РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ
Глава XX
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
§ 89. Краткая история развития преобразователей тока
Область применения постоянного тока с каждым годом растет. В настоящее время постоянный ток используется для электролиза алюминия, цинка, меди и магния, для магистрального, пригородного и городского электротранспорта, в мощных электроприводах прокатных станов, в грузоподъемных устройствах, для возбуждения генераторов. Успешно решается такая важная народнохозяйственная задача, как передача на постоянном токе электроэнергии на дальние расстояния.
Первый трамвай в России был пущен в Киеве 2 мая 1892 г. Для питания трамвая в городе были построены специальные трамвайные паровые, а позднее дизельные электростанции с генераторами постоянного тока 600—700 в. Несмотря на такое громоздкое и дорогостоящее электроснабжение, трамвай был более экономичным и удобным, чем конка или паровые железные дороги.
Электропитание первого трамвая в Москве осуществлялось от тяговых подстанций, оборудованных вращающимися одноякорными преобразователями. Электроэнергия переменного тока напряжением 6 кВ, 25 гц для питания преобразовательных подстанций вырабатывалась на специальной электростанции. Для своего времени это был значительный прогресс в области электроснабжения.
Первые ртутные выпрямители, разработанные в США Купером-Хьюиттом, были со стеклянными корпусами и имели ограниченную мощность. Только после реализации идеи Белла Шеффера об изготовлении вакуумных корпусов из стали ртутные выпрямители начали успешно конкурировать с вращающимися преобразователями. Первые металлические выпрямители в США были построены в 1908 г., а в Европе — в 1910 г.
Первый отечественный ртутный выпрямитель был разработан и построен В. К. Крапивиным на заводе «Электросила» в 1924 г., а в 1927 г. этот завод уже перешел на серийный выпуск металлических ртутных выпрямителей типа РВ. Выпрямители постепенно совершенствовались и мощность их возросла к 1941 г. до 7000 а при 600 в. Выпуск отечественных ртутных выпрямителей был обеспечен благодаря работам советских ученых и инженеров В. П. Вологдина и В. К. Крапивина, Л. М. Клячкина, К. М. Глуха, И. Н. Фалеева и других.
Несмотря на преимущества ртутных выпрямителей перед другими, предшествовавшими им, типами преобразователей, подлинный прогресс в преобразовательной технике пришел с появлением силовых полупроводниковых вентилей.
Области применения современных полупроводниковых вентилей весьма многогранны. На основе силовых полупроводников могут быть следующие виды преобразователей:
а) выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный (электропривод, электрическая дуга, электролиз, металлургия, линии передач постоянного тока);
б) инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный (электрическая тяга, линии электропередач постоянного тока);
в) преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты (люминесцентное освещение, питание электроинструментов, электропривод);
г) преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (электрическая дуга);
д) преобразование однофазного переменного тока в многофазный;
е) преобразование многофазного переменного тока в однофазный;
ж) наконец, применение полупроводников для создания бесконтактной коммутирующей аппаратуры.
§ 90. Основные сведения о ртутных выпрямителях
Современные ртутные выпрямители выпускаются разнообразных типов и классифицировать их можно следующим образом: по конструкции вакуумного корпуса выпрямители могут быть стеклянными, стеклянно-металлическими и металлическими;
по способу получения вакуума выпрямители бывают запаянные (безнасосные) и с насосами (разборные). Охлаждение выпрямителей воздушное и водяное;
по способу зажигания главной электрической дуги выпрямители разделяются на имеющие постоянно горящую вспомогательную дугу возбуждения (экситроны) и на те, у которых дуга зажигается только в начале работы каждого анода (игнитроны) ;
по способу регулирования напряжения выпрямленного тока выпрямители делятся на неуправляемые и с управляющими сетками;
наконец, по конструкции корпуса выпрямители разделяются на многоанодные, в которых все аноды расположены в одном вакуумном корпусе и имеют общий катод, и одноанодные, у которых каждый анод и катод расположен в своем вакуумном корпусе.
На трамвайно-троллейбусных тяговых подстанциях нашли применение следующие типы ртутных выпрямителей:
- РМНВ-1000 — многоанодный ртутный выпрямитель металлический, насосный, с водяным охлаждением на 1000 а выпрямленного тока при выпрямленном напряжении 600 в. Выпрямитель комплектовался с трансформатором типа ТМРУ-1200 с номинальной мощностью 685 кВА.
- РМНВ-500Х6 — одноанодный выпрямитель, состоящий из шести цилиндров по 500 а. Выпрямитель имеет выпрямленный ток 3000 а и комплектуется с трансформатором типа ТМРУ-2600 с номинальной мощностью 1350 кВА.
- РМ-500 — выпрямитель металлический безнасосный (запаянный) на выпрямленный ток 500 а. Два таких выпрямителя обычно комплектуются с одним трансформатором типа РМНВ-1200.
Несмотря на совершенство современных ртутных выпрямителей, все они имеют недостатки: относительно большие потери энергии в электрической дуге, сложное вспомогательное оборудование, сложную систему автоматического управления и контроля; заражение атмосферы машинного зала ртутными парами, сложную и дорогую систему водоснабжения.
На смену ртутным выпрямителям появились полупроводниковые кремниевые выпрямители. Первый отечественный полупроводниковый кремниевый выпрямитель для тяговой подстанции был разработан и изготовлен кафедрой электрического транспорта МЭИ под руководством проф. Ефремова И. С. и автора. Этот выпрямитель на ток 1000 а напряжением 600 в был включен в эксплуатацию в начале 1960 г.
