Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_2577
.pdf
Это правило применяется не только к преобразователям с клапанами размыкания цепи, показанным на фиг.
27–35, где используются третичные цепи, но и к преобразователям с клапанами размыкания цепи, в которых
вместо этого используются конструктивные особенности, показанные на фиг. 21–23 или на фиг. 24–26.
Наличие гармоник в токах цепей постоянного тока вентильных преобразователей, показанных на рис. 17а-35,
подчиняется правилам, приведенным далее в связи с вентильными преобразователями общего типа с
размыканием цепи, рис. 48-53. Системы переменного тока, показанные на рис. 8–16 и рис. 27–35, могут
представлять собой любые многофазные системы. На рис. 36 показан преобразователь с замыканием цепи,
предназначенный для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В
примере, показанном на этом рисунке, одна система является трехфазной, а другая — четырехфазной.
Каждый клапан подключен к каждой системе через два трансформатора, которые могут иметь любое
желаемое передаточное отношение, но для простоты обсуждения будет принято отношение один к одному.
Таким образом, каждый клапан получает напряжение каждой системы, за исключением напряжения,
поглощаемого последовательным импедансом. Последовательные импедансы показаны в трехфазной
системе с целью компенсации разности напряжений между двумя системами в течение циклических
интервалов, когда соответствующие вентили закрыты. В четырехфазной системе показаны шунтирующие
проводимости с целью поглощения разницы токов в течение циклических интервалов, когда соответствующие
вентили открыты. Система, имеющая последовательные импедансы, может называться импедансной
стороной преобразователя, а система, имеющая параллельные проводимости, может называться проводимой
стороной. Каждый клапан закрыт на долю цикла управления, равную обратной величине числа фаз на
стороне ввода; а клапаны, связанные с каждой фазой на стороне импеданса, закрываются с равными
интервалами, так что одновременно закрыт только один из этих клапанов. Таким образом, клапаны 1, 2, 3 и 4
закрываются последовательно, каждый на четверть цикла управления.
Клапаны, связанные с каждой фазой ввода, также закрываются с равными интервалами, причем доля цикла
между закрытиями последовательных клапанов равна обратной величине числа фаз на стороне импеданса.
Таким образом, клапаны 1, 101 и 201 закрываются каждые одну треть цикла управления после предыдущего.
Процесс закрытия различных клапанов, как описано выше, более наглядно представлен на рис. 44, где
показаны формы волн тока в клапанах, что более подробно объясняется ниже. Результатом описанной выше
операции управления является равенство суммы или разности основных частот двух систем частоте
управления. Также генерируются гармонические частоты, но они поглощаются импедансами и
проводимостями. Поэтому катушка импеданса Lx и конденсатор Cx предпочтительно располагаются в
резонансе с основной частотой импедансной стороны; а катушка проводимости Ly и конденсатор Cy
предпочтительно располагаются в резонансе с основной частотой проводимой стороны.
На рисунках 37-43 показаны различные модификации частотного преобразователя замыкающего контура
клапана, изображенного на рисунке 36. На всех этих рисунках клапаны закрыты на те же интервалы времени,
что и на рис. 36, и частотные соотношения остаются одинаковыми на протяжении всего рисунка. На рис. 37
показана особенно желательная компоновка, поскольку она исключает все трансформаторы и наилучшим
образом подходит для размещения всех вентилей в единой конструкции, что и является основной
компоновкой, используемой в ламповом преобразователе переменного тока, показанном на рис. 54. Такое
упрощение рисунка 36 возможно, когда коэффициенты трансформации равны одному к одному; поскольку
цепь каждой вентиля на рисунке 36 изолирована, левые электроды всех вентилей в каждой фазе
импедансной стороны могут быть соединены вместе и с линиями внутри Lz и C,, а правые электроды всех
вентилей в каждой фазе проводящей стороны могут быть соединены вместе и с линиями. После этого точка
соединения трансформаторных обмоток, связанных с каждым клапаном, оказывается под тем же
потенциалом, что и оба нейтрали, и все трансформаторные обмотки (кроме Ly) могут быть опущены.
Рисунок 38 получен из рисунка 36 путем соединения левых электродов всех вентилей и последующей замены
трансформаторных обмоток каждой фазы импедансной стороны прямым соединением. Рисунок 39 получен
аналогичным образом из рисунка 36 путем соединения правых электродов всех вентилей и последующей
замены трансформаторных обмоток каждой фазы стороны проводимости прямым соединением. На рисунках
40 и 41 показаны альтернативные методы последовательного соединения всех вентилей относительно
импедансной стороны. На рисунках 42 и 43 показаны альтернативные способы последовательного
соединения всех клапанов каждой фазы относительно входной стороны. Преобразователь с замыканием
цепи, в котором число фаз на стороне ввода не является простым числом, может быть сконструирован таким
образом, что доля цикла, в течение которого каждый клапан закрыт, равна обратной величине числа фаз в
группе, а не общему числу фаз на стороне ввода; это достигается путем циклического назначения
последовательных фаз последовательным группам.
Если группы должны быть соединены параллельно относительно импедансной стороны, каждая группа
располагается, как показано на рис. 36–43, с отдельными последовательными импедансами. Примерами
являются рис. 4а с тремя группами и рис. 5а с двумя группами, причем сторона импеданса здесь
представляет собой постоянный ток. Если группы необходимо соединить последовательно, можно
использовать общее последовательное сопротивление. Примерами являются рис. 13 с двумя группами и рис.
