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有关整流技术的前世今生
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冬夏太阳
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发表于2018-02-01 21:51:19
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电梯直达
有关整流技术的前世今生:
机电(Electromechanical)方式
早期电力转换系统是纯电机的设计,因当时的电子设备尚不足以用来处理大电力。这种机械整流系统通常依赖某种形式的旋转或振动共振以便有足够快的速度配合输入电源的频率,其操作频率最高只能到几千赫兹。由于机械系统的复杂性,传统上需要高程度的维护,以确保正常运行。因应运动部件的摩擦,需要加以润滑并在磨损时予以置换。运转中,转为开路中的机械接点会发生电弧和火花,因而发热并腐蚀该接点。
1. 同步整流器: 在电力机车中,可能会使用同步整流器将交流电流转换成直流电流。机电式同步整流包括一个同步马达以驱动一组重型电气接点。马达的旋转与交流频率同步,并定时在正弦电流经过零的时候,改变连接方向,产生整流作用。该接点在切换瞬间并没有大电流,但持续接触时需要能够承载机车头的直流牵引马达所需的大电流。
2. 振动器: 在过去,将电池的电力转为高压直流电源的设备会使用振动器(Vibrator)。振动器内通常包含两组接点,一组产生交流提供升压,另一组则在升压后进行机械式同步整流,把产生的交流高压转为直流。
3. 马达与发电机组合: 马达与发电机组合或似的旋转转换器,实际上不会纠正电流方向,意义上不算真正的整流器,但它可以从交流电源生成直流电源。这个组合中其实是交流马达与直流发电机两者的转轴直接以机械方式耦合。交流马达带动直流发电机,电枢(armature)的线圈绕组感应出多相交流,经整流子(commutator,这里的整流子是指用于马达与发电机内的一个机电构造)换向后转换成直流电流输出。如使用同极发电机(homopolar generator),此发电机内就无需整流子。在高功率半导体广泛应用之前,马达与发电机组合使用在供应直流予铁路牵引马达、工业电动机和其他高功率直流用途,例如室外剧院放映机的碳精电弧灯。
电解式
电解整流是1900年代的早期设备,现早已不再使用。当两个不同的金属悬于电解质溶液中时,可以发现某一方向的电流流动比另一方向阻力较小。最常用的是铝阳极和铅或钢铁阴极,悬于正磷酸三铵(triammonium orthophosphate)的溶液中。整流作用的形成是由于铝电极第一次通过大电流时会在表面形成对氢氧化铝的薄层。此种整流过程对温度敏感,若要有最佳效率,不可在86 °F(30 °C)以上运作。此外,它的击穿电压是指会造成电极上的薄层被穿透而发生短路的电压。电化学整流往往比机械的整流方法更脆弱,对相关变异因数很敏感,并可能产生剧幅特性改变或完全破坏。在同一时代,相似的电解设备,例如在正磷酸三铵溶液槽内挂起许多铝锥,用来作为避雷器(lightning arrestor)使用。与当作整流器时的不同点是只有铝电极,并用于交流,没有极化与整流操作,只是化学成分类似。电解电容器是现代大多数整流滤波电路的必要组成部分之一,它正是从电解整流器发展出来的。
等离子(Plasma,又称等离子)形式
1. 水银电弧: 约在1909年到1975年间,高压直流的电源传输系统与工业加工中使用的整流器是水银整流器,或称汞弧管。
汞整流管及引燃管 (英语:Ignitron tube)是一种单阳极的汞弧型整流管,主要应用于控制器和大功率整流器。美国西屋电气工程师约瑟夫?斯莱皮恩(Joseph Slepian)在1933年将弧光放电现象应用到开关技术,成功发明了引燃管。引燃管分为阴极、引燃极和阳极三个部分,阴极和阳极分别为汞池和石墨或不锈钢,引燃极是引燃管最重要的部分,以耐高温的、具有高电阻率且不被汞浸润的材料制成,通常为碳化硅或碳化硼等半导体材料。当引燃电流时,汞池表面产生阴极炽点而发射电子,电子在向阳极运动过程中使汞蒸气电离,在阳极与汞池间形成弧光,放电。
该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部,多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时,电子束将可藉电离化的水银,由阴极流向阳极,但无法反向。[原则上,这是一个高功率型的火焰整流器,与火焰中自然存在的等离子具有的单向电流传输特性相同]。这些设备可用于数百千瓦等级的功率、可处理一至六相的交流。从1970年代中期起,汞弧整流器被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。史上最强大的汞弧整流器安装在加拿大马尼托巴水电局纳尔逊河双高压直流输电系统专案中,额订容量总和超过一百万千瓦,450,000伏特。
2. 氩气电子管: 通用电气公司所推出称为Tungar的整流器,是一个充氩气的电子管(即电子管),内以钨质灯丝作阴极,碳质钮扣型的阳极。从 20年代起,它用于电池充电器和类似的用途,直到金属整流器与低成本的固态半导体整流器取代它为止。Tungar氩气电子管整流器的额定规格一般是电压数百伏特以内、电流几安培以内,某些型式的外观与大小很像一般白炽灯,只是多一个额外电极。
1940~50年代常用于车用电子管收音机中,型号为0Z4的电子管也是一种氩气电子管整流器。如本条目之前所提到的一般电子管全波整流器,0Z4具有二个阳极与一个阴极,但它最特别的一点是没有灯丝(型号中的0代表此意)。由于电极的形状设计,使逆向崩溃电压远大于顺向崩溃电压。当超过崩溃电压时,会转成低阻抗状态,顺向导通时0Z4的压降约为24伏特。
电子管整流器 |
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