История электротехники

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].

Помимо уже упомянутых ионных приборов с дуговым разрядом — ртутных выпрямителей появилось обширное семейство маломощных ионных приборов, получивших широкое распространение в преобразовательной технике и автоматике.

Основной целью применения ионных приборов в преобразователях малой и средней мощности было создание управляемых выпрямителей с более высокими технико-экономическими показателями, чем у вакуумных кенотронных преобразователей и двигатель-генераторных агрегатов. Основной возможностью повышения КПД в выпрямителях сравнительно низкого напряжения (на десятки — сотни вольт) является уменьшение прямого падения напряжения, что оказалось возможным благодаря компенсации объемного заряда электронов, эмитируемых накаленным катодом, зарядом положительных ионов, генерируемых в столбе разряда. Простейшие приборы этого класса — выпрямительные газотроны на напряжения в сотни вольт разрабатывались на заводе «Светлана» с 1929 г. (рис. 11.4). Совершенствование конструкции позволило к 1932 г. освоить выпуск газотронов для нужд радиопромышленности (питания мощных усилителей и радиопередатчиков) с предельными параметрами в несколько киловольт и токами до десятков ампер. Разряд существовал в парах ртути при относительно низком давлении, которое способствовало повышению вентильной прочности.

С 1932–1933 гг. завод «Светлана» начал серийный выпуск выпрямительных газотронов с наполнением аргоном и неоном при сравнительно высоком давлении (несколько миллиметров ртутного столба). Высокое давление газа позволило получить разряд при сравнительно низком падении напряжения (12–15 В). Приборы получили название «тунгар»: тунгстем (вольфрам)-аргон — такими были материалы одного из родоначальников этого класса приборов. На другом полюсе шкалы напряжений находятся разработанные «Светланой» многосекционные газотроны на 100–200 кВ и ток 1–2 А.

Несмотря на высокие энергетические показатели, газотроны были ненадежны и капризны в эксплуатации, где требовалось неукоснительное выполнение последовательности операций пуска: вначале включается цепь накала катода, через несколько минут эмиссия катода достигает значения, превышающего ток нагрузки, только после этого можно включать питание анодных цепей. Нарушение этого правила либо случайный обрыв цепи накала приводили к быстрому уменьшению тока эмиссии, возрастанию прямого падения напряжения и разрушению катода ионной бомбардировкой. Тем не менее в течение 40–50-х годов эти приборы занимали важную нишу массовых выпрямителей малой и средней мощности.

Большая потребность в управляемом газоразрядном приборе привела к созданию и быстрому росту промышленного выпуска других газоразрядных приборов — тиратронов, у которых в пространстве между анодом и катодом размещается управляющая сетка.

Разработчиков аппаратуры сразу привлекла возможность выполнения различных средств управления и регулирования на основе тиратронов. В 50-х годах большие усилия были приложены к созданию ионных преобразователей частоты на основе тиратронов. По существу, большинство схемотехнических решений в области преобразователей родилось в эти годы. Вследствие того что время восстановления запирающих свойств сетки составляет сотни микросекунд, особое внимание было уделено автономным инверторам тока с рабочей частотой до сотен герц. Однако создание промышленных образцов преобразователей оказалось в те годы невозможным в силу несовершенства силовых приборов и устройств управления.

Потребности в мощных ключевых приборах с высоким быстродействием для нужд радиолокационной техники привели к разработке перспективного класса ионных приборов — импульсных водородных тиратронов (рис. 11.5). Малое время деионизации (доли микросекунды) позволило получить микросекундные импульсы тока в десятки и сотни ампер при напряжении несколько киловольт. Эти приборы разрабатывались на Московском электроламповом заводе (ныне объединение «МЭЛЗ»), в их создании важную роль сыграли работы Т.А. Ворончева.