16 с тремя группами. Клапаны закрываются с теми же циклическими интервалами, как если бы такое же
количество клапанов составляло одну группу, но продолжительность закрытия больше (сравните рис. 4b и 5b
с рис. 6b). На рис. 44 внизу показаны формы волн тока (для рис. 36–43) на стороне импеданса, частота
которого принимается равной одной пятой от частоты тока на стороне проводимости. Каждый из этих трех
токов разбивается на четыре части, по одной для каждого клапана фазы, как показано на приведенных выше
волнах, которые расположены на рисунке в соответствии с расположением клапанов на рис. 36–43.
Сумма трех токов для каждой из фаз проводящей стороны показана справа и представляет собой ток
проводящей стороны, протекающий через проводящие элементы. На рис. 45 показаны формы волн
напряжения для рис. 36–43. Справа показаны потенциалы линий на стороне проводимости. Двенадцать волн
напряжения на клапанах получаются из этих потенциалов путем вычитания в соответствии с закрытиями
клапанов. Волны внизу состоят из дуг волн справа и представляют собой потенциалы импедансной стороны,
действующие на импедансы. Рисунки 46 и 47 соответствуют рисункам 44 и 45 соответственно и отличаются
лишь тем, что частота на стороне импеданса теперь выше, в пять раз превышая частоту на стороне
проводимости. Волны тока, протекающего по проводимостям (как показано справа на рис. 44 и 46), и формы
волн потенциала на импедансах (как показано внизу на рис. 45 и 47) содержат основные синусоиды и
некоторые более высокие частоты, которые мы можем назвать гармониками.
Они представляют собой строгие гармоники частоты, соответствующей полному циклу, в конце которого все
волны напряжения и тока повторяются. Ниже приведена математическая теория, показывающая, какие
гармоники присутствуют и каковы их относительные величины, с использованием следующих обозначений: p
— число фаз на группу на стороне проводимости (=4); w, количество групп (=1); u, порядковый номер выше, 1,
2, ... w; pw, следовательно, общее количество фаз на стороне проводимости (=4 × 1); q, количество фаз на
стороне импеданса (=3); wt, угловое время, за которое полный цикл представлен 2r; v, количество циклов
управления на полный цикл; y, количество циклов на стороне проводимости на полный цикл; z, количество
циклов на стороне импеданса на полный цикл; n, порядок гармоники полного цикла; m, ml и т. д., любые целые
числа, положительные, отрицательные или равные нулю; a, фазовый угол управляющей операции,
определяемый соотношением, согласно которому в вентиле первой фазы и первой группы на стороне
проводимости и в первой фазе на стороне импеданса управляющий электрод становится положительным в
угловое время
отнесено к произвольной точке отсчета времени; фазовый угол бета напряжения на стороне проводимости;
фазовый угол y тока на стороне импеданса; Em, максимальный потенциал относительно нейтрали, сторона
проводимости; Im, максимальный ток, сторона импеданса. Предполагая синусоидальные напряжения на
стороне проводимости, потенциал r-фазы группы u выражается как Предполагается, что фазовый сдвиг
приводит к отставанию напряжений в последовательных фазах и группах. Этот потенциал подается на s-фазу
импедансной стороны во время закрытия клапана (r, u, s) или между значениями (at). Принятие управления
для успешного выполнения операции. Согласно теореме Фурье, коэффициент n-й гармоники, выраженный в
комплексной форме, тогда равен Члены каждой из четырех сумм в числителях представлены единицами. и
образуют замкнутый многоугольник, за исключением случаев, когда их разность углов кратна 2tc. Таким
образом, сумма равна нулю, за исключением случая n+y/v. две суммы, суммы. Эти случаи можно
сформулировать следующим образом: В любом из этих случаев векторы расположены под одним и тем же
углом и дают коэффициент гармоники.
Два члена в скобках представлены единичными векторами, отличающимися по углу на (mp l) 2t/p. Их разность
представлена вектором, перпендикулярным их среднему углу и имеющим длину, равную удвоенному синусу
половины угла между ними. Следовательно, гармонический коэффициент равен Если группы соединены
параллельно, импедансы в фазах каждой группы поглощают разность напряжений, представленную
различными значениями u; если же группы соединены последовательно, напряжения, представленные
различными значениями u, суммируются. В любом случае внешнее напряжение компенсируется, за
исключением случаев, когда В этом случае гармонический коэффициент равен для параллельных групп и в w
раз больше для последовательных групп. При определенных относительных значениях pw и q дальнейшие
гармоники в напряжениях между линиями компенсируются, что имеет место, когда m pw+1/q является целым
числом. Если фазовый сдвиг управляющего сигнала изменить на противоположный относительно фазового
сдвига напряжения на стороне проводимости, то эффект будет по существу заключаться в изменении
алгебраического знака v или y в приведенном выше выводе.
Выражение для величины гармоники не изменяется, но в уравнении для n выражение (v-y) заменяется на
(v+y). Выражение (m pw l) для удобства будет обозначаться как порядок гармоники напряжения, и по своей
форме оно, очевидно, больше или меньше на единицу, чем кратное числу фаз на стороне проводимости.
