2.3.1. Схемы выпрямления тока высокого напряжения

Выбор схемы выпрямления базируется на ряде факторов как технологического, так и экономического плана, исходя из требований нагрузки и имеющегося в наличии оборудования.

Все схемы установок получения высокого напряжения выпрямленного тока можно классифицировать по следующим признакам: по форме выпрямленного напряжения (одно- и двухполупериодные схемы); по числу фаз вторичной обмотка трансформатора (однофазные, двух- и трехфазные схемы); по отношению выходного напряжения к входному (схемы выпрямления и схемы выпрямления с умножением напряжения).

Основными элементами схем выпрямления являются: источник высокого напряжения, выпрямительное устройство, сглаживающий фильтр и нагрузка.

Из всего разнообразия схем выпрямления (рис. 2.7), подробно рассматриваемых в учебной и научной литературе 1, 12, рассмотрим принцип работы и параметры выходного напряжения на примере двухполупериодной схемы (рис. 2.7, б).

Рис. 2.7. Схемы выпрямления: а – однополупериодная; б – двухполупериодная; в – однополупериодная трехфазная; г – двухполупериодная трехфазная

В этой схеме выпрямители V₁ и V₄ открыты и пропускают ток, когда потенциал точки 1 больше, чем потенциал точки 2. Выпрямители V₂ и V₃ открыты, если потенциал точки 2 больше потенциала точки 1.

Диаграммы напряжения на трансформаторе и на нагрузке показаны на рис 2.8.

Рис. 2.8. Диаграмма напряжения для схемы (рис. 2.7, б): а – на высокой стороне трансформатора; б – на нагрузке без фильтра; в – на нагрузке с фильтром (С_Ф)

Такая схема обладает рядом недостатков при работе без фильтра, а именно: большая пульсация напряжения и тока, малые их значения на нагрузке. Эффективное и среднее значение напряжения за период соответственно равны: U_эф  , где – амплитудное значение фазного напряжения трансформатора. Использование емкостного фильтра (С_ф) позволяет устранить эти недостатки. Величина пульсации и напряжения в этом случае будет зависеть от сопротивления нагрузки и емкости фильтра. Значительно лучшие параметры выходного напряжения можно получить при использовании трехфазных схем (рис. 2.7, в, г). Однако в этом случае схемы усложняются.

Общим недостатком схем выпрямления является то, что их целесообразно использовать только при получении напряжения не выше 100 кВ. Для получения более высоких напряжений используют схемы выпрямления с удвоением, утроением и многократным увеличением напряжения на нагрузке относительно входного напряжения (рис. 2.9).

t

Рис. 2.9. Электрические схемы выпрямления с умножением напряжения: а – с удвоением напряжения; б – с утроением напряжения; в – диаграмма напряжения для схемы (а)

Необходимость таких схем диктуется экономической целесообразностью. Используя элементы с относительно низким рабочим напряжением и обеспечивая жесткое распределение потенциалов по элементам, можно получать напряжения в сотни и тысячи киловольт.

Ниже рассмотрим принцип работы схемы выпрямления с удвоением напряжения (рис. 2.10), которая является основной для получения многократно увеличенного напряжения в схеме каскадного генератора постоянного тока (КГПТ).

В этой схеме выпрямители V₁ и V₂ работают в течение разных полупериодов колебания напряжения трансформатора. Выпрямитель V₁ открыт тогда, когда потенциал точки 2 меньше потенциала точки 0, а V₂ открыт, когда потенциал точки 2 больше потенциала точки 3. Конденсатор С₂, выполняющий роль фильтра в схеме, заряжается напряжением, которое создается между точками 2–0, равное сумме напряжений трансформатора и конденсатора С₁. Это напряжение пульсирует от 0 до 2 . Нетрудно убедиться и в том, что напряжение между точками 2–3 пульсирует также от 0 до 2 , но по времени сдвинут на 180º относительно напряжения на вентиле V₁.

Рис. 2.10. Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения (а) и диаграмма напряжения на выходе схемы и потенциалов в различных точках (б)

Заряд конденсатора С₂ до полного напряжения (2 ) при R_н  идет в течение некоторого количества периодов колебания переменного тока.

При реальной нагрузке (R_н  ) конденсатор С₂ в промежутке между подзарядками, когда закрыт вентиль V₂, разряжается частично на нагрузку и напряжение на нем снижается на величину U  Q/C₂  I_срТ/С₂, где I_ср – средний ток через нагрузку за период Т (рис. 2.10, б).

После открытия вентиля V₂ конденсатор С₂ будет подзаряжаться избыточным зарядом на конденсаторе С₁. Одновременно с подзарядом конденсатора С₂ частично идет разряд конденсатора С₁ на нагрузку. В результате чего напряжение на С₂ не достигнет максимального значения, т. е. в схеме возникнет падение напряжения U  I_срТ/С₁ (рис. 2.10, б). Таким образом, видно, что пульсация и падение напряжения зависят от тока нагрузки и частоты питающего напряжения. Кроме этого, пульсация зависит от величины емкости С₂, а падение напряжения от величины емкости С₁.