Кіріспе
Сұйық катоды бар электрлік түзетушінің түрі. Теңіз бұрыштық клапан немесе сынап буы түзетушісі немесе (Ұлыбритания) сынап доғасы түзетушісі – жоғары кернеуді немесе жоғары токты ауыспалы токтан (AC) тұрақты токқа (DC) түрлендіруге қолданылатын электрлік түзетушінің түрі. Бұл суық катодты газға толы түтік, бірақ катоды қатты емес, сұйық сынаптан жасалғандықтан, ол өзін-өзі жаңарта алады. Осының нәтижесінде, сынап доғасы клапандары, дұрыс қолданылғанда, басқа газды түтіктерге қарағанда мықтырақ, ұзақ қызмет етеді және жоғары токтарды өткізе алады. Кейбір мысалдар ондаған жылдар бойы үздіксіз жұмыс істеп, 50 амперлік токты түзетіп келді. 1902 жылы Питер Купер Хьюитт тапқан сынап доғасы түзетулегіштері өнеркәсіптік моторларды, электр теміржолдарын, трамвайларды, электр локомотивтерін, сондай-ақ радио таратушыларды және жоғары кернеулі тұрақты ток (ЖЖҚТ) электр қуатын беру үшін пайдаланылды. 1970 жылдары жартылай өткізгіш түзетулегіштері пайда болғанға дейін – диодтар, тиристорлар және шлюздік тиристорлар (GTO) сияқты – олар қуатты түзетудің негізгі әдісі болды. Бұл қатты күйдегі түзетулегіштер жоғары сенімділігі, төмен құны мен техникалық қызмет көрсету шығындары және қоршаған ортаға төмен қауіптілігі арқасында сынап доғасы түзетулегіштерін толықтай ығыстырды.
A mercury arc valve or mercury vapor rectifier or (UK) mercury arc rectifier is a type of electrical rectifier used for converting high voltage or high current alternating current (AC) into direct current (DC). It is a type of cold cathode gas filled tube, but is unusual in that the cathode, instead of being solid, is made from a pool of liquid mercury and is therefore self restoring. As a result mercury arc valves, when used as intended, are far more robust and durable and can carry much higher currents than most other types of gas discharge tube. Some examples have been in continuous service, rectifying 50 ampere currents, for decades. Invented in 1902 by Peter Cooper Hewitt, mercury arc rectifiers were used to provide power for industrial motors, electric railways, streetcars, and electric locomotives, as well as for radio transmitters and for high voltage direct current (HVDC) power transmission. They were the primary method of high power rectification before the advent of semiconductor rectifiers, such as diodes, thyristors and gate turn off thyristors (GTOs) in the 1970s. These solid state rectifiers have almost completely replaced mercury arc rectifiers thanks to their higher reliability, lower cost and maintenance and lower environmental risk.
Тарих
1882 жылы Жюль Жамин мен Г. Маневрье сынап аркасының түзету қасиеттерін байқады. Сынап доғалы түзетушіні 1902 жылы Питер Купер Хьюитт ойлап тапты, ал 1920 және 1930 жылдары Еуропа мен Солтүстік Америка зерттеушілері оны одан әрі дамытты. Оның өнертабысына дейін коммуналдық қызметтер ұсынған айнымалы токты тұрақты токқа түрлендірудің жалғыз жолы – қымбат, тиімсіз және күтімі жоғары ротациялық түрлендіргіштер немесе мотор-генератор жиынтықтарын пайдалану болды. Сынап доғалы түзетушілер немесе "конвертерлер" аккумуляторларды зарядтауға, доғалы жарықтандыру жүйелеріне, троллейбустардың, трамвайлардың және метроның тұрақты токқа жұмыс істейтін қозғалтқыштарына, сондай-ақ электрокапталдау жабдықтарына қолданылды. Сынап түзетуші 1970 жылдарға дейін кеңінен қолданылды, содан кейін жартылай өткізгіш түзетушілермен алмастырылды.