Величина гармоники потенциала внутри импеданса, как показано в последнем выражении выше, обратно
пропорциональна порядку гармоники. Пусть — любое положительное целое число, кроме 1 (поскольку в этом
случае гармонический коэффициент будет равен нулю). Если pw равно 2, система является однофазной на
стороне проводимости; в противном случае она является многофазной. Если частота управления равна
частоте на стороне проводимости произведено на стороне импеданса. Если импедансная сторона
однофазная (q=1 или 2), то система представляет собой обычную систему постоянного тока, двухпроводную
(как на рис. 4a, 5a и 6a) или трехпроводную систему Эдисона. С другой стороны, если q больше 2, то
импедансная сторона представляет собой то, что можно назвать многофазной системой постоянного тока, то
есть системой, в которой токи и напряжения остаются постоянными от момента времени к моменту времени,
но имеют значения в разных фазах, соответствующие значениям в конкретный момент времени в
многофазной системе переменного тока.
Такие многофазные постоянные токи были бы практически полезны, например, для питания ротора
асинхронного двигателя с фазной обмоткой, скорость вращения которого необходимо довести до синхронной
скорости или превысить её. Разумеется, постоянный ток преобразовать невозможно, поэтому применимы
только рисунки 37 и 38 из серии 36–43, при этом конденсаторы Cz опущены. Если ламповые преобразователи
на рис. 36–43 представляют собой многофазный переменный ток на стороне импеданса, то некоторые
гармоники напряжения (генерируемые в соответствии с приведенной выше математической теорией) могут
быть компенсированы извне ламп с помощью соответствующих трансформаторных соединений аналогично
методам, используемым на рис. 27–35. То есть, каждый трансформатор, связанный со стороной импеданса,
имеет последовательно включенную катушку в каждой фазе внешней цепи с таким числом витков, чтобы токи
q фаз были равны по величине и имели равные последовательные разности фаз. Для получения этого
результата количество витков в катушке, соответствующее s-фазе, равно...
где 0 имеет различное значение для каждой фазы внешней цепи. Суммарный коэффициент гармоник
напряжения для каждой фазы внешней цепи тогда имеет вид: Как и прежде, каждая сумма равна нулю, за
исключением случаев, когда за первую сумму, Эти случаи можно выразить вместе следующим образом:
Двойные знаки независимы. В любом из этих случаев указанный выше гармонический коэффициент имеет
вид:
соответствовать этому в выражении На стороне импеданса они будут отсутствовать во внешней цепи, за
исключением тех, порядки которых на единицу больше или меньше кратного числа фаз, как на стороне
импеданса, так и на стороне проводимости. Используя приведенные выше обозначения, математическое
описание составляющих тока, существующего на стороне проводимости внутри проводимостей, выглядит
следующим образом: Предполагая синусоидальные токи на стороне импеданса, ток фазы s выражается как
Если группы соединены параллельно, то часть тока 1/w протекает в r-фазу группы u во время закрытия
клапана (r, u, s), как указано выше. Коэффициент n-й гармоники тока (r, u) тогда равен
Как и в случае с напряжениями, эти суммы равны нулю, за исключением случаев, когда в этом случае
гармонический коэффициент равен Если группы соединены последовательно, то гармонический
коэффициент равен w, умноженному на это значение. Если фазовый сдвиг управляющего сигнала изменить
на противоположный относительно фазового сдвига токов на стороне импеданса, то амплитуды гармоник не
изменятся, но в уравнении для n выражение обозначает порядок текущей гармоники и по своей форме,
очевидно, больше или меньше, чем число фаз на стороне импеданса. Величина гармоники тока внутри
проводимостей, как показано в последнем выражении выше, обратно пропорциональна порядку гармоники.
Если частота управления равна частоте на стороне импеданса (то есть, если v=z), то на стороне
проводимости возникают постоянные токи. Если входная сторона однофазная (pw=2), то система
представляет собой обычную систему постоянного тока. При использовании импедансов и проводимостей для
поглощения напряжений и токов нежелательных частот практически необходимо, чтобы эти частоты
значительно отличались от желаемой частоты.
Если в приведенном выше выражении для n для гармоник тока частота импедансной стороны очень низкая,
но не равна нулю, и если q=1, то система является низкочастотной однофазной, то возникают два почти
равных значения n, соответствующее m11=0 и соответствующее mll=2, причем эти значения равны
соответственно (v-z) и (v+z). Опять же, в этом выражении для n, если q=2 вместо 1, что также подразумевает
однофазную систему, то существуют те же два почти равных значения для n, соответствующие Примените
это выражение к выражению для n в гармониках напряжения на стороне импеданса в случае, когда частота y
на стороне проводимости очень низкая и pw=2. Таким образом, рассматриваемые здесь ламповые
преобразователи не подходят для преобразований, включающих низкочастотные однофазные системы,
причем низкая частота рассматривается относительно частоты управления. Некоторые гармоники тока,
возникающие в ламповых преобразователях на рис. 36–43 (в соответствии с приведенной выше
математической теорией), могут быть компенсированы извне ламп с помощью соответствующих
трансформаторных соединений аналогично методам, используемым на рис. 8–16.
