Redresseur à arc La présente invention a pour objet un redresseur à arc, destiné à transformer un courant alternatif en un courant continu.
Tout dispositif qui permet à un courant élec trique de s'écouler facilement dans un sens et diffi cilement dans le sens opposé peut être utilisé comme redresseur de courant alternatif. L'arc électrique se prête facilement à la conversion d'un courant alter natif en un courant continu et vice versa. L'arc élec trique est spécialement approprié à ce but car il est capable de maintenir un flux abondant d'électrons et facilite ainsi l'établissement d'une tache cathodique. En outre, la commande de l'extinction et le réallu- mage de l'arc peuvent être assurés facilement.
Un courant électrique alternatif est réduit à zéro à la fin de chaque demi-période. Si, au moyen d'un arc, la conduction est empêchée sur une demi-période et facilitée ;sur la demi-période opposée, on dit que le courant a été redressé.
Les redresseurs à arc les plus appréciés jusqu'ici pour des applications d'une certaine puissance sont les redresseurs à vapeur de mercure. Dans ces redres seurs, l'arc est établi dans la vapeur de mercure à basse pression entre une cathode constituée par du mercure liquide et une anode en graphite. Dans la plupart des applications pratiques, le redresseur à vapeur de mercure s'est montré supérieur à tous les autres redresseurs et il est largement utilisé dans une quantité d'applications industrielles. Il présente cependant certains inconvénients.
La présence de mercure, par exemple, constitue un problème car il se produit des éclaboussures si l'appareil est soumis à des secousses, comme c'est le cas par exemple sur des locomotives électriques. Par suite de la présence d'un liquide, un redresseur à vapeur de mercure doit toujours être monté verticalement. En outre, le redresseur à mercure est un appareil scellé relative- ment encombrant. La rupture de toute partie impor tante rend souvent nécessaire l'élimination de tout l'appareil pour éviter les gros frais d'une réparation.
Des arcs à haute tension entre des électrodes solides ont été proposés également pour le redresse ment des courants. Dans les redresseurs de ce type, l'arc se transmet dans un courant d'air à la pression atmosphérique entre des électrodes de cuivre refroi dies par eau. Une étincelle à haute tension est utilisée pour amorcer l'arc et un souffle d'air est utilisé pour l'éteindre à la fin d'une demi-période conductrice. Un champ magnétique maintient l'arc en mouvement constant sur les surfaces des électrodes. Les redres seurs de ce type sont caractérisés par une haute ten sion d'arc, de l'ordre de 100 volts.
Par conséquent, le rendement est faible pour les circuits utilisant des très hautes tensions de fonctionnement (10 000 à 100 000 volts).
Les deux propriétés les plus importantes qui caractérisent le fonctionnement d'un redresseur à arc sont la chute de la tension d'arc et le taux d'allumage en retour. La chute de la tension d'arc exprime le rendement du redresseur, car pratiquement toute la puissance consommée dans l'appareil est dans l'arc. En conséquence, la perte de puissance peut être exprimée par le produit du courant d'arc par la ten sion d'arc. Le taux d'allumage -en retour définit la tendance de l'arc à se réallumer lors de la demi période inverse. Quand un allumage en retour se produit, le redressement cesse et la commande du redresseur est inutile.
Il est donc important de main tenir le taux d'allumage en retour à une faible valeur. Les mesures prises pour empêcher l'allumage en retour conduisent souvent à une augmentation de la tension d'arc.
Le redresseur à arc faisant l'objet de la présente invention, est caractérisé en ce qu'il comprend une chambre remplie d'un gaz inerte, une cathode à sur face émissive annulaire et relativement étroite, dis posée dans ladite chambre, une anode présentant une surface annulaire disposée à distance uniforme de ladite surface cathodique, ces électrodes étant agen cées de manière que le trajet d'arc le plus court entre elles soit disposé dans le plan de ladite surface catho dique, des moyens pour créer un champ magnétique dans le trajet d'arc transversalement au plan de la surface cathodique afin de mettre l'arc en mouve ment,
des moyens pour connecter l'anode et la cathode dans un circuit comprenant une source de courant alternatif destiné à être redressé, et un circuit de commande agencé de manière à produire entre l'anode et la cathode une impulsion d'allumage de l'arc à haute tension en un point déterminé de cha que période dudit courant alternatif.
