Чем больше опыта и знаний, тем меньше открытий в профессии – в любой новой технологии или оборудовании видишь что-то знакомое. И вот уже даже очень красивое техническое решение не вызывает больше радостного удивления, для получения «инженерного кайфа» нужно что-то из ряда вон выходящее …
Самые интересные и яркие воспоминания у меня об оборудовании, которое я изучал в техникуме – в том числе и о Выпрямительных устройствах ВУК. Они стояли у нас в лаборатории электропитания и были основным объектом для практического изучения.
Учились по «Китаеву и Бокуняеву», фамилии авторов учебника и как он выглядел, хорошо помню. Чему нас учили Широкий профиль – узкие знания. Специальность 0708. Районная электрическая связь и радиофикация
А вот и герой нашего рассказа, вернее два родных брата-ВУКа, и коммутационный шкаф между ними. На лицевой панели в верхней части ВУК расположены измерительные приборы (амперметр и вольтметр) и ремонтные разъединитель. Шкаф выпрямителя закрывается дверью с замком. На двери расположены потенциометры для регулировки тока и напряжения (на фото замок и потенциометры видны на том выпрямителе, который справа). В нижней части стойки имеются жалюзи, которые обеспечивают приток холодного воздуха для охлаждения, теплый воздух подымается вверх.
Юрьев-Польский завод «Промсвязь».
Выпуск унифицированных выпрямительных устройства на кремниевых вентилях серии ВУК промышленность Минсвязи СССР начала в 1970 г. Они пришли на смену выпрямителям на селеновых вентилях ВУ, а ВУК, в свою очередь сменили тиристорные выпрямители ВУТ. Разработку выпрямителей этих серий выполнило ЦКБ «Связь», а выпускались они на Юрьев-Польском заводе (ЮПЗ) «Промсвязь».
Работал с самым разным оборудованием ЮПЗ – от ВУК до УЭПС, и на заводе был. Если коллеги из Юрьев-Польского и «Промсвязьдизайна» этот текст прочитают, всем привет – с кем были знакомы, и с кем незнакомы тоже.
О технических характеристиках – очень коротко
Унифицированные выпрямительные устройства на кремниевых вентилях серии ВУК работали от трехфазной сети переменного тока. Выпускались на выходные напряжения 24, 60, 120 и 220 В постоянного тока и мощности от 2, 4, 9, 16 и 40 кВт. Cos φ находится в пределах 0,68—0,72.
Выпрямительные устройства серии ВУК обеспечивают:
- КПД зарядно-буферных ВУК — 0,71—0,75; буферных ВУК — 0,8—0,82;
- низкий уровень пульсаций выходного напряжения, что позволяет питать оборудования без аккумуляторной батареи в буфере;
- автоматическую стабилизацию выпрямленного напряжения с точностью не хуже 2% и тока с точностью не хуже 5-10% от заданной величины;
- автоматическое включение выпрямителя при восстановлении напряжения в сети в режиме стабилизации тока и переходом в режим стабилизации напряжения при повышении напряжения на батарее;
- параллельную работу до трех выпрямителей на общую нагрузку в режиме стабилизации напряжения и до четырех — в режиме стабилизации тока;
- автоматическое отключение неисправного выпрямителя и включение резервного.
Даже по этому краткому перечню видно, что оборудование вполне продвинутое (для 70-х годов), и, добавлю, очень надёжное.
Схема Ларионова, селеновые вентили и столбы, кремниевые вентили, тиристоры.
При обсуждении оборудования 50-летней и более давности будем иногда использовать терминологию того времени.
Вентилем называется прибор, обладающий высокой проводимостью (малым сопротивлением для тока одного (прямого) направления и малой проводимостью (большим сопротивлением) для тока противоположного (обратного) направления.
Схема Ларионова - схема трёхфазного выпрямителя на трёх полумостах, предложенная А.Н. Ларионовым ы 1924 году. Патентная заявка на аналогичную схему была подана В 1923 г. в США.
Выпрямители ВУК (как и селеновые ВУ) выполнены по схеме Ларионова (трехфазной мостовой схеме). Неуправляемые на этой схеме вентили можно заменить на управляемые (например, оптроны или тиристоры).
