MARS 1936TOME 1

TechniqueTRAITANT DE QUESTIONS TECHNIQUES

CONCERNANT LES PRODUITS, LES MÉTHODES DE TRAVAIL ET LES, RECHERCHES DE LAN.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN

Revue PhiJips

RÉDACTION: LABORATOffiE DE PHYSIQUE DE LA N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN À EINDHOVEN, PAYS-BA!; ~

UN NOUVEAU TUBE REDRESSEUR MÉTALLIQUE À CATHODE DE MERCURE

par J: G. W. MU:(,DER.

Résumé. Le nouveau modèle de tube redresseur à cathode de mercure, dont nous d~nnonsei-après la description, est pourvu d'un rêservoir métallique de cathode, à refroidissementpar eau. Grace à l'utilisation du ferrochrome, l'installation de pompage utilisée jusqu'alorsavec les tubes redresseurs mëtalliques devient superfIue. Le tube est de constructionmonophasée. De ce fait, la construction se trouve très simplifiêe, et les dimensions du tubesont des plus rëduites. Le nouveau modèle de redresseur convient pour les puissancesmoyennes et ëlevëes, qui correspondent à des intensités de courant de cinquante jusqu'à 'quelques centaines d'ampères par tube. ' "

.~'.~Introduetion dans I'eau diffusent à travers les parois métalliques.

Cette nécessité d'employer 'des, ,pompes à' videPOlir Ie redressement des grandes puissances lapoussé, en vue du refroidissemerrt par eau, étaitpréférence doit être donnée au tube redresseur àmoins attrayante. Bien que ces pompes fonctionnentcathode de mercure 1) notamment parce qu'il est 'avec des dispositifs de controle automatiques,: cescapable' de supporter une surcharge. Le développe-

ment de ces tubes ":redresseurs a donné naissance installations exigeaient une surveillance plus grandequ'un tube constituant un vase clos.à deux' modèles principaux,.le modèle en verre et l

Pour cette raison et pour d'autres 'encore, les _.le modèle métallique.tubes redresseurs métalliques n'étaient pas ';;'tili~ésLorsqu'on opère sur de grosses puissances lepour des intensités de courant au-dessous de 1000 A.dégagement de chaleur forme, comme c'est souvent .

, Dans les tubes en verre employés pour ces intensités,Ie cas en matière d'électrotechnique, Ie point Ieles dimensions devaient nécessairement être' trèsplus ardu du prohlème de la construction des tubes

redresseurs. Il faut done .recourir à un refroidisse- importantes en vue de la forte dissipation calorique., Il existe cependant une limite maximum des dimen-ment artificiel, qui est, obtenu Ie plus facilement ,

sions que I'on peut pratiquement donner aux tubespar de l'eau courante. Pour appliquer ce systèmeen verre. Lorsque pour les dimènsions maxim ade refroidissement, la construction métallique dupossibles, le tube ne pouvait pas encore dissipercorps du tube convient particulièrement. Ces diffé-

rentes idées ont conduit à la fabrication de tubes suffisamment la chaleur, il fallait nécessairementd r', th d d d faire appel au 'refro.idissement par un courant d'airre resseurs en rer a ca 0 e e mèreure pour es

forcé,intensités de courant dépassant 1000 A, tubes.Les usines Philips viennent de - construire unpourvus d'un refroidissement par eau et d'une

installation de pompage pour I'obtention du vide nouveau ty:pe de, tube redresseur métallique mono-I d phasé à cathode de mercure, qui comme les tubespoussé, I est nécessaire de raccor er Ie tube à

cette dernière, car des ions d'hydrogène existant en verre constitue un vase clos. Ce tube présented~nc les mêmes avantages que nous avons déjàindiqués ei-dessus èt ceci même pour les puissances'les plus grandes, avec cette différence cependantque I'installation de pompage .indispensable dans

1) Ce nom nous paralt convenir mieux que celui d~ "tuberedresseur à vapeur' de mercure" employé courammentjusqu'ici, En effet les tubes redresseurs à cathode chauffëefonctionnent aussi souvent avec de la vapeur de mercure.

