Una válvula de arco de mercurio o rectificador de vapor de mercurio o rectificador de arco de mercurio (Reino Unido) [1] [2] es un tipo de rectificador eléctrico que se utiliza 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 tiene la particularidad de que el cátodo, en lugar de ser sólido, está hecho de un charco de mercurio líquido y, por lo tanto, se restaura solo. Como resultado, las válvulas de arco de mercurio, cuando se utilizan según lo previsto, son mucho más robustas y duraderas y pueden transportar corrientes mucho más altas que la mayoría de los otros tipos de tubos de descarga de gas. Algunos ejemplos han estado en servicio continuo, rectificando corrientes de 50 amperios , durante décadas.
Inventados 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 para transmisores de radio y para transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Eran el método principal de rectificación de alta potencia antes de la llegada de los rectificadores semiconductores , como los diodos , los tiristores y los tiristores de apagado de puerta (GTO) en la década de 1970. Estos rectificadores de estado sólido han sustituido casi por completo a los rectificadores de arco de mercurio gracias a su mayor fiabilidad, menor coste y mantenimiento y menor riesgo medioambiental. [3]
En 1882, Jules Jamin y G. Maneuvrier observaron las propiedades rectificadoras de un arco de mercurio. [4] [5] 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 CA proporcionada por las empresas de servicios públicos a CC era mediante el uso de convertidores rotativos o conjuntos de motor-generador costosos, 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 , [6] motores de tracción de CC para trolebuses , tranvías y metros, y equipos de galvanoplastia. El rectificador de mercurio se utilizó hasta bien entrada la década de 1970, cuando finalmente fue sustituido por rectificadores de semiconductores .
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 charco de mercurio líquido actúa como un cátodo que se renueva automáticamente y 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 sólo puede pasar a través del tubo en una dirección, del 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 del charco mantiene la temperatura del punto de emisión , mientras continúe una corriente de unos pocos amperios.
Si bien la corriente es transportada por electrones, los iones positivos que regresan al cátodo permiten que la ruta de conducción no se vea afectada en gran medida por los efectos de la carga espacial que limitan el rendimiento de los tubos de vacío . En consecuencia, la válvula puede transportar altas corrientes con voltajes de arco bajos (normalmente 20 a 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 operativa corta cuando se usan a alta corriente.
La temperatura de la envolvente 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 está determinada por 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 en longitudes de onda características, cuyas intensidades relativas están determinadas por la presión del vapor. A baja presión dentro de un rectificador, la luz aparece de color azul violeta pálido y contiene mucha luz ultravioleta .
La construcción de una válvula de arco de mercurio adopta una de dos formas básicas: el tipo de bombilla de vidrio y el tipo de tanque de acero. Se utilizaron válvulas de tanque de acero para corrientes nominales más altas, por encima de aproximadamente 500 A.
El primer tipo de rectificador eléctrico de vapor de mercurio consiste en una bombilla de vidrio al vacío con un charco de mercurio líquido en el fondo como cátodo . [7] Sobre él se curva la bombilla de vidrio, que condensa el mercurio que se evapora durante el funcionamiento del dispositivo. La envoltura de vidrio tiene uno o más brazos con varillas de grafito como ánodos . Su número depende de la aplicación, normalmente se proporciona un ánodo por fase. La forma de los brazos del ánodo asegura que cualquier mercurio que se condense en las paredes de vidrio regrese rápidamente al estanque principal 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 potencia de corriente continua en una sola unidad. Un rectificador de seis fases con capacidad 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 un 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 poder condensarse y regresar al baño catódico. 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 bombilla 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 alambre y vidrio con coeficientes de expansión térmica muy similares para evitar fugas de aire hacia la envoltura. A mediados de la década de 1930 se habían alcanzado clasificaciones actuales de hasta 500 A, pero la mayoría de los rectificadores para clasificaciones actuales superiores se realizaron utilizando el diseño de tanque de acero más robusto.
Para válvulas más grandes, se utiliza un tanque de acero con aisladores cerámicos para los electrodos, con un sistema de bomba de vacío para contrarrestar ligeras fugas de aire hacia el tanque alrededor de sellos imperfectos. Las válvulas de tanque de acero, con refrigeración por agua para el tanque, se desarrollaron con potencias actuales de varios miles de amperios.
Al igual que las válvulas de bombilla de vidrio, las válvulas de arco de mercurio con 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 ánodo múltiple generalmente se usaban para circuitos rectificadores multifásicos (con 2, 3, 6 o 12 ánodos por tanque), pero en aplicaciones HVDC, a menudo simplemente se conectaban múltiples ánodos en paralelo para aumentar la corriente nominal.
