быть на 15 - 20%, выше амплитуды каждой из фаз вторич ной обмотки силового трансформатора 2,Кривые У и Х на фиг, 4 и 5 - анодн, ные токи тиратронов и П, 1, - анодный ток тушащего тиратрона П 1, 1,и Е, - ток и напряжение в сети переменного тока,На сетки всех тиратронов (фиг, 1)с помощью батареи 10, приключенной; пл 1 осом к катоду, задано отрицательноесмещение, достаточное, чтобы заперетьтиратроны.Для зажигания тиратро нов служаткоммутаторы 13 и 15, Синхронный двигатель 12 вращает щетки 14 и 16, соединенные с полюсом батареи 11. Когдащетка стоит на каком-либо из контактовкоммутатора, на сетку тиратрона, соединенну 10 с данным контактом, подается, плюс и этот тиратрон может пропускатьток. На фиг, 4 и 5 кривая 1 в изобра.жает сеточное напряжение тиратрона П,кривая 1,п - сеточное напряжение тиратрона 1.Рассмотрим механизм прохождениятоков в этой схеме сначала при работев выпрямительном режиме (фиг. 4).В момент времени 1, напряжениев анодной цепи тушащего тиратрона П 1достигает той же величины, что и напряжение горящего тиратрона 11; таккак еще до моментами, в цепи сетки тиратрона П 1 было подано добавочное положительное напряжение напряжениебатареи 11), то в момент 1, ток с тиратрона П переходит на тиратрои 1 П.Если постоянная деионизации тира-,трона 1 достаточно мала, то к томумоменту, когда напряжение в цепи тиратрона П 1 снова станет ниже, чемв цепи тиратрона 1, последний надежнозаперт сеточным напряжением, и нагрузочный ток будет продолжать замыкаться через тиратрон Ш.Ток будет продолжать течь через тиратрон 1 П и после того момента, когданапряжение альтернатора 5 перейдетчерез нуль и примет отрицательное значение, При этом ток будет течь за счетэнергии, запасенной в индуктивностикатодного дросселя 3,В момент 1, напряжение, действующеев анодной цепи тиратрона 1 П, становйтсяниже, чем напряжение в цепи тиратрона П, Так как на сетку тиратрона Пеще задолго до момента 1., было поданоположительное напряжение, то с момента 1, ток начинает проходить черезтиратрон П.Сеточное напряжение тиратрона П 1к этому моменту уже отрицательно. Поэтому он деионизируется и, несмотря нато, что в интервале 1, - , бывают моменты, когда напряжейие в его аноднойцепи выше напряжения цепи тиратрона 11, он тока ие проводит.Незадолго до момента 1 на сетку тиратрона П 1 снова подается положительное напряжение и, так как в 1, напряжение в его анодной цепи становитсявыше напряжения в цепи тиратрона П,то ток переходит на тиратрон П 1, а тиратрон П потухает.В момент 84 ток снова переходит натиратрон 1, а затем через некоторое время он снова перекинется на тира- трон 1 П и т, д.На фиг. 4 заштрихованы те части периода кривых напряжений, в течение которых ток течет через соответствующие тиратроны.Кривая У 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 ГдТаким 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 П 1, который на короткий промежуток времени перехватывает на себя нагрузочный ток, Таким образом он вполне оправдывает свое назначение тушащего тиратрона,Если заставить тиратрон П 1 зажигаться в более ранний полупериод, то среднее значение кривой б станет меньше, т. е, уменьшится выпрямленное напряжение, ток в первичной обмотке силового трансформатора, а следовательно и в сети переменного тока, еще больше сдвигается в сторону опережения.В первом приближении можно считать, что для схемы фиг, 1 досовр= -- -д --Эд вахгде 1- максимальное возможное значенйе напряжения выпрямленного тока, Однако, в противовес обычным схемами управляемых выпрямителей сдвиг фаз в этой схеме не отстающий, а опережаЮщий.При каждом переходе тока от тира трона 1 к тиратрону П, а также при обрат ном переходе нагрузочный ток течет через тиратрон 1 П в течение, примерно, о;:- ного полупериода повышенной частоть причем проходит он дважды в течение каждого периода преобразуемого тока.В общем случае, когда преобразова тельная схема имеет т фаз, ток через тиратрон П 1 течет и раз в течение каждого периода преобразуемого тока, ,Поэтому, если частота переменного напряжения в анодной цепи тиратрона 111 в Ю раз выше частоты преобразуемого тока, то продолжительность протекания тока в его анодной цепи для схемы1фиг. 1 составляет - всего времени,йПоэтому кажущаяся мощность альтернатора в одной цепи тиратрона 111равна . - от мощности выпрямлен 1 Жного тока. Следует также указать, что эта мощность не является чисто ваттной мощностью, так как ток через тира- трон П 1 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 . (Ю - мощ%УЖ Д ность постоянного тока).Рассмотрим теперь фиг. 5, на которой изображены кривые токов и напряжений в схеме фиг. 1 при работе ее в инвертерном режиме,В момент 1, ток переходит с тира- трона 1 на тиратрон П 1, так как, начиная с этого момента, напряжение в анодной цепи тиратрона П 1 выше, чем напряжение в цепи тиратрона 1, а сеточное напряжение его положительно.К моменту 1., тиратрон 1 заперт сеткой; на сетке же тиратрона П в момент 1, уже положительное напряжение и, так как напряжение в цепи тиратрона П 1 после момента 1, становится более отрицательным, чем напряжение в цепи тиратрона П, ток в этот момент переходит с тиратрона П 1 на тиратрон П. Затем в момент 1, на сетке тиратрона 1 П снова оказывается плюс и ток опять переходит на тиратрон 111 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 Ь и питаемого повышенной частотой анода Ыимеется еще один вспомогательныйанод г, приключаемыйнепосредственнок нулевой точке силового трансформатора.