Supapă cu arc de mercur - Mercury-arc valve
O supapă cu arc de mercur sau redresor cu vapori de mercur sau redresor cu arc de mercur (Marea Britanie) este un tip de redresor electric utilizat pentru conversia curentului alternativ de înaltă tensiune sau curent alternativ (AC) în curent continuu (DC). Este un tip de tub cu gaz catodic rece , dar este neobișnuit prin faptul că catodul, în loc să fie solid, este realizat dintr-un bazin de mercur lichid și, prin urmare, se auto-reface. Drept urmare, supapele cu arc de mercur erau mult mai robuste și de lungă durată și puteau transporta curenți mult mai mari decât majoritatea celorlalte tipuri de tuburi de descărcare a gazului.
Inventate în 1902 de Peter Cooper Hewitt , redresoarele cu arc de mercur au fost utilizate pentru a furniza energie motoarelor industriale, căilor ferate electrice , tramvaielor și locomotivelor electrice , precum și pentru emițătoarele radio și pentru transmisia de curent de înaltă tensiune (HVDC). Acestea au fost metoda principală de rectificare de mare putere înainte de apariția redresoarelor semiconductoare , cum ar fi diodele , tiristoarele și tiristoarele de închidere a porții (GTO) în anii 1970. Aceste redresoare în stare solidă au înlocuit complet redresoarele cu arc de mercur datorită fiabilității lor mai mari, a costurilor și a întreținerii reduse și a riscului de mediu mai redus.
Istorie
În 1882 Jemin și Meneuvrier au observat proprietățile rectificatoare ale unui arc de mercur. Redresorul cu arc de mercur a fost inventat de Peter Cooper Hewitt în 1902 și dezvoltat în continuare în anii 1920 și 1930 de cercetători atât din Europa, cât și din America de Nord. Înainte de invenția sa, singura modalitate de a converti curentul alternativ furnizat de utilități în curent continuu a fost prin utilizarea convertoarelor rotative scumpe, ineficiente și cu întreținere ridicată sau a seturilor de motoare-generator. Redresoarele sau „convertoarele” cu mercur-arc au fost folosite pentru încărcarea bateriilor de stocare, a sistemelor de iluminare cu arc , a motoarelor de tracțiune continuă pentru troleibuze , tramvaie și metrou și a echipamentelor de galvanizare. Redresorul cu mercur a fost folosit până în anii 1970, când a fost în cele din urmă înlocuit cu redresoare semiconductoare .
Principii de funcționare
Funcționarea redresorului se bazează pe o descărcare electrică a arcului între electrozi într-un plic sigilat care conține vapori de mercur la presiune foarte mică. Un bazin de mercur lichid acționează ca un catod auto-reînnoit care nu se deteriorează cu timpul. Mercurul emite electroni în mod liber, în timp ce anodii de carbon emit foarte puțini electroni chiar și atunci când sunt încălziți, astfel încât curentul de electroni poate trece doar prin tub într-o singură direcție, de la catod la anod, ceea ce permite tubului să rectifice curentul alternativ.
Când se formează un arc, electronii sunt emiși de la suprafața bazinului, provocând ionizarea vaporilor de mercur de-a lungul căii spre anodi. Ionii de mercur sunt atrași spre catod, iar bombardamentul ionic rezultat al bazinului menține temperatura punctului de emisie , atât timp cât continuă un curent de câțiva amperi.
În timp ce curentul este transportat de electroni, ionii pozitivi care revin la catod permit căii de conducere să fie în mare parte neafectată de efectele de încărcare spațială care limitează performanța tuburilor de vid . În consecință, supapa poate transporta curenți mari la tensiuni reduse ale arcului (de obicei 20-30 V) și așa este un redresor eficient. Tuburile cu descărcare de gaz cu catod fierbinte, cum ar fi tiratronul, pot atinge, de asemenea, niveluri similare de eficiență, dar filamentele de catod încălzite sunt delicate și au o durată de viață scurtă atunci când sunt utilizate la curent mare.
Temperatura plicului trebuie controlată cu atenție, deoarece comportamentul arcului este determinat în mare măsură de presiunea de vapori a mercurului, care la rândul său este stabilită de cel mai tare punct de pe peretele incintei. Un design tipic menține temperatura la 40 ° C (104 ° F) și o presiune de vapori de mercur de 7 milipascali .
