книги / Электротехнические устройства радиосистем

гельно, нагрев последнего. Мощность потерь в вентиле Р„ определяется максимальной температурой, при которой он не утрачивает вентильных свойств, и условиями охлаждения вентиля. Таким образом, мощность потерь и среднее значение тока в прямом направлении не яв­ ляются величинами постоянными, так как любой вентиль при различных условиях охлаждения может допускать различные мощности потерь, выделяющиеся на его вну­ треннем сопротивлении. Допустимая мощность потерь определяется действующим значением тока через вен­ тиль

но для удобства расчета выпрямителя обычно указы­ вается среднее значение тока в прямом направлении.

Амплитуда тока вентиля в прямом направлении огра­ ничена либо величиной тока эмиссии катода (кенотро­ ны с вольфрамовым катодом), либо началом разруше­ ния катода (кенотроны с активированным катодом, газотроны, тиратроны).

Д о п у с т и м ы м о б р а т н ы м н а п р я ж е н и е м называется такое наибольшее напряжение, которое мо­ жет быть приложено к вентилю в обратном (непроводя­ щем) направлении, не подвергая его опасности пробоя.

При воздействии обратного напряжения на вентиль обратный ток настолько мал, что не оказывает никакого влияния на работу выпрямителя. Если же приложить

к	вентилю обратное напряжение больше допустимого,
то	обратный ток будет резко возрастать, что приведет
к	пробою вентиля и он утратит вентильные свойства,

т. е. окажется одинаково проводящим как в прямом, так и в обратном направлениях.

Такие параметры вентиля, как внутреннее сопротив­ ление в прямом направлении и амплитуда тока через вентиль не зависят от схемы выпрямления, в которой используется данный вентиль. При любом числе фаз выпрямителя в некоторый момент ток нагрузки проте­ кает через один какой-нибудь вентиль, и если амплитуда тока окажется больше допустимого значения для дан­ ного вентиля при какой-либо одной схеме выпрямления, то данный вентиль не может быть использован и в лю­ бой другой схеме выпрямления при неизменных пара­ метрах на выходе выпрямителя (сопротивление нагруз­ ки и емкость конденсатора).

Среднее значение тока в прямом направлении и об­ ратное напряжение, приложенное к вентилю, различны для разных схем выпрямления. Поэтому если вентиль не пригоден по этим параметрам при одной какой-либо схеме выпрямления, то при другой схеме данный тип вентиля может оказаться приемлемым. При больших

токах в нагрузке часто при­

ходится

вентили

соединять

параллельно,

так

как допу­

стимые средние значения то­

ка вентиля оказываются не­

достаточными.

Для

равно­

мерного

распределения

тока

между

параллельно

соединенными

вентилями

необходимо совпадение пря­

мых ветвей их вольт-ампер-

ных характеристик. Если же

Рис. 6-4. Несовпадающие пря­

эти

характеристики не

сов­

падают

(рис.

6-4,а)

(кри­

мые ветви вольт-амперных ха­

рактеристик

двух вентилей (а)

вые

1 и

2), то при

парал­

и схема

включения

дополни­

лельном

соединении

двух

тельных

сопротивлений, вырав­

вентилей токи, протекающие

нивающих

нагрузки

вентилей

при

их

параллельном

соедине­

через них,

будут

различны

нии

(б).

( I \ > h )

при одинаковом

на­

пряжении

на

них t/n, т. е.

первый

вентиль

перегружается

и

может

выйти

из

строя тогда, когда второй вентиль недогружен. Для равномерного распределения токов в параллельно вклю­ ченных вентилях включаются последовательно с ними балластные сопротивления гв (рис. 6-4,6), величина ко­ торых в несколько раз больше сопротивления вентиля в прямом направлении.

Если обратное напряжение в схеме выпрямления ока­ зывается больше допустимого значения для данного типа вентиля, то вентили соединяют последовательно. При этом необходимо совпадение обратных ветвей вольт-амперных характеристик, так как при их несовпа­ дении (рис. 6-5,а кривая 1 и 2) один вентиль окажется под большим обратным напряжением, чем другой (tAoG>^2oG) при одинаковых обратных токах / 0GpСле­

довательно, вентиль, оказавшийся под большим обрат­ ным напряжением, может быть пробит. При несовпа­ дении обратных ветвей вольт-амперных характеристик

Для равномерного распределения напряжения последо­ вательно соединенные вентили шунтируются сопротивле­ ниями гш (рис. 6-5,6), величина которых в несколько раз меньше обратного сопротивления вентиля.

