Una válvula de arco de mercurio o un rectificador de vapor de mercurio o un rectificador de arco de mercurio (Reino Unido) [1] [2] es un tipo de rectificador eléctrico utilizado para convertir corriente alterna (CA) de alto voltaje o alta corriente en corriente continua (CC) ) Es un tipo de tubo lleno de gas de cátodo frío , pero es inusual porque el cátodo, en lugar de ser sólido, está hecho de un grupo de mercurio líquido y, por lo tanto, se restaura automáticamente. Como resultado, las válvulas de arco de mercurio eran mucho más resistentes y duraderas, y podían transportar corrientes mucho más altas que la mayoría de los otros tipos de tubos de descarga de gas.
Inventado en 1902 por Peter Cooper Hewitt , los rectificadores de arco de mercurio se utilizaron para proporcionar energía a motores industriales, ferrocarriles eléctricos , tranvías y locomotoras eléctricas , así como a transmisores de radio y transmisión de potencia de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Eran el método principal de rectificación de alta potencia antes del advenimiento de los rectificadores de semiconductores , como diodos , tiristores y tiristores de apagado de puerta.(GTO) en la década de 1970. Desde entonces, estos rectificadores de estado sólido han reemplazado por completo a los rectificadores de arco de mercurio gracias a su mayor confiabilidad, menor costo y mantenimiento y menor riesgo ambiental.
Historia [ editar ]
En 1882, Jemin y Meneuvrier observaron las propiedades rectificadoras de un arco de mercurio. [4] El rectificador de arco de mercurio fue inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902 y desarrollado a lo largo de las décadas de 1920 y 1930 por investigadores de Europa y América del Norte. Antes de su invención, la única forma de convertir la corriente alterna proporcionada por las empresas de servicios públicos a corriente continua era mediante el uso de convertidores rotativos o conjuntos de generadores de motores caros, ineficientes y de alto mantenimiento . Los rectificadores de arco de mercurio o "convertidores" se utilizaron para cargar baterías de almacenamiento, sistemas de iluminación de arco , [5] los motores de tracción de CC para trolebuses, tranvías y metro, y equipos de galvanoplastia. El rectificador de mercurio se usó bien en la década de 1970, cuando finalmente fue reemplazado por rectificadores semiconductores .
Principios operativos [ editar ]
El funcionamiento del rectificador se basa en una descarga de arco eléctrico entre electrodos en una envoltura sellada que contiene vapor de mercurio a muy baja presión. Un grupo de mercurio líquido actúa como un cátodo de renovación automática que no se deteriora con el tiempo. El mercurio emite electrones libremente, mientras que los ánodos de carbono emiten muy pocos electrones incluso cuando se calientan, por lo que la corriente de electrones solo puede pasar a través del tubo en una dirección, desde el cátodo al ánodo, lo que permite que el tubo rectifique la corriente alterna.
Cuando se forma un arco, se emiten electrones desde la superficie de la piscina, lo que provoca la ionización del vapor de mercurio a lo largo del camino hacia los ánodos. Los iones de mercurio son atraídos hacia el cátodo, y el bombardeo iónico resultante de la piscina mantiene la temperatura del punto de emisión , mientras continúe una corriente de unos pocos amperios.
Mientras que la corriente es transportada por electrones, los iones positivos que regresan al cátodo permiten que el camino de conducción no se vea afectado en gran medida por los efectos de carga espacial que limitan el rendimiento de los tubos de vacío . En consecuencia, la válvula puede transportar altas corrientes a bajos voltajes de arco (típicamente 20-30 V) y, por lo tanto, es un rectificador eficiente. Los tubos de descarga de gas de cátodo caliente, como el tiratrón , también pueden alcanzar niveles similares de eficiencia, pero los filamentos de cátodo calentado son delicados y tienen una vida útil corta cuando se usan a alta corriente.
La temperatura de la envoltura debe controlarse cuidadosamente, ya que el comportamiento del arco está determinado en gran medida por la presión de vapor del mercurio, que a su vez se establece en el punto más frío de la pared del recinto. Un diseño típico mantiene la temperatura a 40 ° C (104 ° F) y una presión de vapor de mercurio de 7 milipascales .
