در این مقاله می‌خواهیم به رکتیفایر که وظیفه اصلی آن تبدیل ولتاژ AC به DC می‌باشد به شکلی مفصل بپردازیم و در طی آن به تاریخچه رکتیفایر که انواع بسیار متنوعی مانند؛ الکترومکانیکی که در آن تبدیل حول عملکرد کموتاتور صورت می‌گرفت و یا سنکرون که تبدیل تحت چرخش منظم یک موتور تحت بار و قطع و وصل‌های متوالی رخ می‌داد و در نهایت حالت جامد که انقلابی در صنعت برق ایجاد نمود، نگاهی داشته باشیم، سپس به کاربرد رکتیفایر در منابع تغذیه توان DC که مهم‌ترین جز دستگاه‌های کنترلی بوده و یا گرم‌کن‌های القایی که رکتیفایر جزئی از یک سیستم تبدیل AC به AC در آنها به شمار می‌آید، بپردازیم.

در بخش بعدی به سراغ انواع رکتیفایر و بررسی مدل‌های تک‌فاز و سه‌فاز آن (به همراه معادلات بنیادی) که هر کدام برای خود مدل “نیم موج” و “تمام موج” دارند خواهیم رفت و پس از آن نگاهی داشته باشیم به رکتیفایر 12 پالس که به بهترین رکتیفایر از دید THD معروف است.

در پایان نیز به؛ نحوه محاسبه بازده که همان نسبت تبدیل ولتاژ DC خروجی به ولتاژ AC ورودی بوده، علت وجودی “افت ولتاژ” در رکتیفایرها و نوآوری‌های بسیار حیرت‌انگیز در حوزه یکسوکننده‌های مولکولی، خواهیم پرداخت.

پس از بررسی دقیق تمام موارد یاد شده درنهایت “یکسوساز سه‌فاز دیودی” را در نرم‌افزار سیمولینک متلب شبیه‌سازی خواهیم نمود.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند؛

• نگاهی به رکتیفایر
• وظیفه رکتیفایر چیست
• تاریخچه رکتیفایر
• رکتیفایر چگونه عمل می‌کند
• کاربرد رکتیفایر
• انواع رکتیفایر
• بازده رکتیفایر
• افت ولتاژ رکتیفایر
• هارمونیک رکتیفایر
• نوآوری در رکتیفایر
• شبیه سازی رکتیفایر در سیمولینک
• سوالات متداول رکتیفایر
• منابع

نگاهی به رکتیفایر

رکتیفایر یا یکسوساز، یک المان الکتریکی غیرفعال (Passive) بوده که جریان‌های متناوب AC را به جریان مستقیم DC تبدیل می‌کند. اگر بخواهیم رکیتفایر را به زبان ساده‌تری توضیح دهیم، باید گفت رکتیفایر قطعه‌ای است که اجازه می‌دهد جریان فقط از یک جهت عبور کند، رکتیفایر دقیقا شبیه یک شیر یک‌طرفه عمل می‌کند، شیر یک‌طرفه فقط اجازه می‌دهد آب در یک جهت عبور کرده و اجازه عبور جریان آب را در سایر جهت‌ها نمی‌دهد.

دیود را می‌توان یکی از معروف‌ترین انواع رکتیفایر دانست که در حال حاضر می‌شناسیم

وظیفه رکتیفایر چیست

همان‌طور که گفته شد وظیفه رکتیفایر تبدیل AC به DC می‌باشد، این عمل دقیقا عکس عملکرد Inverter در مدار بوده که DC را به AC تبدیل می‌کند.

بسیاری از دستگاه‌ها و وسایل الکترونیکی بخصوص در حوزه الکترونیک قدرت برای کارکرد صحیح به ولتاژ DC نیازمندند. زمانی که بخواهیم ولتاژ AC را به DC تبدیل کنیم از یک مدار رکتیفایر یا یکسوکننده استفاده می‌کنیم. به‌عنوان مثال یک ترانسفورماتور ۱۲ ولت را در نظر بگیرید. خروجی این ترانس با فرکانس ۵۰ هرتز بین ۱۲+ ولت و ۱۲- ولت در تناوب است و جهت جریان با توجه به + و – شدن ولتاژ تغییر می‌کند. اگر یک LED را به خروجی ترانس ۱۲ ولت وصل کنیم، چراغ مذکور ۵۰ بار در ثانیه خاموش و روشن خواهد شد، زیرا LED ولتاژ را در یک جهت عبور می‌دهد و یا اگر یک خازن الکترولیت ۱۲ ولت را به خروجی ترانس ۱۲ ولت وصل کنید، در کمتر از ۲۰ میلی‌ثانیه خازن شما منفجر می‌شود و تنها دلیل این امر نوسانات بالای تغییر دامنه ولتاژ اعمالی به خازن می‌باشد. تمام موارد گفته شده بعلاوه تغذیه طیف وسیعی از دستگاه‌های کنترلی با توان DC، لزوم استفاده از یک رکتیفایر را مشخص می‌سازد.

قبل از اینکه به بررسی خود رکتیفایر بپردازیم بد نیست نگاهی به تاریخچه آن داشته باشیم.

