2.3.1. Схеми випрямлення струму високої напруги

Вибір схеми випрямлення базується на ряді факторів як технологічного, так і економічного плану, виходячи з вимог навантаження, що є в наявності обладнання.

Всі схеми установок одержання високої напруги випрямленого струму можна класифікувати по наступних ознаках: за формою випрямленої напруги (одно- і двопівперіодні схеми); по числу фаз вторинної обмотки трансформатора (однофазні, двох- і трифазні схеми); по відношенню вихідної напруги до вхідної (схеми випрямлення і схеми випрямлення із множенням напруги).

Основними елементами схем випрямлення є: джерело високої напруги, випрямний пристрій, що згладжує фільтр і навантаження.

Із усієї різноманітності схем випрямлення (рис. 2.7), докладно розглянутих у навчальній і науковій літературі [1, 12], розглянемо принцип роботи і параметри вихідної напруги на прикладі двопівперіодної схеми (рис. 2.7, б).

Рис. 2.7. Схеми випрямлення: а – однопівперіодна; б – двопівперіодна;; в – однопівперіодна трифазна; г – двопівперіодна; трифазна

У цій схемі випрямлячі V₁ й V₄ відкриті і пропускають струм, коли потенціал точки 1 більше, ніж потенціал точки 2. Випрямлячі V₂ і V₃ відкриті, якщо потенціал точки 2 більше потенціалу точки 1.

Діаграми напруги на трансформаторі і на навантаженні показані на рис 2.8.

Рис. 2.8. Діаграма напруги для схеми (рис. 2.7, б): а – на високій стороні трансформатора; б – на навантаженні без фільтра; в – на навантаженні з фільтром (С_Ф)

Така схема володіє рядом недоліків при роботі без фільтра, а саме: більша пульсація напруги і струму, малі їхні значення на навантаженні. Ефективне і середнє значення напруги за період відповідно рівне:

U_эф » , де – амплітудне значення фазної напруги трансформатора. Використання ємнісного фільтра (С_ф) дозволяє усунути ці недоліки. Величина пульсації і напруги в цьому випадку буде залежати від опору навантаження і ємності фільтра. Значно кращі параметри вихідної напруги можна одержати при використанні трифазних схем (рис. 2.7, в, г). Однак у цьому випадку схеми ускладнюються.

Загальним недоліком схем випрямлення є те, що їх доцільно використовувати тільки при одержанні напруги не вище 100 кВ. Для одержання більш високих напруг використовують схеми випрямлення з подвоєнням, потроєнням і багаторазовим збільшенням напруги на навантаженні щодо вхідної напруги (рис. 2.9).

t

Рис. 2.9. Електричні схеми випрямлення із множенням напруги: а – з подвоєнням напруги; б – з потроєнням напруги; в – діаграма напруги для схеми (а)

Необхідність таких схем диктується економічною доцільністю. Використовуючи елементи з відносно низькою робочою напругою і забезпечуючи твердий розподіл потенціалів по елементах, можна одержувати напруги в сотні і тисячі кіловольт.

Нижче розглянемо принцип роботи схеми випрямлення з подвоєнням напруги (рис. 2.10), що є основною для одержання багаторазової збільшеної напруги в схемі каскадного генератора постійного струму (КГПС).

У цій схемі випрямлячі V₁ і V₂ працюють протягом різних напівперіодів коливання напруги трансформатора. Випрямляч V₁ відкритий тоді, коли потенціал точки 2 менше потенціалу точки 0, а V₂ відкритий, коли потенціал точки 2 більше потенціалу точки 3. Конденсатор С₂, що виконує роль фільтра в схемі, заряджається напругою, що створюється між точками 2–0, рівний сумі напруг трансформатора і конденсатора С₁. Ця напруга пульсує від 0 до 2 . Неважко переконатися і у тім, що напруга між точками 2–3 пульсує також від 0 до 2 , але за часом змістяться на 180º щодо напруги на вентилі V₁.

Рис. 2.10. Двопівперіодна схема випрямлення з подвоєнням напруги (а) і діаграма напруги на виході схеми і потенціалів у різних точках (б)

Заряд конденсатора С₂ до повної напруги (2) при R_н ®¥ іде протягом деякої кількості періодів коливання змінного струму.

При реальному навантаженні (R_н ¹ ¥) конденсатор С₂ у проміжку між підзарядками, коли закритий вентиль V₂, розряджається частково на навантаження і напругу на ньому знижується на величину dU » DQ/C₂ » I_ср×Т/С₂, де I_ср – середній струм через навантаження за період Т (рис. 2.10,б).

Після відкриття вентиля V₂ конденсатор С₂ буде підзаряджатися надлишковим зарядом на конденсаторі С₁. Одночасно з підзарядом конденсатора С₂ частково йде розряд конденсатора С₁ на навантаження. У результаті чого напруга на С₂ не досягне максимального значення, тобто  в схемі виникне спадання напруги DU » I_срТ/С₁ (рис. 2.10, б). Таким чином, видно, що пульсація і спадання напруги залежать від струму навантаження і частоти живлячої напруги. Крім цього, пульсація залежить від величини ємності С₂, а спадання напруги від величини ємності С₁.