Ионные прерыватели тока

 

При точечной сварке во многих случаях требуется точная дозировка времени сварки и количества израсходованной энергии. Важна не только определённая продолжительность времени прохождения тока, но и точная синхронизация моментов включения и выключения тока с синусоидой напряжения питающей сети. Требование синхронизации объясняется тем, что неустановившееся значение тока в момент включения зависит от положения момента включения по отношению к синусоиде напряжения сети. Если принять необходимую точность для продолжительности прохождения тока в 5%, то при продолжительности в один период, т. е. 0,02 сек.. потребуется точность установления этой продолжительности 0,001 сек. что же касается точности синхронизации момента включения тока, то в этом случае, как показывает опыт, требуется точность порядка-0,0001 сек. Подобной точности не могут обеспечить механические устройства, вследствие неизбежной инерции движущихся частей. Необходимую точность могут обеспечить лишь ионные приборы — тиратроны и игнайтроны.

Тиратроном называется трёх-электродная наполненная газом лампа, схематически показанная на фиг. 167. Тиратрон имеет накаливаемый катод, анод и между ними: третий электрод — управляющую сетку. В зависимости от относительного потенциала сетки по отношению к катоду, тиратрон может находиться в запертом или отпертом состоянии для прохождения1 электрического тока. Если потенциал сетки отрицателен по отношению к катоду, то тиратрон заперт и не пропускает электрического тока.

Отрицательный потенциал сетки отражает электроны эмиттируемые поверхностью катода, не позволяет им перемещаться по направлению к аноду и производить ионизацию газа. Для запирания тиратрона достаточен отрицательный потенциал сетки в несколько вольт. Если же потенциал сетки недостаточно отрицателен по отношению к катоду, то электроны, эмиттируемые катодом, направляются к аноду, ионизируют газ с образованием положительных ионов и электронов и в тиратроне развивается мощный электрический разряд со свечением газа, тиратрон зажигается. Если началось прохождение тока между анодом и катодом, т. е. тиратрон загорелся, то разряд уже не может быть потушен или ослаблен подачей отрицательного потенциала на сетку и будет продолжаться до исчезновения напряжения в анодной цепи. Если тиратрон отперт всё время, то он пропускает проводящие полупериоды переменного тока, отвечающие полярности электродов тиратрона, анода и катода. Для полупериодов противоположного направления тока тиратрон будет заперт независимо от потенциала сетки.

Сила тока, протекающего через тиратрон, всецело определяется сопротивлением внешней цепи, так как сопротивление самого тиратрона с увеличением степени ионизации газа может стать чрезвычайно малым. Если на сетку тиратрона давать кратковременные отпирающие импульсы, а остальное время держать сетку в запертом состоянии, то тиратрон будет пропускать лишь часть полупериода проводящего направления тока.

Меняя момент подачи отпирающего импульса, можно изменить продолжительность времени прохождения тока через тиратрон в проводящем полупериоде от нуля до полного полупериода (фиг. 168). При продолжительности времени прохождения тока менее полупериода кривая тока становится несинусоидальной. Таким образом, меняя момент подачи отпирающего импульса на сетку тиратрона, можно менять продолжительность прохождения тока, а тем самым и эффективное его значение. Для использования обоих полупериодов переменного тока применяют два тиратрона в так называемом антипараллельном включении (фиг. 169).

Тиратроны изготовляются для токов в десятки и сотни ампер и могут применяться для включения и выключения токов контактных машин как непосредственно (фиг. 170), так и совместно со вспомогательным сериесным трансформатором, включённым последовательно с первичной обмоткой контактной машины. Во втором случае тиратроны служат для замыкания накоротко и размыкания вторичной обмотки сериесного трансформатора высокого напряжения от 2000 до 10000 е.

При зажигании тиратронов вторичная обмотка сериесного трансформатора оказывается замкнутой накоротко, полное сопротивление первичной обмотки трансформатора падает почти до нуля, и контактная машина получает от сети максимальное напряжение, развивая при этом максимальную мощность. При запертых тиратронах вторичная обмотка сериесного трансформатора разомкнута, индуктивное сопротивление первичной обмотки сериесного трансформатора и падение напряжения в ней вилки.

На зажимах контактной машины остаётся лишь незначительное напряжение порядка 5—10% от номинального, и контактная машина практически оказывается выключенной.

Для более мощных машин и возможности работы без дополнительных дорогих сериесных трансформаторов в настоящее время начинают широко применяться управляемые ионные приборы с жидким катодом — игнайтроны, схема устройства которых дана на фиг. 171, а.

Анод 1 и жидкий ртутный катод 2 находятся в закрытом металлическом резервуаре, из которого выкачан воздух и в котором имеются лишь пары ртути катода. Третий управляющий электрод 3, по действию аналогичный сетке тиратрона и называемый зажигателем, представляет собой кристалл карборунда, укреплённый на металлическом стержне и слегка погружённый в ртуть. При положительном потенциале зажигателя по отношению к катоду игнайтрон отперт и проводит ток, при отрицательном — заперт и не проводит тока.

Устройство мощного игнайтрона с металлическим корпусом показано на фиг. 171,б. Из двухстенного стального резервуара 3 откачивается воздух через патрубок 1, полость 7 между стенками стального резервуара охлаждается водой, поступающей по трубке 2. На дне резервуара налит слой ртути 5, служащий катодом. Ток к катоду подводится через фланец 11 и корпус игнайтрона, находящийся под напряжением. В крышку 10 через уплотнительную и изолирующую резиновую прокладку 12 вставлен фарфоровый изоля -. тор 9, через который проходит болт, имеющий охлаждающие рёбра 8. К болту, пропущенному в центре изолятора, присоединяется провод от сети, а снизу крепится графитный анод 13. Внизу игнайтрона через боковое отверстие проходит третий электрод 4, так называемый зажигатель. На конце зажигателя имеется кристалл карборунда 6. При включении тока в цепи зажигателя наблюдается значительная напряжённость электрического поля между карборундом и ртутью.

 

Создавшаяся высокая напряжённость поля создаёт автоэлектронную эмиссию на поверхности ртутили между ртутью и карборундом зажигается вспомогательная дуга. При этом ртутный катод излучает электроны и производит ионизацию газа в игнайтроне. Если в этот момент на аноде имеется положительный потенциал то игнайгрон загорается и от анода к катоду проходит ток, величина которого определяется сопротивлением внешней цепи. При размыкании цепи зажигателя переменный ток будет протекать до конца положительного полупериода.

По принципу действия и управления игнайтрон вполне аналогичен тиратрону с той разницей, что сетка тиратрона заменена за-жигателем. Преимуществом игнайтрона является возможность изготовления его для токов в сотни и тысячи ампер при небольших габаритных размерах прибора, что делает ненужным применение сериесных трансформаторов в цепи управления контактных машин.

Игнайтроны надёжны в работе и мало чувствительны к перегрузкам, поэтому они являются основным типом прерывателей современных мощных контактных машин. Цепь зажигания игнайтрона обычно управляется небольшими вспомогательными тиратронами. Время прохождения тока в ионных прерывателях управляется специальными приборами — таймерами, основанными, например, на процессе заряда или разряда вспомогательного конденсатора. Ионные прерыватели могут быть сделаны практически безинерцион-ными и могут работать с высокой степенью точности, удовлетворяющей самым строгим требованиям контактной электросварки. Поэтому ионные прерыватели находят всё более широкие применения для управления мощными быстродействующими точечными и шовными контактными машинами.