Ionii de mercur emit lumină la lungimi de undă caracteristice, ale căror intensități relative sunt determinate de presiunea vaporilor. La presiunea scăzută dintr-un redresor, lumina apare albastru pal-violet și conține multă lumină ultravioletă .
Constructie
Construcția unei supape cu arc de mercur ia una dintre cele două forme de bază - tipul cu bec de sticlă și tipul cu rezervor de oțel. Supapele cu rezervor de oțel au fost utilizate pentru curenți nominali mai mari de peste aproximativ 500 A.
Supape cu bec din sticlă
Primul tip de redresor electric cu vapori de mercur constă dintr-un bec de sticlă evacuat cu un bazin de mercur lichid așezat în partea de jos ca catodul . Peste el se curbează becul de sticlă, care condensează mercurul care se evaporă pe măsură ce dispozitivul funcționează. Plicul de sticlă are unul sau mai multe brațe cu tije de grafit ca anodi . Numărul lor depinde de aplicație, cu un anod furnizat de obicei pe fază. Forma brațelor anodice asigură faptul că orice mercur care se condensează pe pereții de sticlă se scurge rapid în bazinul principal pentru a evita furnizarea unei căi conductoare între catod și anodul respectiv.
Redresoarele de plic din sticlă pot gestiona sute de kilowați de curent continuu într-o singură unitate. Un redresor cu șase faze de 150 de amperi are un plic de sticlă de aproximativ 600 mm (24 inci) înălțime cu 300 mm (12 inci) diametru exterior. Aceste redresoare vor conține câteva kilograme de mercur lichid. Dimensiunea mare a plicului este necesară datorită conductivității termice scăzute a sticlei. Vaporii de mercur din partea superioară a plicului trebuie să disipeze căldura prin plicul de sticlă pentru a se condensa și a reveni la piscina catodică. Unele tuburi de sticlă au fost scufundate într-o baie de ulei pentru a controla mai bine temperatura.
Capacitatea de încărcare a curentului unui redresor cu bec de sticlă este limitată parțial de fragilitatea plicului de sticlă (a cărui dimensiune crește cu puterea nominală) și parțial de dimensiunea firelor topite în plicul de sticlă pentru conectarea anodilor și catod. Dezvoltarea redresoarelor cu curent ridicat a necesitat materiale din sârmă de plumb și sticlă cu coeficienți de expansiune termică foarte similari pentru a preveni scurgerea de aer în plic. Evaluările actuale de până la 500 A fuseseră realizate până la mijlocul anilor 1930, dar majoritatea redresoarelor pentru clasificările actuale peste aceasta au fost realizate utilizând un design mai robust al rezervorului de oțel.
Supape cu rezervor de oțel
Pentru supapele mai mari, se utilizează un rezervor de oțel cu izolatori ceramici pentru electrozi, cu un sistem de pompă de vid pentru a contracara scurgerile de aer ușoare în rezervor în jurul garniturilor imperfecte. Supapele cu rezervor de oțel, cu răcire cu apă pentru rezervor, au fost dezvoltate cu curenți nominali de câteva mii de amperi.
La fel ca supapele cu bec din sticlă, supapele cu arc de mercur din rezervor de oțel au fost construite cu un singur anod per rezervor (un tip cunoscut și sub numele de excitron ) sau cu anodi multipli pe rezervor. Supapele cu anod multiplu au fost de obicei utilizate pentru circuite redresoare multifazice (cu 2, 3, 6 sau 12 anodi pe rezervor), dar în aplicațiile HVDC, anodii multipli au fost adesea conectați în paralel pentru a crește puterea curentă.
Pornire (aprindere)
Un redresor convențional cu arc de mercur este pornit de un arc scurt de înaltă tensiune în redresor, între piscina catodică și un electrod de pornire. Electrodul de pornire este adus în contact cu piscina și este permis să treacă curentul printr-un circuit inductiv. Contactul cu piscina este apoi rupt, rezultând o emf mare și o descărcare de arc.
Contactul momentan dintre electrodul de pornire și piscină poate fi realizat printr-o serie de metode, inclusiv:
- permiterea unui electromagnet extern pentru a trage electrodul în contact cu piscina; electromagnetul poate servi și ca inductanță de pornire,
- aranjarea electromagnetului pentru a înclina becul unui redresor mic, suficient cât să permită mercurului din piscină să ajungă la electrodul de pornire,
- asigurând un gât îngust de mercur între două bazine și trecând un curent foarte mare la o tensiune neglijabilă prin gât, deplasând mercurul prin magnetostricție , deschizând astfel circuitul,
- Trecerea curentului în piscina de mercur printr-o bandă bimetalică , care se încălzește sub acțiunea de încălzire a curentului și se îndoaie în așa fel încât să rupă contactul cu piscina.
