Коллектив авторов - История электротехники

Дальнейшее развитие преобразовательной техники показало перспективность и актуальность этих исследований. В послевоенные годы доля преобразовательной нагрузки в энергетическом балансе и ее влияние на работу энергосистемы возросли. Более жесткие требования национальных стандартов на качество энергии стало возможно выполнять лишь на основе схем с принудительной коммутацией и на основе схем с двухоперационными силовыми ключами. Помимо преобразователей, ведомых сетью, возросла роль автономных преобразователей. Среди них следует выделить две группы: автономные преобразователи для индукционного нагрева и трехфазные автономные инверторы для электропривода.

Инверторы с повышенной частотой (сотни — тысячи герц) использовались в качестве источников питания для мощных (сотни киловатт) установок индукционного нагрева либо в качестве промежуточного звена для преобразователей постоянного напряжения. Они выполнялись по схемам с параллельной, последовательной или комбинированной конденсаторной коммутацией. Принципиальной особенностью этих инверторов является необходимый для преобразователей на однооперационных вентилях опережающий характер тока. Первым подобную схему предложил в 1938 г. немецкий ученый В. Остендорф (W. Ostendorf), в последующие годы автономные инверторы на повышенные частоты в нашей стране исследовались И.Л. Кагановым, А.Е. Слухоцким, А.С. Васильевым.

Инверторы для электропривода интенсивно разрабатывались в 50-е годы. В эти годы в электроприводе стали очевидны как достоинства асинхронных двигателей, так и их принципиальное ограничение — необходимость изменения частоты питающей сети для регулирования скорости. В связи с этим большие надежды возлагались на трехфазные автономные инверторы с регулируемыми частотой и напряжением. Для асинхронного привода с глубоким регулированием характерно требование хорошего гармонического состава выходного напряжения. Принципы формирования трехфазного синусоидального напряжения методами широтно-импульсной модуляции потребовали разработки новых классов преобразователей, основанных на принудительной коммутации однооперационных вентилей.

Важным качественным усовершенствованием ртутного выпрямителя стало появление управляющей сетки. Первоначальная (диодная) функция ртутных вентилей с повышением рабочих напряжений потребовала введения экранов, защищающих анод от интенсивной бомбардировки потоками ионов.

Развитие конструкции экрана и независимое управление его потенциалом позволило изменять момент возникновения дугового разряда на анод. Ртутный вентиль становится прибором с управляемым моментом отпирания. Первые публикации об исследованиях ртутных вентилей с сеточным управлением относятся к 1933–1935 гг. (М.М. Четверикова, Н.Н. Петухов, М.А. Асташев) [11.9, 11.10]. Они привлекли внимание к возможности регулирования напряжения и защиты агрегата в аварийных режимах. В 1935 г. появились первые работы по исследованию инверторного режима ионного преобразователя частоты (так стали называть управляемый преобразователь электрической энергии на основе дугового разряда в управляемом вентиле). Эти исследования связаны с именем И.Л. Каганова.

Расположение шести анодов по окружности вакуумного бака обусловило большие размеры, технологическую сложность обработки крышки на карусельных станках. Изоляция деталей осуществляется фарфоровыми кольцами с прокладками из вакуумной резины. Это дает дополнительные сложности при изготовлении, транспортировке, сборке выпрямителя с вакуумной двухступенчатой системой откачки. Сборка выпрямителей требует высокой степени чистоты, а следовательно, больших объемов помещения, оснащенного подъемным оборудованием. Наконец, помещение должно отвечать жестким требованиям по температуре, удалению ртути и ее паров. Все это повышало стоимость транспортировки, сборки, эксплуатации и ремонта ртутно-выпрямительного оборудования. Поэтому в дальнейшем процесс совершенствования ртутно-выпрямительных агрегатов шел по пути создания:

одноанодных вентилей, которые комплектовались в агрегаты по шесть штук для построения трехфазных систем «звезда — две обратные звезды с уравнительным реактором»;

неразборных безнасосных агрегатов, в которых вакуум создавался в процессе изготовления и поддерживался в течение всего времени эксплуатации благодаря тщательной предварительной

обработке деталей (обезгаживания) и проверке вакуумной плотности всех сварных соединений.

Разработанные комплекты одноанодных вентилей РМНВ200х6 и РМНВ500х6 (ртутный, металлический, насосный, с водяным охлаждением на токи соответственно 1200 и 3000 А) составили основу выпрямителей для электрической тяги и электрометаллургии в послевоенные годы (рис. 11.2).

На базе неразборных отпаянных (безнасосных) агрегатов с управляемыми выпрямителями оказалось возможным создание мощных реверсивных электроприводов постоянного тока. Преобразователь существенно упрощается, у него отсутствует вакуумная система; делаются успешные шаги к переходу от водяного охлаждения к воздушному. Таким образом, он становится конструктивно и функционально завершенным узлом регулируемой преобразовательной системы. На внешнем рынке лидирующее положение занимали фирмы «Westinghouse» (США), «Allis-Chalmers», ASEA и «Brown-Bowery», (Швейцария). Последние две ныне объединились в одну из крупных европейских фирм ABB.

Наряду с ртутными вентилями, в которых имеется постоянно горящая дуга возбуждения, получили развитие игнитроны — ртутные вентили, в которых катодное пятно возбуждается каждый период. Зажигание дуги производится путем пропускания импульса тока через опущенный в ртуть катода карборундовый полупроводниковый стержень — игнайтер (поджигатель) (рис. 11.3). Возникающий при этом высокий градиент потенциала в точке контакта поджигателя с ртутью инициирует возникновение дугового разряда при положительном аноде. Отсутствие постоянно горящей дуги возбуждения повышает вентильную прочность благодаря отсутствию плазмы в неработающем вентиле, дает возможность регулирования тока изменением угла запаздывания поджигающего импульса по отношению к моменту естественного отпирания.

Наиболее успешное применение игнитрона нашли в промышленных сварочных агрегатах для точечной и шовной сварки. Кроме того, предпринимались попытки решить с помощью игнитронов проблему тяговых выпрямителей электрифицированных железных дорог (токи 100–200 А на один анод, напряжение до 3 кВ, 1938–1942 гг.). Разработка преобразователей на основе игнитронов в нашей стране связана с именем Б.М. Шляпошникова. В 40-е годы игнитроны успешно использовались в установках для индукционного нагрева [11.22, 11.23].