То есть, на стороне ввода добавляются два или более трансформатора, подключенных в соответствии с
требуемой внешней многофазной системой; и каждый трансформатор имеет обмотку, последовательно
соединенную с каждой из фаз pw вентильного преобразователя на стороне ввода, с таким числом витков,
чтобы напряжения фаз pw были равны по величине и имели равные последовательные разности. Для
получения этого результата вычисляется количество витков в катушке, связанной с r-вентилями группы u. где
0 имеет различное значение e для каждого трансформатора. Тогда гармонический коэффициент полного тока
витков одного трансформатора имеет вид: Как и прежде, каждая сумма равна нулю, за исключением случаев,
когда Эти случаи можно выразить вместе следующим образом: Двойные знаки независимы. В любом из этих
случаев указанный выше гармонический коэффициент имеет вид:
принято в соответствии с тем, что в Количество витков тока должно быть магнитно сбалансировано
переменным током обмотки трансформатора, подключенной к внешней цепи. Следовательно, на стороне
проводимости во внешней цепи будут отсутствовать все гармоники тока, за исключением тех, порядки
которых на единицу больше или меньше кратного числа фаз, как на стороне импеданса, так и на стороне
проводимости. Как и в случае с ламповыми преобразователями постоянного тока, ламповые частотные
преобразователи делятся на два класса: с замыканием цепи, при котором каждый клапан закрывается на
часть цикла управления, равную обратной величине числа фаз на группу на стороне проводимости, как
показано на рис. 36–43; и с размыканием цепи, при котором каждый клапан открывается на долю цикла
управления, равную обратной величине числа фаз на группу на стороне импеданса, как показано на рис.
48–53, которые будут рассмотрены далее. В случаях, когда интервалы между замыканием и размыканием
цепи составляют по половине цикла, существенного различия между замыканием и размыканием цепи нет.
На рис. 48 показан преобразователь с размыканием цепи, предназначенный для преобразования
переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В приведенном примере, как показано на
рис. 36–43, на стороне импеданса представлена трехфазная система, а на стороне проводимости —
четырехфазная система. Каждый клапан подключен к каждой системе через два трансформатора, которые
могут иметь любое желаемое передаточное отношение, но для простоты обсуждения будет принято
отношение один к одному. Таким образом, каждый клапан получает ток от каждой системы, за исключением
тока, поглощаемого при подаче тока через шунт. Клапаны в каждой фазе импедансной стороны открываются
последовательно в моменты времени, разделенные долей цикла, равной обратной величине числа фаз на
стороне проводимости: клапаны в каждой фазе проводимой стороны открываются последовательно в
моменты времени, разделенные долей цикла, равной обратной величине числа фаз на стороне импеданса.
Длительность открытия каждого клапана составляет долю цикла, обратную числу фаз на стороне импеданса,
где присутствует только одна группа.
Соотношение между частотами обеих сторон и частотой управления такое же, как на рисунках 36–43. На
рисунках 49–53 показаны различные модификации частотного преобразователя клапана открытия цепи,
представленного на рисунке 48. На всех этих рисунках клапаны открыты на те же интервалы времени, что и на
рис. 48, и частотные соотношения одинаковы. Импеданс, необходимый для поглощения разности напряжений,
состоит из реактивных сопротивлений рассеяния трансформаторов, включенных последовательно с
конденсаторами C. все трансформаторы, при этом вентили соединены последовательно относительно
каждой системы посредством резонансных контуров. На рис. 50 показаны вентили, соединенные
последовательно непосредственно в цепи входной стороны, но подключенные к импедансной стороне через
трансформаторы. Напротив, на рис. 51 показаны вентили, соединенные последовательно непосредственно
относительно импедансной стороны, но через трансформаторы относительно стороны проводимости. На рис.
52 показаны клапаны, соединенные параллельно со стороной ввода, что требует использования третичных
контуров, как показано на рис. 17а, 18а и 19а.
На рис. 53, с другой стороны, показаны вентили, соединенные параллельно относительно импедансной
стороны, что требует отдельных последовательных импедансов, как показано на рисунке. Как и в случае с
преобразователями клапанов замыкания цепи, показанными на фиг. 36–43, преобразователи клапанов
размыкания цепи, показанные на фиг. 48–53, могут быть сгруппированы с клапанами в несколько групп. Для
этого необходимо, чтобы количество фаз на стороне импеданса не было простым, и это достигается путем
соединения последовательных фаз на Соединённые последовательно со стороной ввода, каждая из них
имеет отдельные параллельные вводы. Примерами являются рис. 30, где третичные цепи расположены так
же, как на рис. 35, а затем в виде двух групп, и рис. 33, где третичные цепи расположены так же, как на рис. 32,
а затем в виде трех групп, причем сторона проводимости здесь представляет собой постоянный ток. Если
группы необходимо соединить параллельно относительно стороны ввода, можно использовать общий
шунтирующий ввод. Примерами являются рис. 17а с тремя группами и рис. 18а с двумя группами.
Клапаны открываются с теми же циклическими интервалами, как если бы такое же количество клапанов
составляло одну группу, но длительность открытия больше и соответствует количеству фаз в группе, а не
общему количеству фаз на стороне ввода. (Сравните рис. 17a и 18a с Формы волн напряжения и тока на рис.
48 аналогичны формам на рис. 44 и 45 или на рис. 46 и 47, с чередованием напряжения и тока, а также
стороны проводимости и стороны импеданса (следовательно, требуются изменения в деталях для
соответствия чередованию трехфазного и четырехфазного тока). Некоторые гармоники в напряжениях на
стороне импеданса и в токах на стороне проводимости могут быть компенсированы вне ламп с помощью тех
же трансформаторных схем, что и на тех же сторонах ламповых преобразователей с замыканием цепи;
теория и порядки компенсируемых гармоник такие же, как и для ламповых преобразователей с замыканием
цепи. На рисунках 36–43 и 48–53 для простоты показаны внешние цепи ламповых преобразователей,
соединенных по схеме «звезда», напрямую или косвенно.
