Métodos primitivos de conversión de la corriente eléctrica

Hace unos días llegó a mi buzón el último número de la revista ABB. En ella hay un interesante artículo titulado "Del arco de mercurio al interruptor híbrido" que me ha motivado para llevar a cabo el presente texto. Solo he pretendido hacer un resumen de datos que me parecen muy interesantes desde la perspectiva de la Arqueología Industrial y que he complementado con otras fuentes. Y digo interesantes por que describen los sistemas tecnológicos que predominaron en la gestión de la energía eléctrica hasta la mitad del siglo pasado. Todavía podemos encontrarlos conservados, abandonados o expoliados en viejas instalaciones industriales.

La electrónica de potencia nació ante la necesidad de convertir la electricidad de un nivel de frecuencia o tensión a otro, evitando los medios electromecánicos móviles. Los rectificadores de arco de mercurio fueron los primeros elementos empleados en la electrónica de potencia. Dominaron los sistemas de conversión eléctrica hasta la implantación de los semiconductores a partir de 1950.

Una vez superada la "guerra de las corrientes" protagonizadas por Thomas Alva Edison y Nikola Tesla, quedaron establecidos los campos de aplicación de cada tipo de corriente. No obstante, surgió la necesidad de convertir corriente alterna en continua o viceversa. Para las redes de distribución a medias y largas distancias, entre centros productores y consumidores, comenzó a usarse la corriente alterna en alta tensión. Las primeras redes de alta tensión en CA (corriente alterna) fueron realizadas en Francfort (Alemania) en 1891 y en las cataratas del Niagara entre 1890 y 1896. El uso de CA para la distribución eléctrica radica en la posibilidad de elevar o disminuir la tensión mediante transformadores, no siendo esto posible con CC (corriente continua). El objetivo es que para una misma potencia transportada, se eleve la tensión en disminución de la intensidad de corriente, según la expresión P=V*I. Así se evita la utilización de conductores de gran sección, para minimizar pérdidas, que serían antieconómicos.

Para muchos usos industriales y domésticos es necesaria la corriente continua, como por ejemplo la carga de baterías de almacenamiento. Los primeros sistemas de conversión consistían en el acoplamiento mecánico entre máquinas de CC y CA. Además, actuando sobre la excitación en CC de la máquina de CC, se variaba la tensión de salida. Este era el caso del control Ward-Leonard y permitía, por ejemplo, un accionamiento de la velocidad variable. Los sistemas motor generador eran eficaces pero poco eficientes. Requerían un gran mantenimiento, necesitando lubricación de partes móviles y sustitución de escobillas. Además, se perdía gran parte de la energía en forma de calor. En cambio, presentaban una gran ventaja por su capacidad para seguir funcionando ante breves cortes de alimentación gracias a la energía cinética almacenada en la masa giratoria.

Conmutatrices de la Nave de Motores de Metro de Madrid

Un avance en el campo de la conversión electro-mecánica de CC y CA lo supusieron las conmutatrices. Eran máquinas de corriente continua que además del colector, poseían anillas aisladas sobre su árbol y unidas a diferentes puntos del devanado inducido. Dependiendo del número de anillas, la conmutación podía ser monofásica (dos anillas), trifásica (3 anillas), tetrafásica (4 anillas) o hexafásica (6 anillas). Si se alimentaba estas máquinas como motor, por una corriente continua, desarrollaban entre sus anillas tensiones alternas. De forma contraria, si se alimentaban con corrientes alternas y excitaban con corriente continua, se podía recoger entre las escobillas apoyadas sobre el colector una corriente continua. El uso más frecuente de las conmutatrices era para transformar corriente alterna en continua.    Otro medio electro-mecánico utilizado fue el convertidor de contactos. La onda de salida era cuadrada en vez de sinusoidal y también requerían un gran mantenimiento.

El reto tecnológico que se planteaba era evitar los inconvenientes de los sistemas anteriores. En 1902, Peter Cooper Hewitt presentó una válvula de arco de mercurio con una particularidad respecto a las anteriores. Los electrodos estaban hechos con materiales diferentes. Concretamente con mercurio uno y carbono el otro. Estaban encerrados en una ampolla de cristal que contenía vapor de mercurio. Tenía la particularidad de que los electrones pasaban del electrodo de carbono al de mercurio, pero no al revés de forma apreciable. Este avance fue el nacimiento de la electrónica de potencia y un antepasado de los actuales diodos.

