Una válvula de arco de mercurio o rectificador de vapor de mercurio o (UK) rectificador de arco de mercurio [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 en que el cátodo, en lugar de ser sólido, está hecho de un depósito de mercurio líquido y, por lo tanto, se restaura automáticamente. Como resultado, las válvulas de arco de mercurio, cuando se usan 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.
Los rectificadores de arco de mercurio, inventados en 1902 por Peter Cooper Hewitt , se utilizaron para proporcionar energía a motores industriales, ferrocarriles eléctricos , tranvías y locomotoras eléctricas , así como para transmisores de radio y para la 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 de semiconductores , como los diodos , los tiristores y los tiristores de apagado por compuerta (GTO) en la década de 1970. Estos rectificadores de estado sólido han reemplazado casi por completo a los rectificadores de arco de mercurio gracias a su mayor confiabilidad, menor costo y mantenimiento y menor riesgo ambiental. [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 aún más durante las décadas de 1920 y 1930 por investigadores tanto en Europa como en América del Norte. Antes de su invención, la única forma de convertir la corriente alterna proporcionada por los servicios públicos en corriente continua era mediante convertidores rotativos o grupos electrógenos costosos, ineficientes y de alto mantenimiento. Los rectificadores de arco de mercurio o "convertidores" se usaban para cargar baterías de almacenamiento, sistemas de iluminación de arco , [6] los motores de tracción de corriente continua 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 reemplazado 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 depósito de mercurio líquido actúa como un cátodo autorrenovable 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, 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 del baño, 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 baño mantiene la temperatura del punto de emisión , siempre que continúe una corriente de unos pocos amperios.
Mientras que 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 carga espacial que limitan el rendimiento de los tubos de vacío . En consecuencia, la válvula puede transportar corrientes altas a voltajes de arco bajos (normalmente 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 calentados son delicados y tienen una vida útil corta cuando se utilizan con corriente alta.
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 está determinada por el punto más frío de la pared de la envoltura. 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, cuya intensidad relativa está determinada por la presión del vapor. A baja presión dentro de un rectificador, la luz aparece de un 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 bulbo de vidrio y el tipo de tanque de acero. Las válvulas de tanque de acero se utilizaban para corrientes nominales superiores a aproximadamente 500 A.
El primer tipo de rectificador eléctrico de vapor de mercurio consiste en un bulbo de vidrio evacuado con un depósito de mercurio líquido en el fondo como cátodo . [7] Sobre él se curva el bulbo de vidrio, que condensa el mercurio que se evapora mientras el dispositivo funciona. La envoltura de vidrio tiene uno o más brazos con barras de grafito como ánodos . Su número depende de la aplicación, y generalmente se proporciona un ánodo por fase. La forma de los brazos del ánodo garantiza que cualquier mercurio que se condense en las paredes de vidrio se drene de regreso al depósito principal rápidamente para evitar proporcionar una ruta conductora entre el cátodo y el ánodo respectivo.
Los rectificadores con envoltura de vidrio pueden manejar cientos de kilovatios de potencia de corriente continua en una sola unidad. Un rectificador de seis fases con una potencia nominal 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. El gran tamaño de la envoltura es necesario 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 regresar al baño catódico. Algunos tubos de vidrio se sumergieron en un baño de aceite para controlar mejor la temperatura.
La capacidad de conducción de corriente de un rectificador de ampolla 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 fundidos en la envoltura de vidrio para la conexión de los ánodos y el cátodo. El desarrollo de rectificadores de alta corriente requirió materiales para los cables conductores 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 corrientes nominales de hasta 500 A, pero la mayoría de los rectificadores para corrientes nominales 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 las pequeñas fugas de aire en el tanque debido a sellos imperfectos. Las válvulas de tanque de acero, con refrigeración por agua para el tanque, se desarrollaron con valores nominales de corriente de varios miles de amperios.
Al igual que las válvulas de bulbo de vidrio, las válvulas de arco de mercurio para 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 múltiples ánodos se usaban generalmente para circuitos rectificadores multifásicos (con 2, 3, 6 o 12 ánodos por tanque), pero en aplicaciones HVDC, los múltiples ánodos a menudo se conectaban simplemente en paralelo para aumentar la corriente nominal.
Un rectificador de arco de mercurio convencional se pone en marcha mediante un breve arco de alto voltaje dentro del rectificador, entre el cátodo y un electrodo de arranque. El electrodo de arranque se pone en contacto con el cátodo y se le permite pasar corriente a través de un circuito inductivo. Luego se interrumpe el contacto con el cátodo, lo que da como resultado una fuerza electromotriz 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 momentáneas o las reducciones de la corriente de salida pueden hacer que el punto del cátodo se apague, muchos rectificadores incorporan un electrodo adicional para mantener un arco siempre que la planta esté en uso. Por lo general, una fuente de alimentación bifásica o trifásica de unos pocos amperios pasa a través de pequeños ánodos de excitación . Para proporcionar esta fuente de alimentación se suele utilizar un transformador derivado magnéticamente de unos pocos cientos de VA.
Este circuito de excitación o de mantenimiento de la corriente era necesario para rectificadores monofásicos como el excitrón y para 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 con envoltura de vidrio como los 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, lo que permite controlar el voltaje de salida medio producido por el rectificador. El inicio del flujo de corriente se puede retrasar 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 activación y permite que las válvulas de arco de mercurio controladas formen los elementos de conmutación activos en un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna.