تاریخچه رکتیفایر

پیش از پیدایش رکتیفایر نیمه هادی از جنس سیلیکون، جهت یکسوسازی از دیودهای ترمیونی، اکسید مس و یا سلنیوم‌های پایه فلزی استفاده می‌شد.^[1]

با ظهور نیمه‌هادی‌ها استفاده از رکتیفایرهای تیوب خلأ (Vacuum Tube) عملا منسوخ شد هرچند تا سال‌های بعد برخی از افراد همچنان از این تیوب‌ها در تجهیزات صدا استفاده می‌کردند. بزرگ‌ترین مزیت این نیمه‌هادی‌ها؛ امکان کارکرد تحت جریان‌های بسیار کم و بسیار بالا می‌بود به همین دلیل انواع متفاوتی از دیودهای یکسوساز با نام‌های؛ junction diodes و Schottky diode (دیود شاتکی) به وجود آمدند.

یکی از حوزه‌هایی که به شدت از رکتیفایرها تاثیر پذیرفت؛ خطوط انتقال ولتاژ سطح بالا جریان مستقیم یا HVDC می‌بود، در این خطوط انواع متنوعی از نیمه هادی‌های سیلیکونی در قالب تریستور و دیگر سوئیچ‌های قابل‌کنترل که همانند دیودها اجازه عبور جریان را تنها در یک مسیر می‌دادند مورد استفاده قرار گرفتند.

در ادامه مروری خواهیم داشت بر انواع رکتیفایرهای مورد استفاده از گذشته تاکنون و پس از به نحوه عملکرد رکتیفایر خواهیم پرداخت.

رکتیفایر الکترومکانیکی

در سال 1905 (1284 هجری شمسی) پیش از اینکه رکتیفایرهای لوله‌ای (tube) حضور داشته باشند تبدیل انرژی توسط دستگاه‌های الکترومکانیکی (electro-mechanical) انجام می‌پذیرفت. در رکتیفایرهای مکانیکی، سیستم به‌گونه‌ای بود که توسط یک میدان مغناطیسی مقداری نیروی چرخشی و یا لرزش‌های تشدیدی برای عمل‌کردن یک کموتاتور ایجاد می‌شد، درنهایت این کمومتاتور می‌توانست جریان را معکوس کرده و به نحوه‌ی آن را یکسو نماید.

مشخص است که این رکتیفایرها بسیار پرسروصدا بوده و ازآنجایی‌که قطعات مکانیکی ذاتا اصطکاک داشته و نیازمند روغن‌کاری مداوم می‌باشند، نگه‌داری آنها نیز امری بسیار دشوار می‌بود. از طرف دیگر قطع اتصالات در هنگام کار (تحت بار)، سبب ایجاد آرک‌های بزرگ و اتلاف توان به شکل گرما می‌گردید، با تمام این اوصاف این رکتیفایرها برای فرکانس‌های بالای 1000 هرتز عملا ناتوان بودند.^[2]

رکتیفایر سنکرون

این نوع خاص از رکتیفایر برای تامین توان در لوکوموتیوهای برقی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این نوع رکتیفایر درواقع یک موتور سنکرون متصل شده به “اتصالات الکتریکی” می‌بود که توسط ولتاژ AC تغذیه می‌شد و به‌صورت تناوبی اتصالات بار (همان دستگاه‌های متصل شده به این موتور چرخان) را در لحظه‌ای که جریان سینوسی قصد گذر از مقدار “صفر” را داشت، تغییر می‌داد. تنها نکته‌ای که باید رعایت می‌شد؛ تغییر این وضعیت تحت جریان مقدار صفر (گذر از صفر) می‌بود در غیر این صورت شاهد به وجود آمدن آرک‌های بزرگ در هنگام تغییر اتصالات می‌بودیم.

یکسوساز ارتعاشی

مهم‌ترین عنصر استفاده شده در Vibrating rectifier، نی کلید ارتعاشی (Reed switch) می‌بود، این کلیدها توسط یک میدان مغناطیسی مرتعش شده و درنهایت سبب تغییر مسیر جریان در بخش نیم سیکل منفی می‌گردید.

از یکسوساز ارتعاشی تنها در توان‌های پایین با استفاده از ترانسفورماتور کاهنده جهت شارژ باتری استفاده می‌شد، بااین‌وجود این دستگاه امکان بهره‌برداری به‌عنوان یک اینورتر (مبدل DC به AC) را نیز فراهم می‌کرد.^[4]

نی کلید (Reed switch) گونه‌ای کلید است که با اعمال میدان مغناطیسی عمل می‌کند. این کلید در سال ۱۹۳۶ در آزمایشگاه‌های بل توسط والتر الوود اختراع شد^[3]

سیستم موتور – ژنراتور

نخستین مبدل چرخشی در سال 1888 میلادی توسط آقای Charles Smith Bradley که یک حقوق‌دان بود! اختراع گردید، سیستم Motor-Generator که به اسم مبدل چرخشی نیز شناخته می‌شود به‌صورت مستقیم تبدیل AC به DC را انجام نمی‌دهد، بااین‌حال به دلیل حضور یک ژنراتور DC خروجی سیستم با اتلاف توان درنهایت DC خواهد بود.^[5]

نحوه عملکرد “M-G set” به‌راحتی قابل‌درک است، در این سیستم یک موتور AC با برق متناوب تغذیه شده و از سوی دیگر یک ژنراتور DC با که با آن کوپل مغناطیسی شده است را می‌چرخاند، درنهایت در خروجی ترمینال ژنراتور جریان مستقیم، شاهد ولتاژ DC خواهیم بود، عمده کاربرد این مجموعه در قطارهای برقی می‌باشد.