Excitaţie
Deoarece întreruperile momentane sau reducerile curentului de ieșire pot determina stingerea punctului catodic, multe redresoare încorporează un electrod suplimentar pentru a menține un arc ori de câte ori instalația este utilizată. De obicei, o alimentare cu două sau trei faze a câtorva amperi trece prin anodi mici de excitație . Pentru a furniza această sursă se folosește în mod obișnuit un transformator cu manevră magnetică de câteva sute VA.
Acest circuit de excitație sau de păstrare în viață era necesar pentru redresoarele monofazate, cum ar fi excitronul și pentru redresoarele cu arc de mercur utilizate în alimentarea de înaltă tensiune a transmițătoarelor de radiotelegrafie , deoarece fluxul de curent a fost întrerupt în mod regulat de fiecare dată când a fost eliberată cheia Morse .
Controlul grilei
Ambele redresoare de plic din sticlă și metal pot avea grile de control inserate între anod și catod.
Instalarea unei rețele de control între anod și catodul de piscină permite controlul conducției supapei, oferind astfel controlul tensiunii medii de ieșire produse de redresor. Începutul fluxului curent poate fi întârziat după punctul în care ar fi format arcul într-o supapă necontrolată. Acest lucru permite reglarea tensiunii de ieșire a unui grup de supape prin întârzierea punctului de ardere și permite supapelor controlate cu arc de mercur să formeze elementele de comutare active într-un invertor care convertesc curentul continuu în curent alternativ.
Pentru a menține supapa în stare neconductivă, se aplică o grilă negativă de câțiva volți sau zeci de volți. Ca rezultat, electronii emiși de catod sunt respinși departe de rețea, înapoi spre catod, și astfel sunt împiedicați să ajungă la anod. Cu o mică distorsiune pozitivă aplicată la rețea, electronii trec prin rețea, către anod, iar procesul de stabilire a descărcării arcului poate începe. Cu toate acestea, odată ce arcul a fost stabilit, acesta nu poate fi oprit prin acțiunea rețelei, deoarece ionii de mercur pozitivi produși de ionizare sunt atrași de rețeaua încărcată negativ și îl neutralizează efectiv. Singura modalitate de oprire a conducției este de a face circuitul extern să forțeze curentul să scadă sub un curent critic (scăzut).
Deși supapele cu arc de mercur controlate de rețea au o asemănare superficială cu supapele triodice , supapele cu arc de mercur nu pot fi utilizate ca amplificatoare decât la valori de curent extrem de scăzute, cu mult sub curentul critic necesar pentru menținerea arcului.
Electrozi de gradare a anodului
Supapele cu arc de mercur sunt predispuse la un efect numit arc-back (sau backfire ), prin care supapa conduce în direcția inversă atunci când tensiunea pe ea este negativă. Arcurile din spate pot fi dăunătoare sau distructive pentru supapă, precum și crearea de curenți mari de scurtcircuit în circuitul extern și sunt mai răspândite la tensiuni mai mari. Un exemplu al problemelor cauzate de incendii a avut loc în 1960, după electrificarea căii ferate suburbane Glasgow North, unde serviciile de abur au trebuit să fie reintroduse după mai multe nenorociri. Mulți ani acest efect a limitat tensiunea de funcționare practică a supapelor cu arc de mercur la câțiva kilovolți.
S-a găsit că soluția este de a include electrozi de gradare între anod și grila de control, conectați la un circuit extern de rezistență - condensator . Dr. Uno Lamm a desfășurat o lucrare de pionierat la ASEA în Suedia pe această problemă pe parcursul anilor 1930 și 1940, conducând la prima supapă cu arc cu mercur cu adevărat practic pentru transmisia HVDC, care a fost pusă în funcțiune pe legătura HVDC de 20 MW, 100 kV din continent Suedia către insula Gotland în 1954.
Munca lui Uno Lamm asupra supapelor cu arc de mercur de înaltă tensiune l-a determinat să fie cunoscut sub numele de „Tatăl HVDC” și a inspirat IEEE să dedice un premiu numit după el, pentru contribuții remarcabile în domeniul HVDC.