Ce redresseur à arc est un redresseur commandé dans lequel l'arc est maintenu dans une atmosphère de gaz inerte entre la cathode, qui peut être par exemple en tungstène, et l'anode qui peut être en cuivre refroidi par de l'eau. Si une force électro motrice alternative est appliquée aux bornes de l'en- trefer d'arc, la conduction du courant est favorisée quand le tungstène constitue la cathode. La tempé rature plus élevée du tungstène et ses meilleures propriétés émissives comparativement à celles du cuivre refroidi rendent possible ce résultat.
Pour faci liter la désionisation et empêcher le réallumage lors de la demi-période inverse, l'arc est maintenu en mouvement sur les surfaces des électrodes au moyen d'un champ magnétique. De cette manière, une sur chauffe localisée et la formation d'une tache de cathode sur l'anode de cuivre sont évitées. Comme le courant s'écoule seulement pendant des demi- périodes alternées, le gaz est désionisé pendant la période de non conduction, et une tension relative ment élevée est nécessaire pour réallumer l'arc.
Par redresseur commandé , on veut dire qu'il est possible de retarder le point de réallumage dans la période de conduction. Cela a pour effet de modi fier la valeur moyenne du courant redressé et par conséquent le courant de sortie du redresseur. Ce type de commande est très important dans les circuits de commande pour la soudure et pour le réglage de la vitesse des moteurs. Un autre avantage important d'un redresseur de ce type tient à la possibilité d'uti liser des gaz inertes commercialement purs, tels que le xénon et le krypton, qui sont caractérisés par de faibles potentiels d'ionisation.
Ces gaz facilitent la désionisation et empêchent le réallumage lors de la demi-période inverse du courant alternatif et assurent de toute façon des caractéristiques de redressement optimums.
A l'aide d'un tel redresseur, dont la partie com prenant les électrodes est extrêmement simple et compacte, on peut redresser des courants dans un domaine allant de 110 volts à 660 volts. La puissance du redresseur peut être facilement modifiée en modi fiant la dimension de la partie comprenant les élec- trodes. La simplicité de la construction de cette par tie permet le retrait et le remplacement de tout élé ment individuel, sans nécessiter le remplacement de tout le redresseur comme c'est le cas pour la plupart des redresseurs à arc utilisés actuellement. Ce redres seur donne un fort rendement d'arc et un taux d'allu mage en retour extrêmement faible par suite de sa construction.
Un facteur très important est l'étroite surface émissive de la cathode. Elle joue un rôle pour limiter le trajet d'arc et pour faciliter le chauffage de la surface afin de produire une émission thermique en plus de l'émission due à la chute de tension à travers le trajet d'arc. Ces effets abaissent le travail de sortie de la cathode et améliorent ainsi grandement le ren dement. Le faible potentiel d'ionisation du gaz inerte entraîne une chute de tension exceptionnellement basse aux bornes de l'arc. On a mesuré des tensions de 8 à 10 volts seulement avec un tel redresseur. L'allumage en retour est pratiquement éliminé par suite de la grande difficulté de formation d'une tache de cathode sur l'anode.
En utilisant une anode de grande surface refroidie par eau et présentant un haut degré de polissage, on peut éviter que l'arc pro duise un échauffement exagéré de l'anode même avec un fort courant.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du redresseur selon l'inven tion et un diagramme explicatif.
La fig. 1 est une coupe d'une partie de la pre mière forme d'exécution.
La fig. 2 est un diagramme explicatif.
La fig. 3 est une coupe d'une partie de la seconde forme d'exécution.
