یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: یکسوساز قوسی-جیوه‌ای نوعی یکسوساز است که برای تبدیل جریان متناوب ولتاژ بالا به جریان مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع یکسوساز‌ها در موتورهای صنعتی، قطارهای برقی، ترامواهای شهری و شبکه‌های انتقال HVDC مورد استفاده قرار می‌گیرند. قبل از ورود یکسوسازهای سیلیکونی به بازار یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای مطرح‌ترین یکسوساز در مصارف صنعتی بوده است.

 

 

یکسوساز قوسی-جیوه‌ای در سال ۱۹۰۲ توسط پیتر کوپر هویت اختراع شد و در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ در اروپا و آمریکای شمالی تکمیل شد. به نوعی می‌توان آغاز علم الکترونیک را به اختراع این قطعه نسبت داد.

کاربرد‌ها

با معمول شدن یکسوسازهای فلزی در دهه ۱۹۲۰ برای استفاده در ولتاژهای پایین، کاربرد یکوسازهای قوسی-جیوه‌ای به ولتاژهای بالاتر، و به ویژه کاربرد در توانهای بالا، محدود شد.

یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای به صورت گسترده‌ای در دهه ۱۹۶۰ برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم در صنایع بکارگرفته شده اند. موارد استعمال آن‌ها در منابع تغذیه ترامواهای برقی، قطارهای برقی، منبع ولتاژ متغیر برای رادیو بود. این یکسوساز‌ها تا دهه ۱۹۵۰ برای تهیه جریان مستقیم در شبکه‌های توزیع جریان مستقیم در شهر‌ها بکار برده می‌شدند. به هر حال، در دهه ۱۹۶۰ یکسوسازهای سیلیکونی، دیود و تریستور، در تمام یکسوسازهای ولتاژ پایین و قدرت پایین جایگزین یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای شدند. در نهایت، در حدود ۱۹۷۵ یکسوسازهای سیلیکونی حتی در مواردی مانند خطوط انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) نیز یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای را از رده خارج کردند.

در حال حاضر یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای فقط در بعضی از معادن آفریقای جنوبی و کنیا و تعداد کمی از خطوط انتقال HVDC بکارگرفته می‌شوند.

طراحی


معروف‌ترین نوع یکسوساز قوسی-جیوه‌ای از یک حباب شیشه‌ای تخلیه شده از هوا به همراه یک حوضچه جیوه‌ای در کف آن ساخته می‌شود. این حوضچه جیوه‌ای نقش کاتد را بازی می‌کند. در این حباب شیشه‌ای بخار جیوه نقش اساسی را در یکسوسازی جریان متناوب بازی می‌کند. حباب شیشه‌ای دارای یک یا چند بازوی گرافیتی (کربنی) است که به عنوان آند بکار می‌روند. تعداد این بازو‌ها بستگی به کاربرد یکسوساز قوسی-جیوه‌ای دارد. برای یکسوسازی یک جریان تک فاز از دو بازو استفاده می‌شود که به خروجی‌های ثانویه یک ترانسفورماتور سر وسط متصل می‌شوند. برای یکسوسازی جریان سه فاز از ۳ یا ۶ آند استفاده می‌شود تا ولتاژ خروجی یک دست تری حاصل شود. استفاده از یکسوسازی ۶ فاز می‌تواند بازده ترانسفورماتور را بالاتر برده و خروجی صافتری تحویل دهد. در طی کار، قوس الکتریکی از کاتد به سمت آندی که ولتاژ بیشتری دارد جریان پیدا می‌کند. طراحی بازو‌ها و حباب شیشه‌ای به صورتی است که قوسی بین آند‌ها ایجاد نشود. ایجاد شدن قوس بین آند‌ها اصطلاحا "آتش برگشتی" نام دارد و یک عامل اساسی در طراحی یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای می‌باشد.

چنین حبابی می‌توند صد‌ها کیلووات قدرت را به صورت یکسو تحویل دهد. یک یکسوساز ۶ فاز ۱۵۰ آمپری دارای حبابی در ابعاد تقریبی ۶۰۰ میلیمتر ارتفاع و ۳۰۰ میلیمتر قطر خارجی است. چنین یکسوسازی می‌تواند شامل چند کیلوگرم جیوه باشد. اندازه بزرگ حباب به دلیل رسانایی اندک شیشه اجباری است. بخار جیوه در قسمت بالایی حباب باید حرارت خود را از دست بدهد تا دوباره به صورت مایع درآمده و به حوضچه جیوه در پایین حباب سرازیر شود.

ظرفیت جریان یکسوساز قوسی-جیوه‌ای به وسیله قطر سیمهایی که به آند‌ها و کاتد یکسوساز متصل هستند محدود می‌شود.

برای یکسوسازهای بزرگ از یک مخزن فلزی به همراه عایق سرامیکی برای ایجاد حوضچه جیوه استفاده می‌شود. این یکسوساز‌ها دارای پمپهای تخلیه‌ای هستند که به صورت منظم هوایی که از محیط به درون حباب نشت می‌کند را از درون آن تخلیه می‌کنند. چنین یکسوسازهایی برای جریان ۱۸۰۰ آمپر و ولتاژ ۱۵۰ کیلوولت طراحی شده اند.

هر دو یکسوساز شیشه‌ای و فلزی ممکن است که دارای شبکه‌های کنترل بین آند و کاتد باشند. این شبکه‌های اجازه می‌دهند تا یکسوساز تحت کنترل باشد، برای مثال، برای ایجاد یک تأخیر لحظه‌ای در زمانی که قوس از یک آند به آند دیگر منتقل می‌شود این شبکه خروجی ولتاژ را کنترل می‌کند. این گونه یکسوسازهای کنترل شونده قسمت اساسی یک اینورتور را تشکیل می‌دهند.