Жұмыс істеу қағидалары
Түзетушінің жұмысы өте төмен қысыммен сынап буын қамтитын, жабық корпустағы электродтар арасындағы электр доғасының разрядына негізделген. Сұйық сынаптан жасалған тоған, уақыт өте келе тозуы жоқ, өзін-өзі жаңартатын катод рөлін атқарады. Снап электрондарды еркін шығарады, ал көміртек анодтары тіпті қызғанда да аздаған электрондарды ғана шығарады, сондықтан электрондар тогы тек бір бағытта – катодтан анодқа қарай түтік арқылы өте алады, бұл түтікке ауыспалы токты түзетуге мүмкіндік береді. Доға пайда болғанда, электрондар тоғанның бетінен шығарылып, анодтарға қарай жол бойындағы сынап буының иондануына себеп болады. Снап иондары катодқа тартылады, ал тоғанға түсетін иондық бомбалау, бірнеше амперлік ток ағыны сақталғанда, эмиссиялық нүктенің температурасын ұстап тұрады. Ток электрондармен тасымалданады, ал катодқа қайта оралатын оң иондар өткізгіш жолды кеңістіктік зарядтың әсерінен, вакуумдық түтіктердің жұмысын шектейтін фактордан, сақтайды. Осының нәтижесінде, клапан төмен доғалық кернеуде (әдетте 20-30 В) жоғары токтарды өткізе алады, сондықтан тиімді түзетуші болып табылады. Ыстық катодты газды разряд түтікшелері, мысалы тиратрон, да тиімділіктің ұқсас деңгейіне жете алады, бірақ қыздырылатын катодтық жіпшелер нәзік және жоғары токпен қолданғанда қысқа қызмет етеді. Корпустың температурасын мұқият бақылау қажет, себебі доғаның мінез-құлқы сынап буының қысымымен анықталады, ал ол өз кезегінде корпустың қабырғасындағы ең салқын нүктемен белгіленеді. Типик конструкция температураны және сынап буының қысымын 7 миллипаскаль деңгейінде ұстап тұрады. Снап иондары ерекше толқын ұзындығында жарық шығарады, оның қарқындылығы будың қысымымен анықталады. Түзетушідегі төмен қысымда жарық ақшыл көк түсті қызғылт реңде көрінеді және ультракүлгін сәулелердің көп мөлшерін қамтиды.
Құрылыс
Сиырғы доғасы клапаны екі негізгі түрде жасалады: шыны баллонды және болаттан жасалған резервуарлы түрлер. 500 А-ден жоғары ток күші үшін болаттан жасалған резервуарлы клапандар қолданылды.
Шынылы шамдар
Ең алғашқы сынап бу электрлік түзетушісінің түрі – вакуумдалған шыны баллоннан тұрады, оның түбінде катод ретінде сұйық сынап жиналған. Оның үстінде шыны баллон иіліп орналасқан, ол құрылғы жұмыс істеген кезде буланған сынапты конденсациялайды. Шыны қаптамада анодтар ретінде графит таяқшалары бар бір немесе бірнеше қолы бар. Олардың саны қолданылуына байланысты, әдетте бір фазаға бір анод қарастырылады. Анод қолының пішіні, шыны қабырғаларында конденсацияланатын сынаптың негізгі шоғырға жылдам ағып кетуін қамтамасыз етеді, осылайша катод пен тиісті анод арасында өткізгіш жолдың пайда болуын болдырмайды. Шыны қаптамалы түзетушілер бір құрылғыда жүздеген киловатт тұрақты ток қуатын өңдей алады. 150 амперлік алты фазалы түзетушінің шыны қаптамасы шамамен 600 мм (24 дюйм) биіктікте және 300 мм (12 дюйм) сыртқы диаметрде болады. Бұл түзетушілерде бірнеше килограмм сұйық сынап болады. Шынының төмен жылу өткізгіштігіне байланысты қаптаманың үлкен көлемі қажет. Қаптаманың жоғарғы бөлігіндегі сынап буы, конденсацияланып, катод шоғырына қайта оралу үшін жылуды шыны қаптама арқылы таратуы керек. Кейбір шыны түтіктер температураны жақсырақ бақылау үшін май ваннасына батырылған. Шыны баллонды түзетушінің ток өткізу қабілеті, ішінара шыны қаптаманың күңкелігімен (көлемі номиналды қуатпен бірге өседі) және ішінара анодтар мен катодты қосу үшін шыны қаптамаға біріктірілген сымдардың өлшемімен шектеледі. Жоғары ток түзетушілерді әзірлеу үшін, ауаның қаптамаға еніп кетуін болдырмау үшін, жылулық кеңею коэффициенттері өте ұқсас қорғасын сымдары мен шыны қажет болды. 1930 жылдардың ортасына дейін 500 А-ға дейінгі ток деңгейлеріне қол жеткізілді, бірақ одан жоғары ток деңгейлері үшін түзетушілердің көпшілігі мықты болаттан жасалған резервуар конструкциясын пайдаланып жасалды.