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les installations susdites est maintenant supprimée.Ce nouveau modèle' est destiné à être utilisé pourobtenir teute la gamme des puissances pour les-quelles la valve de redressement en verre à cathodede mercure était employée et même pour des puis-sances plus grandes. Nous donnerons ei-dessous unedescription détaillée de ce tube 2).

Construction du nouveau modèle de tubeLa jig.l représente une coupe transversale

schématique du tube. K est la cathode de mercure,

+

-W115450

Fig. 1. Coupe schëmatique transversale du nouveau modèledu tube redresseur métallique à cathode de mercure. K estlé mercure . dans' un rêservoir mëtallique en' ferrochrome,A 'l'anode sous forme d'un bloc de graphite. Le rêservoiren ferrochrome et l'isolateur d'anode I. en verre sont hermë-tiquement soudés l'un à l'autre. Le réservoir est refroidi pareau, .dont l'amenée se fait en W1 'et l'écoulement en \V2'

Une anode auxiliaire (l avee une bobine d'éleetro-aimant In

assure l'allumage.

qui se trouve à la partie inférieure dans Ie réservoiren ferrochrome. Ce réservoir est refroidi par l'eau,qui circule entre la paroi du tube et un manchonrefroidisseur vissé à cet effet SUl' Ie; tube. L'emploidu , ferrochrome permet de, souder Ie tube sanscrainte de difficultés pour un bon maintien du vide.En effet, aucune particule d'hydrogène ne pénètreà l'intérieur du .tube de ferrochrome, comme nousIe savions déj à par notre .longue expérience deslampes émettrices à refroidissement par eau. Laconstruction dans ce cas est cependant exactementl'inverse de ce qu'elle est pour.les lamp es émettrices,Dans ces dernières Ie réservoir-forme l'anode tandisqu'ici il constitue le récipient de la cathode. Leréservoir est moulé d'une seule pièce.

Grace à un. dispositif comportant un petitcloisonnement on a pu empêcher d'une façonsimple que l'eau puisse stagnor dans les recoinsdu manchon refroidisseur.· Le xefroidissement' sefait' ainsi uniformément et de façon intensive, et

2) Monsieur Lems a 'pris une part active à la rêalisation ctà l'essai de ce nouveau tube.

la plus grande partie de la décharge se produità l'intérieur de l'ensemble métallique rigoureuse-ment refroidi.

L'isolateur d'anode I en verre est soudé hermé-tiquement au bord du réservoir de la cathode. tesommet de l'isolateur d'anode, avec les deuxcylindres qu'il porte, est moulé d'une pièce. Lesdeux joints sont faits mécaniquement.

L'anode'A est constituée par un bloc de graphite.L'allumage s'opère de la manière usuelle au moyendè l'anode auxiliaire a, qui peut se déplacer légère-ment de haut en bas: au début de l'opération uncourant continu de' mise en route, redressé séparé-ment; circule à travers l'anode auxiliàire et unebobine d'électro-aimant m montée en série, quisoulève alors l'anode auxiliaire au sein du mercure;l'arc ainsi établi, allume la décharge principale.

Afin de prévenir une détérioration quelconque,la température de I'isolateur' d'anode I doit' resterau-dessous d'un 'certain maximum, mais .elle doitaussi se maintenir 'au-dessus d'un certain minimumpour éviter que. durant le fonctionnèment, desgoutelettes .de merc~re ne viennent se .condeneersur les parois intérieures de l'isolat~ur. Tout Ie

'. { .mercure, qui s'évapore de la: tache cathodique, doitse condenser contre les' parois métalliques avantd'atteiridre l'anode. S'il venait du mèreure .jusqu'àl'anode, une décharge inverse pourrait se produire.