Los iones de mercurio emiten luz a longitudes de onda características, cuyas intensidades relativas están determinadas por la presión del vapor. A la baja presión dentro de un rectificador, la luz aparece azul pálido-violeta y contiene mucha luz ultravioleta .
Construcción [ editar ]
La construcción de una válvula de arco de mercurio toma una de dos formas básicas: el tipo de bulbo de vidrio y el tipo de tanque de acero. Las válvulas de tanque de acero se utilizaron para valores de corriente más altos por encima de aproximadamente 500 A.
Válvulas de bulbo de vidrio [ editar ]
El primer tipo de rectificador eléctrico de vapor de mercurio consiste en un bulbo de vidrio evacuado con una piscina de mercurio líquido que se encuentra en el fondo como el cátodo . [6] Sobre él se curva el bulbo de vidrio, que condensa el mercurio que se evapora a medida que el dispositivo funciona. La envoltura de vidrio tiene uno o más brazos con varillas de grafito como ánodos . Su número depende de la aplicación, con un ánodo generalmente proporcionado por fase. La forma de los brazos del ánodo asegura que cualquier mercurio que se condense en las paredes de vidrio drene hacia la piscina principal rápidamente para evitar proporcionar un camino conductor entre el cátodo y el ánodo respectivo.
Los rectificadores de envoltura de vidrio pueden manejar cientos de kilovatios de corriente continua en una sola unidad. Un rectificador de seis fases de 150 amperios tiene una envoltura de vidrio de aproximadamente 600 mm (24 pulgadas) de alto por 300 mm (12 pulgadas) de diámetro exterior. Estos rectificadores contendrán varios kilogramos de mercurio líquido. Se requiere el gran tamaño de la envoltura debido a la baja conductividad térmica del vidrio. El vapor de mercurio en la parte superior de la envoltura debe disipar el calor a través de la envoltura de vidrio para condensarse y volver al baño de cátodos. Algunos tubos de vidrio se sumergieron en un baño de aceite para controlar mejor la temperatura.
La capacidad de transporte de corriente de un rectificador de bulbo de vidrio está limitada en parte por la fragilidad de la envoltura de vidrio (cuyo tamaño aumenta con la potencia nominal) y en parte por el tamaño de los cables fusionados en la envoltura de vidrio para la conexión de los ánodos y cátodo. El desarrollo de rectificadores de alta corriente requirió materiales de plomo y vidrio con coeficientes de expansión térmica muy similares para evitar fugas de aire en la envoltura. A mediados de la década de 1930 se habían logrado clasificaciones actuales de hasta 500 A, pero la mayoría de los rectificadores para clasificaciones actuales por encima de esto se realizaron utilizando el diseño de tanque de acero más robusto.
Válvulas de tanque de acero [ editar ]
Para válvulas más grandes, se usa un tanque de acero con aisladores cerámicos para los electrodos, con un sistema de bomba de vacío para contrarrestar una leve fuga de aire en el tanque alrededor de los sellos imperfectos. Las válvulas de tanque de acero, con refrigeración por agua para el tanque, se desarrollaron con clasificaciones actuales de varios miles de amperios.
Al igual que las válvulas de bulbo de vidrio, las válvulas de arco de mercurio de tanque de acero se construyeron con un solo ánodo por tanque (un tipo también conocido como excitrón ) o con múltiples ánodos por tanque. Las válvulas de ánodos múltiples generalmente se usaban para circuitos rectificadores multifásicos (con 2, 3, 6 o 12 ánodos por tanque), pero en las aplicaciones de HVDC, los ánodos múltiples a menudo se conectaban simplemente en paralelo para aumentar la clasificación de corriente.
Arranque (encendido) [ editar ]
Un rectificador de arco de mercurio convencional se inicia mediante un breve arco de alto voltaje dentro del rectificador, entre el conjunto de cátodos y un electrodo de arranque. El electrodo de arranque se pone en contacto con la piscina y se le permite pasar corriente a través de un circuito inductivo. El contacto con la piscina se rompe, lo que resulta en una fem alta y una descarga de arco.