Un rectificador de arco de mercurio convencional se inicia mediante un breve arco de alto voltaje dentro del rectificador, entre el conjunto del cátodo 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. Luego se rompe el contacto con la piscina, lo que produce 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, entre ellos:
Dado que las interrupciones o reducciones momentáneas de la corriente de salida pueden hacer que la mancha del cátodo se apague, muchos rectificadores incorporan un electrodo adicional para mantener un arco siempre que la planta esté en uso. Normalmente, un suministro bifásico o trifásico de unos pocos amperios pasa a través de pequeños ánodos de excitación . Generalmente se utiliza un transformador con derivación magnética de unos pocos cientos de VA para proporcionar este suministro.
Este circuito de excitación o mantenimiento era necesario para rectificadores monofásicos como el excitrón y para los rectificadores de arco de mercurio utilizados en el suministro de alto voltaje de transmisores de radiotelegrafía , ya que el flujo de corriente se interrumpía regularmente cada vez que se soltaba la tecla Morse . [8]
Tanto los rectificadores de envoltura de vidrio como de 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 controlar la conducción de la válvula, dando así control del voltaje medio de salida producido 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 ajustar el voltaje de salida de un grupo de válvulas retrasando el punto de disparo y permite que las válvulas de arco de mercurio controladas formen los elementos de conmutación activos en un inversor que convierte corriente continua en corriente alterna.
Para mantener la válvula en estado no conductor, se aplica a la red una polarización negativa de unos pocos voltios o decenas de voltios. Como resultado, los electrones emitidos por el cátodo son repelidos fuera de la rejilla, de regreso al cátodo y, por lo tanto, se les impide llegar al ánodo. Con una pequeña polarización positiva aplicada a la rejilla, los electrones pasan a través de la rejilla hacia el ánodo y puede comenzar el proceso de establecimiento de una descarga de arco. Sin embargo, una vez que se ha establecido el arco, no se puede detener 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 eficazmente. 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 de corriente extremadamente bajos, muy por debajo de la corriente crítica necesaria para mantener el arco.
Las válvulas de arco de mercurio son propensas a un efecto llamado arco de retroceso (o retroceso ), mediante el cual la válvula conduce en dirección inversa cuando el voltaje a través de ella es negativo. Los arcos pueden ser dañinos o destructivos para la válvula, además de crear altas corrientes de cortocircuito en el circuito externo, y son más frecuentes en voltajes más altos. Un ejemplo de los problemas causados por el efecto contraproducente se produjo en 1960, después de la electrificación del ferrocarril suburbano del norte de Glasgow, donde los servicios de vapor tuvieron que reintroducirse después de varios percances. [9] 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 clasificación entre el ánodo y la rejilla de control, conectados a un circuito divisor externo de resistencia y condensador . [10] El Dr. Uno Lamm llevó a cabo 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 transmisión 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 el "Padre de la transmisión de energía HVDC" [11] e inspiró al IEEE a dedicarle un premio que lleva su nombre por sus destacadas contribuciones en el campo de HVDC.
Las válvulas de arco de mercurio con electrodos graduadores de este tipo se desarrollaron hasta tensiones nominales de 150 kV. Sin embargo, la alta columna de porcelana necesaria para albergar los electrodos de clasificación era más difícil de enfriar que el tanque de acero en el potencial del cátodo, por lo que la corriente nominal utilizable se limitó a aproximadamente 200 a 300 A por ánodo. Por lo tanto, las válvulas de arco de mercurio para HVDC a menudo se construían con cuatro o seis columnas de ánodos en paralelo. Las columnas de ánodos siempre estaban refrigeradas por aire, y los tanques de cátodos estaban refrigerados por agua o por aire.
Los rectificadores monofásicos de arco de mercurio 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, por tanto, un componente variable (ondulación) al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación , lo que no era deseable en muchas aplicaciones de CC. La solución fue utilizar 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 equilibran 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 utilizaban rectificación de onda completa con pares de ánodos separados para cada fase.
En la rectificación de onda completa se utilizan ambas mitades de la forma de onda de CA. El cátodo está conectado al lado + de la carga de CC, estando el otro lado conectado a la toma central del devanado secundario del transformador , que siempre permanece a potencial cero con respecto a tierra o tierra. Para cada fase de CA, un cable de cada extremo de ese devanado de fase se conecta a un "brazo" de ánodo separado 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 extremos opuestos del devanado del transformador con toma central, uno siempre será positivo con respecto a la toma central y ambas mitades de la forma de onda de CA harán que la corriente fluya en una sola dirección a través de la carga. Esta rectificación de toda la forma de onda de CA se denomina rectificación de onda completa .