Le ~oáèle .reproduit: sur' la fig. 1 .convient pourla basse tension, Pour des tension~ plus' élevées desparois supplémentaires 'en vue du refroidissementet de la désionisation sont nécessaires et sontdisposées de la manière corinue au sein de ladécharge.

Une ou plusieurs de ces parois peuvent êtremontées séparément et être employées alors comme"grille de commande". L'anode auxiliaire peut

. aussi être remplacée par un dispositif d'allumagepermettant de ehoisir à volonté Ie temps d'allumagepar rapport à la phase de la tension d'anode.

La jig. 2 nous montre le tube complet monté-dans son manchon refroidisseur.

Tubes redresseurs monophasés on polyphasés.

Les tubes redresseurs à cathode de mercureétaient eonstruits jusqu'ici exclusivement pour leredressement polyphasé, c'est-à-dire avee une anodepour chacune des phases du courant alternatifpolyphasé et une cathode commune pour toutesles phases. Plusieurs raisons peuvent être invoquéespour justifier ce mode de construction. Avant toutle fonctionnement d'un redresseur à cathode demèreure est plus stable en polyphasé car les anodess'~ntr'aident au moment de I'allumage à chacune

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d'elles. L'établissement et Ie maintien de Ja tachecathodique constituent en effet Je point critiquedans toutes les constructions de redresseurs àcathode de mercure 3). En second lieu dans un

Fig. 2. Réalisation du tube redresseur métallique monophasédont la construction a été représentée de façon schématiquesur la figure 1.

tube redresseur polyphasé un seul dispositif auxili-aire suffit pour l'allumage de toutes les phases. Cedispositif se compose d'une anode d'allumage et dedeux anodes auxiliaires, dont l'alimentation estassurée par un courant auxiliaire de quelquesampères, séparément redressé et filtré. Une autreraison importante encore faisait construire jusqu'àprésent tous les tubes redresseurs à cathode demercure sous forme polyphasée: chaque tube, mêmesi on avait voulu le construire sous forme mono-phasée, doit être pourvu en effet d'un dome volu-mineux d'évaporation, qui sert à provoquer unecondensation suffisante du mercure qui se volatilise,afin que la pression en avant des anodes soit faible.Dne construction polyphasée permet une meilleure

3) Les tubes redresseurs à cathode chauffëe ont certainementsous ce rapport un avantage sur ceux à cathode de mercure:dans les premiers la cathode chauffee est toujours prêteà émettre des électrons. Les cathodes à incandescence, àchauffage direct ou indirect. peuvent être réalisées pourdes courants d'émission de quelques centaines d'ampères,mais elles présentent toute une série d'inconvénientspratiques.

utilisation de ce dome indispensable en toutehypothèse.

Dans Ie nouveau modèle de tube construit, Iedome est superflu, grace à la parfaite action derefroidissement des parois métalliques. Pour cetteraison la construction monophasée s'est révélée pluspratique dans ce cas 4). Cette construction présentede précieux avantages qui compensent largementl'inconvénient que nous avons signalé ci-dessus,c'est-à-dire que pour chaque tube un dispositifspécial est nécessaire pour un allumage facile: laconstruction est extrêmement simple, Ce qui permetune fabrication entièrement mécanique. En fait lafabrication de six tubes métalliques redresseursmonophasés est plus avantageuse que celle d'unseul tube redresseur en verre pour redressementhexaphasé. Les dimensions de ces tubes peuventêtre faibles, cal' dans la phase négative une anoden'est pas influencée par l'ionisation provenant ducourant circulant vers une autre anode. (Ce phéno-mène aurait aussi nécessité une augmentation desdimensions dans un tube polyphasé, de sortequ'alors l'avantage du refroidissement par eaun'aurait pu être exploité à fond: voir égalementla note 4.) Le montage et le transport sont parailleurs également très simples pour les tubesmétalliques monophasés. Ensuite au point de vuede l'exploitation il est très important de signalerqu'en employant des tubes monophasés il suffit demaintenir en réserve une. partie seulement de lapuissance totale des tubes en usage. Par ailleursles risques de détériorations, qui généralement nese produisent que dans les traversées de courant oudans d'autres joints, sont bien plus réduits pourles tubes monophasés, en-raison de la constructionplus simple, que pour le tube polyphasé correspon-dant. En dernier lieu spécifions que lorsqu'un destubes se détériore par hasard pour une raison oul'autre, toute l'installation ne se trouve pas arrêtée,Ie fonctionnement peut continuer au contraire avecles autres tubes.