در مجموعه موتور – ژنراتور به دلیل تبدیل چندباره نوع انرژی شاهد اتلاف توان زیادی می‌باشیم

رکتیفایر الکترولیتی

رکتیفایر Electrolytic یکی از معدود رکتیفایرهای اوایل قرن بیستم بود که دیگر از آن استفاده نمی‌شود.^[6] بزرگ‌ترین مشکل آن کارکرد تحت ولتاژ پایین و احتمال بالای خطر برق‌گرفتگی اپراتور می‌بود. نخستین‌بار ایده آن در سال 1913 در کتاب The Boy Mechanic مطرح شد^[7] و برای اولین‌بار در سال 1928 توسط G. W. Carpenter ثبت اختراع شد.^[8]

عملکرد کلی آن به دلیل در مجاورت قرار گرفتن هیدروکسید آلومینیوم و الکترودهای آلومینیم شکل می‌گرفت، متاسفانه این نوع یکسوسازی به دما حساسیت بالایی داشته و تنها در دماهای بالای 30 درجه سانتی‌گراد عملکرد قابل‌قبول از خود نشان می‌داد.

به‌صورت کلی روش‌های الکتروشیمیایی در مقایسه با روش‌های الکترومکانیکی از پایداری کمتری برخوردار هستند

با استفاده از این متد برق گیرهای الکترولیتی نیز ساخته شد که هیچ‌وقت نتوانستند سهمی از بازار کسب کنند، بااین‌حال خازن‌های الکترولیتی امروزی که یکی از عناصر ضروری در رکتیفایرهای حال حاضر محسوب می‌شوند حاصل همین تحقیقات می‌باشند.

رکتیفایر پلاسما

رکتیفایر Plasma نیز یکی دیگر از انواع عجیب یکسوساز‌ها می‌باشد که در اوایل قرن 20ام ارائه شد هرچند نویز پذیری بالا، اتلاف زیاد توان و سایر مشکلات خیلی زود سبب کنار رفتن آن گشت.

رکتیفایر لوله خلأ دیودی

رکتیفایر لوله خلأ دیودی یا thermionic vacuum tube diode که به آن دریچه فلمینگ (Fleming valve) نیز گفته می‌شود برای اولین‌بار در سال 1904 توسط John Ambrose Fleming به‌عنوان یک ردیاب امواج رادیویی اختراع شد که پس از تکامل، بعدا از آن به‌عنوان یکسوکننده نیز استفاده کردند.

در این دیود شاهد یک شیشه خلأ، رشته سیم گرما دیده شده به همراه مسیر اختصاصی جریان و تکه صفحه‌ای فلزی (آند) هستیم. پس از اعمال جریان به رشته سیم به سبب پدیده گسیل گرمایی (پدیده ادیسونی، این پدیده در سال 1884 توسط توماس ادیسون کشف شد) شاهد ساطع شدن الکترون به سمت تکه فلز آندی خواهیم بود و تا زمانی که تنها منبع ساطع الکترون این رشته سیم باشد این لوله تنها در یک جهت می‌تواند جریان را از طریق رشته به صفحه فلزی انتقال دهد.^[9]

در میان تمام تکنولوژی‌هایی که تاکنون بحث شد، ” رکتیفایر لوله خلأ دیودی” تنها موردی بود که به‌صورت گسترده در منابع تامین کننده توان دستگاه‌ها مانند؛ گرامافون، رادیو، تلویزیون و … استفاده شد.

مدل “تمام موج” به همراه دو صفحه (Plate) به دلیل امکان استفاده از ترانسفورماتور سر وسط (center-tapped transformer) (در این ترانسفورماتور در بخش خروجی دو انشعاب داریم) جز مواردی بود که بسیار محبوب گشت. یکی از مزیت‌های بسیار خوب این لوله‌ها امکان کارکرد تحت ولتاژهای بسیار بالا برای کاربردهای خاص نظیر: گیرنده‌های عظیم تلویزیونی و دستگاه‌های پرتو ایکس (X ray) می‌بود.

البته این نوع از رکتیفایرها در مقایسه با نوع دیودهای نیمه‌رسانای امروزی به دلیل مقاومت بالای داخلی، افت ولتاژ بالا، عدم پشتیبانی از جریان‌های بیشتر از 250mA و تولید گرمای بیش از حد دیگر استفاده نمی‌شوند.

رکتیفایرهای حالت جامد

رکتیفایرهای Solid State سبب انقلابی در طراحی یکسوکننده‌های بهینه شدند و تا به امروز نیز از این دسته استفاده می‌شود، در ادامه برخی از مدل‌های ساخته شده را بررسی خواهیم نمود.

دیود سیلیکون و ژرمانیوم

این نوع رکتیفایر انتخاب شماره یک بازار برای ولتاژ و توان‌های پایین می‌باشد، بزرگ‌ترین نقطه قوت این نوع از رکتیفایرها پایین بودن بسیار خوب سطح ولتاژ هدایت‌کننده (forward voltage) در حدود 0.3 تا 0.7 ولت می‌باشد.

تریستور توان بالا (SCRs)

رکتیفایرهایی که در مهندسی برق قدرت به‌وفور از آنها استفاده می‌شود از این دسته می‌باشند، این نوع از نیمه‌هادی‌ها در سال‌های 1975 تا 2000 توسعه یافتند، تریستور قدرت در مقایسه با دیودهای معمولی حاوی دو لایه نیمه‌رسانا می‌باشد، کاربرد تریستور تنها در رکتیفایر نبوده و در حوزه‌های دیگر مانند؛ جبران سازی توان راکتیو به‌وسیله ادوات فکتس نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تریستور توان بالا در کنار IGBT و GTO نیز قرار می‌گیرد هرچند که تریستور در فرکانس‌های پایین کلیک زنی را انجام می‌دهد ولی نسبت نه IGBT و GTO (که از سرعت بالاتری برخوردار هستند) از توان‌های سطح بالاتری پشتیبانی می‌کند به همین دلیل در کنار آن از لفظ “قدرت” استفاده می‌شود.^[10]