Болаттан жасалған танк клапандары
Үлкен клапандар үшін электродтарына арналған керамикалық изоляторлары бар болаттан жасалған резервуар қолданылады, вакуумдық сорғы жүйесімен резервуардың нашар тығыздамаларының маңындағы аз мөлшердегі ауаның кіруіне қарсы тұру үшін пайдаланылады. Сумен салқындату жүйесі бар болаттан жасалған резервуар клапандары бірнеше мың амперге дейін ток күшімен жасалды. Шыны шам клапандары сияқты, болаттан жасалған сынап аркалы клапандар да бір резервуарға тек бір анодпен (экзитрон деп те аталатын тип) немесе бірнеше анодпен орнатылды. Көп фазалы түзеткіш тізбектерінде (бір резервуарға 2, 3, 6 немесе 12 анодпен) көп анодты клапандар қолданылды, бірақ жоғары кернеулі тұрақты ток (HVDC) жүйелерінде көп анодтар көбінесе ток күшін арттыру үшін параллель жалғастырылды.
Қуаныш
Шығыс тогының уақытша тоқтауы немесе азаюы катодты сөндіруі мүмкін болғандықтан, көптеген түзетушілерде қондырғы жұмыс істеп тұрғанда доғаны сақтау үшін қосымша электрод болады. Әдетте, екі немесе үш фазалы бірнеше амперлік ток шағын қозу анодтары арқылы өтеді. Бұл токпен қамтамасыз ету үшін бірнеше жүз VA қуаты бар магниттік контурлы трансформатор жиі қолданылады. Бұл қозу немесе тірі ұстау тізбегі экситрон сияқты бір фазалы түзетушілерде және радиотелеграфтық таратушылардың жоғары кернеумен жабдықталуында қолданылатын сынап доғалы түзетушілерде қажет болды, себебі Морзе кілті босатылған сайын ток ағыны үнемі тоқтатылып тұрды.
Желілік басқару
Шыны және металл түзетушілерде анод пен катод арасында басқару торлары орнатылуы мүмкін. Анод пен катодтың арасына басқару торын орнату, клапанның өткізгіштігін басқаруға мүмкіндік береді, соның арқасында түзетушінің өндіретін орташа шығыс кернеуін басқаруға болады. Ток ағынының басталуы, басқарылмаған клапанда доғаның пайда болатын сәтінен кейінге ықшамдатылуы мүмкін. Бұл клапан тобының шығыс кернеуін, оның тұтандыру сәтін ықшамдату арқылы реттеуге мүмкіндік береді және басқарылатын сынап доға клапандарына, тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіретін инвертордағы белсенді коммутациялық элементтердің рөлін атқаруға мүмкіндік береді. Клапанды өткізбейтін күйде ұстап тұру үшін, торға бірнеше вольт немесе ондаған вольт теріс кернеу қолданылады. Нәтижесінде, катодтан шыққан электрондар, тордан кері итеріліп, катодқа қайта оралады, осылайша анодқа жетуіне кедергі келтіріледі. Торға шамалы оң кернеу қолданғанда, электрондар тор арқылы анодқа қарай өтеді және доғалық разрядты орнату процесі басталуы мүмкін. Дегенмен, доға орнатылғаннан кейін, оны тордың әрекетімен тоқтатуға болмайды, себебі иондану нәтижесінде пайда болған оң сынап иондары, теріс зарядталған торға тартылып, оны тиімді түрде бейтараптандырады. Ток өткізуді тоқтатудың жалғыз жолы – сыртқы тізбектің токты (төмен) сындық токтан төмен түсіруге мәжбүрлеуі. Тормен басқарылатын сынап доға клапандары, үш электронды клапанға сырттай ұқсас болғанымен, сынап доға клапандарын тек өте төмен ток мәндерінде, доғаны сақтап тұруға қажетті сындық токтан әлдеқайда төмен болған жағдайларда ғана күшейткіш ретінде қолдануға болады.