Иногда удобно использовать другие многофазные соединения, в частности кольцевое соединение
(треугольное соединение для трехфазного тока), которое позволяет разместить клапаны в единой
конструкции с активными обеими сторонами электродов, как показано на примере преобразователя
переменного тока 313 на рис. 55. На рис. 54 показано конкретное применение рассмотренных выше схем
преобразователей ламп общего назначения. Постоянный ток поступает от тележки 300, преобразуется в
переменный ток умеренно высокой частоты в системе клапанов постоянного тока 301 и соответствующем
трансформаторе 302, затем преобразуется в многофазный переменный ток низкой переменной частоты в
системе клапанов переменного тока 303 и, наконец, подается по линиям 304 на асинхронные двигатели с
короткозамкнутым ротором 305. Умеренно высокая частота в промежуточной цепи должна быть значительно
выше низкой частоты выходной цепи и обычно составляет несколько сотен или несколько тысяч циклов в
секунду.
Для обеспечения экономичной передачи электроэнергии напряжение в вагонетке принимается высоким,
например, 10 000 вольт. Таким образом, система клапанов постоянного тока 301 состоит из нескольких
клапанов (четырех), соединенных последовательно для разделения этого напряжения. Этот клапанный
преобразователь относится к двухфазному шестифазному типу, в котором клапаны 1 и 1 работают
одновременно, 2 и 2 и т. д., каждый из которых открыт в течение половины цикла. Формы волн тока и
напряжения аналогичны формам на рис. 17б, за исключением того, что, поскольку коэффициент мощности,
как правило, не равен единице, волны тока состоят из других дуг синусоид. Между двумя основными
треугольниками существуют напряжения третьей гармоники, но не в отдельных катушках. Выход 304
преобразователя переменного тока на вентилях представляет собой входную сторону, а входную —
импедансную сторону. Предпочтительно, трансформатор 302 имеет достаточное реактивное сопротивление
рассеяния, чтобы служить требуемым последовательным импедансом как для ламповых преобразователей
постоянного тока, так и для преобразователей переменного тока. Кроме того, предпочтительно, чтобы это
реактивное сопротивление рассеяния ограничивало ток до безопасного значения, когда двигатели находятся
в состоянии покоя на очень низкой частоте (и, следовательно, практически действуют как короткие замыкания)
и когда от тележки подается полное напряжение.
Требуемое значение импеданса для ограничения тока обычно достаточно для удовлетворительного
поглощения гармоник напряжения; в противном случае реактивное сопротивление рассеяния
трансформаторов можно сделать еще больше, а для получения желаемого тока в пусковых условиях можно
вставить последовательные конденсаторы. Шунтирующие конденсаторы Cy на стороне постоянного тока
следует делать максимально большими, насколько это позволяют экономические соображения, чтобы
гармоники тока, достигающие телефонного провода, были достаточно низкими и не создавали помех для
параллельных телефонных линий. Шунтирующие конденсаторы C y на выходной стороне менее важны для
ограничения гармоник тока и могут быть выгодно выбраны таким образом, чтобы обеспечивать ток
возбуждения асинхронных двигателей, например, при малой нагрузке и нормальной частоте. Система
клапанов переменного тока 303 представляет собой шестифазную систему замыкания цепи, в которой
клапаны сгруппированы таким образом, что каждый из них закрыт в течение одной трети цикла управления.
Диаметральное соединение вторичных обмоток трансформатора 302 служит для компенсации части гармоник
напряжения, возникающих между определенными электродами на стороне импеданса вентильной системы.
Рисунок 55 отличается от рисунка 54 только конструкцией лампы переменного тока и соответствующими
соединениями трансформатора. В данной конструкции клапанов каждый клапан открыт в течение половины
цикла управления. На рис. 56 показано, как преобразователи постоянного тока на лампах, показанные на рис.
54 и 55, могут быть повторно подключены извне для работы при половинном напряжении, то есть 5000 вольт.
Управление нижними шестью клапанами необходимо перевернуть по фазе относительно показанного на рис.
54 и 55. На рис. 57а показаны схемы управления для преобразователя постоянного тока, изображенного на
рис. 54; а на рис. 57б показаны схемы управления для преобразователя переменного тока, изображенного на
том же рисунке. Клапанные конструкции 301 и 303 относятся к типу термоэлектронных, управляемых
магнитным полем и электростатически (структура которых показана на рис. 58а, 58б и 59), при этом каждый
клапан имеет отдельную сетку, представленную в традиционном виде. Для обеспечения быстрого изменения
потенциала сети, необходимого для высокоэффективной работы клапанов, требуется подавать большие
кратковременные токи на электростатические емкости сетей.
Это достигается путем внезапной зарядки электросетей от резерва. Регулирующий клапан 401 или 403, сетка
которого управляется коммутатором 411 или 413. Для того чтобы один и тот же регулирующий клапан можно
было последовательно использовать для всех сетей, применяется селекторный коммутатор 421 или 423.
Рассматривая подробно рис. 57а, можно заметить, что селекторный коммутатор 421 имеет четыре
проводящих сегмента, два более коротких из которых соединены через контактные кольца с конденсатором
резервуара C r, когда регулирующий клапан 401 закрывается. Два более длинных сегмента соединены через
контактные кольца с выпрямителем 431, который поддерживает один положительный, а другой
отрицательный по отношению к нейтральной точке Nl преобразователя постоянного тока. Сетка
регулирующего клапана 401 поддерживается в отрицательном состоянии с помощью отрицательного малого
выпрямителя 441, за исключением случаев, когда цепь замкнута на коммутаторе управления 411, тогда сетка
становится положительной с помощью положительного малого выпрямителя 451. Когда напряжение на сетке
отрицательное, регулирующий клапан 401, разумеется, открыт, а когда напряжение на сетке положительное,
клапан закрыт.