La fig. 4 est le schéma d'un circuit que com prennent l'une et l'autre des deux formes d'exécution. Le corps R d'un redresseur représenté à la fig. 1 comprend une cathode 10 constituée par un disque d'une matière métallique réfractaire, du tungstène par exemple, pur ou thorié, monté coaxialement à l'intérieur d'une anode annulaire 12 de cuivre. L'anode 12 est logée étroitement dans un cylindre 14 de cuivre, refroidi par eau, qui présente une chambre intérieure 15. Une extrémité de cette chambre est fermée par une douille isolante 16 à travers laquelle passe une connexion électrique 18 pour la cathode. L'autre extrémité de la chambre est fermée par un verre transparent 20 qui permet d'observer l'arc.
La chambre 15 peut être vidée par une ouverture 22, qui permet aussi de la remplir d'un gaz inerte. Un enroulement 24 d'électro-aimant est bobiné sur une bobine entourant le cylindre 14. Un courant continu envoyé dans cet enroulement produit un champ magnétique axial qui oblige l'arc à tourner autour de la cathode 10 dans l'espace compris entre les élec trodes. L'espacement entre l'anode et la cathode peut être modifié en utilisant des anodes 12 de divers dia mètres intérieurs. La cathode 10 peut également être facilement remplacée par une autre de dimensions différentes. L'anode peut être connectée à une source de courant à l'aide d'un organe de connexion 13.
Le corps de la forme d'exécution représentée à la figure 3 comprend des organes semblables à ceux de la première forme d'exécution et portant les mêmes chiffres de référence. Il comprend, à la. place de l'enroulement 24, deux aimants permanents 26 et 28 de forme annulaire, montés des deux côtés de l'anode 12. Cette construction réduit la dimension hors-tout du corps du redresseur et ne nécessite plus l'utilisation d'une source de courant continu séparée.
Dans les deux formes d'exécution, la cathode peut être un disque de tungstène, pur ou recouvert de tungstène thorié. D'une autre manière, elle peut être formée de couches alternées de tungstène et de tungstène thorié. On peut aussi déposer, par exemple par vaporisation, une mince couche annulaire d'une matière émissive sur le bord périphérique de la cathode. Cependant, dans toutes les formes d'exé cution, la cathode doit présenter un bord périphéri que relativement étroit qui se chauffe et empêche l'arc de vagabonder sur la surface de la cathode.
Il est possible d'inverser les positions respectives de l'anode et de la cathode, pourvu que la cathode pré sente un bord périphérique étroit, dans ce cas disposé à l'intérieur d'un anneau, adjacent à l'anode comme ci-dessus. On utilise dans tous les cas un refroidis sement par eau de l'anode et un champ magnétique transversal.
Le redresseur à arc comprend un circuit de com mande à impulsions qui déclenche l'arc en ionisant l'espace compris entre les électrodes pour former une source d'électrons et une tache cathodique. Le cir cuit produit une impulsion à haute tension à l'instant désiré de la demi-période conductrice, suffisamment intense pour traverser le gaz et d'une courte durée afin de produire une radio-interférence minimum.
Ce circuit est représenté à la fig. 4. Il comprend un condensateur Cl chargé par une source à courant continu à travers une résistance RI élevée. Quand un thyratron V.,, devient conducteur, Cl est rapidement déchargé à travers le primaire d'un transformateur à impulsions T3. Le courant de sortie à haute tension du transformateur charge un condensateur C2 à tra vers une résistance R.,. Quand la tension aux bornes du condensateur Catteint la valeur de rupture d'un éclateur S, une étincelle se produit et déclenche une oscillation à haute fréquence dans un circuit comprenant l'éclateur S,
le condensateur C2 et le primaire d'un transformateur T.l. Ce transformateur T, est à noyau d'air, de rapport 1:1, et son secon daire est connecté en série avec la cathode du redres seur. La décharge à haute fréquence et de courte durée induite dans le secondaire traverse l'espace d'arc du redresseur et déclenche la conduction du courant principal. Un condensateur de dérivation C3 protège la source de courant et la charge. La fré quence et la durée de la décharge sont déterminées par les constantes, du circuit.
Dans un cas pratique cité à titre d'exemple, ces constantes sont telles que la fréquence est de 3 mégacycles%sec et la durée totale de l'impulsion de 4 microsecondes. Le thyra- tron V3 peut être rendu conducteur par toute source extérieure pour donner des impulsions simples ou répétées périodiquement. Normalement, l'impulsion de commande peut être obtenue à partir du courant alternatif à redresser à l'aide d'un circuit redresseur, déphaseur et générateur d'impulsions.
Le redresseur à arc et à gaz inerte décrit a été essayé comparativement à un redresseur à vapeur de mer cure pour comparer les performances des deux appa reils dans les mêmes conditions de fonctionnement. Le circuit utilisé était agencé de manière que les deux redresseurs soient conducteurs au cours de demi- périodes alternées. La tension et le courant ont été enregistrés avec un oscillographe. Un .oscillogramme typique est représenté à la fig. 2 et montre les pro priétés de redressement des deux redresseurs.
A la partie supérieure de la fig. 2, on a représenté les tensions des deux redresseurs, la tension du redres seur à vapeur de mercure étant au-dessus de la ligne droite représentant la tension zéro, et la tension du redresseur décrit étant au-dessous de cette ligne. A la partie inférieure de la figure, on a représenté les courants, le courant du redresseur à vapeur de mer cure étant au-dessus de la ligne droite représentant le courant zéro et le courant du redresseur décrit étant au-dessous de cette ligne. Les graduations sont indiquées en volts à la partie supérieure de la figure, et en ampères à la partie inférieure.
On a pu redresser des courants jusqu'à 1000 ampères à l'aide du redresseur décrit fonctionnant sous une tension alternative de 440 volts. Le corps du redresseur a un diamètre d'environ 15 cm, un redresseur plus gros pouvant traiter des courants plus élevés.
On peut évidemment utiliser des circuits électri ques de commande autres que celui décrit, selon le rôle que doit jouer le redresseur.
Arc rectifier The present invention relates to an arc rectifier, intended to transform an alternating current into a direct current.
Any device which allows an electric current to flow easily in one direction and difficult in the opposite direction can be used as an AC rectifier. The electric arc lends itself easily to the conversion of a native alternating current into a direct current and vice versa. The electric arc is especially suitable for this purpose because it is capable of maintaining an abundant flow of electrons and thus facilitates the establishment of a cathode spot. In addition, control of the extinction and re-ignition of the arc can be easily provided.
An alternating electric current is reduced to zero at the end of each half-period. If, by means of an arc, conduction is prevented over a half-period and facilitated; on the opposite half-period, the current is said to have been rectified.
The most popular arc rectifiers heretofore for high power applications are mercury vapor rectifiers. In these rectifiers, the arc is established in the mercury vapor at low pressure between a cathode formed by liquid mercury and a graphite anode. In most practical applications, the mercury vapor rectifier has been shown to be superior to all other rectifiers and it is widely used in a number of industrial applications. However, it has certain drawbacks.
The presence of mercury, for example, is a problem because splashing occurs if the device is subjected to jolts, as is the case for example on electric locomotives. Due to the presence of a liquid, a mercury vapor rectifier must always be mounted vertically. In addition, the mercury rectifier is a relatively bulky sealed device. The rupture of any important part often makes it necessary to dispose of the entire apparatus to avoid the high cost of repair.
High voltage arcs between solid electrodes have also been proposed for rectifying currents. In rectifiers of this type, the arc is transmitted in a current of air at atmospheric pressure between water-cooled copper electrodes. A high voltage spark is used to start the arc and a blast of air is used to extinguish it at the end of a conductive half period. A magnetic field keeps the arc in constant motion across the surfaces of the electrodes. Rectifiers of this type are characterized by a high arc voltage, of the order of 100 volts.
Therefore, the efficiency is low for circuits using very high operating voltages (10,000 to 100,000 volts).
The two most important properties that characterize the operation of an arc rectifier are the drop in arc voltage and the kickback rate. The drop in the arc voltage expresses the efficiency of the rectifier, because practically all the power consumed in the apparatus is in the arc. Accordingly, the power loss can be expressed as the product of the arc current times the arc voltage. The return ignition rate defines the tendency of the arc to reignite during the reverse half period. When reverse ignition occurs, rectification ceases and rectifier control is unnecessary.
It is therefore important to keep the firing rate in return at a low value. Measures taken to prevent reverse ignition often lead to an increase in the arc voltage.
The arc rectifier forming the subject of the present invention is characterized in that it comprises a chamber filled with an inert gas, a cathode with an annular and relatively narrow emissive surface on the surface, placed in said chamber, an anode having an annular surface disposed at a uniform distance from said cathode surface, these electrodes being arranged so that the shortest arc path between them is disposed in the plane of said cathode surface, means for creating a magnetic field in the arc path transversely to the plane of the cathode surface in order to set the arc in motion,
means for connecting the anode and the cathode in a circuit comprising a source of alternating current intended to be rectified, and a control circuit arranged so as to produce between the anode and the cathode an ignition pulse of the arc at high voltage at a determined point of each period of said alternating current.
This arc rectifier is a controlled rectifier in which the arc is maintained in an atmosphere of inert gas between the cathode, which can be for example made of tungsten, and the anode which can be made of copper cooled by water. If an alternating electro-motive force is applied across the arc gap, current conduction is favored when tungsten constitutes the cathode. The higher temperature of tungsten and its better emissivity properties compared to those of cooled copper make this possible.
To facilitate deionization and prevent reignition during the reverse half-period, the arc is kept in motion on the surfaces of the electrodes by means of a magnetic field. In this way, localized overheating and the formation of a cathode spot on the copper anode are avoided. Since current flows only for alternating half periods, the gas is deionized during the non-conduction period, and a relatively high voltage is required to reignite the arc.
By controlled rectifier, we mean that it is possible to delay the reignition point in the conduction period. This has the effect of modifying the average value of the rectified current and consequently the output current of the rectifier. This type of control is very important in control circuits for welding and for adjusting the speed of motors. Another important advantage of a rectifier of this type is the possibility of using commercially pure inert gases, such as xenon and krypton, which are characterized by low ionization potentials.
These gases facilitate deionization and prevent reignition during the reverse half-period of the alternating current and in any case ensure optimum rectification characteristics.
Using such a rectifier, the part comprising the electrodes of which is extremely simple and compact, it is possible to rectify currents in a range ranging from 110 volts to 660 volts. The power of the rectifier can be easily changed by changing the size of the part comprising the electrodes. The simplicity of construction of this part allows for the removal and replacement of any individual component, without requiring the replacement of the entire rectifier as is the case with most arc rectifiers in use today. This rectifier gives a high arc efficiency and an extremely low rate of ignition back due to its construction.
A very important factor is the narrow emissive surface of the cathode. It plays a role in limiting the arc path and in facilitating the heating of the surface to produce thermal emission in addition to the emission due to voltage drop across the arc path. These effects lower the output work of the cathode and thus greatly improve the yield. The low ionization potential of the inert gas results in an exceptionally low voltage drop across the arc. Voltages of 8 to 10 volts have only been measured with such a rectifier. Ignition back is virtually eliminated due to the great difficulty of forming a cathode spot on the anode.
By using a water-cooled large area anode with a high degree of polish, the arc can be prevented from producing excessive heating of the anode even with a high current.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the rectifier according to the invention and an explanatory diagram.
Fig. 1 is a section through part of the first embodiment.
Fig. 2 is an explanatory diagram.
Fig. 3 is a section through part of the second embodiment.
Fig. 4 is the diagram of a circuit that includes both of the two embodiments. The body R of a rectifier shown in FIG. 1 comprises a cathode 10 constituted by a disc of a refractory metallic material, for example tungsten, pure or thoriated, mounted coaxially inside an annular anode 12 of copper. The anode 12 is housed tightly in a water-cooled copper cylinder 14 which has an interior chamber 15. One end of this chamber is closed by an insulating sleeve 16 through which an electrical connection 18 for the cathode passes. The other end of the chamber is closed by a transparent glass 20 which allows the arc to be observed.
The chamber 15 can be emptied through an opening 22, which also allows it to be filled with an inert gas. A winding 24 of an electromagnet is wound on a coil surrounding the cylinder 14. A direct current sent through this winding produces an axial magnetic field which forces the arc to rotate around the cathode 10 in the space between the electrodes. trodes. The spacing between the anode and the cathode can be altered using anodes 12 of various interior diameters. Cathode 10 can also be easily replaced by one of different dimensions. The anode can be connected to a current source using a connection member 13.
The body of the embodiment shown in Figure 3 comprises members similar to those of the first embodiment and bearing the same reference numerals. He understands, at the. instead of the winding 24, two permanent magnets 26 and 28 of annular shape, mounted on both sides of the anode 12. This construction reduces the overall dimension of the rectifier body and no longer requires the use of a source. separate direct current.
In both embodiments, the cathode can be a disc of tungsten, pure or covered with thoriated tungsten. Alternatively, it can be formed from alternating layers of tungsten and thoriated tungsten. It is also possible to deposit, for example by vaporization, a thin annular layer of an emissive material on the peripheral edge of the cathode. However, in all embodiments, the cathode should have a relatively narrow peripheral edge which heats up and prevents the arc from wandering over the surface of the cathode.
It is possible to reverse the respective positions of the anode and the cathode, provided that the cathode has a narrow peripheral edge, in this case disposed inside a ring, adjacent to the anode as shown below. above. In all cases, water cooling of the anode and a transverse magnetic field are used.
The arc rectifier includes a pulse control circuit which initiates the arc by ionizing the space between the electrodes to form an electron source and a cathode spot. The fired circuit produces a high voltage pulse at the desired time of the conductive half period, strong enough to pass through the gas and of short duration to produce minimum radio interference.
This circuit is shown in fig. 4. It comprises a capacitor C1 charged by a direct current source through a high resistance RI. When a thyratron V. ,, becomes a conductor, Cl is rapidly discharged through the primary of a pulse transformer T3. The high voltage output current of the transformer charges a capacitor C2 through a resistor R.,. When the voltage across capacitor C reaches the breaking value of a spark gap S, a spark occurs and triggers a high frequency oscillation in a circuit including spark gap S,
the capacitor C2 and the primary of a transformer T.l. This transformer T is air-core, with a ratio of 1: 1, and its secondary is connected in series with the cathode of the rectifier. The high frequency, short duration discharge induced in the secondary passes through the rectifier arc space and initiates conduction of the main current. A C3 bypass capacitor protects the current source and the load. The frequency and duration of the discharge are determined by the constants of the circuit.
In a practical case cited by way of example, these constants are such that the frequency is 3 megacycles% sec and the total duration of the pulse is 4 microseconds. Thyrotron V3 can be made conductive by any external source to give single pulses or periodically repeated. Normally, the control pulse can be obtained from the alternating current to be rectified using a rectifier, phase shifter and pulse generator circuit.
The described inert gas arc rectifier has been tested against a sea vapor cure rectifier to compare the performance of the two devices under the same operating conditions. The circuit used was arranged so that the two rectifiers are conductive during alternating half periods. Voltage and current were recorded with an oscillograph. A typical oscillogram is shown in fig. 2 and shows the rectifying properties of the two rectifiers.
At the top of fig. 2 shows the voltages of the two rectifiers, the voltage of the mercury vapor rectifier being above the straight line representing zero voltage, and the voltage of the rectifier described being below this line. The lower part of the figure shows the currents, the current of the sea steam rectifier cure being above the straight line representing the zero current and the current of the rectifier described being below this line. The graduations are indicated in volts at the top of the figure, and in amperes at the bottom.
It has been possible to rectify currents up to 1000 amperes using the rectifier described operating under an alternating voltage of 440 volts. The rectifier body is about 15cm in diameter, a larger rectifier can handle higher currents.
It is obviously possible to use electric control circuits other than that described, depending on the role to be played by the rectifier.