Анодты сұрыптау электроды
Меркурийлік доғалы клапандар кері ток деп аталатын әсерге бейім, онда клапан кернеу теріс болғанда кері бағытта өткізеді. Кері ток клапанға зиян келтіруі немесе оны бүлдіруі мүмкін, сондай-ақ сыртқы тізбекте жоғары қысқа тұйықталу тогын тудырады және жоғары кернеуде жиі кездеседі. Кері токтан туындаған мәселелердің бір мысалы 1960 жылы Глазгоның Солтүстік қала маңындағы темір жолын электрлендіруден кейін болды, онда бірнеше апаттан соң бумен жүретін пойыздарды қайта енгізуге тура келді. Көптеген жылдар бойы бұл әсер меркурийлік доғалы клапандардың практикалық жұмыс кернеуін бірнеше киловольтқа дейін шектеді. Шешім – анод пен басқару торы арасына сыныптау электродын, сыртқы кедергі-конденсаторлық бөлігіш тізбегіне қосылған күйінде орнату болды. 1930 және 1940 жылдары доктор Уно Ламм Швециядағы ASEA компаниясында осы мәселе бойынша пионерлік жұмыстар жүргізді, нәтижесінде 1954 жылы Швециядан Готланд аралына дейінгі 20 МВт, 100 кВ тұрақты ток желісінде қолданысқа енгізілген тұрақты токқа арналған алғашқы практикалық меркурийлік доғалы клапан жасалды. Уно Ламмның жоғары кернеулі меркурийлік доғалы клапандар бойынша жұмысы оны "Тұрақты ток берудің әкесі" деп таныстырды және IEEE-ні оның есімімен аталатын, тұрақты ток саласына ерекше үлес қосқандарға берілетін сыйлықты тағайындауға шабыттандырды. Осы типтегі сыныптау электроды бар меркурийлік доғалы клапандар 150 кВ дейін номиналды кернеуге дейін жетілдірілді. Дегенмен, сыныптау электродын орналастыру үшін қажетті биік фарфор бағанасын катодтық потенциалдағы болаттан жасалған резервуарды салқындатудан қиынырақ болды, сондықтан пайдалануға болатын ток анодқа қатысты 200–300 А-ға дейін шектелді. Сондықтан тұрақты токқа арналған меркурийлік доғалы клапандар көбінесе төрт немесе алты анодтық бағанадан тұратын параллель конструкцияда жасалды. Анодтық бағаналар әрқашан ауамен салқындатылатын, ал катодтық резервуарлар сумен немесе ауамен салқындатылатын.
