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"Redresseur arc à vapeur de mercure"
L'invention se rapporte à unredresseur à arc à vapeur de mercure, et plus particulièrement à un redresseur à cuve métallique de petites dimensions et de puissance et rendement élevés.
Jusqu'ici les redresseurs à arc à vapeur de mercure à cuve métallique étaient pourvus d'une grande chambre centrale de condensation, entourée par une chambre des ano- des, et une cathode de mercure, généralement placée au cen- tre, coopérait avec plusieurs anodes. Lorsque des courants élevés sont redressés par ces anciens appareils, une grande quantité de vapeur de mercure est abandonnée par la cathode et doit nécessairement être condensée pour maintenir la A tension de vapeur dans le redresseur à la valeur voulue.
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Pour assurer la surface de condensation nécessaire, les refroidisseurs centraux ou chambres de condensation ont reçu de grandes dimensions, ce qui a repoussé les anodes à une grande distance de la cathode et augmenté la longueur des arcs redresseurs.
Cette construction a conduit à des cuves de dimen- sions énormes dans lesquelles la chute de tension de l'arc était de l'ordre de 20 ou 40 volts, entraînant par consé- quent une perte d'énergie énorme. Comme cette énergie ap- paraissait pour la plus grande partie sous la forme de cha- leur dans un vide pratiquement complet, les parties actives étaient nécessairement à des températures élevées.
L'introduction de dispositions de refroidissement suffisantes pour réduire ces hautes températures à un ordre de grandeur sans danger pour le fonctionnement a provoqué de nouvelles pertes d'énergie.
Cette forme de construction résultait d'une idée fausse sur la nature du courant de vapeur partant de la ca- thode. On sait depuis longtemps que la quantité de vapeur allant de la cathode aux anodes exerçait une influence no- table sur les caractéristiques de fonctionnement du redres- seur.
On croyait jusqu'ici que la vapeur de mercure qui- tant la cathode agissait comme un jet, et àe déplaçait pra- tiquement en ligne droite. Par conséquent, la chambre cen- trale de condensation, en communication directe avec la ca- thode, était considérée comme le meilleur moyen d'éliminer le passage de la vapeur dans les espaces anodiques. Toute- fois, on soupçonnait qu'une certaine quantité de vapeur de mercure passait dans l'espace anodique. Afin d'empêcher l'ef- fet nuisible de cette=vapeur, il était devenu courant d'en- tourer les anodes d'écrans plus ou moins ajustés et de munir
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ces écrans d'une ou plusieurs grilles.
L'effet déionisant de ces grilles s'ajoutait aux longueurs d'arcs nécessairement grandes pour produire des chutes de tension à l'arc élevées et les pertes consécutives indiquées plus haut.
On a trouvé que, contrairement à la conception usuelle, la vapeur de mercure au lieu¯de se déplacer sous la forme d'un jet, se déplace dans des directions quelcon- ques et variables immédiatement après son départ de la catho- de ou, si un écran d'arc est utilisé, immédiatement après la terminaison de cet écran, de sorte que la vapeur se comporte comme tout autre gaz à haute pression dégagé dans une encein- te à basse pression, et se déplace dans toutes les directions.
Le redresseur de la présente invention tient compte de la nature du flot de vapeur de la cathode et, au lieu d'essayer de confiner cette vapeur à un condenseur central et de l'exclure d'une grande surface anodique, on a disposé les anodes très près les unes des autres et de la cathode, et on a exclu la vapeur de cette surface relativement fai- ble, tout en lui permettant de circuler librement dans le reste de la cuve.
Les anodes sont placées aussi près l'une de l'autre que cela est possible mécaniquement, et elles sont renfermées dans un écran commun muni d'ouvertures voisines des faces des anodes pour le passage des arcs, éliminant ainsi les écrans et grilles habituels, et laissant les arcs pratiquement li- bres, c'est-à-dire non renfermés, tout en réduisant notable- ment leur longueur.