С 1964 г. началось бурное внедрение кремниевых выпрямителей. Современные кремниевые выпрямители для тяговых подстанций трамвая и троллейбуса выпускаются Запорожским электроаппаратным заводом на 1000, 2000 и 3000 а выпрямленного тока.
Быстрое внедрение кремниевых выпрямителей можно объяснить следующими их преимуществами перед ртутными:
- повышение к. п. д. выпрямленного агрегата на 3% за счет меньшего падения напряжения в вентилях;
- малая мощность вспомогательных аппаратов;
- простая система управления, контроля и автоматизации;
- возможность включения на полную номинальную мощность в любое время независимо от окружающей температуры и времени простоя;
- большая надежность. Выход из строя отдельного кремниевого вентиля менее вероятен, чем повреждения ртутного вентиля, и в то же время повреждение одного кремниевого вентиля не вызывает необходимость немедленного отключения агрегата;
- простота обслуживания, осмотра и ремонта. Для осмотра и ремонта кремниевых выпрямителей не требуется специальных помещений и мастерских;
- большой срок службы. Если ртутные выпрямители типа РМ-500 имели срок службы 2—3 года, РМНВ-1000 и РМНВ-500Х6—16 лет, то ожидаемый срок службы кремниевых выпрямителей — 25 лет;
- не требуют водяного охлаждения;
- имеют малый вес и малые габариты.
§ 91. Типы кремниевых неуправляемых вентилей
Кремниевые выпрямители комплектуются из последовательно и параллельно соединенных вентилей. Знание основных технических характеристик и параметров вентилей позволяет рационально сконструировать выпрямитель и правильно его эксплуатировать.
Современные полупроводниковые вентили классифицируют: по материалу полупроводников — на германиевые и кремниевые; по вентильным качествам — на неуправляемые (диоды), управляемые (тиристоры) и симметричные (управляемые в двух направлениях); по типу и виду применяемых охладителей — с воздушным естественным охлаждением, с воздушным принудительным охлаждением и принудительным водяным охлаждением; по технологии изготовления — на диффузионные и сплавные; по максимально допустимому обратному току — на обычные, в которых обратный ток не должен превышать нескольких десятков миллиампер, и лавинные, у которых величина обратных токов ограничивается лишь допустимым временем их прохождения.
Рис. 91-1. Разрез кремниевого силового вентиля
Конструкция современного кремниевого диода может быть представлена в следующем виде. Основным элементом вентиля является электронно-дырочный переход, образующийся из соединений кремниевых диодов р- и η-типа. Кремниевая полупроводниковая пластина с р—η-переходом очень хрупка и обладает отличным от меди температурным коэффициентом. Вследствие этого кремниевая пластина припаивается к медным электродам между двух молибденовых или вольфрамовых дисков 7 и 9 (рис. 91-1).
Основанием вентиля является медный кристаллодержатель 10 с резьбой, позволяющей присоединить к вентилю охладитель. С другой стороны в кристаллодержатель впрессован стальной корпус 6 со стеклянным или керамическим изолятором 2 с внутренней втулкой 4.
Выпрямительный элемент 8 через верхнюю термокомпенсированную вольфрамовую пластину 7, контактную чашечку 1 соединяется с внутренним гибким выводом 3. Внутренний вывод через втулку соединяется с наружным гибким выводом 5.
Герметизация внутренней полости вентиля обеспечивается с одной стороны плотной запрессовкой корпуса 6 в основание кристаллодержателя 10, с другой стороны — изолятором 2, спаянным с корпусом 6 и втулкой 4.
При прохождении тока через вентиль в прямом направлении в переходе, тросиках, контактах и в других частях создается некоторое падение напряжения, вследствие чего имеет место потеря мощности и нагрева вентиля. Так как нормальная работа кремниевого вентиля возможна только до определенной температуры р—η-перехода, то для лучшего использования вентилей их охлаждают.
При воздушном охлаждении применяют радиаторы с развитой охлаждающей поверхностью (рис. 91-2). Радиаторы могут быть медными или силуминовыми с числом ребер 2, 4, 6, 7, 8 и 10. При применении силуминовых радиаторов в целях устранения электрической пары (медь — силумин) для токосъема применяют медную шинку, которая крепится между вентилем и радиатором.
Радиаторы, охлаждаются потоком воздуха, прогоняемым вентилятором между ребрами. Скорость принудительного потока воздуха обычно принимается от 5 до 15 м/сек, но может быть и естественное воздушное охлаждение.
Жидкостные охладители с принудительным потоком жидкости состоят из медного корпуса 1 с патрубками 2 (рис. 91-3).
Жидкостные охладители обеспечивают лучший теплоотвод, чем воздушные, но при большом числе вентилей конструкция выпрямителя сильно усложняется вследствие наличия шлангов. При применении в качестве охлаждающей жидкости воды добавляются еще и другие трудности — обеспечение изоляции между вентилями и устранение электрокоррозии.
Рис. 91-2. Радиатор воздушного охлаждения вентилей
Рис. 91-3. Жидкостный охладитель вентилей
Охлаждение вентилей иногда производят, располагая их вместе с радиатором в сосуде с трансформаторным маслом. При этом циркуляция масла может быть естественной и принудительной при помощи насоса. В последнем случае общая циркуляционная система нуждается в дополнительном устройстве для охлаждения нагретого масла.