Сұлбалар
Бір фазалы сынап доғасы түзеткіштері сирек қолданылды, себебі ток мөлшері төмендеп, айнымалы ток кернеуінің полярлығы өзгергенде доға сөніп қалуы мүмкін. Бір фазалы түзеткіштің өндірген тұрақты тогы, қуат көзінің жиілігінен екі есе жоғары жиілікте өзгеретін құрамдас бөлікке (қалқымалы толқынға) ие болды, бұл көптеген жағдайларда тұрақты ток үшін қолайсыз еді. Осы мәселені шешу үшін екі, үш, тіпті алты фазалы айнымалы ток көздерін пайдалану қажет болды, сонда түзетілген ток тұрақтырақ кернеу деңгейін сақтай алатын еді. Көп фазалы түзеткіштер сондай-ақ жүйелік тиімділік пен экономикалық тұрғыдан маңызды жүйедегі жүктемені теңестіретін еді. Түзеткіштерде сынап доға клапандарының көпшілігі әр фаза үшін жеке анодтар жұбымен толық толқынды түзетуді қолданды. Толық толқынды түзету кезінде айнымалы ток толқынының екі жартысы да пайдаланылады. Катод тұрақты ток жүктемесінің оң (+) полюсіне қосылады, ал екінші полюсі трансформатордың екіншілік орамының орталық нүктесіне қосылады, ол жерге немесе топыраққа қатысты әрқашан нөлдік потенциалда болады. Әрбір айнымалы ток фазасы үшін, сол фазалық ораманың әр шетінен бір сым сынап доғасы түзеткішіндегі жеке анодтық «қолға» қосылады. Әрбір анодтағы кернеу оңға бұрылғанда, ол катодтан сынап буы арқылы ток өткізе бастайды. Айнымалы ток фазасының анодтары орталық нүктесі бар трансформатор орамының қарама-қарсы шеттерінен қуат алатындықтан, біреуі орталық нүктеге қатысты әрқашан оң болады және айнымалы ток толқынының екі жартысы да ток жүктеме арқылы тек бір бағытта ағуына себеп болады. Осылайша, айнымалы ток толқынының толық түзетілуі толық толқынды түзету деп аталады. Үш фазалы айнымалы ток және толық толқынды түзету кезінде, тегіс тұрақты ток алу үшін алты анод қолданылды. Үш фазалы жұмыс трансформатордың тиімділігін арттырады, сонымен қатар екі анодтың бір уақытта ток өткізуіне мүмкіндік беру арқылы тұрақты ток ағынын тегістейді. Жұмыс істеу кезінде, доға катодқа қатысты ең жоғары оң потенциалы бар анодтарға ауысады. HVDC қолданбаларында әдетте толық толқынды үш фазалы көпірлік түзеткіш немесе Graetz көпірлік схемасы қолданылды, мұнда әр клапан жеке резервуарда орналастырылған.
Қолданбалар
1920 жылдары қатты күйдегі металл түзулегіштер төмен кернеуді түзетуге қолжетімді болғандықтан, сынап аркасы құбырлары жоғары кернеуде және әсіресе жоғары қуатты қолдануларда ғана қолданылатын болды. Меркурийлік доға клапандары 1960 жылға дейін ірі өнеркәсіптік мақсаттарда айнымалы токты тікелей токқа түрлендіру үшін кеңінен пайдаланылды. Олардың қолданылуларына трамвайларға, электр теміржолдарына және үлкен радиохабар тарату станцияларына қуат беру кіретін. 1950 жылға дейін меркурийлік арка станциялары қалалық орталықтардағы бұрынғы Эдисон үлгісіндегі тұрақты ток желілеріне тұрақты токпен жабдықтау үшін қолданылды. 1960 жылдары қатты күйдегі кремний құрылғылары, бірінші диодтар, содан кейін тиристорлар, меркурийлік арка құбырларының барлық төмен қуатты және төмен кернеулі түзетушілік қолдануларын ығыстырды. Бірнеше электр локомотивтері, соның ішінде New Haven EP5 және Virginian EL C, кіріс айнымалы токты жетектік қозғалтқыштарға тікелей токқа түрлендіру үшін бортында ионизациялық клапандарды (игнитронды) алып жүрді. Меркурийлік доға клапандарының соңғы маңызды қолданылуларының бірі – жоғары кернеулі тұрақты ток (HVDC) электр беру желілерінде болды, онда олар 1970 жылдардың басына