Изучение тиристоров и кремниевых диодов (и тот и другой прибор можно назвать вентилями) входит в любой курс электроники, а вот что такое селеновые вентили и столбы для многих уже требует пояснения, у меня у самого в памяти осталось от них только название. Пользуясь случаем, уделим этой внимание этой теме и увидим, чем ВУК принципиально отличаются от предшествующего им поколения выпрямителей на селеновых вентилях.
Нелинейные свойства электрического сопротивления контакта селен—металл было обнаружено еще в 80-е годы 19 века, первые промышленные типы селеновых выпрямителей были разработаны 1932—1933 гг. В СССР промышленное производство селеновых выпрямителей было налажено в 1942-43 годах.
Селеновые вентили состоят из двух металлических электродов (анод обычно из алюминия, катод – различных сплавов или алюминия с покрытием), между которыми расположен слой или несколько слоев, каждый из которых легируется различными элементами, может наноситься также слой теллура.
Вот как устроены селеновые вентили серий А и Г. Основанием 1 является алюминиевая пластина толщиной 0,8 мм. На алюминиевом основании строится выпрямительный элемент, оно также является одним из токосъемных электродов. Вторым токосъемным электродом у элементов серии А служит катодный сплав олова с кадмием 4, у элементов серии Г — висмутированная алюминиевая фольга 5. Толщина слоя селена составляет 50...60 мкм. У элементов серии А запирающий слой образуется в месте контакта селена 3 и катодного сплава. У элементов серии Г он образуется в месте контакта селена и алюминиевого основания.
Рабочий ток можно регулировать увеличением площади, а допустимое обратное напряжение – последовательным включением элементов. Выпрямительные элементы, рассчитанные на большие токи и напряжения, выполняются в виде выпрямительных столбов.
Теперь сравним ВАХ селенового вентиля и полупроводникового диода, и сразу добавим еще управляемый тиристор.
Как видно из характеристики, селеновый вентиль не имеет ярко выраженного пробоя (а если пробой случится, вентиль обычно восстанавливается). Допустимое обратное напряжение, в зависимости от типа вентиля, составляет порядка 20-40 В. Именно из-за большой утечки тока при обратном напряжении необходимо последовательное соединение вентилей в столбы.
К утечке тока при приложенном к селеновому вентилю обратном напряжении надо добавить утечку через емкость (сравните площадь электрода вентиля с площадью p-n перехода мощного выпрямительного диода). Сравните наклон правой части ВАХ у селенового вентиля и кремниевого диода.
Можно было бы про селеновые вентили и не рассказывать, а просто написать, что по сравнению с выпрямителями на селеновых вентилях серии ВУ, КПД ВУК увеличился на 10-15%. Теперь мы знаем основную причину этого, ну и узнать (а для кого-то вспомнить) про селеновые столбы было интересно.
Про тиристор мои читатели еще забыть не успели, но сказать про его ВАХ что-то надо. ВАХ управляемого тиристора при достаточно большом токе управления аналогична ВАХ полупроводникового диода.
Надежность выпрямителей, стойкость к перенапряжениям. Создаваемые помехи.
Про выпрямители с селеновыми вентилями ничего не могу сказать, а вот и ВУК и ВУТ очень надежны, и если их нормально эксплуатировать, то расчетный эксплуатационный ресурс они многократно перекрывают. Вышедших из строя импульсных выпрямителей с бестрансформаторным входом мне приходилось видеть гораздо больше, чем выполненных по схеме трансформатор – мост.
В конце 90-х и начале 2000-х много занимался проблемами ЭМС и защитой от перенапряжений. Как только в 90-х начали менять старое оборудование на новое – не меняя кабелей, схем электроустановок, без современных устройств защиты новое оборудование начинало при грозе гореть синим пламенем. Регенераторы ИКМ 15/30 (выпущенные по конверсии – «ЦНИИС нам не указ, сами все знаем») вылетали там, где КНК-12 без проблем работала. ТЭЗы АК на электронных АТС отправляли в ремонт после грозы там, где с АТСК горя не знали. То же самое бвло и с РРС.