در سال 2009 پیش‌بینی می‌شد که سطح توان در سوئیچ‌های IGBT و GTO که IGCT (integrated gate-commutated thyristor) نامیده می‌شدند افزایش خواهد یافت و درنهایت جایگزین تریستورهای معمولی در سیستم‌های یکسوکننده AC توان بالا خواهند شد، بااین‌حال این اتفاق همچنان به‌صورت کامل رخ نداده است.^[11]

رکتیفایرهای اکتیو

یکسوسازی فعال (Active rectification) درواقع یک تکنیک برای افزایش بازده یکسوسازی با جایگزینی دیودها (عدم امکان کنترل آتش) با سوئیچ‌های قابل‌کنترل از نوع ترانزیستوری (عمدتا ماسفت و BJT توان بالا) می‌باشد.

یکی از مشکلات دیودها ثابت بودن افت ولتاژ آنها در حدود 0.5 تا 1 ولت می‌باشد، درحالی‌که با استفاده از یکسوسازهای اکتیو که شبیه یک مقاومت عمل می‌کنند به‌راحتی می‌توانیم افت ولتاژ را به‌صورت اختیاری کاهش دهیم.

از رکتیفایرهای اکتیو در پنل‌های خورشیدی جهت جلوگیری از جاری شدن جریان معکوس که به دلیل سایه جزئی اتفاق می‌افتد استفاده می‌شود، این جریان‌ها سبب تولید گرما و افزایش اتلاف توان در نیروگاه‌های خورشیدی می‌شوند.

رکتیفایر چگونه عمل می‌کند

رکتیفایر یا یکسو ساز تنها اجازه می‌دهد جریان از یک سمت عبور کند و همین ویژگی باعث می‌شود تا جریان‌های AC نتوانند به‌صورت کامل از رکتیفایر عبور نمایند. در واقع با قرار دادن یک دیود معمولی در مسیر جریان AC (ساده‌ترین نوع رکتیفایر؛ “نیم موج”) و با توجه به جهت قرار گرفتن آن می‌توانیم نیم سیکل منفی یا مثبت موج متناوب را حذف کرده و در خروجی تنها نیم سیکل‌هایی که هم‌جهت با دیود باشند را داشته باشیم.

کاربرد رکتیفایر

رکتیفایر‌ها علاوه بر تبدیل AC به DC در مواردی مانند دمولاسیون امواج رادیویی در انواع گیرنده‌های رادیویی، خطوط انتقال برق HVDC، جوشکاری و مدارات تغذیه سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شاید باورش سخت باشد ولی یکی از کاربردهای دیگر رکتیفایر استفاده در مبدل‌های DC – DC می‌باشد، به این شکل که ابتدا ولتاژ DC به ولتاژ AC توسط یک اینورتر تبدیل شده و سپس سطح ولتاژ طبق نیاز ما توسط یک ترانسفورماتور تنظیم می‌شود، درنهایت خروجی ترانسفورماتور مجددا به ولتاژ DC تبدیل می‌گردد. این فرآیند زمانی که هزینه تهیه یک مبدل توان بالای DC به DC منطقی نباشد انجام می‌پذیرد.

در ادامه مهم‌ترین کاربردهای Rectifier آورده شده است.

منبع تغذیه

بسیاری از کاربردهای کنترلی و ابزار دقیق نیازمند یک منبع تغذیه DC باکیفیت توان بالا می‌باشند، رکتیفایر می‌تواند پاسخگوی این نیاز باشد.

منابع برق اضطراری

UPSها وظیفه تامین برق را در شرایط اضطراری به عهده‌دارند، باتری‌های لیتیومی یکی از مهم‌ترین المان‌های به‌کاررفته در این ادوات می‌باشند، برای شارژ این باتری‌ها نیازمند برق DC (جریان مستقیم) می‌باشیم که به‌راحتی می‌توانیم با استفاده از رکتیفایر، برق AC خانگی را جهت شارژ آنها به DC تبدیل نماییم.

گرم‌کن القائى

گاهی اوقات امکان استفاده از مبدل‌های AC به AC فراهم نمی‌باشد، به همین دلیل در ابتدا برق AC را با رکتیفایر به DC تبدیل کرده و سپس با استفاده از اینورتر آن را مجددا به برق AC با فرکانس مدنظر تبدیل می‌کنیم (تمرکز در این تبدیل بروی فرکانس می‌باشد نه سطح ولتاژ آن)، گرم‌کن‌های القایی جز آن دسته از مواردی می‌باشند که نیازمند برق AC با فرکانس کاری بالا بوده و به همین دلیل از سیستمی که ذکر شد در ساختار آن استفاده می‌شود.

دستگاه‌های قابل‌حمل

به‌صورت کلی بزرگ‌ترین مشکل جریان متناوب (Alternating Current) عدم امکان ذخیره‌سازی آن می‌باشد، به همین دلیل در جهت تبدیل برق AC به DC، رکتیفایر در اکثر دستگاه‌های قابل‌حمل مانند؛ خودروهای الکتریکی، لپ‌تاپ‌ها، موبایل‌ها، PDAها و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع رکتیفایر

مدارات رکتیفایر می‌تواند به‌صورت تک‌فاز و یا چند فاز باشند. عمدتا اکثر کاربردهای توان پایین به‌صورت تک‌فاز بوده و در مقابل آن توان بالاها مانند؛ HVDC، به‌صورت سه‌فاز می‌باشد.