L'arc court, pratiquement sans obstacles, réduit la chute de tension à l'arc du redresseur courant de 40 volts à environ 12 volts.
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Toutefois, on a trouvé encore qu'une quantité de vapeur'de mercure suffisante pour avoir un effet nuisible sur la stabilité pénétrait dans la chambre des anodes. Afin d'empêcher la vapeur de la cathode d'entrer dans l'espace anodique, on a prévu une source de vapeur de mercure auxi- liaire, fournissant à la chambre des anodes une vapeur de pression et quantité suffisantes pour s'opposer à l'écou- lement de vapeur de la cathode, Ce courant de vapeur auxi- liaire empêche la vapeur fortement ionisée de la cathode de venir en contact direct avec les anodes et réduit notable- ment les probabilités d'amorçages dans le mauvais sens dans le redresseur.
On a trouvé qu'il se produit des accumulations de gaz non condensables à divers endroits du redresseur et que ces accumulations dépendent du courant de vapeur de mercure allant de la cathode aux surfaces de condensation. Apparem- ment, lorsque la vapeur de mercure pénètre dans une poche fermée, dont les parois sont des surfaces de condensation, le gaz étranger est entraîné et retenu dans la. poche par le courant continu de vapeur. Toute instabilité survenant per- met à ce gaz étranger de s'échapper, causant des difficultés.
Il est très probable que, sous une charge stable ou constan- te, auquel cas il ne devrait pas y avoir d'instabilité, il existe une instabilité inhérente due à la présence du gaz étranger lui-même. L'accumulation de gaz étranger continuera jusqu'à ce qu'elle soit suffisante pour avoir un effet sen- sible sur le courant de vapeur de mercure, empêchant alors la vapeur d'atteindre une partie des surfaces de condensation.
La vapeur est alors repoussée, et il en résulte que le gaz étra.nger accumulé peut s'échapper hors de la poche et en par- ticulier au voisinage des anodes, et produire des amorçages
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en retour dans le redresseur.
Du moment qu'il est évident qu'il y a toujours quelque gaz étranger, ce problème prend une très grande importance. En fait, cela peut être la plus grosse source de difficultés dans les redresseurs.
Dans le redresseur conforme à la présente invention, cette source de difficultés est éliminée, puisque le courant de vapeur auxiliaire est fourni d'une partie du redresseur d'où les impuretés et gaz étrangers sont exclus. Le courant de vapeur auxiliaire empêche les gaz des autres parties du redresseur de pénétrer dans la chambre des anodes, tandis que le courant de gaz autour des anodes produit une action de pompage pour éliminer tout gaz engendré aux anodes, et pour le conduire à la chambre de condensation d'où il est très facilement pompé par tout dispositif approprié.
Grâce à l'usage d'anodes rapprochées et de longueurs d'arcs réduites, le redresseur conforme à la présente in- vention a des''dimensions beaucoup plus petites que les re- dresseurs de même puissance construits conformément à la pratique courante.
De même, le raccourcissement des arcs et l'élimi- nation des écrans., limiteurs et des grilles de contrôle, rendue possible par l'utilisation d'un courant de vapeur . auxiliaire, ont réduit notablement la perte de puissance dans les arcs, de sorte que le rendement du redresseur a été notablement amélioré. Une diminution des pertes d'éner- gie entraîne une réduction des surfaces de refroidissement, et permet ainsi la production de redresseurs encore plus petits et plus efficaces.
L'invention consiste donc, en général, en un re- dresseur à arc à vapeur de mercure, .muni d'une masse de
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mercure autre que la cathode, et de dispositifs pour pro- duire un courant de vapeur de mercure de cette masse pour s'opposer au courant de vapeur de la cathode.
Pour que l'invention soit mieux comprise, on en décrira maintenant, à titre d'exemple, et en référence au dessin annexé, plusieurs modes de réalisation.
La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne II-II de la figure 1, et montre la disposition in- térieure ; la figure 3 est une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation; la figure 4 montre une autre variante, et, la figure 5 est une section transversale suivant la ligne V-V de la figure 4.