В современных выпрямительных устройствах в зави­ симости от условий работы находят применение вентили следующих типов: кенотроны, газотроны, ртутные кол­ бы и полупроводниковые вентили (купроксные, селено­ вые, германиевые и кремниевые). В регулируемых вы­

Рис. 6-5. Несовпадающие
обратные		ветви		вольт-
амперных		характеристик
двух вентилей			(а)	и	схе­	ио6р1	и0бр2
ма	включения			шунти-					и
руюших		сопротивлений
для	равномерного				рас­
пределения обратных					на­
пряжений		между		венти­
лями	при	их	последова­
тельном соединении					(б).
прямителях			применяются				управляемые		вентили— тира­
троны,		экситроны (ртутные вентили						с	управляющими
сетками),			игнитроны			й	тиристоры	(четырехслойные
управляемые кремниевые диоды).

Кенотроны обладают высоким допустимым обратным напряжением, но их сопротивление относительно велико. Мощность, потребляемая цепыо накала, составляет так­ же заметную величину в сравнении с мощностью на выходе выпрямителя. Поэтому кенотроны находят при­ менение в выпрямительных устройствах сравнительно высоких напряжений и небольшой мощности, т. е. там, где к. п. д. не имеет первостепенного значения. Достоин­ ством кенотрона является независимость его парамет­ ров от внешних условий (температуры, влажности

ит. д.).

Вгазотронах и тиратронах падение напряжения со­ ставляет 15—20 в и не зависит от тока нагрузки. Эти вентили целесообразно применять при больших токах (десятки ампер) и достаточно высоких напряжениях (сотни вольт). Мощность, расходуемая на накал вен­ тиля, составляет несколько десятков ватт и при больших мощностях незначительно снижает к. п. д. выпрямите­ ля. Промышленность выпускает газотроны и тиратроны,

наполненные парами ртути или инертным газом. Прибо­ ры с ртутным наполнением имеют узкий предел рабочих температур (15—50°С), но срок службы их больше, чем у приборов с газовым наполнением. Повышение темпе­ ратуры вызывает увеличение давления паров ртути, вследствие чего резко уменьшается допустимое обратное напряжение вентиля и возможен его пробой. При пони­ жении температуры увеличивается прямое падение на­ пряжения и начинается интенсивное разрушение катода тяжелыми ионами. Недостаточный разогрев катода также ведет к увеличению прямого падения напряжения и к разрушению катода. Поэтому напряжение накала должно быть неизменным (допустимые пределы его из­ менения —5-т-+ 10% от номинала) и перед включением анодного напряжения необходим прогрев катода в тече­ ние времени, указанного в паспорте прибора (30-~ 40 сек). Недопустима работа прибора при отключенном накале. Поэтому в цепи накала газотронов и тиратронов предохранители не устанавливают.

Ртутные вентили (экситроны и игнитроны) являются ионными приборами с жидким катодом, допускающим большие плотности тока, благодаря чему эти приборы выдерживают большие перегрузки. В настоящее время эти приборы применяются в устройствах очень больших мощностей, главным образом на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог.

Наиболее широко в выпрямительных устройствах применяются полупроводниковые вентили — селеновые, германиевые и кремниевые. Купроксные вентили нахо­ дят применение в измерительной технике, так как они обладают стабильными параметрами. В силовых устройствах применение купроксных вентилей нецеле­

сообразно,	так как	допустимое	обратное напряжение
(12 в на	элемент)	и плотность	тока (30—50 ма/см*)

у них малы.

Селеновые вентили подразделяют на следующие че­ тыре серии: А и Г — с допустимым нагревом вентиля соответственно до 75 и до 80° С, Е — с допустимой тем­ пературой окружающей среды до 100° С, Я — с двойной плотностью тока.

В зависимости от величины допустимого обратного напряжения селеновые вентили подразделяются на

классы В	(28 в), Г (36 в), Д (42 в ),	Е (49 в ),	И (56 б),
К (63 в).	В зависимости от прямого	падения	напряже­

ния при прохождении через вентиль классификационно^

го тока	вентили разделяются	на группы: 3-я (0,45—
0,55 в)	и 2-я (0,55—0,65 в).	Вентили одного класса

могут быть соединены последовательно, а одной груп­ пы — параллельно.

Германиевые и кремниевые вентили выгодно отлича­ ются от селеновых большей величиной допустимого об­ ратного напряжения (несколько сотен вольт) и высокой плотностью тока (примерно 100 а/см2), что позволяет получить большие мощности при малых габаритах.

В регулируемых выпрямителях и в инверторах широ­ ко используются тиристоры - - кремниевые четырехслой­ ные управляемые приборы. Вольт-амперная характери­ стика тиристора подобна характеристике тиратрона, но прямое падение напряжения на открытом тиристоре очень мало (менее 0,5— 1 в).

6-3. РАБОТА В Ы ПРЯМ ИТЕЛЯ НА А КТИ В Н О Е С О П РО ТИ В Л ЕН И Е

Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от характера его нагрузки, так как цепи переменного и постоянного тока электрически связаны между собой.