Caractéristiques du nouveau type de tube

Le tube redresseur repro duit par la fig. 2 estconstruit pour une intensité de courant moyennede 75 A et une intensité de crête de 500 A.

Comme tous les tubes redresseurs à cathode demercure, ce tube peut être, momentanément surtout,

4) En fait la suppression du dörne n'est devenue possibleque par la construction monophasée: pour un tube hexa-phasé d'un volume rëduit, et d'une construction similaireà celle décrite (avec une cathode de mercure dans unréservoir en ferrochrome) il n'aurait pas été si facile delocaliser la décharge à l'intérie~r de la partie métalliquerefroidie.

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fortement surchargé sans aucun inconvénient. Lasurcharge ne pourrait endommager le redresseur ques'il en résultait une augmentation inadmissible dela tempél'ature (ce qui requiert un .certain temps).Ce tube peut suppOl'ter une surcharge de 50 0/0durant 5 minutes, et une surcharge de 100 % durant30 secondes. La quantité d'eau de refroidissementnécessaire est très faible, puisqu'à pleine. charge1150 W sont dissipés dàns le tube. Elle est d'environ1 litre/minute par tube, la température de l'eaus'élevant de 16 0 C.

La tension d'allumage est réduite jusqu'en-dessous de 22 V grace au courant auxiliaire de 2,5 Adont il a déjà été question, et qui est dirigé surl'anode auxiliaire a (fig.l). L'aUumage auxiliairedoit être prévu isolément pour chaque tube pal'suite de I'adoption du système monophasé. Maisil a été possible d'évitel' l'obligation d'avoir troisanodes auxiliaires dans chaque tube (une anodePQur l'allumage et deux autres pOUl' le maintienconstant de la tache cathodique}. Une seule anodea remplit les deux fonctions parce qu'elle estalimentée en courant continu. Ce courant continuest fourni en commun pour toutes les phases (tubes)pal' un redresseur à b;'sse tension de faible puissancemonté séparément, fonctionnant avec un tuberedresseu; à cathode chaufféè. '.. :..:, .' . ;: : '

La tension ~é l'égi~e', ~'~st~à-dire ia chut~ de(.. J.. ~

tension aux bornes du tube en fonctionnement estune fonction de l'intensité de courant et de la tempé-rature. Elle varie entre 10,5 et environ 18 V, enmoyenne elle est de 15 V. POUl' les tubes neufs oulorsque la tache 'cathodique n'est pas fixée, elle estparfois momentanément plus élevée (jusqu'à 25 V).La fig.3 indique l'allure de la tension de régimeen fonction de la charge.

. ~ volt13

12

11

la9

8

40 60 80 100I ampèreo 20

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Fig.3. La tension de rëgimeVB en fonction du courant dëbitë I,pour le nouveau tube redresseur mesurée à tension continue.

La tension de décharge 'inverse pour letube reproduit par la figure 2, s'élèv~ à environ500 v. Ce tube peut être employé avec une certitudecomplète jusqu'à 250 V..

Le rendement dépend de la tension redressée.Les p~r~es totales dans Ie tube s'élèvent en pleine. charge" à 1150 W, y compris l'aUumage auxiliairePal' conséquerrt, pour 220 V et 75 A, le l'endement. I .. .