Supapele cu arc de mercur cu electrozi de clasificare de acest tip au fost dezvoltate până la tensiuni nominale de 150 kV. Cu toate acestea, coloana înaltă de porțelan necesară pentru adăpostirea electrozilor de gradare a fost mai dificil de răcit decât rezervorul de oțel la potențial catodic, astfel încât valoarea nominală utilizabilă a curentului a fost limitată la aproximativ 200-300 A per anod. Prin urmare, supapele cu arc de mercur pentru HVDC au fost adesea construite cu patru sau șase coloane anodice în paralel. Coloanele anodice au fost întotdeauna răcite cu aer, cu rezervoarele catodice fie răcite cu apă, fie răcite cu aer.
Circuite
Redresoarele monofazate cu arc de mercur au fost rareori folosite deoarece curentul a scăzut și arcul ar putea fi stins când tensiunea de curent alternativ a schimbat polaritatea. Curentul continuu produs de un redresor monofazat conținea astfel o componentă variabilă (ondulare) la frecvența de alimentare de două ori mai mare , ceea ce nu era de dorit în multe aplicații pentru curent continuu. Soluția a fost de a utiliza surse de alimentare cu curent alternativ cu două, trei sau chiar șase faze, astfel încât curentul rectificat să mențină un nivel de tensiune mai constant. Redresoarele polifazate au echilibrat, de asemenea, sarcina sistemului de alimentare, ceea ce este de dorit din motive de performanță și economie a sistemului.
Cele mai multe aplicații ale supapelor cu arc de mercur pentru redresoare au folosit rectificarea cu undă completă cu perechi separate de anodi pentru fiecare fază.
În rectificarea cu undă completă sunt utilizate ambele jumătăți ale formei de undă AC. Catod este conectat la partea + a sarcinii DC, cealaltă parte fiind conectat la priza centrală a transformatorului secundar de înfășurare, care rămâne întotdeauna la potențial zero , cu privire la sol sau pământ. Pentru fiecare fază de curent alternativ, un fir de la fiecare capăt al acelei înfășurări de fază este conectat la un „braț” anodic separat pe redresorul cu arc de mercur. Când tensiunea la fiecare anod devine pozitivă, va începe să se conducă prin vaporii de mercur din catod. Deoarece anodii fiecărei faze de curent alternativ sunt alimentați de la capetele opuse ale înfășurării transformatorului central, unul va fi întotdeauna pozitiv în raport cu robinetul central și ambele jumătăți ale formei de undă AC vor face ca curentul să curgă într-o singură direcție numai prin sarcină. Această rectificare a întregii forme de undă AC se numește astfel rectificare cu undă completă .
Cu curent alternativ trifazat și rectificare cu undă completă, au fost folosiți șase anodi pentru a oferi un curent continuu mai lin. Funcționarea trifazată poate îmbunătăți eficiența transformatorului, precum și asigurarea unui curent continuu mai lin, permițând ca doi anodi să conducă simultan. În timpul funcționării, arcul se transferă la anodi la cel mai mare potențial pozitiv (în ceea ce privește catodul).
În aplicațiile HVDC, a fost utilizat de obicei un redresor trifazat cu undă completă sau un circuit Graetz-pod , fiecare supapă fiind găzduită într-un singur rezervor.
Aplicații
Pe măsură ce redresoarele metalice în stare solidă au devenit disponibile pentru rectificarea de joasă tensiune în anii 1920, tuburile cu arc de mercur au devenit limitate la aplicații de tensiune mai mare și mai ales de mare putere.
Supapele cu arc de mercur au fost utilizate pe scară largă până în anii 1960 pentru conversia curentului alternativ în curent continuu pentru utilizări industriale mari. Aplicațiile au inclus sursa de alimentare pentru tramvaie, căi ferate electrice și surse de alimentare cu tensiune variabilă pentru emițătoare radio mari . Stațiile cu arc de mercur au fost folosite pentru a furniza energie de curent continuu rețelelor de curent continuu tradiționale de tip Edison în centrele urbane până în anii 1950. În anii 1960, dispozitivele cu siliciu în stare solidă , mai întâi diodele și apoi tiristoarele , au înlocuit toate aplicațiile redresoare de putere redusă și tensiune mai mică a tuburilor cu arc de mercur.