дейін көптеген жобаларда қолданылды, соның ішінде Жаңа Зеландияның Солтүстік және Оңтүстік аралдары арасындағы HVDC Inter-Island желісі және Kingsnorth электр стансасынан Лондонға дейінгі HVDC Kingsnorth желісі. Алайда, 1975 жылдан бастап кремний құрылғылары меркурийлік арка түзетулегіштерін, тіпті HVDC қолдануларында да көптеп қолданылмайтын етті. English Electric компаниясы жасаған ең ірі меркурийлік арка түзетулегіштері 150 кВ, 1800 А қуатқа ие болды және 2004 жылға дейін Nelson River DC Transmission System жоғары кернеулі тұрақты ток электр беру жобасында пайдаланылды. Inter-Island және Kingsnorth жобалары үшін клапандар төрт анодтық бағананы параллель қосылымда қолданды, ал Nelson River жобасында қажетті ток деңгейін алу үшін алты анодтық бағана параллель қосылымда қолданылды. Inter-Island желісі – меркурийлік арка клапандарын пайдаланатын соңғы HVDC беру жүйесі болды. Ол 2012 жылдың 1 тамызында ресми түрде тоқтатылды. Жаңа Зеландия схемасындағы меркурийлік арка клапандары бар түрлендіргіш станциялар жаңа тиристорлық түрлендіргіш станциялармен ауыстырылды. Ұқсас меркурийлік арка клапанды схема, HVDC Vancouver Island желісі, үш фазалы айнымалы ток желісімен ауыстырылды. Меркурийлік арка клапандары Оңтүстік Африканың кейбір кеніштерінде және Кенияда (Момбаса политехникалық институтының Электр және Электроника бөлімінде) әлі де қолданылуда. Меркурийлік арка клапандары Лондон метросындағы тұрақты ток жүйелерінде кеңінен қолданылды, және 2000 жылы Белсайз паркіндегі қолданыстан шығарылған терең деңгейдегі бомбалаудан қорғаныс жасырын орнында екеуі әлі де жұмыс істеп тұрғаны байқалды. Олар баспана ретінде қажет болмағаннан кейін, Белсайз паркі және басқа да бірнеше терең жасырын орындар, әсіресе музыка және теледидар архивтерін сақтау үшін пайдаланылды. Бұл Goodge Street жасырын орнындағы меркурийлік арка түзетулегішінің Doctor Who сериалының алғашқы эпизодында "елеусіз жарқырауымен" шетелдік ми ретінде көрсетілуіне әкелді. Оклендтегі Көлік және Технология мұражайы (MOTAT) әлі де екі алаңша арасында келушілерді тасымалдайтын трамвайға қуат беру үшін меркурийлік арка клапанын пайдаланады.
Басқалар
Бір фазалы сынап доғасы түзулегіштердің арнайы түрлері – Игнитрон және Экзитрон. Экзитрон жоғарыда сипатталған басқа да клапан түрлеріне ұқсас, бірақ клапан ток өткізбейтін жарты цикл кезінде доғалық разрядты сақтау үшін қоздырғыш анодтың болуына тікелей байланысты. Игнитрон өткізу қажет болған сайын доғаны тұтандыру арқылы қоздыру анодтарынсыз жұмыс істейді. Осылайша, игнитрондар бақылау торларын да қажет етпейді. 1919 жылы "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" кітабында телефон сигналдарын күшейтуге арналған құрылғы сипатталған, ол магниттік өріс арқылы сынап түтігіндегі доғаны модуляциялайды. Бірақ бұл құрылғы коммерциялық маңызға ие болған емес.
Қоршаған ортаға қауіп
Сынап қосылыстары улы, қоршаған ортада өте тұрақты және адамдар мен қоршаған орта үшін қауіпті. Көміртекті шыныдан жасалған шамдарда көп мөлшерде сынап пайдаланылуы, шам сынған жағдайда қоршаған ортаға сынаптың таралу қаупін тудырады. Кейбір жоғары кернеулі тұрақты ток (HVDC) конвертерлік станцияларын станцияның қызмет ету мерзімі ішінде шығарылған сынаптың іздерін жою үшін кең ауқымды тазалау жұмыстары қажет болды. Болаттан жасалған түзгіштер жиі вакуумдық сорғыларды қажет етті, олар үздірілсіз аз мөлшерде сынап буын шығарып тұрды.