El contacto momentáneo entre el electrodo de arranque y la piscina se puede lograr mediante varios métodos, que incluyen:
- permitiendo que un electroimán externo tire del electrodo en contacto con la piscina; el electroimán también puede servir como inductancia inicial,
- arreglando el electroimán para inclinar la bombilla de un pequeño rectificador, lo suficiente como para permitir que el mercurio de la piscina llegue al electrodo de arranque,
- proporcionando un cuello estrecho de mercurio entre dos piscinas, y pasando una corriente muy alta a un voltaje insignificante a través del cuello, desplazando el mercurio por magnetostricción , abriendo así el circuito,
- Al pasar corriente a la piscina de mercurio a través de una tira bimetálica , que se calienta bajo la acción de calentamiento de la corriente y se dobla de tal manera que rompe el contacto con la piscina.
Excitación [ editar ]
Dado que las interrupciones momentáneas o las reducciones de la corriente de salida pueden hacer que el punto del cátodo se extinga, muchos rectificadores incorporan un electrodo adicional para mantener un arco cuando la planta está en uso. Típicamente, un suministro de dos o tres fases de unos pocos amperios pasa a través de pequeños ánodos de excitación . Un transformador de derivación magnética de unos pocos cientos de VA se utiliza comúnmente para proporcionar este suministro.
Este circuito de excitación o mantenimiento era absolutamente necesario para los rectificadores monofásicos como el excitrón y para los rectificadores de arco de mercurio utilizados en el suministro de alta tensión de los transmisores de radiotelegrafía , ya que el flujo de corriente se interrumpía regularmente cada vez que se soltaba la tecla Morse . [7]
Control de cuadrícula [ editar ]
Los rectificadores de envoltura de vidrio y metal pueden tener rejillas de control insertadas entre el ánodo y el cátodo.
La instalación de una rejilla de control entre el ánodo y el cátodo de la piscina permite el control de la conducción de la válvula, lo que permite controlar la tensión de salida media producida por el rectificador. El inicio del flujo de corriente puede retrasarse más allá del punto en el que se formaría el arco en una válvula no controlada. Esto permite que el voltaje de salida de un grupo de válvulas se ajuste retrasando el punto de disparo, y permite que las válvulas controladas de arco de mercurio formen los elementos de conmutación activos en un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna.
Para mantener la válvula en el estado no conductor, se aplica una polarización negativa de unos pocos voltios o decenas de voltios a la red. Como resultado, los electrones emitidos por el cátodo son repelidos lejos de la rejilla, de regreso hacia el cátodo, y así se les impide llegar al ánodo. Con un pequeño sesgo positivo aplicado a la red, los electrones pasan a través de la red, hacia el ánodo, y puede comenzar el proceso de establecer una descarga de arco. Sin embargo, una vez que se ha establecido el arco, no puede detenerse mediante la acción de la rejilla, porque los iones de mercurio positivos producidos por la ionización son atraídos hacia la rejilla cargada negativamente y la neutralizan efectivamente. La única forma de detener la conducción es hacer que el circuito externo fuerce la corriente a caer por debajo de una corriente crítica (baja).
Aunque las válvulas de arco de mercurio controladas por rejilla tienen un parecido superficial con las válvulas de triodo , las válvulas de arco de mercurio no pueden usarse como amplificadores, excepto a valores extremadamente bajos de corriente, muy por debajo de la corriente crítica necesaria para mantener el arco.
Electrodos de clasificación de ánodos [ editar ]
Válvulas de arco de mercurio son propensos a un efecto llamado de arco hacia atrás (o retorno de llama ), con lo que las conductas de válvula en la dirección inversa cuando el voltaje a través de ella es negativo. Los retrocesos de arco pueden ser dañinos o destructivos para la válvula, así como crear altas corrientes de cortocircuito en el circuito externo, y son más frecuentes a voltajes más altos. Un ejemplo de los problemas causados por el retroceso ocurrió en 1960 después de la electrificación del Ferrocarril Suburbano del Norte de Glasgow, donde los servicios de vapor tuvieron que ser reintroducidos después de varios percances. [8] Durante muchos años, este efecto limitó el voltaje de funcionamiento práctico de las válvulas de arco de mercurio a unos pocos kilovoltios.