با فرض بر اینکه کاربردهای ما صرفا در قالب تک‌فاز و سه‌فاز صورت می‌پذیرد این دو دسته را بررسی خواهیم نمود.

رکتیفایر تک‌فاز

عمده کاربرد این رکتیفایرها برای مصارف خانگی و صنایع کوچک می‌باشد که همان‌طور که گفته شد از توان‌های پایین جهت تغذیه بارهای خود استفاده می‌کنند. رکتیفایر نیم موج و تمام موج دو مدل پرکاربرد در این دسته می‌باشند.

رکتیفایر نیم موج تک‌فاز

در این رکتیفایر صرفا قسمت مثبت و یا منفی موج AC و در حالی که بخش مقابل آن مسدود شده است اجازه عبور می‌یابد. ازآنجایی‌که صرفا نصف موج اولیه به خروجی انتقال داده می‌شود بنابراین میانگین ولتاژ خروجی پایین می‌باشد.

به این دلیل که در این یکسوساز تنها از یک دیود استفاده می‌شود بنابراین طبق شکل بالا جریان به شکل پالسی و ریپلی خواهد بود که قطعا سبب تولید هارمونیک و افت کیفیت توان می‌شود.

خروجی ولتاژ DC در حالت ایده‌آل برای یک موج کاملا سینوسی که به ورودی رکتیفایر تک‌فاز نیم موج اعمال شده است عبارت است از؛^[12]

که در آن؛

V_dc: V_av یا میانگین ولتاژ خروجی.

V_peak: مقدار پیک ولتاژ AC در بخش ورودی.

V_rms: مقدار RMS ولتاژ خروجی.

رکتیفایر تمام موج تک‌فاز

در این مدل تمام موج ورودی به‌صورت کامل در خروجی با یک پلاریته (مثبت یا منفی) ظاهر می‌شود. با توجه به مورد یاد شده قطعا میانگین خروجی در این حالت بیشتر از حالت نیم موج می‌باشد. برای داشتن این رکتیفایر می‌توانیم از دو عدد دیود و یک ترانسفورماتور سر وسط و یا چهار دیود که به شکلی خاص به هم متصل شده‌اند، استفاده نماییم.^[13]

اگر از ترانسفورماتور سر وسط استفاده نماییم به دو عدد دیود به‌گونه‌ای که پشت به پشت به هم مطابق شکل زیر متصل شده‌اند (کاتد به کاتد و آند به آند) برای ساخت یک رکتیفایر تمام موج تک‌فاز نیاز خواهیم داشت.

دقت داشته باشید که برای رسیدن به ولتاژ مدنظر در خروجی، باید دو برابر حالتی که نیاز است در بخش ثانویه ترانسفورماتور سیم‌بندی صورت پذیرد.

مقدار میانگین و RMS ولتاژ خروجی در حالت بی‌باری در یک رکتیفایر تمام موج ایده‌آل به‌صورت زیر می‌باشد.

رکتیفایر سه‌فاز

این دسته عمدتا برای کاربردهای صنعتی و توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد و در آن همانند تک‌فاز، رکتیفایر سه‌فاز نیم موج، تمام موج با ترانس سر وسط و تمام موج با پل مداری وجود دارد.

ازآنجایی‌که توان نامی در این دسته بالا می‌باشد به همین دلیل عمدتا به‌جای دیودهای معمولی از تریستور توان بالا که پیش‌تر در مورد آن بحث شد استفاده می‌شود.

رکتیفایر نیم موج سه‌فاز

اگر در ساخت این رکتیفایر از دیود استفاده کنیم، ازآنجایی‌که زاویه آتش دیود قابل تنظیم نیست به آن رکتیفایر کنترل نشده گفته می‌شود. در مقابل آن رکتیفایر کنترل شده حضور دارد که در آن به‌جای دیود عادی از تریستور که امکان تعیین زمان کلیدزنی را به ما می‌دهد.

در مدل نیم موج کنترل نشده سه‌فاز به سه عدد دیود که هرکدام برای یک فاز در نظر گرفته‌شده‌اند نیازمندیم. قطعا این مدل ساده‌ترین رکتیفایر سه‌فاز بوده که تاثیرات مخرب هارمونیکی آن با توجه به توان بالای آن بر کسی پوشیده نیست.

در ادامه تصویری از یک رکتیفایر سه‌فاز نیم موج کنترل شده (استفاده از تریستور) که در آن از اندوکتانس منبع صرف‌نظر شده قرار گرفته است.

برای درک بهتر سازوکار این رکتیفایر نیم موج، شکل زیر که خروجی DC آن می‌باشد را در نظر بگیرد.

مقدار V_peak در شکل موج نشان داده شده درواقع RMS ولتاژ V_LN ورودی یک فاز (خط به نقطه خنثی) می‌باشد که عبارت است از؛ V_peak = sqrt(2) * V_LN

برای محاسبه ولتاژ متوسط (V_av) در حالت بی‌باری، کافی است انتگرال (مساحت) زیر نمودار شکل بالا را از زاویه 30 تا 150 درجه محاسبه نماییم. اگر بخواهیم این انتگرال را به‌صورت یک رابطه بیان نماییم به شکل زیر خواهد بود.

رکتیفایر تمام موج، ترانس سر وسط، سه‌فاز

یکی از روش‌های اصلاح هارمونیک در رکتیفایرها استفاده از ترانسفورماتور سر وسط می‌باشد. همان گونه که می‌دانید تعداد سیم‌پیچ‌های سمت ثانویه در این ترانس دو برابر حالت عادی می‌باشد به همین دلیل به 6 عدد دیود که هرکدام به انتهای یک سیم‌پیچ (ثانویه) از ترانسفورماتور متصل می‌شوند نیاز داریم.

