§ 86. Дуговые выпрямители.

Дуговые выпрямители основаны на использовании неодинако­вой роли положительного и отрицательного электродов вольтовой дуги. В то время, как положительный электрод играет пассивную роль в основном процессе, протекающем в вольтовой дуге, и в связи с этим температура этого электрода, вообще говоря, безразлична, т. е. может быть и очень высокой и сколь угодно низкой, — отри­цательный электрод играет активную роль, причем часть его поверхности, испускающая поток электронов, обязательно должна быть нагрета до соответственно высокой температуры. В связи с этим даже при наличии двух совершенно одинаковых, например, угольных электродов, между которыми образована вольтова дуга в цепи переменного тока, очень трудно получить вполне симме­тричную кривую тока, что возможно только при совершенно то­ждественных температурных условиях обоих электродов, К этим условиям более или менее можно приблизиться, расположив элек­троды горизонтально. В случае же вертикального их расположения верхний уголь оказывается более нагретым, благодаря восходящим

291

потокам горячих газов, и в кривой переменного тока будет пре­обладать то направление, при котором более нагретый верхний уголь является катодом. Нарушение симметрии переменного тока достигнет своего предела, если один из электродов намеренно охлаждать. Например, если взять один электрод угольный, а дру­гой — медный, то вследствие сравнительно малой теплопроводности угля высокая температура некоторой соответственной части его поверхности при достаточной действующей силе тока может сохра­няться в течение промежутка времени большего величины полупериода переменного тока, температура же медного электрода по причине большой теплопроводности меди может никогда не дости­гать того предела, начиная с которого поверхность его делается способной испускать электроны. При этих условиях и при не очень большом действующем зна­чении основной электродви­жущей силы в цепи (напр., 110 вольт), в кривой тока будут совершенно отсутство­вать пульсации тока того на­правления, при котором мед­ный электрод оказывается катодом (рис. 142).

Таким образом получается простей­ший дуговой выпрямитель, который может быть применяем в отдельных частных случаях, если коэффициент полезного действия выпрямительного устройства не играет особо существен­ной роли и если есть возможность следить за правильной работой его (необходимо регулярно подвигать сгорающий угольный электрод и т. п.). На практике, вместо описанного примитивного устройства, обычно пользуются ртутной вольтовой дугой, горящей в особой камере с разреженным пространством, причем активное катодное пятно удается автоматически поддерживать на поверхности ртути, играющей в данном случае роль катода. Роль же анода играет массивный железный или графитовый электрод, так рассчитанный, чтобы температура его поверхности оставалась достаточно низкой, причем нередко применяется специальное водяное охлаждение анода.

Ртутный выпрямитель может работать только при поддержа­нии активного катодного пятна на поверхности ртути. При этих условиях в цепи переменного тока через дуговую камеру проходит ток лишь того направления, при котором ртуть играет роль катода в вольтовой дуге. Ток прерывается на следующем полупериоде, так как на другом электроде не будет катодного пятна, и затем вновь возникает, когда ртуть делается катодом, и т. д. Итак, в ртутном выпрямителе переменного тока процесс прохождения тока в основном состоит в излучении электронов с соответствую­щей части поверхности ртутного электрода (катода) и к движению их под влиянием электрического поля к холодному электроду (аноду). По поверхности ртути бегает раскаленное до температуры от 2000° до 3000° С активное пятно, с которого при этой высокой температуре и излучается мощный поток электронов. Плотность тока на катодном пятне очень велика и доходит до 4000 ампер на кв. санти­метр. Ртуть и холодный электрод (или несколько холодных электродов в случае обычно применяемых сложных схем) помещаются в стеклян­ной или металлической камере, из которой удаляется по возмож­ности весь воздух. Благодаря этому вольтова дуга горит лишь в атмосфере ртутных паров, давление которых на практике бывает порядка 0,1 миллиметра ртутного столба и ниже.

Пары ртути ионизируются на пути электронного потока и поло­жительные ионы устремляются по направлению к ртутному катоду» Благодаря малому давлению паров ртути и сравнительно большому среднему пути свободного пробега положительных ионов, они успевают приобрести в электрическом поле достаточно большую скорость к моменту их удара о ртутный катод, и бомбардировка катодного пятна со стороны положительных ионов является в настоя­щем случае основным фактором, поддерживающим высокую тем­пературу этого пятна, т. е. его активное состояние. Общее падение напряжения в ртутной вольтовой дуге, горящей в разреженном пространстве, бывает от 15 до 25 вольт даже при сравнительно большой длине дуги, достигающей в больших выпрямителях десят­ков сантиметров. Наличие газовых ионов, как в общем указывалось выше в § 82, обусловливает неравномерное падение потенциала на пути ртутной вольтовой дуги в выпрямителях. Обычно у ртут­ного катода, в непосредственной близости к нему, создается так называемое катодное падение потенциала порядка 10 вольт, играю­щее существенную роль в отношении сообщения положительным ионам, бомбардирующим катодное пятно, достаточно большой кине­тической энергии.

Автоматическое поддержание активности катодного пятна на ртути обычно достигается применением специальных схем, обеспе­чивающих непрерывное горение вольтовой дуги. Для этой цели используют в цепи вольтовой дуги при одном и том же ртутном катоде несколько (2, 3, 6 и 12) переменных электродвижущих сил с соответствующим количеством холодных электродов (анодов), располагаемых в одной и той же камере. При этом схему составляют таким образом, чтобы прежде чем вольтова дуга могла бы потух­нуть вследствие уменьшения питающей ее в данный промежуток времени электродвижущей силы, на сцену выступала другая пере­менная электродвижущая сила надлежащего знака, под влиянием которой ртутная вольтова дуга перебрасывается с того же катод­ного пятна на другой холодный анод и т. д.

