یکسوساز قوسی-جیوه ای

ترجمه و تحقیق: رضاکیانی موحد

یکسوساز قوسی-جیوه ای در برمونستر سوئیس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی یکسوساز است که برای تبدیل جریان متناوب ولتاژ بالا به جریان مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع یکسوسازها  در موتورهای صنعتی، قطارهای برقی، ترامواهای شهری و شبکه های انتقال HVDC مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از ورود یکسوسازهای سیلیکونی به بازار یکسوسازهای قوسی-جیوه ای مطرح ترین یکسوساز در مصارف صنعتی بوده است.

یکسوساز قوسی-جیوه در دهه 1940

یکسوساز قوسی-جیوه ای در سال 1902 توسط پیتر کوپر هویت اختراع شد و در دهه های 1920 و 1930 در اروپا و آمریکای شمالی تکمیل شد. به نوعی می توان آغاز علم الکترونیک را به اختراع این قطعه نسبت داد.

کاربردها

با معمول شدن یکسوسازهای فلزی در دهه 1920 برای استفاده در ولتاژهای پایین، کاربرد یکوسازهای قوسی-جیوه ای به ولتاژهای بالاتر ،و به ویژه کاربرد در توانهای بالا، محدود شد.

یکسوسازهای قوسی-جیوه ای به صورت گسترده ای در دهه 1960 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 1950 برای تهیه جریان مستقیم در شبکه های توزیع جریان مستقیم در شهرها بکار برده می شدند. به هر حال، در دهه 1960 یکسوسازهای سیلیکونی ،دیود و تریستور، در تمام یکسوسازهای ولتاژ پایین و قدرت پایین جایگزین یکسوسازهای قوسی-جیوه ای شدند. در نهایت، در حدود 1975 یکسوسازهای سیلیکونی حتی در مواردی مانند خطوط انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) نیز یکسوسازهای قوسی-جیوه ای را از رده خارج کردند.

در حال حاضر یکسوسازهای قوسی-جیوه ای فقط در بعضی از معادن آفریقای جنوبی و کنیا و تعداد کمی از خطوط انتقال HVDC بکارگرفته می شوند.

طراحی

یکسوساز قوسی-جیوه ای در حباب شیشه ای

معروف ترین نوع یکسوساز قوسی-جیوه ای از یک حباب شیشه ای تخلیه شده از هوا به همراه یک حوضچه جیوه ای در کف آن ساخته می شود. این حوضچه جیوه ای نقش کاتد را بازی می کند. در این حباب شیشه ای بخار جیوه نقش اساسی را در یکسوسازی جریان متناوب بازی می کند. حباب شیشه ای دارای یک یا چند بازوی گرافیتی (کربنی) است که به عنوان آند بکار می روند. تعداد این بازوها بستگی به کاربرد یکسوساز قوسی-جیوه ای دارد. برای یکسوسازی یک جریان تک فاز از دو بازو استفاده می شود که به خروجی های ثانویه یک ترانسفورماتور سر وسط متصل می شوند. برای یکسوسازی جریان سه فاز از 3 یا 6 آند استفاده می شود تا ولتاژ خروجی یک دست تری حاصل شود. استفاده از یکسوسازی 6 فاز می تواند 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 می کند. طراحی بازوها و حباب شیشه ای 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-جیوه ای می باشد.

چنین حبابی می توند صدها کیلووات قدرت را به صورت یکسو تحویل دهد. یک یکسوساز 6 فاز 150 آمپری دارای حبابی در ابعاد تقریبی 600 میلیمتر ارتفاع و 300 میلیمتر قطر خارجی است. چنین یکسوسازی می تواند 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-جیوه ای به وسیله قطر سیمهایی که به آندها و کاتد یکسوساز متصل هستند محدود می شود.

برای یکسوسازهای بزرگ از یک مخزن فلزی به همراه عایق سرامیکی برای ایجاد حوضچه جیوه استفاده می شود. این یکسوسازها دارای پمپهای تخلیه ای هستند که به صورت منظم هوایی که از محیط به درون حباب نشت می کند را از درون آن تخلیه می کنند. چنین یکسوسازهایی برای جریان 1800 آمپر و ولتاژ 150 کیلوولت طراحی شده اند.