تصویر رکتیفایر تمام موج سه‌فاز کنترل شده (استفاده از تریستور) به همراه ترانسفورماتور سر وسط در ادامه آورده شده است.

البته این مدل از رکتیفایر آن‌چنان هم جدید نیست! پیش از اینکه عناصر حالت جامد (Solid State) مورد استفاده قرار بگیرند استفاده از ترانسفورماتور سر وسط در سایر روش‌های یکسوسازی امری بسیار عادی بود بااین‌حال به‌مرورزمان و پس از ظهور دیودها و تریستورها، استفاده از این ترانس‌ها کمتر شده و به‌صورت کلی جای خود را به مدارات پلی (Bridge Circuit) دادند.^[14]

در ادامه نگاهی به دو مدل کنترل نشده و کنترل شده رکتیفایرهای Bridge سه‌فاز خواهیم داشت.

رکتیفایر پل دیودی کنترل نشده سه‌فاز

در این رکتیفایر نیز 6 عدد دیود نیاز است و مسلما خروجی نیز 6 پالس خواهد بود (به آن رکتیفایر پل 6 پالس نیز گفته می‌شود).

برای سادگی بیشتر در تلفظ نام “Three-phase bridge rectifier uncontrolled 6 pulse” در مقالات، به اختصار “B6” نیز گفته می‌شود.

در برخی از کاربردها که در آنها توان نامی پایین می‌باشد از دو عدد دیود که به‌صورت سری و به شکلی که آند دیود اول به کاتد دیود دوم متصل شده است استفاده می‌کنند، دقت داشته باشید که در این حالت نیز 6 عدد دیود (رکتیفایر کنترل نشده) و یا تریستور (رکتیفایر کنترل شده) نیاز می‌باشد.

اگر توان نامی مدنظر بالا باشد ممکن است در هر شاخه، از یک رکتیفایر مجزا استفاده شود، البته در برخی از کاربردها نظیر ذوب آلومینیوم به‌قدری به توان بالا نیازمندیم که ممکن است در هر شاخه (leg) ده و یا صد عدد دستگاه به‌صورت مجزا با یکدیگر موازی شوند.

رکتیفایر پل تریستوری کنترل شده سه‌فاز

همان گونه که از نام آن مشخص است و قبلا نیز توضیح داده شد در این رکتیفایر به‌جای استفاده از دیود که قابل‌کنترل نیست از سوئیچ و آن‌هم از نوع تریستور استفاده می‌شود. در این مدل ولتاژ خروجی به شدت از زاویه α طبق رابطه زیر تاثیر می‌پذیرد.

در رابطه بالا به‌جای استفاده از ولتاژ پیک می‌توانیم از مقدار خط به خط آن نیز استفاده نماییم که در این صورت به شکل زیر خواهد بود؛^[15]

که در آنها؛

V_LLpeak: مقدار پیک ولتاژ خط به خط.

V_peak: مقدار پیک ولتاژ (خط به خنثی).

α: زاویه آتش تریستور (اگر به‌جای تریستور دیود بود مقدار آن 0 می‌باشد).

البته معادلات بالا در حالی صادق هستند که منبع ولتاژ AC کاملا ایده‌آل (بدون درنظرگرفتن مقاومت و اندوکتانس) باشد چرا که در واقعیت به دلیل وجود اندوکتانس افت ولتاژ در حالت فول لود حدود 10-20% می‌باشد.

حضور اندوکتانس منبع مشکل دیگری نیز به وجود می‌آورد و آن برهم زدن زمان‌های کلیدزنی به شکل استاندارد می‌باشد، در این حالت ممکن است هم‌پوشانی بین سوئیچ‌ها به وجود آید، معمولا این هم‌پوشانی را با µ که بین 20 تا 30 درجه در حالت فول لود می‌باشد، نشان می‌دهند.

اگر بخواهیم هم‌پوشانی را در نظر بگیریم در این حالت معادلات به شکل زیر تبدیل خواهند شد.

زاویه هم‌پوشانی به شکلی مستقیم با جریان DC ارتباط دارد به همین دلیل می‌توانیم آن را به شکل زیر در معادله بالا جایگزین نماییم.

که در آن؛

L_c: اندوکتانس تاخیر ناشی شده از منبع در هر فاز.

I_d: جریان مستقیم.

در تصاویر زیر می‌توانید تاثیر زاویه µ و α را در سناریوهای متفاوت مشاهده نمایید.

رکتیفایر 12 پالس

باتوجه به موارد گفته شده رکتیفایر 6 پالس از دید THD (Total Harmonic Distortion) نسبت به رکتیفایر تک‌فاز و سه‌فاز تمام موج بهتر عمل می‌کند با این حال این رکتیفایر نیز همچنان مشکل هارمونیک داشته به همین دلیل برای توان‌های بالا که تاثیر هارمونیک‌های مزاحم بیشتر است از رکتیفایر 12 پالس استفاده می‌کنیم.

رکتیفایر 12 پالس درواقع از اتصال سری دو رکتیفایر 6 پالس به وجود می‌آید که در آن هر لگ (Leg) دو رکتیفایر (6 پالس) داشته که از یک فاز استفاده می‌کنند و بین این دو رکتیفایر 30 درجه اختلاف فاز وجود دارد. همین اختلاف فاز 30 درجه سبب حذف هارمونیک‌ها در رکتیفایر 6 پالس (نصب شده بروی هر لِگ رکتیفایر 12 پالس) می‌شود که در نهایت تاثیر مثبتی در عملکرد رکتیفایر 12 پالس ما خواهد داشت.^[16]

رکتیفایرهای تقویت کننده ولتاژ

دسته دیگری از رکتیفایرها هستند که در آنها ولتاژ خروجی چند برابر ولتاژ ورودی می‌باشد، این دسته بخصوص را “Voltage-multiplying rectifiers” می‌نامند.