Se descubrió que la solución consistía en incluir electrodos de graduación entre el ánodo y la rejilla de control, conectados a un circuito divisor resistor - condensador externo . [9] El Dr. Uno Lamm realizó un trabajo pionero en ASEA en Suecia sobre este problema durante las décadas de 1930 y 1940, lo que condujo a la primera válvula de arco de mercurio verdaderamente práctica para la transmisión de HVDC, que se puso en servicio en el HVDC de 20 MW y 100 kV Enlace desde Suecia continental a la isla de Gotland en 1954.
El trabajo de Uno Lamm en válvulas de arco de mercurio de alto voltaje lo llevó a ser conocido como la transmisión de energía "Padre de HVDC" [10] e inspiró al IEEE a dedicar un premio que lleva su nombre, por contribuciones sobresalientes en el campo de HVDC.
Las válvulas de arco de mercurio con electrodos de clasificación de este tipo se desarrollaron hasta clasificaciones de voltaje de 150 kV. Sin embargo, la columna de porcelana alta requerida para alojar los electrodos de clasificación era más difícil de enfriar que el tanque de acero con potencial de cátodo, por lo que la clasificación de corriente utilizable se limitaba a aproximadamente 200–300 A por ánodo. Por lo tanto, las válvulas de arco de mercurio para HVDC a menudo se construían con cuatro o seis columnas anódicas en paralelo. Las columnas anódicas siempre se enfriaron por aire, con los tanques catódicos refrigerados por agua o por aire.
Circuitos [ editar ]
Los rectificadores de arco de mercurio monofásicos rara vez se usaban porque la corriente caía y el arco podía extinguirse cuando el voltaje de CA cambiaba de polaridad. La corriente continua producida por un rectificador monofásico contenía un componente variable (ondulación) al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación , lo que no era deseable en muchas aplicaciones para CC. La solución fue usar fuentes de alimentación de CA de dos, tres o incluso seis fases para que la corriente rectificada mantuviera un nivel de voltaje más constante. Los rectificadores polifásicos también equilibraron la carga en el sistema de suministro, lo cual es deseable por razones de rendimiento y economía del sistema.
La mayoría de las aplicaciones de válvulas de arco de mercurio para rectificadores usaban rectificación de onda completa con pares de ánodos separados para cada fase.
En la rectificación de onda completa se utilizan las dos mitades de la forma de onda de CA. El cátodo está conectado al lado + de la carga de CC, el otro lado está conectado a la toma central del devanado secundario del transformador , que siempre permanece en cero potencial con respecto a tierra o tierra. Para cada fase de CA, un cable de cada extremo de ese devanado de fase está conectado a un ánodo separado"brazo" en el rectificador de arco de mercurio. Cuando el voltaje en cada ánodo se vuelve positivo, comenzará a conducir a través del vapor de mercurio desde el cátodo. Como los ánodos de cada fase de CA se alimentan desde los extremos opuestos del devanado del transformador de derivación central, uno siempre será positivo con respecto a la derivación central y ambas mitades de la forma de onda de CA harán que la corriente fluya en una dirección solo a través de la carga. Esta rectificación de toda la forma de onda de CA se llama rectificación de onda completa .
Con la corriente alterna trifásica y la rectificación de onda completa, se utilizaron seis ánodos para proporcionar una corriente continua más suave. La operación trifásica puede mejorar la eficiencia del transformador, así como proporcionar una corriente continua más suave al permitir que dos ánodos se conduzcan simultáneamente. Durante la operación, el arco se transfiere a los ánodos con el potencial positivo más alto (con respecto al cátodo).
En las aplicaciones HVDC, generalmente se usaba un puente rectificador trifásico de onda completa o un circuito de puente Graetz , cada válvula alojada en un solo tanque.
Aplicaciones [ editar ]
A medida que los rectificadores de metal de estado sólido estuvieron disponibles para la rectificación de bajo voltaje en la década de 1920, los tubos de arco de mercurio se limitaron a un voltaje más alto y especialmente a aplicaciones de alta potencia.
Las válvulas de arco de mercurio se usaron ampliamente hasta la década de 1960 para la conversión de corriente alterna en corriente continua para grandes usos industriales. Las aplicaciones incluyeron fuentes de alimentación para tranvías, ferrocarriles eléctricos y fuentes de alimentación de voltaje variable para grandes transmisores de radio . Las estaciones de arco de mercurio se utilizaron para proporcionar energía de CC a las redes de energía de CC estilo Edison heredadas en los centros urbanos hasta la década de 1950. En la década de 1960, los dispositivos de silicio de estado sólido , primero los diodos y luego los tiristores , reemplazaron todas las aplicaciones de rectificadores de mercurio y baja tensión de los tubos de arco de mercurio.
