История электротехники - Коллектив авторов

Исследования процессов в дуговом разряде, определение свойств материалов, способных работать в условиях высокого вакуума и в газоразрядной плазме, разработка конструкции силовых вентилей — таковы важнейшие вопросы, которые решались в лабораториях заводов «Электросила», «Светлана» и в электровакуумных лабораториях ВЭИ.

Преобразование тока с применением газоразрядных (ионных) приборов оказалось наукоемкой областью электротехники. Создание мощных приборов, способных работать в широком диапазоне токов, при различных температурах окружающей среды стало возможным лишь на основе глубоких представлений о физических процессах. Среди советских ученых, чей вклад в исследования физики газового разряда особенно заметен, назовем В.А. Фабриканта, исследовавшего оптические свойства разряда [11.6], В.Л. Грановского, изучавшего процессы деионизации разрядного промежутка в ионных приборах, Б.Н. Клярфельда, занимавшегося свойства-

ми положительного столба разряда в приборах с накаленным и ртутным катодами. Их работы, впервые опубликованные в 1940 г., получили широкое признание во всем мире [11.5–11.8]. Автор ряда крупных работ в области ионных приборов и силовой схемотехники И.Л. Каганов обеспечил выпуск специалистов в области газового разряда, электротехники и импульсной техники [11.15].

Проектированием преобразовательных подстанций занимался проектный институт «Тяжпромэлектропроект». Важную роль сыграли работы Г. А. Ривкина — сотрудника этого института.

История развития преобразовательной техники в нашей стране начинается с создания первых стеклянных ртутных вентилей с ртутным катодом в Нижегородской лаборатории В.П. Вологдина в 1921 г. Стеклянные вентили выпускались для выпрямления напряжения промышленной сети; специальные конструкции высоковольтных вентилей использовались для питания радиопередающих устройств. Ртутные вентили зарекомендовали себя сравнительно надежными и долговечными. Конструкция ртутного вентиля подразумевала использование схем с общей нулевой точкой. Соединение трансформаторов в трехфазных схемах выполнялось по схеме звезда — звезда или звезда — зигзаг при больших мощностях [11.11].

Каскадные схемы выпрямительных агрегатов с последовательным включением отдельных изолированных выпрямителей, предложенные в 1921 г. В.П. Вологдиным, позволили разработать выпрямители высокого напряжения. На основе каскадных схем в 1926–1927 гг. был выполнен ртутно-выпрямительный агрегат мощностью 120 кВт и напряжением 12 кВ для питания радиостанций.

Ограниченные токи и напряжения стеклянного ртутного вентиля заставили искать пути увеличения единичной мощности вентиля. Важным этапом на этом пути стало создание в 1926 г. на ленинградском заводе «Электросила» металлического многоанодного ртутного вентиля РВ-5 на напряжение 600 В и ток 500 А (рис. 11.1). Это был разборный агрегат с непрерывно действующей двухступенчатой вакуумной откачной системой и с водяным охлаждением. Выпрямитель был оснащен электромагнитным устройством поджига дуги. На основе РВ-5 была создана серия агрегатов, которая позволила довести выпрямленный ток до 1,6–1,8 кА при напряжении 825 В. Это позволило отказаться от электромашинных преобразователей для питания тяговых сетей уже на первых линиях метрополитена в Москве. Дальнейшее повышение вентильной прочности дало возможность перевести на ртутно-выпрямительные агрегаты питание пригородных электропоездов напряжением 3,3 кВ [11.14–11.16].

В 1923 г. А.Н. Ларионовым была предложена трехфазная мостовая выпрямительная схема, которая стала самой популярной в эпоху полупроводниковых силовых преобразователей [11.24]. С ростом мощности агрегатов стали актуальными вопросы влияния преобразователей на питающую сеть. В дополнение к известному показателю энергетической эффективности — углу сдвига добавились такие, как коэффициент искажений формы потребляемого тока и фазовая асимметрия. Работа управляемого выпрямителя сопровождается ухудшением косинуса угла сдвига и коэффициента искажений. Влияние этих факторов могло быть улучшено лишь на основе анализа энергообмена между питающей сетью, нагрузкой и всеми реактивными элементами, входящими в преобразовательную систему. Вопросы такого энергообмена в нашей стране были изучены О.А. Маевским, Ф.И. Бутаевым, Е.Л. Эттингером. Были предложены схемы, в которых с целью повышения коэффициента мощности сочетались фазовые методы регулирования напряжения (изменением угла регулирования) с методами переключения питающего напряжения, применения нулевых вентилей и использованием так называемого несимметричного управления.

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.

11.2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ РТУТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

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: