CH353462A - Redresseur à arc - Google Patents

Redresseur à arc

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CH353462A
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Axel Persson John
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Union Carbide Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J13/02Details
    • HELECTRICITY
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2893/00Discharge tubes and lamps
    • H01J2893/0072Disassembly or repair of discharge tubes
    • H01J2893/0073Discharge tubes with liquid poolcathodes; constructional details

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Description


      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.

Claims (1)

  1. REVENDICATION Redresseur à arc, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre remplie d'un gaz inerte, une cathode à surface émissive annulaire et relativement étroite, disposée 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 sur face cathodique, 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 mouvement, des moyens pour connecter l'anode et la cathode dans un circuit comprenant une source de courant alternatif destiné à être redressé,
    et un cir cuit 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 chaque période dudit courant alternatif. SOUS-REVENDICATIONS 1. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que la cathode est constituée soit en tungstène, soit en tungstène thorié, soit par des couches alter nées de tungstène et de tungstène thorié. 2.
    Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que la cathode présente la forme d'un disque et comprend un revêtement émissif appliqué sur son bord périphérique sur une étroite surface. 3. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que la cathode présente la forme d'un disque. 4. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que l'anode est constituée par un anneau de cuivre entourant la cathode. 5. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que l'anode est refroidie par eau. 6.
    Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que l'anode et la cathode sont amovibles de façon à pouvoir être enlevées facilement et être rem placées par des électrodes de dimensions différentes en vue de modifier l'espace compris entre elles. 7. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits moyens créant un champ magné tique comprennent au moins un aimant permanent circulaire disposé en dehors du trajet d'arc. 8. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits moyens créant un champ magnétique comprennent un enroulement d'excitation destiné à être parcouru par un courant. 9. Redresseur selon la revendication, caractérisé en ce que ladite chambre comprend une vitre per mettant de voir l'arc.
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