Теперь рассмотрим действие относительно показано на рисунке. Регулирующий клапан только что был
закрыт замыканием цепи на управляющем коммутаторе 411. Щетка 464, расположенная справа от
селекторного коммутатора 421, соединяет сетки G4 и G4 с положительной стороной конденсатора Cr через
регулирующий клапан 401. В то же время кисть 461 слева от переключателя сообщений... (каждый через
выпрямитель смещения B1 и B1) к отрицательной стороне Cl,.. Это действие произошло внезапно, когда
регулирующий клапан был закрыт, и от резервуарного конденсатора C r на мгновение был подан
относительно большой ток для зарядки. Коммутаторы вращаются против часовой стрелки, щетка 464
проходит по изоляции между коротким и длинным сегментами, обозначенными 461 соединяет другой короткий
отрезок на мгновение с длинным отрезком, обозначенным "". Поскольку регулирующий клапан 401 остается
закрытым, резервуарный конденсатор C r, таким образом, подключается к выпрямителю 431 и заряжается.
Вскоре после этого контакт на управляющем коммутаторе 411 размыкается, и регулирующий клапан
открывается, оставляя конденсатор C r заряженным и в режиме разомкнутой цепи, готовым к заправке.
На протяжении почти половины оборота сети G4 и G4 напрямую соединены. Соответственно, контакты B1
напрямую соединены через сегмент "-" с отрицательным выводом микросхемы 431. Когда щетки 464 и 461
покидают длинные сегменты, короткие сегменты временно изолируются, поскольку в это время открывается
регулирующий клапан 401; изолированные сетки сохраняют свой заряд и потенциал в течение короткого
времени. Затем регулирующий клапан 401 закрывается (путем подачи положительного напряжения на его
сетку через другой контакт на 411), и через конденсатор CR внезапно подается ток для изменения потенциала
сеток на противоположный. Поскольку система шестифазная, за цикл происходит шесть операций с
клапанами, для чего требуется шесть равномерно расположенных контактов на управляющем коммутаторе
411 и шесть равномерно расположенных щеток на селекторном коммутаторе 421, причем коммутаторы
соединены механически напрямую, как показано пунктирной линией. Разумеется, коммутаторы могут быть
сконструированы таким образом, чтобы работать со скоростью, составляющей половину или треть от
скорости вращения коммутатора, путем увеличения количества контактов в два или три раза соответственно.
Потенциалы четных сеток должны быть положительными или отрицательными относительно центрального
главного электрода, который образует нейтральную точку N системы постоянного тока; и этот результат
достигается, как описано выше, путем подключения N к нейтральной точке выпрямителя 431. С другой
стороны, потенциал Положительное или отрицательное значение относительно верхнего (положительного)
электрода; поэтому для каждой из этих сеток требуется положительное смещение относительно нейтральной
точки, которое достигается с помощью выпрямителей. и B 5. Выпрямители 431, 441, 451 и B на рис. 57a, а
также 433, 443 и 453 на рис. 57b имеют излучающие катоды и неизлучающие аноды. Сетки постоянно имеют
положительный потенциал относительно анодов и попеременно положительный и отрицательный потенциал
относительно катодов. Предполагается, что на все эти выпрямители должно подаваться напряжение
прямоугольной формы, подобное тому, которое может быть получено от одной из ламп постоянного тока.
Выпрямители 441, 451, 443, 453 и B работают с настолько малыми мощностями, что их лучше использовать в
одиночном исполнении; в то время как каждая из частей выпрямителей 431 и 433 работает с большими
мощностями и используется в двойном исполнении.
Катушки, подключенные к выпрямителям B, могут быть вторичными обмотками тех же трансформаторов,
которые питают другие выпрямители. Цепи регулирующих клапанов C r, 401, 411, 441 и 451, а также цепи
смещения B1, B2 и т. д. должны быть выполнены с низкой емкостью относительно земли, поскольку их
потенциалы должны резко изменяться. Рассматривая рис. 57b более подробно, можно заметить, что
селекторный коммутатор 423 расположен аналогично коммутатору на рис. 57a, за исключением того, что
сегмент «+» покрывает чуть менее одной трети окружности, а сегмент «-» — чуть менее двух третей. В
результате сетки системы клапанов переменного тока 303 имеют положительный потенциал на одной трети
цикла и отрицательный — на двух третях. Поскольку нейтральная точка N выходной цепи соединена с
нейтральной точкой выпрямителя 433, и поскольку потенциалы сеток должны быть положительными или
отрицательными относительно выходных электродов (подключенных к линиям 304), последовательно с
каждой сеткой вставлена вторичная обмотка трансформатора с коэффициентом трансформации один к
одному, первичная обмотка которого подключена между N и соответствующим выходным электродом.
Эти трансформаторы заставляют потенциалы сеток следовать за потенциалами соответствующих выходных
электродов. За исключением описанных выше различий, работа системы управления в Частота
промежуточной цепи (302 и т. д.) на рис. 54 или рис. 55 является регулирующей частотой преобразователя
постоянного тока. Выходная частота представляет собой разницу между этой частотой и частотой управления
преобразователя переменного тока, показанного на рис. 57б. Таким образом, выходная частота равна
разности скоростей между коммутаторами управления постоянного тока (411 и 421) и коммутаторами
управления переменного тока (413 и 423), или кратному этой скорости в случае умножения числа сегментов
этих коммутаторов. Вместо того чтобы коммутаторы работали с разной скоростью, предпочтительно
механически соединять их для работы с одинаковой скоростью, а один комплект управляющих щеток (461-466
или 471-476) вращается со скоростью, соответствующей желаемой выходной частоте.
