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.