رکتیفایر تمام پل یکی از این موارد است که در آن ولتاژ خروجی تقریبا دو برابر مقدار پیک ولتاژ ورودی (AC) می‌باشد. در شکل مقابل این رکتیفایر را که در اصل از نوع نیم موج می‌باشد را مشاهده می‌نمایید، خازن‌های استفاده شده در این رکتیفایر به‌منظور صاف‌تر کردن خروجی DC می‌باشند.

Cockcroft Walton نیز یکی از مواردی است که در آن ولتاژ خروجی DC می‌تواند 10 برابر ولتاژ ورودی باشد!. در نگاه اول تصور می‌شود این مدل از رکتیفایرها کاربرد آن‌چنانی نداشته باشند، بااین‌حال به دلیل ویژگی خاص آنها، از این تقویت کننده‌ها در مدارات بسیار زیادی نظیر؛ تلویزیون، انتقال‌دهنده‌های فرکانس رادیویی، دستگاه‌های تابش فتون، مایکرو ویوها و … استفاده شده است.^[17]

بازده رکتیفایر

نسبت تبدیل و یا بازده رکتیفایر را با η نشان می‌دهند و به‌صورت کلی بیانگر نسبت ولتاژ DC خروجی به ولتاژ ورودی AC می‌باشد. حتی اگر تصور کنیم رکتیفایر ما کاملا ایده‌آل می‌باشد این عدد 100% نخواهد بود چرا که در هر شرایطی مقداری از خروجی با اینکه به‌صورت کلی DC نامیده می‌شود ولی ماهیتی AC (ریپل‌ها) به همراه دارد. عموما برای رفع این مشکل از مداری ثانویه جهت صاف‌تر کردن DC خروجی و حذف بخش‌های AC آن استفاده می‌کنند.

اگر در رکتیفایر از ترانسفورماتور استفاده نماییم، به دلیل تلفات بیشتر، نسبت تبدیل بازهم کاهش خواهد یافت

خوشبختانه در برخی از کاربردهایی که نیاز به رکتیفایر سه‌فاز و چندفاز داریم خروجی ببه‌قدری ایده‌آل هست که سبب عدم استفاده از مدارات ثانویه جهت بهبود کیفیت توان می‌شود.^[18]

عمدتا در کاربردهایی که ماهیت مقاومتی آنها بالا می‌باشد نیازی به بهبود ریپل ولتاژ DC در خروجی حس نمی‌شود

نسبت تبدیل برای یک رکتیفایر نیم موج به شکل زیر می‌باشد.

و

بنابراین ماکزیمم بازده یک رکتیفایر نیم موج برابر است با.

به همین سادگی می‌توانیم برای تمام موج نیز این معادلات را بسط دهیم که خواهیم داشت.

همان گونه که مشاهده می‌شود در تمام موج بازده تقریبا 2 برابر شده است!.

در رکتیفایر سه‌فاز نیز به دلیل اینکه هارمونیک کمتری را شاهد هستیم بازده به‌صورت کلی نسبت به همتای تک‌فاز خود بیشتر است، در ادامه معادلات رکتیفایر سه‌فاز نیم موج را مشاهده می‌کنید.

و اگر رکتیفایر ما از نوع تمام موج سه‌فاز باشد خواهیم داشت.

افت ولتاژ رکتیفایر

در عمل امکان ندارد که یک رکتیفایر به‌صورت کامل مصون از افت ولتاژ باشد (افت ولتاژ در عناصر نیمه‌هادی معمولا کمی بالاتر یا پایین‌تر از 0.7 ولت می‌باشد).

در رکتیفایرهای نیم و تمام موج که در آنها از ترانسفورماتور سر وسط استفاده شده است این افت ولتاژ معمولا به‌ازای هر دیود یک پیک تا پیک ولتاژ می‌باشد. در رکتیفایر‌های پلی (Bridge) این مقدار دو برابر می‌باشد که می‌تواند سبب محدودیت در استفاده برای کاربردهای توان پایین گردد چرا که در این کاربردهای عمدتا ولتاژ متناوب ورودی عددی بسیار پایین است و چه‌بسا قرار است مقداری هم از آن از دست برود!

افت ولتاژ در کاربردهای ولتاژ پایین (12 ولت به پایین) بسیار حائز اهمیت است اما این گزاره به معنی کم‌اهمیت بودن تلفات در توان‌های بالا (HVDC) نیست چرا که در آنها تلفات عمدتا عددی قابل‌توجه است

هارمونیک رکتیفایر

ازآنجایی‌که عناصر مورد استفاده ما همگی در دسته الکترونیک قدرت جای می‌گیرند پس جای تعجبی هم نیست که شاهد هارمونیک جریان در سمت منبع AC و هارمونیک ولتاژ در سمت منبع DC باشیم.

نوآوری در رکتیفایر

رکتیفایرها همچنان درحال‌توسعه می‌باشند و ازآنجایی‌که کاربردهای آنها در طیف وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد به همین دلیل سهم خوبی از مقالات علمی را از آن خود نموده‌اند.