В случае использования такого каскадного вентильного преобразователя для питания синхронных
двигателей, выходная частота будет равна частоте вращения этих двигателей и, следовательно, будет
напрямую определять их скорость. Эта скорость будет регулироваться скоростью пилотного двигателя,
приводящего в движение один комплект управляющих щеток. Однако асинхронные двигатели с
короткозамкнутым ротором, которые были выбраны как наиболее подходящие для целей электрической тяги,
вращаются со скоростью ниже синхронной скорости из-за проскальзывания. Если относительная скорость на
управляющих коммутаторах не должна изменяться в зависимости от нагрузки на двигатели, то характеристики
скорости и крутящего момента будут аналогичны характеристикам двигателей постоянного тока с
параллельным возбуждением или регулированием напряжения якоря; при этом скорость будет
приблизительно определяться значением скорости на коммутаторах, но будет незначительно снижаться при
увеличении нагрузки. С другой стороны, если один комплект управляющих щеток, как на рисунках 461-466
(разумеется, со щеткой на рисунке 411), приводится в движение ротором асинхронного двигателя, при этом
скорость увеличивается в соотношении, равном числу пар полюсов (для числа сегментов, показанных на
рисунке), а другой комплект щеток, вместо того чтобы оставаться неподвижным, медленно вращается, то
характеристики скорости и крутящего момента будут аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока
последовательного возбуждения.
Теория данного дела изложена в следующих параграфах. Для простоты изложения предположим, что
двигатель биполярный, и коммутаторы также биполярные (как на рис. 57a и 57b, где соответствующие
сегменты не повторяются). Будем использовать следующие обозначения: n — скорость вращения двигателя
или скорость вращения щеток управления постоянного тока, 461-466 нс — скорость скольжения двигателя; nb
— скорость вращения щеток управления переменного тока, 471-476; nc — скорость вращения коммутаторов
управления 411, 421, 413, 423; E — напряжение двигателя; I — ток двигателя; θ — магнитный поток двигателя;
r — сопротивление основной цепи; D — крутящий момент двигателя; k, k и т. д. — константы. Тогда
промежуточная частота равна Выходная частота (n-nb) равна синхронной скорости. Следовательно,
проскальзывание составляет То есть, скольжение двигателя численно равно скорости вращения
управляющих щеток переменного тока, и, следовательно, он способен к независимому управлению. Теперь
приблизительно получаем следующие соотношения: Сравнивая двигатель постоянного тока
последовательного возбуждения, Окончательно При постоянной ns, указанной выше, оба уравнения имеют
одинаковую форму, что показывает, что асинхронный двигатель, управляемый описанным выше способом,
обладает характеристиками, аналогичными двигателю постоянного тока, работающему последовательно.
Обычный двигатель постоянного тока правильнее описывать как синхронный коммутируемый двигатель или
просто синхронный двигатель постоянного тока. Асинхронные двигатели, управляемые описанным выше
способом, соответственно, называются несинхронно коммутируемыми асинхронными двигателями или просто
асинхронными двигателями постоянного тока. Более простой формой асинхронного двигателя постоянного
тока был бы двигатель с обычным коммутируемым якорем и обмоткой возбуждения, оснащенной
короткозамкнутой обмоткой вместо обмотки возбуждения постоянного тока. Если затем медленно вращать
щетки, возникнет магнитный поток, который также будет медленно вращаться и индуцировать токи в
короткозамкнутом роторе, как в обычном асинхронном двигателе. Предлагаемое в данном изобретении
решение позволяет достичь этого результата более сложным, но при этом более удовлетворительным
способом. Коммутаторы управления, показанные на рис. 57а и 57б, могут быть установлены в камере со
сжатым газом, что обеспечивает надлежащую изоляцию при уменьшенных зазорах и, следовательно,
позволяет достигать умеренных периферийных скоростей.
На рис. 54 система клапанов постоянного тока 301 и система клапанов переменного тока 303 показаны
объединенными. Каждая клапанная система состоит из металлического сосуда 501 и 503, в котором
поддерживается очень высокий вакуум, предпочтительно с помощью непрерывно работающего
высоковакуумного насоса. Внутри этих сосудов находятся отражатели, состоящие из концентрических
металлических оболочек 500, предпочтительно полированных, предназначенных для удержания тепла,
выделяемого за счет потерь в вентилях, и, таким образом, поддержания основных электродов 504 при
надлежащей температуре для эмиссии электронов. Внутри отражателей находятся собственно вентили,
детальное изображение которых показано на рис. 59. Основные электроды представляют собой плоские
металлические пластины, а контрольные электроды — сетки, состоящие из металлических трубок 505. На
основные электроды наносится излучающее покрытие, например, оксид кальция, на участки 506 в
центральном пространстве между проводниками сетки. Таким образом, оба основных электрода становятся
излучающими, что позволяет току течь в любом направлении. Клапанные системы помещены в постоянное
магнитное поле, создаваемое железным сердечником 507, возбуждаемым катушками 508, 509, 510, причем
линии магнитного потока проходят по траекториям, обозначенным пунктирными линиями.