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Fig. 4., Schêma 'd'une installatiorr de redressoment pour 130 V et 450 A, comprenant sixtubes redresseurs mëtalliques à _catho~ede mercur~ Bl ,à Ba. BR est tin tube de rëserve.Chaque tube s'allume au moyen de son anode auxiliaire individuelle et de sa bobined'électro-aimant (Rl1 à 1Il6r Les anodes auxiliaires sont alimentées ensemble par unredresseur sêparê G comprenant un tube à cathode chauffëe. En vue du refroidissementpar eau les tubes sont divisës en deux groupes de trois. Dans chaque groupe un relaisd'eau RW a êtê prëvu, qui dëbranche l'installation en cas d'arrêt de fonctiomiementdu ·refroidissement.par eau (sur Ie schêma de montage un seul relais a été dessinê, et lescanalisations d'eau ne sont indiquées qu'à l'entrée du premier et à la sortie du sixièmetube.)

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s'élèverait à 93 % et, pour 120 V et 75 A, à 88 %.

11n'est pas possible de fournir actuellement deschiffres exacts concernant la durée de vie de cestubes, étant donné qu'aucun des tubes, qui fonc-tionnent à l'essai depnis plus d'une année, n'estencore devenu défectueux. La durée de vie s'élèvedonc de toute façon à de nombreux milliers d'heures.

Montage du tube dans une installation

La fig. 4 reproduit un schéma de montage d'uneinstallation pour 58 kW (450 A, 130 V) et la fig. 5reproduit l'installation elle-rnême, qui se trouve dansl'une des centrales des usines Philips. Les réseauxà courant continu dans ces usines sont standardisésà cette tension, ils sont alimentés en divers pointspar les centrales.

Jusqu'à présent cette alimentation se faisait pardes commutatrices rotatives, dont la puissancedevait toujours être choisie assez ample, en raisondes charges à variations brusques (par exemplepour l'entraînement de machines à raboter, etc.).En service normal ces commutatrices tournaientdonc en charge partielIe et évidemment leur rende-ment était très faible. Les redresseurs que nous

venons de décrire conviennent donc beaucoupmieux. Non seulement, en cas de charge partielle,leur rendement reste longtemps très élevé, maisles brusques surcharges sont absorbées facilcment.Nous croyons intéressant d'attirer encore l'attentionsur quelques points essentiels .de cette installation:Pour le refroidissement, trois des six tubes sont chaquefois montés en série, de sorte que la consommationd'eau de l'ensemble de l'installation ne dépasse pas~elle requise pour deux tubes. Sur la circulationd'eau est inséré un relais d'eau RW (fig.4), quiouvre Ie disjoncteur antomatique d'alimentation encourant électrique au cas oû la circulation d'eauviendrait à être arrêtée pour une raison quelconque.

L'alimentation du dispositif d'allumage auxiliaireest fournie par le redresseur G dont la consommationcorrespond à 30 V de tension continue multipliéspar la somme des courants auxiliaires. Les courantsauxiliaires sont filtrés séparément pour les sixanodes auxiliaires. Chaque courant auxiliaire retiredu mercure sa propre anode auxiliaire a au moyendes bobines d'électro-aimant mI' m2, etc. Si l'arcs'éteint dans un tube, Ie dispositif l'allume denouveau automatiquement ,

Fig. 5. Photographie de I'installation de la figure 4. Le tube qui se trouve au milieu desept tubes, est Ie tube de réserve qui n'est pas hr anché. Tout à fait à droite on remarqueles deux relais d'eau pour les deux groupes de refroidissement. A gauche, sur l'arrière-planIe redresseur à cathode chauffée qui fournit un courant continu auxiliaire (allumage).Au-dessus de chaque tube on a monté un disjoncteur (qui n'est pas indiquë sur la figure 4),déhranchant Ie tube en cas de décharge inverse.