یکی از حوزه‌های بسیار خوب برای کار علمی، ساخت و طراحی رکتیفایرهای فرکانس بالا (terahertz) می‌باشد. این دستگاه‌ها در انتقالات و ارتباطات نوری، ساعت اتمی، آنتن‌های بسیار کوچک و کارآمد و … کاربرد دارند.^[19]

یکی دیگر از این حوزه‌ها که در راستای همان رکتیفایرهای فرکانس بالا قرار می‌گیرد، طراحی یکسوکننده‌های بسیار کوچک می‌باشد، در این دستگاه‌ها نیز فرکانس کاری بالا است، یکی از پروژه‌های تحقیقاتی مطرح در این زمینه Unimolecular rectifier نام دارد.

Unimolecular rectifier برای اولین‌بار در سال‌های 1981 تا 1991 در دانشگاه می‌سی‌سی‌پی واقع در شهر آکسفورد آمریکا مورد تست و بررسی قرار گرفت، البته آزمایش‌های اولیه در آن سال‌ها ناموفق بود. این سری از تحقیقات از سال 2001 در دانشگاه آلاباما آمریکا در حال ادامه می‌باشد.^[20]

شبیه سازی رکتیفایر در سیمولینک

در این بخش می خواهیم یک رکتیفایر سه فاز کنترل نشده (دیودی) را در نرم افزار سیمولینک متلب به صورت کامل از ابتدا تا انتها شبیه سازی نماییم، در این ویدیو ابتدا نگاهی کوتاه به مدار مدنظر خواهیم داشت و پس از شبیه سازی، خروجی را در حالات متفاوت تحلیل خواهیم نمود.

دانلود فیلم آموزش شبیه سازی رکتیفایر سه فاز دیودی در متلب – Full HD | با حجم 53 مگابايت

دانلود پروژه انجام شده در متلب | با حجم 23 کیلوبايت

آنچه که در این ویدیو خواهید دید؛

بررسی رکتیفایر 6 سوئیچه سه فاز، شبیه سازی یکسوساز سه فاز، توضیح نحوه عملکرد آن، مکان های مورد استفاده HVDC، تحلیل آن با زاویه آتش، توضیحات یکسوسازی با سوئیچ کنترل شونده.

سوالات متداول رکتیفایر

منابع

1. Morris, Peter Robin (1990), “A History of the World Semiconductor Industry“, p. 18. ISBN 978-0-86341-227-1 ↑

2. W. J. Still, “Rectifier for Electrical Current“, No. 547,043, 1895 ↑

3. Rudolf F. Graf, “reed relay” Dictionary of Electronics; Radio Shack, 1974-75 ↑

4. John Thos Dempster, “Vibration Rectifire“, Patents.google US1019608A, 1908 ↑

5. Hughes, Thomas Parke. “Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930” Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press – 1993 ↑

6. Hawkins, Nehemiah (1914). “54. Rectifiers”. Hawkins Electrical Guide: Principles of electricity, magnetism, induction, experiments, dynamo. New York: T. Audel. Retrieved 8 January 2013 ↑

7. “How To Make An Electrolytic Rectifier“, Chestofbooks Website ↑

8. US patent 1671970, Glenn W. Carpenter, “Liquid Rectifier“, issued 1928-06-05 ↑

9. “Mazda Valves“. Archived from the original on 28 June 2013 ↑

10. Christiansen, Donald; Alexander, Charles K. (2005); Standard Handbook of Electrical Engineering (5th edition.). McGraw-Hill, ISBN 0-07-138421-9 ↑

11. Arrillaga, Jos; Liu, Yonghe H; Watson, Neville R; Murray, Nicholas J (12 January 2010). Self-Commutating Converters for High Power Applications. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-68212-8 ↑

12. Lander. Cyril W, (1993). “2. Rectifying Circuits”, Power electronics (3rd ed.), London: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-707714-3 ↑

13. Williams, B. W. (1992), “Chapter 11”. Power electronics : devices, drivers and applications (2nd ed.), Basingstoke: Macmillan, ISBN 978-0-333-57351-8 ↑

14. Hendrik Rissik (1941). “Mercury-arc current convertors: an introduction to the theory and practice of vapor-arc discharge devices and to the study of rectification phenomena“, Sir I. Pitman & sons, ltd ↑

15. Kimbark, Edward Wilson (1971), “Direct current transmission (4. printing. ed.)”, New York: Wiley-Interscience. p. 508. ISBN 978-0-471-47580-4 ↑

16. Zhou Guangyang, “Analysis of the Working Principle of 12 Pulse Inverter Bridge“, International Conference on Environment, Materials, Chemistry and Power Electronics, 2016 ↑

17. Kleppner. Daniel. Robert J, “An Introduction to Mechanics (2nd ed.)”, Boston: McGraw-Hill, p. 498. ISBN 0-07-035048-5, 1973 ↑

18. Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg (eds), “Reference Data for Engineers: Radio, Electronics, Computer, and Communications”, p. 14. 13, Newnes, 2002 ↑

19. Idaho National Laboratory (2007). “Harvesting the sun’s energy with antennas” ↑

20. Metzger, R.M.; Chen, B., Höpfner, U., Lakshmikantham, M.V., Guillaume, D, Kawai, T., Wu, X., Tachibana, H, Hughes, T.V., Sakurai, T.V., Baldwin, J.W., Hosch, C., Cava, M.P., Brehmer, L. and Ashwell, G.J. (1997). “Unimolecular Electrical Rectification in Hexadecylquinolinium Tricyanoquinodimethanide”. J. Am. Chem. Soc ↑

خوشحال خواهیم شد اگر شما نکته و یا تجربه‌ای در مورد رکتیفایر داشته‌اید با ما در بخش نظرات درمیان بگذارید

راستی! برای دريافت مطالب جديد در پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.