El primer rectificador de vapor de mercurio comercial fue suministrado a una fundición de Frankfurt en 1911 por la compañía H&B (Hartmann & Braun). Esta empresa estaba especializada en la fabricación de instrumentos científicos y por tanto apenas tenía experiencia en la industria eléctrica con grandes corrientes. En 1913 se creó la empresa GELAG (Gleichr ichter AG) junto con BBC (Brown, Boveri y Cia) para la producción industrial de estos elementos.

Rectificador de vapor de mercurio (http://railsiferradures.blogspot.com.es/)

Gracias a la baja conductividad térmica del vidrio, la potencia de una válvula de mercurio está limitada por el área de su superficie. A medida que las potencias necesarias aumentaban, el vidrio fue sustituido por acero. El circuito de un rectificador simple de mercurio es equivalente a un puente H en el que seis ánodos cumplen la función de seis diodos discretos. El funcionamiento de este tipo de válvulas podía mantenerse cuando la temperatura de funcionamiento estuviera dentro de los valores límites y no se permitiera la extinción del arco. Para poder ponerlas en marcha era necesario un electrodo de cebado que recibía un impulso de alta tensión. Así creaba un arco inicial.

El siguiente avance consistió en dotar a las válvulas de la capacidad para activar la conducción en un punto arbitrario de la señal rectificada. En 1930 comenzó el desarrollo del válvulas conmutables que ofrecían el accionamiento de equipos de potencia, tal y como sucede actualmente con los tiristores. Conectándolas en un puente H se podía construir un inversor conmutado en línea. Por tanto, ya eran posibles las opciones de rectificación y conversión. En 1939 BBC construyó una línea de demostración temporal para la exposición suiza Swiss National Exhibition and Trade Show de 1939. Consistía en una línea de CC de 500 kW y 50 kV con una estación convertidora en ambos extremos. Tenía una longitud de 25 km y empleaba un sólo cable haciéndose el retorno por tierra. Se puede considerar que esta línea experimental fue precursora de las actuales líneas de alta tensión en corriente continua (HVDC).

La fabricación de rectificadores de arco de mercurio cesó a mediados de la década de los 60 del siglo XX. Fueron sustituidos progresivamente por elementos semiconductores. Éstos constituyeron una verdadera revolución tecnológica, que junto con otras, ha configurado el mundo tal y como lo conocemos actualmente. En cierto modo, no es que permitan hacer cosas que antes no se pudiese, sino que posibilitan hacerlo de manera más económica, eficaz, eficiente y en un menor espacio. Dos ejemplos son los equipos informáticos o los trenes de alta velocidad, que no serían posibles sin la gestión de grandes potencias eléctricas que ofrece la electrónica de potencia.

Dentro del ámbito del Patrimonio Industrial en la Comunidad de Madrid, encontramos el uso de conmutatrices en la Nave de Motores de Pacífico, que es una antigua central térmica de Metro de Madrid. La corriente trifásica de 1500 voltios generada por los motores diesel o procedente de entidades suministradoras llegaba a dos transformadores de 1110 kVA, cuyos bobinados secundarios eran hexafásicos, para reducir el rizado de la señal final rectificada. Después de los transformadores la corriente pasaba a las conmutatrices que la convertían en corriente continua a 600 voltios, apta para la tracción de los automotores del ferrocarril metropolitano. No obstante, posteriormente también contó con un rectificador de vapor de mercurio.

Nave de Motores de Metro de Madrid

Bibliografía.

• ABB review 2/13

• MANZANO CANO, Jesús. ELECTROTECNIA. ANAYA. Madrid. 2001.

•  ROBERJOT, P. ELECTRICIDAD INDUSTRIAL III. Máquinas. Editorial GUSTAVO GILI, S.A. Barcelona. 1950.

• OTAMENDI, Miguel. Central térmica del Metropolitano Alfonso XIII. Revista de Obras Públicas. 1924.