Катушки возбуждаются постоянным током и создают интенсивное магнитное поле в пространстве,
занимаемом системами клапанов, скажем, магнитной напряженностью порядка 10 000 ампер-оборотов на
сантиметр. В течение части каждого цикла управления сетка каждого клапана подвергается воздействию
сильно положительного потенциала (например, 10 000 вольт) относительно двух основных электродов, как
описано в связи с рис. 57а и 57б. Затем электроны притягиваются к катоду и быстро ускоряются до высокой
скорости. Они управляются магнитным полем, стремясь двигаться вдоль линий магнитного потока, но с
вращательной составляющей движения и дрейфом, параллельным проводникам сетки. Из-за сильного
магнитного поля их вращательное движение не позволяет им отклониться от прямого пути достаточно далеко,
чтобы достичь проводников электросети. Поэтому они продолжают свое движение после прохождения
окрестности проводников сетки; однако теперь притяжение проводников сетки направлено таким образом, что
замедляет электроны, которые замедляются до тех пор, пока не столкнутся с анодом с низкой скоростью,
соответствующей, скажем, напряжению порядка 10 вольт, что в этом случае является падением напряжения
на лампе.
Пространственное распределение электронов определяется потенциалом сетки, а суммарная скорость
перемещения электронов от катода к аноду определяется нагрузкой на лампу. Необходимо, чтобы нагрузка на
клапан никогда не была настолько велика, чтобы все электроны двигались к аноду, поскольку в этом случае
любое увеличение нагрузки не сможет быть обеспечено увеличением тока и приведет к падению напряжения
на нагрузке, так как клапану придется поглощать разницу напряжений, что приведет к его перегреву. Таким
образом, некоторые электроны, имеющие несколько меньшую продольную скорость, не достигнут анода и
вернутся к катоду, совершая колебания взад и вперед в течение интервала времени, когда клапан закрыт. Два
потока электронов, движущиеся в противоположных направлениях, будут испытывать определенные
столкновения друг с другом и с остаточными молекулами газа. Столкновения между электронами не будут
серьезными, если длительность тока невелика, то есть, если частота управления достаточно высока, скажем,
порядка 1000 циклов в секунду.
Присутствие молекул газа сводится к минимуму за счет использования максимально возможного вакуума.
Клапан открывается путем создания сильно отрицательного потенциала на сетке (например, нескольких
тысяч вольт) относительно обоих основных электродов, методами, описанными в связи с рис. 57а и 57б.
Затем электроны очень быстро притягиваются к основным электродам, включая те электроны, которые
подверглись столкновению и, следовательно, потеряли столько продольной скорости, что не смогли достичь
ни одного из основных электродов в течение интервала, когда клапан был закрыт. Крайне важно, чтобы
проводники сетки и основные электроды, расположенные напротив проводников сетки, имели поверхность с
очень низким уровнем излучения, например, из непокрытого вольфрама. Температура электродов в
значительной степени саморегулируется и поддерживает электронный ток вблизи его значения насыщения.
Поскольку при увеличении нагрузки падение напряжения на вентиле временно возрастет, как описано выше,
что ускорит электроны и нагреет аноды, которые, в свою очередь, отразят тепло на катоды.
Это действие будет продолжаться до тех пор, пока катоды снова не достигнут температуры, необходимой для
нового излучения. Поскольку описанная клапанная система имеет низкие собственные потери,
предпочтительнее сохранять тепло, ограничивая его излучение. выше, а также путем ограничения
теплопроводности через выводы, которые, следовательно, изготавливаются достаточно длинными и с
достаточно малым поперечным сечением, так что тепло, передаваемое через них через уплотнения,
приблизительно равно тепло, выделяемому в их сопротивлениях. Электроды и отражатели клапанных систем
поддерживаются электрическими изоляторами, размеры которых подобраны таким образом, чтобы они
обеспечивали достаточно хорошую теплоизоляцию. Для удобства выводы сетки показаны выведенными
через уплотнения 511 в верхней части конструкций клапанов, а выводы основных электродов — через
уплотнения 512 в нижней части. всё Предпочтительно поместить их в резервуар, заполненный маслом,
которое служит для изоляции выводов, а циркуляция масла отводит тепло и поддерживает температуру
катушек на достаточно низком уровне. В центре железного сердечника показано вентиляционное отверстие
513, предназначенное для облегчения восходящего потока масла.
Для запуска работы преобразователя клапанов необходимо подавать тепло из отдельного источника.
Предпочтительно это достигается путем пропускания тока через резистор внутри каждой клапанной системы;
для этой цели может быть использован внутренний теплоотражатель. В противном случае через катушки 508
может быть пропущен переменный ток, который создаст переменный магнитный поток, вызывающий
вихревые токи в электродах и, следовательно, их нагрев. Если будет выбран второй метод, то, конечно,
предпочтительнее будет ламинировать железный сердечник 507. При умеренно высокой частоте
промежуточной цепи трансформатор 302, естественно, будет иметь довольно высокое реактивное
сопротивление и будет склонен к высоким потерям на вихревые токи как в железном сердечнике, так и в
медной обмотке. Поэтому в сердечнике желательны тонкие слои и относительно низкая плотность магнитного
потока. Поскольку частота высока, количество витков, необходимых в катушках, относительно невелико;
предпочтительно катушка изготавливается из тонкого листа меди, намотанного спирально наружу, при этом
первичная и вторичная обмотки располагаются одна внутри другой, с таким расстоянием (или чередованием,
Соседние файлы в папке патенты