حرارت حباب شیشه‌ای ای باید به دقت کنترل شود. یک یکسوساز قوسی-جیوه‌ای نوعی دارای درجه حرارت ۴۰ درجه سانتیگراد و فشار بخار جیوه در حدود ۷ میلی پاسکال می‌باشد.

نحوه کارکرد

کارکرد یکسوساز قوسی-جیوه‌ای بر اساس یک تخلیه الکتریکی بین الکترودهای آند و کاتد از طریق بخار جیوه موجود در حباب شیشه‌ای می‌باشد. حوضچه جیوه به مانند یک کاتد خودبسنده عمل می‌کند که در طول زمان فرسوده نمی‌شود. جیوه می‌تواند الکترون‌ها را به صورت آزادانه منتشرکند در صورتی که آندهای کربنی، حتی اگر داغ هم شده باشند، قادر به این کار نیستند بنابراین عمل یکسوسازی اتفاق می‌افتد.

زمانی که یک قوس الکتریکی ایجاد شد الکترون‌ها از سطح حوضچه جیوه جدا شده و سبب می‌شوند که بخار جیوه موجود در فضای حباب یونیزه شود. در نتیجه، یون‌ها مسیری بین کاتد و آند ایجاد می‌کنند که جریان از طریق آن می‌تواند بسته شود. یونهای بخار جیوه به سوی حوضچه بازمی گردند و حرارت جیوه را بالا می‌برند. یونهای جیوه در هنگام یونیزاسیون سبب ایجاد نور مرئی و مقدار بیشتری اشعه ماورابنفش می‌شوند.

 

 

کاتد به بار متصل شده است و بار نیز به سر وسطی یک ترانسفورماتور سروسط متصل شده است. سرهای دیگر ترانسفورماتور به دو آند یکسوساز متصل هستند. هنگامی که ولتاژ در هر یک از آند‌ها مثبت باشد جریان از طریق آن آند به سمت کاتد بسته می‌شود. به دلیل اینکه هر یک از آند‌ها از یک سر ترانسفورماتور سر وسط تغذیه شده اند زمانی که یکی از آند‌ها مثبت می‌شود دیگری منفی است و بالعکس.

یکسوساز قوسی-جیوه‌ای تک فاز کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد چرا که هر زمان که ولتاژ متناوب از نقطه صفر عبور می‌کند قوس الکتریکی خاموش می‌شود. به علاوه، ولتاژ خروجی این یکسوساز رایپل خیلی زیادی دارد که آن را برای بسیاری از موارد غیرقابل استفاده می‌کند. در نتیجه، در صنعت بیشتر از یکسوسازهای ۲، ۳ یا ۶ فاز استفاده می‌شود که ولتاژ خروجی صافتری ایجاد می‌کنند و کارایی بالاتری هم دارند.

استارت

یک یکسوساز قوسی-جیوه‌ای معمولی به وسیله یک قوس الکتریکی ولتاژ بالا که بین کاتد و الکترود استارت برقرار می‌شود شروع به کار می‌کند. به عبارت دیگر، الکترود استارت به کاتد وصل می‌شود (توسط بخار جیوه) و اجازه می‌دهد که جریان از یک مدار اندوکتیو عبور کند. هنگامی که جریان کاتد قطع شود یک ولتاژ القایی زیاد ایجاد می‌شود. اتصال موقت بین الکترود استارت و کاتد ممکن است به وسیله یک سیم پیچ خارجی ایجاد شود. این سیم پیچ می‌تواند نقش اندوکتانس استارت را باز یکند.

تحریک

به دلیل قطع موقت ولتاژ در نقطه صفر یا کاهش جریان خروجی ممکن است که قوس الکتریکی درون حباب خاموش شود. به همین دلیل بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای دارای یک الکترود اضافی هستند که یک قوس الکتریکی دائم ایجاد می‌کنند. نوعا، یک منبع تغذیه ۲ یا ۳ فاز چند آمپری به آند‌ها کوچک تحریک متصل هستند. یک ترانسفورماتور موازی به قدرت چند ولت آمپر برای تغذیه این مدار استفاده می‌شود. تحریک یا "زنده نگه داشتن" جریان برای بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه‌ای ولتاژ بالا مورد نیاز است.

کنترل

استفاده از یک شبکه کنترل بین آند و کاتد اجازه می‌دهد تا جریان جاری شده بین این دو کنترل شود. در یکسوسازهایی که شبکه کنترل ندارند ممکن است که شروع فلوی جریان در زمانی که قوس الکتریکی ایجاد شده است به تأخیر بیافتد. شبکه کنترل اجازه می‌دهد تا ولتاژ خروجی چند یکسوساز با تغییر نقطه آتش تنظیم شوند و اجازه می‌دهد که یکسوساز قوسی-جیوه‌ای را به عنوان یک عنصر فعال در اینورتورهایی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کنند بکارببریم.

 

مشکلات زیست محیطی

جیوه ماده‌ای به شدت سمی است که برای سلامتی انسان و محیط زیست زیان آور می‌باشد. استفاده از مقادیر زیاد جیوه در یکسوساز قوسی-جیوه‌ای و خطر نشت آن در صورت شکسته شدن حباب شیشه‌ای یک خطر بالقوه برای محیط زیست است. در بسیاری از ایستگاه‌های فشار قوی HVDC باید عملیات نظافت محوطه به دلیل نشت جیوه به صورت دوره‌ای انجام گیرد. در ضمن یکسوسازهای دارای مخزن فلزی نیز نیاز به پمپهای تخلیه دارند که سبب ورود بخار جیوه به هوای محیط می‌شوند.

 

ترجمه و تحقیق: رضاکیانی موحد