Случай идеальной

активной

на­

грузки выпрямителя

относительно

редок и находит применение лишь

для питания цепей, не требующих

ограничения

переменной

состав­

ляющей

в

кривой

выпрямленного

напряжения

(цепи

сигнализации,

контроля, защиты и т. д.). Схема

многофазного

выпрямителя,

на­

груженного

на

активное

сопро­

тивление, изображена на рис. 6-6.

Такой

выпрямитель

состоит

из

Рис. 6-6. Схема трех­

трансформатора,

имеющего

т-фаз-

ную

систему вторичных

обмоток

фазного выпрямителя,

нагруженного

на

(на схеме

показан

частный

слу­

активное

сопротив­

чай

трехфазной

обмотки),

сое­

ление.

диненных

звездой,

а

свободные

зажимы

их

подключены к анодам вентилей, катоды

всех

вентилей

соединены

в

общую

точку,

образуя

положительный

полюс

на

выходе выпрямителя. Отри-

Нательным полюсом является средняя точка вто­ ричных обмоток трансформатора. Если свободные зажи­ мы вторичных обмоток трансформатора подключить к катодам вентилей, то изменится полярность выход­ ного напряжения. Однако этого не делают, так как одно­ тактные схемы (схемы, в которых ток в обмотке транс­

форматора

не

меняет

на­

правления)

находят

приме­

нение в основном в ионных

вентилях.

При

соединении

катодов

в

общую

точку

можно

ограничиться

одним

трансформатором

накала,

а

в

ртутных

выпрямителях

при

любом

числе

анодов

имеется один общий катод

и,

следовательно,

схема

с

объединенными анодами не­

возможна.

Для

упрощения

будем

считать вентили и трансфор­

В)

матор идеальными, т. е. со­

противление

вентиля

в пря­

Рис. 6-7. Кривые изменения во

мом

направлении

равно ну­

времени.

вторичных

лю,

а

в

обратном — беско­

а — фазных напряжений

нечно

велико

и

трансфор­

обмоток;

6 — выходного

напряже­

ния выпрямителя

н тока

нагрузки;

матор не имеет активного и

в — тока

в фазе

вторичной обмотки

трансформатора.

реактивного

сопротивлений.

При

включении

первичной

обмотки в сеть переменного тока в фазах вторичных обмоток индуктируются э. д. с. иа, иь, Uc сдвинутые по

фазе на	2л/m (в	трехфазной схеме	на	2я/3), что изо­
бражено	на рис.	6-7,а. Выбрав произвольно момент
времени	/ь видим,	что анод вентиля	1	(рис. 6-6) имеет

наиболее высокий потенциал по отношению к катоду. Следовательно, вентиль 1 открыт и под действием э. д. с. иа будет протекать ток от точки а фазы вторичной об­ мотки, вентиль 1, сопротивление нагрузки г„ к нулевой О точке вторичных обмоток трансформатора. Напряжение на нагрузке равно мгновенному значению э. д. с. иа, так как падение напряжения в идеальном выпрямителе (в трансформаторе и вентиле) равно нулю. В момент t\ в фазе с напряжение также положительно, но меньше, чем иа- Поэтому потенциал анода вентиля 3 ниже, чем

потенциал его катода, и, следовательно, вентиль 3 будет закрыт.

Таким	образом, в течение	части периода	2я//п э. д. с.
в фазе а	имеет наиболее	положительное	значение и

вентиль 1 остается открытым. Начиная с момента вре­

мени t2, наиболее				положительное				значение	приобретает
э. д. с.	фазы		b	ип,	вследствие
чего открывается вентиль 2 и
вступает в работу фаза 6. На­
чиная с момента t3 вступает в
работу фаза с и т. д.
Напряжение на выходе							вы­
прямителя		«о	в	любой		момент
равно	мгновенному					значению
э. д. с. фазы вторичной обмот­
ки, в которой			вентиль		открыт, и,			Рис. 6-8. Кпивая выпрям­
следовательно				выпрямленное
								ленного	напряжения и
напряжение		и0 имеет				вид	кри­	его постоянная состав­
вой, огибающей напряжения всех								ляющая.
фаз	(рис. 6-7,6).			Так		как	ток

в нагрузке равен отношению выпрямленного напря­ жения к сопротивлению нагрузки, т. е. lo = Uolrw то в ином масштабе кривая и0 представляет собой кривую тока /о.

Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагру­ женном на активное сопротивление, каждая фаза вто­ ричной обмотки трансформатора работает один раз за период в течение части периода 2я/m, причем ток в ра­ ботающей фазе равен току нагрузки. Кривая тока в фа­ зе а вторичной обмотки (рис. 6-7,в) имеет форму прямо­ угольника с основанием 2я /т и ограниченного сверху отрезком синусоиды. Токи в фазах Ь и с изобразят­ ся подобными кривыми, сдвинутыми по фазе относи­ тельно кривой тока фазы а на 2я /т и 2 • 2я /т соответ­ ственно.

