Этот архаичный вид техники сегодня выглядит как настоящий стимпанк или теслапанк.
В 1920-1930-х годах прошлого века перед инженерами остро стояла проблема преобразования переменного тока в постоянный для мощных установок. Существовавшие на тот момент медно-закисные и селеновые выпрямители были непригодны для высоких мощностей: они не выдерживали больших токов и напряжений. Сборка таких приборов из множества пластин приводила к значительным потерям напряжения и увеличению паразитной емкости.
Альтернативой было использование умформеров (мотор-генераторов) – вращающихся преобразователей. Однако этот метод был неэффективным и чрезвычайно дорогим, так как требовал изготовления и обслуживания крупных электрических машин, что и в наше время является затратным делом.
Прорывом в силовой электронике стали ртутные выпрямители. Ранние модели уже могли выдавать мощность до 10 кВт при напряжении выпрямленного тока 3,5 кВ, что открывало новые возможности для промышленности.
История изобретения
Вопрос о первенстве в изобретении ртутного выпрямителя неоднозначен. Основной принцип работы ртутной газоразрядной лампы был запатентован американским инженером Питером Купером-Хьюиттом еще в 1902 году. Впоследствии разработки устройств на основе этого принципа велись параллельно в Европе, США и СССР.
В Советском Союзе созданием мощных выпрямителей для питания радиотелефонных и радиотелеграфных станций занялся инженер Валентин Петрович Вологдин. Его работа увенчалась успехом в 1922 году.
Благодаря своей исключительной мощности и надежности ртутные выпрямители на долгие десятилетия заняли нишу в тяговых подстанциях, питающих электровозы, трамваи, троллейбусы и метрополитен. Они также широко применялись в промышленности для питания двигателей постоянного тока и мощных сварочных аппаратов.
Интересно, что эти приборы нашли применение и в качестве разрядников. Например, модель ИРТ-6 способна выдерживать напряжение до 25 кВ и пропускать импульсный ток силой 100 кА. Однако для его срабатывания требуется управляющий импульс тока от 200 А.
Принцип работы ртутных выпрямителей
Конструкция прибора относительно проста: в герметичной колбе из стекла или металла, из которой откачан воздух, находятся основной анод, жидкая ртуть, выполняющая роль катода, и дополнительный электрод-зажигатель.
Работа начинается с создания дугового разряда между зажигателем и катодом.
Обратите внимание: Новые батареи для электроники будут в пять раз легче и вдвое меньше по размеру.
В месте контакта дуги с ртутью образуется так называемое катодное пятно, с которого начинается интенсивное испарение металла. В парах ртути создается электрическое поле высокой напряженности, вызывающее автоэлектронную эмиссию – «вырывание» электронов с поверхности катода.Высвобожденные электроны устремляются к аноду, на котором поддерживается положительный потенциал. Одновременно положительные ионы ртути движутся к катоду. При столкновении с поверхностью ртути они передают ей энергию, нагревая катод и поддерживая тем самым процесс эмиссии электронов.
1 - анод, 2 - зажигатель, 3 - жидкая ртуть-катод
Из описанного физического процесса вытекают ключевые свойства ртутных выпрямителей:
- Отсутствует необходимость в предварительном подогреве (накале) катода, что упрощает конструкцию.
- Вероятность электрического пробоя между анодом и катодом крайне мала, благодаря чему эти приборы способны выдерживать очень высокие обратные напряжения.
- Приборы неэффективны при работе с низкими напряжениями, так как для поддержания разряда требуется определенный минимальный потенциал.
- В процессе ионизации газа в колбе возникает характерное свечение.
Типы ртутных выпрямителей: экситроны и игнитроны
Ртутные выпрямители делятся на два основных типа: экситроны и игнитроны.
Экситроны могут иметь несколько основных анодов, что позволяет использовать их в схемах трехфазного выпрямления. Дуговой разряд в них поддерживается постоянно с помощью специальных вспомогательных анодов возбуждения. Первичное зажигание (создание катодного пятна) производится механическим контактным способом – например, путем наклона колбы для соприкосновения ртути с электродом зажигания с последующим разрывом контакта.
Пример использования
Игнитроны, в отличие от экситронов, обычно имеют только один основной анод и один или несколько зажигательных электродов. Их ключевая особенность – необходимость повторного возбуждения катодного пятна в каждом цикле, после того как потенциал анода падает до нуля и разряд гаснет. Это осуществляется с помощью коротких импульсов тока на зажигательном электроде.
Такая конструкция делает игнитроны управляемыми приборами. Возможность открывать вентиль в любой момент времени позволяет регулировать угол отсечки и, как следствие, среднее значение выходного напряжения, что критически важно для многих промышленных применений, например, для сварочных аппаратов.
Сварочный управляемый выпрямитель
Вопросы охлаждения
Прямое падение напряжения на ртутном выпрямителе составляет от 15 до 50 В. Учитывая, что эти приборы часто работают с токами в сотни и тысячи ампер, выделяемая тепловая мощность оказывается колоссальной. Поэтому эффективное охлаждение было и остается жизненно важным аспектом их конструкции.
Модели меньшей мощности могли обходиться воздушным охлаждением.
У тех, что послабее - воздушное
Однако для большинства мощных промышленных выпрямителей применялось жидкостное (чаще всего водяное) охлаждение. К металлическому корпусу прибора подводились шланги для циркуляции охлаждающей жидкости.
К корпусу подводятся шланги с водой
К корпусу подводятся шланги с водой
#электроника #электротехника #силовая электроника #история техники #технологии
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ртутные выпрямители - дедушки силовой электроники.