كتب المحولات الموجهة بالخط

معظم أنظمة التيار المستمر عالي الجهد التي تعمل اليوم مبنية على محولات موجهة بالخط (إل سي سي). يشير مصطلح موجهة بالخط إلى أن عملية التحويل تعتمد على جهد الخط في نظام التيار المتناوب الذي يتصل به المحول لتفعيل التوجيه من جهاز تبديل (قاطع) إلى الجهاز المجاور. تستخدم المحولات الموجهة بالخط أجهزة تبديل تكون إما غير متحكم بها (كثنائي المساري) أو يمكن فقط تشغيلها (دون إطفائها) عن طريق فعل تحكمي، كالثايرستورات. مع أن محولات التيار المستمر عالي الجهد يمكن لها -من حيث المبدأ- أن تُصنع من الصمامات الثنائية (تسمى أيضًا الديودات)، فإن هكذا محولات يمكن أن تستخدم في وضع التقويم فقط وانعدام إمكانية التحكم بجهد التيار المستمر من السيئات المؤثرة. بالتالي، فإن كل الأنظمة المستخدمة للتيار المستمر عالي الجهد التي تستخدم المحولات الموجهة بالخط تستخدم إما صمامات قوس زئبق متحكم بها من الشبكة (حتى سبعينيات القرن العشرين) أو ثايرستورات (حتى يومنا هذا).

في محول موجه بالخط، لا يغير التيار المستمر اتجاهه؛ بل يتدفق عبر تحريض كبير ويمكن أن يعتبر ثابتًا تقريبًا. على جهة التيار المتناوب، يتصرف المحول تقريبًا كمصدر تيار، حاقنًا كلًّا من تردد الشبكة والتيارات التوافقية في شبكة التيار المتناوب. لهذا السبب، يعتبر المحول الموجه بالخط أيضًا محولًا ذا مصدر تياري. لأن اتجاه التيار لا يمكن أن يتغير، فإن عكس اتجاه تدفق الاستطاعة (حيث يلزم) يتحقق عن طريق عكس قطبية جهد التيار المستمر في كل من المحطتين.

جسر النبضات الست الموجه بالخط

يستخدم التركيب الأساسي لنظام التيار المستمر عالي الجهد مقوم غريتز الجسري للتيار ثلاثي الطور أو جسر النبضات الست، ويحتوي ستة قواطع إلكترونية، كل منها يصل بين واحد من الأطوار الثلاثة بواحدة من محطتي التيار المستمر الطرفيتين. يشار إلى عنصر التبديل الكامل عادةً باسم صمام، بغض النظر عن بنيته. عادةً، يكون صمامان من الجسر يعملان كموصلين في أي وقت: واحد إلى طور من الصف العلوي والآخر (من طور مختلف) في الصف السفلي. يصل الصمامان الموصلان جهدين من جهود طور التيار المتناوب الثلاثة، على التسلسل، بمحطتي التيار المستمر الطرفيتين. بالتالي، يعطى جهد خرج التيار المستمر في أي لحظة مدروسة عن طريق الجمع التسلسلي لجهدي طور تيار متناوب. مثلًا، إذا كان الصمامات ص1 و22 يعملان كموصلين، فإن خرج جهد التيار المستمر يعطى بجهد الطور 1 مطروحًا منه جهد الطور 3.

بسبب التحريض الذي لا يمكن تفاديه (والنافع) لمنبع قدرة التيار المستمر؛ فإن الانتقال من زوج من الصمامات الموصلة إلى آخر لا يحدث بشكل لحظي. بل هناك فترة تداخل يوصل خلالها صمامان من نفس الصف من الجسر بنفس الوقت. على سبيل المثال، إذا كان الصمامان ص1 وص2 يوصلان في البداية ثم شُغل الصمام ص3، فإن التوصيل ينتقل من ص1 إلى ص3 ولكنهما يعملان معًا على التوصيل لفترة قصيرة من الزمن. خلال هذه الفترة، يعطى جهد خرج التيار المستمر بمتوسط جهدي الطور 1 والطور 2 مطروحًا منه جهد الطور 3. تزداد زاوية التداخل μ (أو u) في محول تيار مستمر عالي الجهد مع تيار الحمل، ولكنها تكون عادةً نحو 20 درجة عند الحمل الكامل.

خلال فترة التداخل يكون جهد خرج التيار المستمر أقل مما كان سيكون عليه في الحالات الأخرة وتنتج فترة التداخل سنًّا ملحوظًا في منحني جهد التيار المستمر. من النتائج المهمة لذلك أن الجهد الوسطي لخرج التيار المستمر يتناقص كلما ازدادت فترة التداخل؛ لذا ينخفض جهد التيار المستمر الوسطي مع ازدياد شدة التيار المستمر.

يعطى جهد الخرج الوسطي للتيار المستمر في محول سداسي النبضات بالعلاقة:

حيث:

V_LLpea - قمة الذروة لجهد الدخل خط إلى خط (على جهة المحول من محولة المحول)

α - زاوية قدح (إشعال) الثايرستور

L_c - التحريض الموجه لكل طور

I_d - شدة التيار المستمر

تمثل زاوية القدح α التأخر الزمني من النقطة التي يصبح فيها فرق الجهد بين طرفي الصمام موجبًا (النقطة التي يبدأ فيها ثنائي مساري بالتوصيل) ويبدأ فيها تشغيل الثايرستورات. من المعادلة السابقة، يتضح أن الجهد الوسطي لخرج التيار المستمر يتناقص بازدياد زاوية القدح. في الواقع، مع محول موجه بالخط، تمثل زاوية القدح الطريقة السريعة الوحيدة للتحكم بالمحول. يستخدم التحكم بزاوية القدح لتنظيم جهود التيار المستمر لكل من طرفي نظام التيار المستمر عالي الجهد بشكل مستمر للحصول على المستوى المطلوب من نقل القدرة الكهربائية.

يصبح جهد خرج التيار المستمر أقل إيجابية مع ازدياد زاوية القدح: توافق زوايا القدح التي تصل إلى 90 درجة وضع التقويم وتنتج جهودًا موجبة للتيار المستمر، في حين توافق زوايا القدح الأكبر من 90 درجة عكس التيار وتنتج جهودًا سالبة للتيار المستمر. ولكن لا يمكن زيادة زوايا القدح حتى 180 درجة؛ وذلك لسببين: أولًا، يجب وجود سماحية لزاوية التداخل μ، وثانيًّا، يجب ترك سماحية لزاوية إخماد إضافية γ للسماح للصمامات باستعادة قدرتها على تحمل الجهد الموجب بعد توصيل التيار. تتعلق زاوية الإخماد γ بزمن الإطفاءt_q للثايرستورات. القيمة الوسطية لزاوية الإخماد γ هي 15 درجة. تتعلق الزوايا α، وγ، وμ ببعضها حيث:

(بالدرجات)