Mai multe locomotive electrice, inclusiv New Haven EP5 și Virginian EL-C , transportau ignitroni la bord pentru a rectifica curent alternativ de intrare la motorul de tracțiune DC.
Una dintre ultimele utilizări majore ale supapelor cu arc de mercur a fost în transmisia de energie HVDC, unde au fost utilizate în multe proiecte până la începutul anilor 1970, inclusiv în legătura interinsulară HVDC dintre insulele de nord și de sud ale Noii Zeelande și legătura HVDC Kingsnorth din Centrala electrică Kingsnorth către Londra . Cu toate acestea, începând cu anul 1975, dispozitivele din siliciu au făcut ca redresoarele cu arc de mercur să fie în mare parte învechite, chiar și în aplicațiile HVDC. Cele mai mari redresoare cu arc cu mercur, construite de English Electric , au fost evaluate la 150 kV , 1800 A și au fost utilizate până în 2004 la proiectul de transmisie DC-putere de înaltă tensiune DC River System Nelson River . Supapele pentru proiectele Inter-Island și Kingsnorth au folosit patru coloane anodice în paralel, în timp ce cele din proiectul Nelson River au folosit șase coloane anodice în paralel pentru a obține ratingul curent necesar. Legătura interinsulară a fost ultima schemă de transmisie HVDC în funcțiune utilizând supape cu arc de mercur. A fost dezafectat oficial la 1 august 2012. Stațiile de conversie a supapelor cu arc de mercur din schema Noua Zeelandă au fost înlocuite cu noi stații de transformare a tiristorului. O schemă similară de supapă cu arc de mercur, legătura HVDC de pe Insula Vancouver a fost înlocuită de o legătură trifazată de curent alternativ.
Supapele cu arc de mercur rămân în uz în unele mine din Africa de Sud și Kenya (la Politehnica Mombasa - departamentul electric și electronic).
Supapele cu arc de mercur au fost utilizate pe scară largă în sistemele de alimentare cu curent continuu din metroul londonez și două au fost încă observate că funcționează în anul 2000 la adăpostul antiaidian de la nivelul adâncului de la Belsize Park . După ce nu mai erau necesare ca adăposturi, Belsize Park și alte câteva adăposturi adânci au fost folosite ca depozitare sigură, în special pentru arhive de muzică și televiziune. Acest lucru a dus la redresorul cu arc de mercur la adăpostul Goodge Street , care apare într-un episod timpuriu din Doctor Who, ca un creier extraterestru, aruncat pentru „strălucirea lui stranie”.
Alții
Tipuri speciale de redresoare monofazate cu arc de mercur sunt Ignitron șiExcitron . Excitronul este similar cu alte tipuri de supape descrise mai sus, dar depinde în mod critic de existența unui anod de excitație pentru a menține o descărcare a arcului în timpul semiciclului atunci când supapa nu conduce curent. Ignitronul elimină anodii de excitație prin aprinderea arcului de fiecare dată când este necesară conducerea. În acest fel, ignitronii evită, de asemenea, necesitatea rețelelor de control.
În 1919, cartea "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" a descris un amplificator pentru semnale telefonice care folosea un câmp magnetic pentru a modula un arc într-un tub redresor de mercur. Acest lucru nu a fost niciodată important din punct de vedere comercial.
_(14756303342).jpg)
Pericol pentru mediu
Compușii cu mercur sunt toxici, foarte persistenți în mediu și prezintă un pericol pentru oameni și mediu. Utilizarea unor cantități mari de mercur în plicuri de sticlă fragile prezintă un pericol de potențială degajare de mercur în mediu în cazul în care becul de sticlă este spart. Unele stații de conversie HVDC au necesitat o curățare extinsă pentru a elimina urmele de mercur emise de stație pe durata de viață a acesteia. Redresoarele pentru rezervoare de oțel necesitau frecvent pompe de vid, care emiteau în mod continuu cantități mici de vapori de mercur.
Referințe
Lecturi suplimentare
- Pagina ABB despre istoria transmisiei de curent continuu de înaltă tensiune
- Muzeul virtual al colecționarului de tuburi. Descrierea redresoarelor cu arc de mercur și linkuri suplimentare, inclusiv fotografii
- Articolul ilustrat din 1903 - O mare descoperire electrică
- Testarea redresorului cu arc de mercur de 50 de ani - video cu diagrame de circuit, vizualizări în detaliu, explicații despre funcționare