Выбрав начало отсчета времени в момент, соответ­ ствующий амплитуде напряжения в фазе вторичной об­

мотки (Умакс	(рис. 6-8),	выпрямленное	напряжение	ио
в интервале	с о /= ± я /т	определим следующим выраже­
нием:
	UQ—	LJм а к с COS 0 )£ .
Постоянная составляющая (среднее			значение)	вы-

187

прямленного напряжения

	+ —	—
	т	т
ио=	J “ о ^	JишксCOS orf < Ы = ~ и шКС sin
	__*	о
	т

(6- 1)

При расчете выпрямителя задается выпрямленное напряжение на нагрузке и определяется напряжение фа­ зы вторичной обмотки трансформатора, действующее значение которого равно:

и г = и 0-	- я- .	(6-2)
ml/"2 sin —
r	m

Кривая выпрямленного напряжения, помимо посто­ янной составляющей, содержит также переменную со­ ставляющую. Так как период изменения кривой ио в т раз меньше периода изменения тока питающей се­ ти, частота первой гармоники переменной составляющей

вт раз больше частоты тока 'питающей сети, т. е. Д=

=mfc.

Гармонический ряд для кривой и0 имеет вид:

и0= U0+ иуcosrmt +		и2cos2 r m t -f-... +
+	cos£	...,

где Uu w2, . — амплитуда первой, второй и т. д. гармо­ ник: со — угловая частота тока питающей сети.

В силу симметрии кривой и0 относительно оси орди­ нат все члены с синусами в гармоническом ряде отсут­ ствуют. Амплитуда k-n гармонической переменной со­ ставляющей

			тс
		т	т
	“k=		I	cos krmt d w t =
		7Z
			тс
			7п
=	2/72 С
	—— 1 {/макс cos (ot cos krmt dwt =
	0	n		2	___ JJ	2
m п							(6-3)
= —	макс S in —		(kmy		f — U„ (fem)2 _ f
Это выражение		справедливо			при m ^ 2 .

Содержание переменной составляющей в кривой вы­ прямленного напряжения в относительных единицах или процентах определяется соотношениями:

Ч ъ	2	И ъ	4 лл	200	« I
TJl~(kmy— 1 ИЛИ вк =		~Щ’	00 =	_ !>	/о-

На практике переменная составляющая или пульса­ ция напряжения оценивается по первой гармонике, имеющей наибольшую амплитуду и наинизшую частоту.

Для первой гармоники	(&=1) пульсация равна:
2	200	0,
е*=Т #=л	или e> = W = T '	° / «•

Так как каждая фаза вторичной обмотки трансфор­ матора и каждый вентиль в однотактных схемах рабо­ тают один раз за период в течение части периода 2я/т, то среднее значение тока в обмотке трансформатора и через вентиль в т раз меньше тока нагрузки, т. е.

/ ср = Io/ttl.

Действующее значение тока вторичной обмотки и вентиля

,	_ /~	1 ,	1 -	2тс	..
= /макс у		2т	"4я	S in ~ т '	(6 ' 4 )

где / Макс — амплитуда тока вторичной обмотки, равная

Г __^макс __	«о	п	__ Т	п
/макс — г —	г	п	7 о	- ’

m sin —	in s in ----
m	m

Коэффициент формы кривой тока вторичной обмотки

(6-5)

Линейное напряжение первичной обмотки Uui отли­ чается от линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора £/2л на коэффициент трансформации п, т. е. и 1л= и 2лП- Отсюда легко определить соотношение между величинами фазных напряжений вторичной и первичной обмоток для различных схем соединения по­ следних. Соотношения между токами в фазах первич­ ных и вторичных обмоток зависят не только от коэф­ фициента трансформации и схемы соединения первич­ ных обмоток, но от числа фаз первичных mj и вторичных т 2 обмоток.

При одинаковом числе фаз первичных и вторичных

обмоток	(mi = m2) и одинаковых схемах соединения
обмоток	(звезда — звезда) действующее значение тока

фазы первичной обмотки меньше приведенного значения тока вторичной обмотки, так как в кривой тока пер­ вичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, т. е.

1/о

пт

Если число фаз вторичных обмоток больше	числа
фаз первичных обмоток (m2>m i) в 2, 3 и т. д.	раза,

то в каждой фазе первичной обмотки будет т2/т{ им­ пульсов тока за период и действующее значение равно:

Полезная мощность выпрямителя равна произведе­ нию выпрямленного напряжения на ток (средние значе­ ния), т. е.