Dans le mode de réalisation de l'invention, con- forme aux figures 1 et 2, le redresseur comprend une cuve métallique 1 à refroidissement par eau, de forme pratique- ment cylindrique, portant une plaque de cathode isolée 2 qui y est fixée, cette plaque portant un godet cathodique annulaire 5 et un godet auxiliaire central 6 alimenté par le godet cathodique par l'intermédiaire d'un conduit 7, mais protégé de l'arc redresseur, de manière à être distinct et séparé de la cathode 5.
Plusieurs anodes 10 sont disposées aussi près l'une de l'autre que possible et sont entourées par un écran uni- que 12 de dimensions suffisantes pour renfermer l'espace anodique. L'écran 12 est pourvu, près de sa base et des fa- ces des anodes, d'ouvertures 14 pour les arcs redresseurs.
Selon une caractéristique des appareils électriques
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à vapeurs, lorsque des objets à différences de potentiel très élevées sont séparés par de très petites distances, la répartition de potentiel est telle qu'il y a une très petite probabilité d'accident et, comme les écrans sont pratiquement au potentiel de la cathode, il est désirable que ces écrans soient très rapprochés des corps des anodes.
On a prévu, à cet effet, sur l'écran principal 12, des cloisons ou prolongements 16 pénétrant entre les anodes 10, peur produire le petit écartement désiré.
La chambre d'anodes est munie d'un plafond ou cou- vercle 18, dont la partie centrale est plus basse dans un but qui sera indiqué plus loin. Un écran de base 20 est pré- vu pour protéger la partie de la plaque cathodique 2 non re- couverte par le godet de mercure 5. Cet écran de base 20, associé à l'écran ou déflecteur cylindrique 12 et à l'écran 18, ferme pratiquement les espaces anodiques pour former une chambre d'anodes 22, ne laissant que les ouvertures radia- les 14 pour les arcs redresseurs. Toutefois, comme ces ou- vertures radiales 14 sont voisines des surfaces des anodes, les parties principales des arcs redresseurs se trouvent à l'extérieur de la chambre d'anodes 22, et sont pratiquement libres, c'est-à-dire non limitées.
Une chambre de condensation 25, directement ouverte à la vapeur de la cathode 5 et munie d'un ou plusieurs re- froidisseurs annulaires 26, entoure la chambre des anodes et occupe le reste de la cuve.
Le godet de mercure auxiliaire 6 est muni d'un ré- chauffeur approprié 30 de tout type désiré pour produire de la vapeur de mercure. Immédiatement au-dessus de ce godet auxiliaire se trouve un conduit ou cheminée 31 pour conduire la vapeur de mercure à la chambre des anodes 22, de préféren-
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ce vers la'paroi supérieure 18 de cette chambre d'anodes 22, plus cette paroi étant/basse au centre avec une forme pratique- ment conique au-dessus de la cheminée 31.
Cette dépression conique agit comme diffuseur pour diriger la vapeur de mer- cure de la cheminée 31 vers les anodes 10, de sorte que le courant de vapeur auxiliaire passe autour des anodes et en balaie la surface dans le sens des passages radiaux pour les arcs, le sens de circulation du courant de vapeur auxi- liaire dans les passages des arcs étant ainsi opposé au sens du courant de vapeur émanant de la cathode.
Ce contre-courant ou contre-pression empêche la va- peur cathodique fortement ionisée de pénétrer dans les es- paces anodiques 22 et est très avantageux par son balayage de toute ionisation rémanente qui pourrait sans cela persis- ter pendant la période de transition entre caractéristiques de conductibilité et d'isolement de tout chemin d'arc donné.
Il a encore pour but d'agir à la manière d'une pompe de va- peur et d'éliminer tous les gaz étrangers engendrés au voi- sinage des anodes 10, réduisant ainsi notablement le danger de formation d'une tache cathodique.