Varias locomotoras eléctricas, incluyendo el New Haven EP5 y el Virginian EL-C , realizadas ignitrones a bordo para rectificar la CA entrante en el motor de tracción de corriente continua.
Uno de los últimos usos principales de las válvulas de arco de mercurio fue en la transmisión de energía HVDC, donde se usaron en muchos proyectos hasta principios de la década de 1970, incluido el enlace HVDC entre islas entre las islas Norte y Sur de Nueva Zelanda y el enlace HVDC Kingsnorth desde Central eléctrica de Kingsnorth a Londres . [11] Sin embargo, a partir de 1975, los dispositivos de silicio han vuelto obsoletos los rectificadores de arco de mercurio, incluso en aplicaciones de HVDC. Los rectificadores de arco de mercurio más grandes de la historia, construidos por English Electric , tenían una capacidad de 150 kV , 1800 A y se utilizaron hasta 2004 en el sistema de transmisión de CC Nelson RiverProyecto de transmisión de corriente continua de alto voltaje. Las válvulas para los proyectos Inter-Island y Kingsnorth usaron cuatro columnas anódicas en paralelo, mientras que las del proyecto Nelson River usaron seis columnas anódicas en paralelo para obtener la clasificación de corriente necesaria. [12] El enlace entre islas fue el último esquema de transmisión HVDC en funcionamiento que utiliza válvulas de arco de mercurio. Fue dado de baja formalmente el 1 de agosto de 2012. Las estaciones convertidoras de válvulas de arco de mercurio del esquema de Nueva Zelanda fueron reemplazadas por nuevas estaciones convertidoras de tiristores. Un esquema similar de válvula de arco de mercurio, el enlace de la isla de Vancouver HVDC fue reemplazado por un enlace de CA trifásico.
Las válvulas de arco de mercurio permanecen en uso en algunas minas sudafricanas y en Kenia (en el departamento de Politécnica y eléctrica de Mombasa).
Las válvulas de arco de mercurio se usaron ampliamente en los sistemas de energía de CC en el metro de Londres , [13] y todavía se observó que una estaba en funcionamiento en 2004 en el refugio de ataque aéreo en desuso en desuso en Belsize Park . [ cita requerida ] Después de que ya no se necesitaban como refugios, Belsize Park y varios otros refugios profundos se utilizaron como almacenamiento seguro, particularmente para archivos de música y televisión. Esto condujo al rectificador de arco de mercurio en el refugio de Goodge Street que aparece en un episodio temprano de Doctor Who como un cerebro alienígena, emitido por su "resplandor misterioso". [14]
Otros [ editar ]
Los tipos especiales de rectificadores de arco de mercurio monofásicos son el Ignitron y el Excitron . El Excitron es similar a otros tipos de válvula descritos anteriormente, pero depende de manera crítica de la existencia de un ánodo de excitación para mantener una descarga de arco durante el medio ciclo cuando la válvula no conduce corriente. El Ignitron prescinde de los ánodos de excitación encendiendo el arco cada vez que se requiere una conducción para comenzar. De esta forma, los encendedores también evitan la necesidad de rejillas de control.
En 1919, el libro "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" [15] describió un amplificador para señales telefónicas que utilizaba un campo magnético para modular un arco en un tubo rectificador de mercurio. Esto nunca fue comercialmente importante.
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Peligro ambiental [ editar ]
Los compuestos de mercurio son tóxicos, altamente persistentes en el medio ambiente y presentan un peligro para los humanos y el medio ambiente. El uso de grandes cantidades de mercurio en sobres de vidrio frágiles presenta el peligro de una posible liberación de mercurio al medio ambiente si se rompe el bulbo de vidrio. Algunas estaciones convertidoras de HVDC han requerido una limpieza exhaustiva para eliminar los rastros de mercurio emitidos por la estación durante su vida útil. Los rectificadores de tanques de acero con frecuencia requerían bombas de vacío, que emitían continuamente pequeñas cantidades de vapor de mercurio.
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