На рис. 143 представлена схема включения ртутного выпрями­теля в цепь однофазного тока.

Здесь Т есть автотрансформатор, средняя точка которого О через полезное сопротивление (в виде примера в данном случае показана заряжаемая аккумуляторная батарея) и катушку с самоиндукциейL приключается к ртутному катоду С выпрямителя. Крайние зажимы автотрансформатораМ иN

293

присоединяются к двум холодным анодам A₁ иА₂. В есть вспомо­гательный ртутный же электрод, служащий для зажигания основной дуги. Именно, приключив рубильником на момент электродВ к за­жимуN и несколько наклоняя весь выпрямитель, мы можем привести в соприкосновение электродыС к В. Возвращая затем выпрямителья нормальное положение и прерывая контакт между С иВ, мы можем получить между ними кратковременную вольтову ду­гу, способную начать активирование ртутного катода С. Вслед за этим немедленно за­жигается основная дуга, кото­рая в течение одного полупе­риода будет гореть между ка­тодомС и анодомA, а в тече­ние другого полупериода — между тем же катодом С и ано­дома₂. Вольтова дуга могла бы потухнуть в момент каждой смены полупериодов, когда элек­тродвижущая сила приближается к нулю и соответственно сила тока должна упасть до нуля, т. е. должно прекратиться активирование катодного пятна, не способного продержаться само­стоятельно сколько-нибудь за­метный промежуток времени вследствие сравнительно большой теплопроводности металлического катода. Чтобы этого не произошло, и включают в цепь выпрямленного тока самоиндукциюL. За счет запасенной ею энергии¹/₂Li² создается ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи за указанный выше переходный промежуток времени, и таким образом непрерывно поддерживается актив­ное состояние катодного пятна. Соответствующая рассматривае­мому случаю осцилограмма элек­тродвижущих сил, действующих в цепи вольтовой дуги, предста­влена схематически на рис. 144.

Как видим, благодаря применению автотрансформатора с средней точкой в цепи ртутного выпрямителя в части СО (рис. 143) действуют по очереди в одном и том же направлении сначала ЭДСе_i от одной половины трансформатора, затем ЭДСe₂от второй половины его и т. д. с тем же чередованием. Но, кроме этих электродвижущих силe₁ иe₂ в ветви СО будет . действовать и ЭДС, порождаемая самоиндукциейL и поддерживаю­щая ток в то время, когдае₁ иe₂слишком малы. Результирующая

294

электродвижущая сила, создающая ток в ветви СО, изобразится верхушками пульсацийe₁иe₂ и связывающими их пунктирными частями кривой.

На рис. 145 представлена обычная схема включения простейшего (треханодного) ртутного выпрямителя в цепь трехфазного тока.

Аноды a₁, А₂ иА₃ приключаются к от­дельным фазам вторичной обмотки транс­форматора, соединенным звездой. Ме­жду нейтральной точкой звезды и ртут­ным катодом С включается полезное сопротивлениеR и реактивная катуш­каL, служащая для сглаживания не­ровностей кривой тока, которая в идеаль­ном случае должна быть прямой, к чему мы должны стремиться и что по воз­можности достигается по мере увели­чения числа фаз, доводимого на прак­тике иногда до 12. Электронный поток ртутной дуги, излучающийся с катода, перебегает с анода на анод, замыкая катод с анодом, имеющим в данный момент наивысший положительный по­тенциал. Таким образом, ртутный катод является положительным, а нейтральная точка трансформатора — отрицатель­ным полюсом в цепи выпрямленного тока, содержащей полезное сопротивление. Выпрямитель работает в схеме как синхронный переключатель. Непрерывная активность катодного пятна обеспечивается благодаря тому, что отдельные фазные электродвижущие силы (рис. 146) выступают на сцену раньше, чем ЭДС предыдущей фазы упала до нуля.

Когда некоторый анод имеет отрицательный по отношению к ртути потенциал, „в него, вообще говоря, начинает итти обратный ток, обусловливаемый наличием ионизации паров ртути и при напряже­ниях свыше 500 вольт могу­щий принять форму паразит­ного тихого разряда. При до­статочной степени разреже­ния и небольшом давлении ртутного пара этот вредный ток бывает ничтожен (порядка нескольких миллиамперов) и прак­тически никакого влияния на работу выпрямителя не оказывает. Принятием мер к поддержанию высокой степени разрежения, а также надлежащим конструктивным оформлением выпрями­теля можно достигнуть устойчивой и уверенной работы ртут­ного выпрямителя при напряжениях свыше 10000 вольт. Для начального активирования ртутного катода чаще всего прибегают к полощи особого электрода (например, железного), который дово-

295

дится до контакта с ртутью действием специального электромаг­нитного механизма и затем отводится. Возникающая на момент вспомогательная вольтова дуга дает начало активному пятну на ртути, автоматически поддерживаемому в дальнейшей основными дугами. Это добавочное приспособление не показано на схемати­ческом рис. 145. В настоящее время строятся ртутные выпрямители с металлическими камерами, охлаждаемыми водой, рассчитанные на мощность выпрямленного тока в несколько тысяч киловатт. Они особенно распространены в области электрической тяги.