هر دو یکسوساز شیشه ای و فلزی ممکن است که دارای شبکه های کنترل بین آند و کاتد باشند. این شبکه های اجازه می دهند تا یکسوساز تحت کنترل باشد، برای مثال، برای ایجاد یک تأخیر لحظه ای در زمانی که قوس از یک آند به آند دیگر منتقل می شود این شبکه خروجی ولتاژ را کنترل می کند. این گونه یکسوسازهای کنترل شونده قسمت اساسی یک اینورتور را تشکیل می دهند.

حرارت حباب شیشه ای ای باید به دقت کنترل شود. یک یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی دارای درجه حرارت 40 درجه سانتیگراد و فشار بخار جیوه در حدود 7 میلی پاسکال می باشد.

نحوه کارکرد

کارکرد یکسوساز قوسی-جیوه ای بر اساس یک تخلیه الکتریکی بین الکترودهای آند و کاتد از طریق بخار جیوه موجود در حباب شیشه ای می باشد. حوضچه جیوه به مانند یک کاتد خودبسنده عمل می کند که در طول زمان فرسوده نمی شود. جیوه می تواند 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 می افتد.

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

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 می شود. به دلیل اینکه هر یک از آندها از یک سر ترانسفورماتور سر وسط تغذیه شده اند زمانی که یکی از آندها مثبت می شود دیگری منفی است و بالعکس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای تک فاز کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چرا که هر زمان که ولتاژ متناوب از نقطه صفر عبور می کند قوس الکتریکی خاموش می شود. به علاوه، ولتاژ خروجی این یکسوساز رایپل خیلی زیادی دارد که آن را برای بسیاری از موارد غیرقابل استفاده می کند. در نتیجه، در صنعت بیشتر از یکسوسازهای 2،3 یا 6 فاز استفاده می شود که ولتاژ خروجی صافتری ایجاد می کنند و کارایی بالاتری هم دارند.

استارت

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای معمولی به وسیله یک قوس الکتریکی ولتاژ بالا که بین کاتد و الکترود استارت برقرار می شود شروع به کار می کند. به عبارت دیگر، الکترود استارت به کاتد وصل می شود (توسط بخار جیوه) و اجازه می دهد که جریان از یک مدار اندوکتیو عبور کند. هنگامی که جریان کاتد قطع شود یک ولتاژ القایی زیاد ایجاد می شود.اتصال موقت بین الکترود استارت و کاتد ممکن است به وسیله یک سیم پیچ خارجی ایجاد شود. این سیم پیچ می تواند 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-جیوه ای دارای یک الکترود اضافی هستند که یک قوس الکتریکی دائم ایجاد می کنند. نوعا، یک منبع تغذیه 2 یا 3 فاز چند آمپری به آندها کوچک تحریک متصل هستند. یک ترانسفورماتور موازی به قدرت چند ولت آمپر برای تغذیه این مدار استفاده می شود. تحریک یا "زنده نگه داشتن" جریان برای بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه ای ولتاژ بالا مورد نیاز است.

کنترل

استفاده از یک شبکه کنترل بین آند و کاتد اجازه می دهد 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 می دهد تا ولتاژ خروجی چند یکسوساز با تغییر نقطه آتش تنظیم شوند و اجازه می دهد که یکسوساز قوسی-جیوه ای را به عنوان یک عنصر فعال در اینورتورهایی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کنند بکارببریم.

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای 150 کیلوولت 1800 آمپری در ایستگاه تبدیل مانیتوبا هیدرو رادیسون آگوست 2003

مشکلات زیست محیطی

جیوه ماده ای به شدت سمی است که برای سلامتی انسان و محیط زیست زیان آور می باشد. استفاده از مقادیر زیاد جیوه در یکسوساز قوسی-جیوه ای و خطر نشت آن در صورت شکسته شدن حباب شیشه ای یک خطر بالقوه برای محیط زیست است. در بسیاری از ایستگاه های فشار قوی HVDC باید عملیات نظافت محوطه به دلیل نشت جیوه به صورت دوره ای انجام گیرد. در ضمن یکسوسازهای دارای مخزن فلزی نیز نیاز به پمپهای تخلیه دارند که سبب ورود بخار جیوه به هوای محیط می شوند.