Para mantener la válvula en estado no conductor, se aplica una polarización negativa de unos pocos voltios o decenas de voltios a la rejilla. Como resultado, los electrones emitidos desde el cátodo son repelidos fuera de la rejilla, de vuelta hacia el cátodo, y así 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 el proceso de establecimiento de una descarga de arco puede comenzar. Sin embargo, una vez que el arco se ha establecido, no puede detenerse por la acción de la rejilla, porque los iones de mercurio positivos producidos por la ionización son atraídos por la rejilla cargada negativamente y la neutralizan de manera efectiva. La única forma de detener la conducción es hacer que el circuito externo fuerce la corriente para que caiga 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 se pueden utilizar como amplificadores excepto con 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 retroceso de arco (o contrafuego ), por el cual la válvula conduce 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, además de 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 contrafuego 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. [9] Durante muchos años, este efecto limitó el voltaje operativo práctico de las válvulas de arco de mercurio a unos pocos kilovoltios.
La solución fue incluir electrodos de gradación entre el ánodo y la rejilla de control, conectados a un circuito divisor externo de resistencia y condensador . [10] 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 HVDC, que se puso en servicio en el enlace HVDC de 20 MW y 100 kV desde Suecia continental hasta la isla de Gotland en 1954.
El trabajo de Uno Lamm sobre 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 dedicar un premio que lleva su nombre, por sus destacadas contribuciones en el campo de HVDC.
Las válvulas de arco de mercurio con electrodos de clasificación de este tipo se desarrollaron hasta tensiones nominales de 150 kV. Sin embargo, la alta columna de porcelana necesaria para alojar los electrodos de clasificación era más difícil de enfriar que el tanque de acero al potencial del cátodo, por lo que la corriente nominal utilizable se limitaba a unos 200-300 A por ánodo. Por lo tanto, las válvulas de arco de mercurio para HVDC se construían a menudo con cuatro o seis columnas de ánodo en paralelo. Las columnas de ánodo siempre se refrigeraban con aire, mientras que los tanques de cátodo se refrigeraban con agua o con aire.
Los rectificadores monofásicos de arco de mercurio rara vez se utilizaban 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 lo 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 bifásicas, trifásicas o incluso hexafásicas para que la corriente rectificada mantuviera un nivel de voltaje más constante. Los rectificadores polifásicos también equilibraban la carga en el sistema de suministro, lo que es deseable por razones de rendimiento y economía del sistema.
La mayoría de las aplicaciones de válvulas de arco de mercurio para rectificadores utilizan 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 se conecta al lado + de la carga de CC, y el otro lado se conecta a la toma central del devanado secundario del transformador , que siempre permanece a potencial cero con respecto a 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 del 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, por tanto, rectificación de onda completa .
Con corriente alterna trifásica y rectificación de onda completa, se utilizaron seis ánodos para proporcionar una corriente continua más uniforme. El funcionamiento trifásico puede mejorar la eficiencia del transformador, además de proporcionar una corriente continua más uniforme al permitir que dos ánodos conduzcan simultáneamente. Durante el funcionamiento, el arco se transfiere a los ánodos con el potencial positivo más alto (con respecto al cátodo).
En aplicaciones HVDC, generalmente se utilizaba un rectificador de puente trifásico de onda completa o un circuito de puente Graetz , donde cada válvula estaba alojada en un solo tanque.
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 quedaron limitados a aplicaciones de mayor voltaje 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 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 antiguas redes eléctricas de CC de estilo Edison en centros urbanos hasta la década de 1950. 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 menor 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 corriente alterna entrante a la corriente continua del motor de tracción.
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 Inter-Island entre las Islas Norte y Sur de Nueva Zelanda y el enlace HVDC Kingsnorth desde la 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 sean en gran medida obsoletos, incluso en aplicaciones HVDC. Los rectificadores de arco de mercurio más grandes de la historia, 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 para los proyectos Inter-Island y Kingsnorth utilizaron cuatro columnas de ánodo en paralelo, mientras que las del proyecto del río Nelson utilizaron seis columnas de ánodo en paralelo para obtener la corriente nominal necesaria. [13] El enlace interinsular fue el último sistema de transmisión HVDC en funcionamiento que utilizaba válvulas de arco de mercurio. Se desmanteló oficialmente el 1 de agosto de 2012. Las estaciones convertidoras con válvulas de arco de mercurio del sistema de Nueva Zelanda fueron reemplazadas por nuevas estaciones convertidoras con tiristores. Un sistema similar con válvulas 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 en Kenia (en el Politécnico de Mombasa , departamento eléctrico y electrónico).
Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente en los sistemas de alimentación de corriente continua del metro de Londres [14] , y en 2000 todavía se observaron dos en funcionamiento en el refugio antiaéreo de nivel profundo en desuso de Belsize Park [15] . Cuando ya no se necesitaron como refugios, Belsize Park y varios otros refugios profundos se utilizaron como almacenamiento seguro, en particular para archivos de música y televisión. Esto llevó a que el rectificador de arco de mercurio del refugio de Goodge Street apareciera en un episodio temprano de Doctor Who como un cerebro alienígena, elegido por su "brillo inquietante". [16]
El Museo de Transporte y Tecnología de Auckland (MOTAT) todavía utiliza una válvula de arco de mercurio para suministrar energía al tranvía que transporta visitantes entre sus dos sitios. [17]
Los tipos especiales de rectificadores monofásicos de arco de mercurio son el Ignitron y elExcitrón . El excitrón es similar a otros tipos de válvulas descritas anteriormente, pero depende fundamentalmente de la existencia de un ánodo de excitación para mantener una descarga de arco durante el semiciclo cuando la válvula no conduce corriente. El ignitrón prescinde de los ánodos de excitación encendiendo el arco cada vez que se requiere conducción para iniciarlo. De esta manera, los ignitrones también evitan la necesidad de rejillas de control.
En 1919, el libro "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" [18] describió un amplificador de 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 representan un peligro para los seres humanos y el medio ambiente. El uso de grandes cantidades de mercurio en frágiles sobres de vidrio presenta un 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 desde 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.