En plus de l'action de pompage de la vapeur auxi- liaire, ce contre-courant de vapeur dans la chambre anodi- que produit une circulation constante de la vapeur au voi- sinage des anodes, ce qui le différencie du courant de gaz tourbillonnaire qui est supposé exister dans les anciens redresseurs. Cela provient probablement du fait que la vapeur est produite lentement et régulièrement et que, en raison de la forme de la cheminée 31 et du déflecteur as- socié 18, la vapeur auxiliaire suit un chemin rectiligne, tandis que dans les appareils précédents la vapeur était principalement dégagée au voisinage des éléments cathodiques, @
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produisant des tourbillons et des courants de perte.
La tache cathodique sur une cathode annulaire sem- ble réfractaire à s'éloigner du dispositif d'entretien, ce qui détermine des longueurs d'arcs inégales pour les dif- férentes anodes, et des pertes aux arcs inégales si on n'utilise qu'un seul dispositif d'entretien.
Le redresseur conforme à l'invention est muni de plusieurs dispositifs d'entretien 35 espacés de telle ma- nîère qu'une tache cathodique est toujours maintenue au voisinage de chacune des anodes ou groupe d'anodes, de sor- te que les arcs sont approximativement de même longueur.
Des écrans radiaux 36 sont prévus pour diviser la'chambre de condensation 25 en plusieurs chambres correspondant au nombre de dispositifs d'entretien utilisés, de sorte que les arcs allant à un dispositif d'entretien quelconque sont séparés des arcs allant à un autre dispositif d'entretien.
Les écrans 36 sont de préférence des continuations des pro- longements radiaux 16 de l'écran anodique 12, comme on le voit à la figure 1.
Dans la variante représentée à la figure 3, le godet cathodique annulaire 5 est séparé du godet de mercure auxi- liaire 6 par un anneau ou cylindre de quartz 38 et l'écran ou déflecteur de base 20 a été reconstruit pour mieux coo- pérer avec la cathode annulaire plus petite.
En raison de l'absence de surfaces de refroidisse- ment autour du godet auxiliaire, le mercure qu'il contient est normalement à environ la même température que le mer- cure dans la cathode, de sorte qu'une quantité comparative- ment petite de chaleur suffit, dans le réchauffeur 30, pour produire suffisamment de vapeur auxiliaire pour s'opposer à la tendance de la vapeur cathodique à entrer dans la chambre ndes anodes.
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Dans la variante conforme aux figures 4 et 5, les anodes 10 ont été rassemblées près des côtés d'une cuve pratiquement rectangulaire, ces anodes étant munies d'un écran commun 40 pour former des chambres d'anodes sur les côtés de la cuve, et une chambre de refroidissement longi- tudinale disposée au centre. Les anodes coopèrent avec la cathode centrale habituelle 42.
Chacune des chambres d'anodes est muni d'un godet de mercure auxiliaire 45 comportant une cheminée 46 pour fournir la vapeur auxiliaire aux espaces anodiques.
La quantité de vapeur ionisée dégagée par la catho- de pendant le fonctionnement dépend directement du courant de l'arc. Par conséquent, la pression de vapeur dans le re- dresseur augmente avec la charge. Cette pression de vapeur augmentée tend à faire pénétrer de la vapeur ionisée dans les espaces anodiques, de sorte qu'il est désirable de faire varier la pression de vapeur auxiliaire pour contre'balancer l'augmentation de pression de la vapeur cathodique. Cela peut être accompli en faisant varier l'alimentation des réchauffeurs 30 suivant les variations de la charge.
Si du courant continu est utilisé dans les réchauffeurs, ils peuvent être connectés en série avec le débit du redresseur, et si du courant alternatif est fourni aux réchauffeurs, la même dépendance avec les conditions de charge peut être assurée en dérivant le courant par le transformateur d'in- tensité dans les conducteurs d'alimentation du redresseur.
En faisant varier la puissance des réchauffeurs, d'après la charge, la quantité optimum de vapeur auxiliaire peut être fournie à chaque instant.
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