Остальные обозначения на этой фигуре следующие: 1 - сеть переменного тока, 2 - силовой трансформатор,3 - сглаживающий дроссель, 4 - шиныпостоянного тока, б - альтернатор повышенной частоты, 6 - двигатель, вращаю щий этот альтернатор, 7, 8, 9 й 10 - сеточные сопротивления, 11 и 12батареисмещения, 13, 15 и 18 - коммутаторы,Щетки этих коммутаторов вращаются синхронным двигателем 20.В сеточной цепи анода г.имется выключатель 19, при замыкании которого насетку анода г все время подается положительное напряжение и последнийработает тогда, как простой, не управляемый анод,Чтобы не усложнять чрезмерно кривых токов и напряжений, разберем работу схемы согласно фиг. 2 только дляслучая, когда выключатель 19 замкнути анод г работает как не управляемый,На фиг, 6 даны кривые токов и напряжений в этой схеме при работе еев выпрямительном режиме (анод г, какусловлено, не управляется). Кривые Аи В - соответственно - напряжения наглавных анодах, В - напряжение повышенной частоты на вспомогательноманоде, Уи У, - анодные токи главныханодов, У в т анода я, У в т анода 4, У, и Е, - ток и напряжение в сетипеременного тока,Кривая Г, представляет собой напряжение сетки, управляющей анодом Ь.Кривая 1 Г - напряжение сетки, управляющей тушащимф анодом АВ момент 1, на сетку, управляющуюанодом Ь, подается положительный толчок напряжения и анод Ь начинает проводить ток. Ток через анод Ь течет домомента ,. За некоторое время до момента , йоложительное напряжение подается на сетку анода Ы. В момент 1,напряжение на аноде И становится равным напряжению, на аноде Ь. Так каксеточное напряжение анода И в этовремя также положительно, то нагрузоч:ный ток переходит с анода Ь на анод АВ, точке 1, напряжение в цепи анода Истановится ниже, чем напряжение в цепианода Ь; однако, если время деиониза- ,ции анода Ь достаточно мало, то токчерез анод Ь в момент , не возобновится, а будет продолжать течь через.анода Ы переходит через нуль.В схеме согласно фиг, 1 ток продол-жал бы течь через анод И и после этогомомента, но в разбираемой схеме фиг. 2в момент 1, ток перейдет на анод ги будет течь через него, пока не насту-пит момент зажигания анода И.Переход тока с анода Ы на анод гв момент 1, объясняется тем, что в цепианода И после момента , появляетсяотрицательная э. д. с.В цепи же анода г никакой э, д, с.нет и поэтому при помощи дросселя 3.легче заставить протекать нагрузочныйток через анод г, чем через анод И.В момент 1 на сетку анода а подаетсяположительный импульс и ток с анода гпереходит на анод а. В момент 16 токснова переходит на анод Ы, затем сновапереходит на анод г, через который течет до тех пор, пока снова не наступитзажигание анода Ь и т. д,Кривая У на фиг, 6 изображает напряжение между катодом и нулевойточкой трансформатора в том случае,когда анодработает каи ие управляемый. Кривая эта никогда не принимаетотрицательных значений, благодаря чемуамплитуды содержащихся в ней гармоник не так велики. Среднее арифметическое значение этой кривой и являетсяпостоянной составляющей выпрямленного тока 3,.Из фиг. 6 видно, что в схеме фиг. 2можно регулировать отдельно и уголзажигания и угол потухания главныханодов а и д.Таким образом, можно независимодруг от друга регулировать и напряжение выпрямленного тока У, и сдвигфаз в питающей выпрямитель сети. Этопредставляет известное преимуществосхемы фиг, 2 по сравнению со схемойфиг. 1. Некоторым недостатком же схемыфиг. 2 является наличие в ней лишнеговспомогательного вентиля или анода,Выше было отмечено, что значительная часть тока, проходящего через тушащий анод Ы, является безваттной. Поэтому можно включить в цепь анода резонансный контур, что и показано на фиг, 2, где в цепь анода д включенконденсатор 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 слеЮддует по формуле = ,мНаконец 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 туша- щего анода И 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 лишь трвх 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 преобразования электрического тока с применением управляемых ионных приборов, присоединенных к вторичной обмотке анодного трансформатора, имеющей нулевую точку, например, соединение звездой, отличающееся тем, что между нулевой точкой трансформатора и катодом ионных приборов включен вспомогательный управляемый ионный прибор-(например, тиратрон), в анодную цепь которого введен источник переменного напряжения. с частотой выше частоты преобразуемого переменного тока, с амплитудой, ббльшей 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 общимполюсом управляемых приборов включены два вспомогательных управляемыхионных прибора, в анодную цепь одного из которых введен источник переменного напряжения повышеннойчастоты,3, Формавыполнения устройства иопп. 1 и 2 применительно к управляемымвыпрямителям с жидким катодом, отличающаяся применением вспомогательных анодов, также снабженных 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 умно- жителя 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.