Con corriente alterna trifásica y rectificación de onda completa, se utilizaron seis ánodos para proporcionar una corriente continua más suave. La operación trifásica puede mejorar la eficiencia del transformador además de proporcionar una corriente CC más suave al permitir que dos ánodos conduzcan simultáneamente. Durante la operación, el arco se transfiere a los ánodos al potencial positivo más alto (con respecto al cátodo).
En 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.
A medida que los rectificadores metálicos de estado sólido estuvieron disponibles para la rectificación de bajo voltaje en la década de 1920, los tubos de arco de mercurio quedaron limitados a aplicaciones de voltaje más alto y especialmente de alta potencia.
Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente hasta la década de 1960 para la conversión de corriente alterna en corriente continua para grandes usos industriales. Las aplicaciones incluían suministro de energía para tranvías, ferrocarriles eléctricos y suministros de energía de voltaje variable para grandes transmisores de radio . Hasta la década de 1950, las estaciones de arco de mercurio se utilizaban para suministrar energía CC a las antiguas redes eléctricas de CC estilo Edison en los centros urbanos. En la década de 1960, los dispositivos de silicio de estado sólido , primero diodos y luego tiristores , reemplazaron todas las aplicaciones rectificadoras de menor potencia y voltaje de los tubos de arco de mercurio.
Varias locomotoras eléctricas, incluidas la New Haven EP5 y la Virginian EL-C , llevaban ignitrones a bordo para rectificar la CA entrante al motor de tracción CC.
Uno de los últimos usos importantes de las válvulas de arco de mercurio fue en la transmisión de energía HVDC, donde se utilizaron 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 . [12] Sin embargo, a partir de 1975, los dispositivos de silicio han hecho que los rectificadores de arco de mercurio queden obsoletos en gran medida, incluso en aplicaciones HVDC. Los rectificadores de arco de mercurio más grandes jamás construidos, construidos por English Electric , tenían una potencia nominal de 150 kV , 1800 A y se utilizaron hasta 2004 en el proyecto de transmisión de energía CC de alto voltaje del sistema de transmisión de CC del río Nelson . Las válvulas de los proyectos Inter-Island y Kingsnorth utilizaron cuatro columnas de ánodos en paralelo, mientras que las del proyecto Nelson River utilizaron seis columnas de ánodos en paralelo para obtener la clasificación de corriente necesaria. [13] El enlace entre islas fue el último esquema de transmisión HVDC en funcionamiento utilizando 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 HVDC de la isla de Vancouver , fue reemplazado por un enlace de CA trifásico.
Las válvulas de arco de mercurio siguen utilizándose en algunas minas de Sudáfrica y Kenia (en el Politécnico de Mombasa , departamento eléctrico y electrónico).
Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente en los sistemas de energía de CC en el metro de Londres , [14] y en 2000 se observó que dos todavía estaban en funcionamiento en el refugio antiaéreo de nivel profundo en desuso en Belsize Park . [15] Después de que ya no fueron necesarios como refugios, Belsize Park y varios otros refugios profundos se utilizaron como almacenamiento seguro, particularmente para archivos de música y televisión. Esto llevó a que el rectificador de arco de mercurio en el refugio de Goodge Street apareciera en uno de los primeros episodios de Doctor Who como un cerebro alienígena, elegido por su "brillo espeluznante". [dieciséis]
El Museo de Transporte y Tecnología de Auckland (MOTAT) todavía emplea una válvula de arco de mercurio para proporcionar energía al tranvía que transporta a los visitantes entre sus dos sitios. [17]
Los tipos especiales de rectificadores monofásicos de arco de mercurio son el Ignitron y elExcitrón . El Excitron es similar a otros tipos de válvula descritos anteriormente, pero depende fundamentalmente 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 ánodos de excitación encendiendo el arco cada vez que se requiere que comience la conducción. De este modo, los ignitrones también evitan la necesidad de rejillas de control.
En 1919, el libro "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" [18] describió un amplificador para señales telefónicas que utilizaba un campo magnético para modular un arco en un tubo rectificador de mercurio. Esto nunca tuvo importancia comercial.
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Los compuestos de mercurio son tóxicos, muy persistentes en el medio ambiente y presentan un peligro para los seres humanos y el medio ambiente. El uso de grandes cantidades de mercurio en frágiles sobres de vidrio presenta el riesgo de 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 tanque de acero frecuentemente requerían bombas de vacío, que emitían continuamente pequeñas cantidades de vapor de mercurio.