При замене ВУК на импульсные выпрямители часто происходила такая же история – высокий КПД, низкая материалоемкость, многократное уменьшение габаритов оборудования имело определенную цену. Трансформаторы и дроссели на входе старых выпрямителей были препятствием для импульсной помехи, поэтому кремниевым диодам ВУК и тиристорам ВУТ она не была страшна. А вот у МОП-транзисторов импульсных выпрямителей такой защиты не было.
Потребовалось время, чтобы привести ЭПУ в соответствие с современными требованиями, после чего проблемы с выходом импульсных выпрямителей от перенапряжений сошли на нет.
От выпрямителя с неуправляемыми вентилями помех практически нет. Тиристорный выпрямитель с понижающим трансформатором помехи уже генерирует, но особых проблем с ЭМС он не создает. Импульсные выпрямители, в которых нет входного трансформатора – совсем другое дело. Кроме собственно импульсных помех проблему представляют еще и токи нечетных гармоник, которые складываются и протекают по нулевому проводу.
Просмотрел несколько источников, когда писал статью. Вот, например, "Инструкция по монтажу и электрической проверке электропитающих установок станционных сооружений проводной связи" Главсвязьстроя, 1977 г. В ней только наладке ВУК в разных комбинациях с другим оборудованием и батареями страниц 70 уделяется. Описано, например, как проводить «электрическую сушку моточных элементов под напряжением».
Даже видео нашел Описание и схема выпрямителей мощностью 16 кВт: ВУК 67/260 (для питания АТС) и ВУК 265/60 (для питания анодных цепей)
Но надо было что-то самое интересное выбрать – и мне показалось самым интересным вот что: как регулируются выходное напряжение и ток.
Как регулируются выходное напряжение и ток в ВУК.
В ВУТ регулирование происходит прямо в выпрямительном мосту, выполненном по трехфазной полностью управляемой схеме на шести тиристорах. Выходные ток и напряжение регулируются с помощью изменения момента подачи на тиристор управляющего импульса относительно положительной полуволны переменного напряжения.
В импульсных выпрямителях для регулирования используется подача на ключевые элементы преобразователя импульсов с изменяемой скважностью (т.е. широтно-импульсная модуляция).
В качестве регулирующего элемента в выпрямительных устройствах типа ВУК используется дроссели насыщения, т.е. регулирование происходит путем изменения индуктивного сопротивления.
В ВУК мощностью 2 кВт используется дроссели насыщения без обратной связи, включенные последовательно с первичными обмотками трансформатора. Ток подмагничивания, от величины которого зависит индуктивное сопротивление дросселя, поступает с выхода транзисторного усилителя постоянного тока. Выходной ток усилителя зависит от отношения эталонного и выходного напряжения. Структурная схема выпрямителя мощностью 2 кВт на рисунке справа.
В ВУК мощностью 4 и более кВт (на рисунке справа) выходное напряжение и ток регулируются дросселями насыщения ДрУ, токовые обмотки которых включены в схему моста последовательно с выпрямительными вентилями. Ток, протекающий через вентили создает внутреннюю обратную связь (дополнительное подмагничивание) в дросселях насыщения, что резко снижает необходимую мощность регулирования.
Стабилизация напряжения или тока осуществляется автоматическим изменением тока подмагничивания в главной обмотке подмагничивания ГОП дросселя насыщения. В качестве следящего устройства в ВУК применен транзисторный усилитель постоянного тока, на выходе которого изменяется ток при изменении напряжения на выходе ВУК (при работе выпрямителя в режиме стабилизации напряжения) или тока (при работе в режиме стабилизации тока). Дополнительная обмотка смещения ОС получает питание от отдельных обмоток силового трансформатора и обеспечивает подмагничивание сердечника даже при токе в ГОП, равном нулю.
Ну как, круто ?
P.S.
На своем уровне технологии и для своего времени ВУК очень хорош. Продуман, надежен, близок к совершенству. Этим он напомнил мне паровозы 40-50 -х годов выпуска, которые я видел в железнодорожном музее в Петербурге (инженерам любых специальностей и тем, кто любит технику, советую там побывать – не пожалеете).
Это мой личный блог. Если интересно, чем я и мои коллеги занимаемся сейчас: сайт commeng.ru блог ЭЛЕКТРИК И СВЯЗИСТ ЭТО СИЛА блог COMMENG CLEAN ROOM