Ртутные выпрямители: история создания устройства и принцип работы
Ртутные выпрямители - уникальные устройства, позволяющие эффективно преобразовывать переменный ток в постоянный. Их принцип действия основан на удивительных свойствах ртути. В этой статье мы подробно разберем историю создания ртутных выпрямителей, их устройство и принцип работы.
Предпосылки создания ртутных выпрямителей
Преобразование переменного тока в постоянный - важная задача в электротехнике. До изобретения ртутных выпрямителей для этого использовали различные механические устройства, такие как мотор-генераторы. Но их КПД был невысок, а габариты и вес - большие.
В начале XX века активно велись поиски более эффективных способов выпрямления тока. Ученые обратили внимание на уникальные свойства ртути:
- Высокая электропроводность в парах
- Легкость ионизации и возможность дугового разряда
- Жидкое состояние при комнатной температуре
Эти особенности позволяли использовать ртуть в качестве катода в выпрямителях. Первые опыты с ртутными выпрямителями начали проводиться в 1910-1920 годах, однако полностью работоспособные устройства появились позже.
Изобретение ртутного выпрямителя Вологдиным
Валентин Петрович Вологдин - выдающийся русский и советский ученый, изобретатель ртутного выпрямителя. Родился в 1881 году в Ярославской губернии. Окончил Петербургский электротехнический институт. Работал в лаборатории А.С. Попова.
Еще до Первой мировой войны Вологдин начал работу над использованием ртути в выпрямителях. Первые опыты были неудачными из-за трудностей создания разряда.
В 1922 году Вологдину удалось провести успешные испытания первого в мире ртутного выпрямителя. Прибор имел следующие характеристики:
- Мощность до 10 кВт
- Напряжение выпрямленного тока свыше 3,5 кВ
- Высокий КПД и надежность
Ртутные выпрямители Вологдина широко использовались в радиостанциях, позволив совершить прорыв в радиосвязи.
Принцип работы ртутного выпрямителя
Рассмотрим подробнее устройство ртутного выпрямителя и принцип его работы.
Выпрямитель представляет собой стеклянный или металлический сосуд. Внутри сосуда находится ртуть, являющаяся катодом. Также имеется анод и вспомогательные электроды.
Для работы прибора воздух откачивается из сосуда до давления около 0,01 мм рт.ст. Образовавшееся пространство заполняется парами ртути.
При подаче напряжения между катодом и анодом в парах ртути возникает дуговой разряд. Происходит ионизация атомов ртути и образование плазмы. Разряд поддерживается за счет эмиссии электронов с нагретого до высокой температуры катодного пятна.
Таким образом, ртуть становится проводником в одном направлении - от катода к аноду. Через выпрямитель начинает протекать выпрямленный ток.
При спаде напряжения на аноде разряд гаснет и выпрямитель запирается. Чтобы снова зажечь дугу, требуется подача импульса на специальный поджигающий электрод.
Такая особенность позволяет регулировать выпрямленное напряжение путем изменения момента зажигания разряда.
Основные типы ртутных выпрямителей
Существует два основных типа ртутных выпрямителей: экситроны и игнитроны.
Экситроны
Экситроны отличаются тем, что зажигаются один раз при начале работы. После этого разряд поддерживается дежурным анодом.
Когда на основных анодах появляется достаточное напряжение, дуга перебрасывается на них и течет основной ток. При спаде напряжения дуга возвращается к дежурному аноду.
Первичное зажигание в экситронах производится наклоном колбы. Экситроны могут иметь несколько анодов для выпрямления многофазного тока.
Игнитроны
Игнитрон зажигается при каждом положительном полупериоде с помощью специального поджигающего электрода.
Поджигающий электрод выполнен из полупроводникового материала (карбида бора). На него подается импульс тока, что приводит к образованию разряда.
В отличие от экситронов, игнитроны всегда одноанодные. Они позволяют регулировать выпрямленное напряжение.
Сравнение экситронов и игнитронов
Основные различия экситронов и игнитронов:
- Экситроны зажигаются один раз, игнитроны - при каждом полупериоде
- Экситроны могут быть многоанодными, игнитроны - только одноанодные
- Игнитроны позволяют регулировать выпрямленное напряжение
По эффективности экситроны и игнитроны сравнимы. Выбор между ними зависит от конкретных требований.
Многоанодные ртутные выпрямители
Для выпрямления трехфазного тока используются многоанодные ртутные выпрямители на 6 или 12 анодов.
Они конструктивно выполняются в виде металлических разборных корпусов, что облегчает монтаж и обслуживание. Также оснащаются системами непрерывной откачки воздуха.
Многоанодные выпрямители отличаются очень высокой мощностью - до нескольких мегаватт.
Конструктивные особенности мощных ртутных выпрямителей
Мощные ртутные выпрямители имеют специальные конструктивные решения:
- Металлический корпус с жидкостным охлаждением
- Системы непрерывной откачки воздуха
- Специальные материалы анодов
- Устройства защиты от обратных зажиганий
Это позволяет обеспечить их надежную работу на больших токах и длительный срок службы.
Применение ртутных выпрямителей
Рассмотрим основные области применения ртутных выпрямителей.
Использование в выпрямительных установках
Ртутные выпрямители широко применялись в выпрямительных установках различного назначения:
- Выпрямители для питания радиостанций
- Зарядные выпрямительные установки
- Источники питания для электролиза
- Выпрямители в электротермических установках
Высокий КПД и надежность ртутных выпрямителей были очень важны для этих применений.
Применение в электроприводах
Благодаря возможности преобразования переменного тока в постоянный, ртутные выпрямители использовались в регулируемых электроприводах постоянного тока.
Это позволяло реализовать плавный пуск двигателей и регулирование их скорости в широком диапазоне.
Ртутные выпрямители для электросварки
В электросварочных установках ртутные выпрямители применялись для получения стабильного сварочного тока.
Они обеспечивали требуемые высокие токи при относительно небольшом напряжении дуги. Регулировка тока осуществлялась изменением угла отсечки.
Использование в тяговых подстанциях
На тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог ртутные выпрямители преобразовывали переменный ток в постоянный, необходимый для питания электровозов.
Они обладали достаточной мощностью и надежностью для обеспечения бесперебойного движения поездов.
Прочие области применения
Кроме того, ртутные выпрямители использовались:
- В источниках бесперебойного питания
- Для электролиза алюминия
- В импульсных источниках питания радиолокаторов
- В зарядных устройствах аккумуляторных батарей
Таким образом, области применения ртутных выпрямителей были очень разнообразными.