טכנולוגיות מפתח של מפרקי מעגל נמוך-מתח בקע מוצק

1 אתגרים טכניים

1.1 יציבות של התקנים מקבילים
בישומים מעשיים, יכולת העמסה של התקן אלקטרוני אחד היא מוגבלת יחסית. כדי לעמוד בדרישות זרם גבוה, תכופות מחברים מספר התקנים מקביל. עם זאת, השונות בין הפרמטרים של התקנים, כגון הבדלים קלים בהתנגדות המנה ו напряжение порога, могут вызывать неравномерное распределение тока при параллельной работе. Во время переходных процессов паразитные индуктивность и емкость еще больше приводят к различным скоростям изменения тока между параллельными устройствами, усугубляя дисбаланс тока. Если этот дисбаланс не устранить вовремя, он может привести к перегреву и выходу из строя некоторых устройств из-за чрезмерного тока, что снижает срок службы твердотельного выключателя.

1.2 איחור בהזיהוי תקלה
במערכות DC, מאפייני הזרם במהלך תקלות שונים באופן מהותי ממערכות AC, מכיוון שהן חסרות נקודות חצי מעגל שמשתמשות להזיהוי והפסקת תקלות. הדבר מחייב את שימושם של תכניות הזיהוי ברמת מיקרו-שניות על ידי תיכנות תחתית סטטית כדי לזהות תקלות באופן מדויק ולהגיב במהירות. שיטות הזיהוי מסורתיות סובלות מאיחורים משמעותיים כאשר מתמודדות עם זרמים של תקלות DC משתנים במהירות, מה שהופך אותן לא מסוגלות לעמוד בדרישות הגנה מהירה.

1.3 הסתירה בין פיזור חום לנפח
כדי לעמוד בדרישה למדידת כוח גבוהה במתקנים מודרניים, עיצובי תיכנות תחתית סטטיים חייבים להשיג עיבוד כוח גבוה יותר בנפח מוגבל. עם זאת, מדידת כוח גבוהה מובילה לעלייה דרמטית בחום שנוצר על ידי התקנים אלקטרוניים. פיזור חום בלתי מספיק גורם לטמפרטורות גבוהות מדי, שמגנות על ביצועי התקן ומגנות על כשל תרמי ואביזרים. טכניקות קירור קונבנציונליות מבצעות בצורה גרועה עם תיכנות תחתית סטטיים בעומס גבוה. בעוד שקירור נוזלי יכול לשפר את יעילות הפיזור, הוא מגביר את גודל האביזרים ואת המחיר. לכן, איך למקסם בין קירור יעיל לשליטה בנפח סביר - להשיג אופטימיזציה משולבת - נשאר אתגר מרכזי בעיצוב תיכנות תחתית סטטיים.

2 מחקר טכנולוגיות מפתח

2.1 טכנולוגיית יישום התקנים רחבי פער
(1) בחירת SiC MOSFET ואריזה
בין התקנים רחבי פער שונים, SiC MOSFET בעלי אובדן מוליכות נמוך מציגים יתרונות משמעותיים. כדי לשפר את הביצועים שלהם ביישומים מרובים מקבילים, מאמץAYOUT DBC סימטרי..setLayout זה מפחית באופן יעיל את האינדוקטיביות הפאראזית, שהיא קריטית לשיפור מאפייני החלפת התקן. במהלך החלפה, במיוחד בזמן כיבוי, האינטראקציה בין האינדוקטיביות הפאראזית לבין קיבולת התקן גורמת להתנדנדויות מתח שער. ניסויים מעשיים מראים כי עם diseño simétrico de DBC, las oscilaciones de voltaje de la puerta durante el apagado se pueden controlar en menos del 5%. Esto no solo mejora la estabilidad dinámica durante la operación paralela, sino que también reduce el riesgo de daño al dispositivo debido a las oscilaciones de voltaje.

(2) בקרה דינמית לחלוקת זרם
כדי להתמודד עם האתגר של חלוקת זרם לא אחידה במכשירים מקבילים, מציגים אסטרטגיה של בקרה שמשלבת אוטובוס לחלוקת זרם עם تنظيم PI תואם. האוטובוס לחלוקת הזרם, באמצעות תכנון מבני ייחודי, מספק מסלול חלוקת זרם מאוזן לכל ענף מקביל ברמה פיזית. על בסיס זה, אלגוריתם PI תואם מתאים באופן דינאמי את אותות הנעילה של כל התקן בהתאם לעדכון בזמן אמת של זרמים בענפים, ומשיג בקרה מדויקת יותר לחלוקת זרם.

2.2 טכנולוגיה מהירה לזיהוי והפסקת תקלות
(1) זיהוי תקלות dựא על מתח השער
ניתוח מאפייני קצר החשמל של SiC MOSFET מראה כי במהלך תקלה קצרה, המתח בין הקטר-מקור (VDS) עולה במהירות עד 900V בעוד המתח בשער יורד משמעותית עם שיפוע העובר 10 V/ns. תוך שימוש במאפיין זה, מתכנן משווה דו-סף לתפיסה מהירה של תקלות, מגדיר שני סף זרם: Ith1 = 500 A ו-Ith2 = 1.2 kA. כאשר הזרם המזוהה עולה מעל Ith1, מופעל אזהרה ראשונית; העברת Ith2 מצביעה על תקלה קצרה מאושרת. המעגל הזיהוי והאלגוריתם לעיבוד אותות מצליחים להשיג איחור זיהוי של רק 0.8 μs. גישה זו נמנעת מהמרת אותות והעיבוד המורכב של שיטות מסורתיות תוך שימוש בתכונות חשמליות פנימיות של SiC MOSFET, משפרת משמעותית את דיוק הזיהוי של תקלות.

(2) אסטרטגיה מופטמת למטרה מרובה להפסקת תקלות
כדי להשיג הפסקת תקלות בעלת ביצועים גבוהים בתיכנות תחתית סטטיים, זמן הפסקה (Δt), ספיגת אנרגיה (EMOV) וזרם פסגה (Ipeak) מוגדרים כפונקציות מטרה, מופטמים באמצעות אלגוריתם אופטימיזציה חלקיקים רב-מטרה (MOPSO). זמן הפסקה קצר מספק הגנה טובה יותר על ציוד מערכת; ספיגת אנרגיה משפיעה על בחירת וחיי שירות של מרכיבי הגנה כמו MOVs; זרם פסגה גבוה מדי גורם לחץ חשמלי משמעותי, המשפיע על פעילות ציוד נורמלית.

דרך מספר איטרציות אופטימיזציה של MOPSO, נקבעים פרמטרים אופטימליים: אינדקטור מגביל זרם LB = 15 μH ומקדם הגבלה של מתח MOV γ = 1.8. באמצעות הפרמטרים המופטמים, זמן הפסקה מופחת ל-73.5 μs, והזרם המרבי מוגבל ל-526 A. כדי להדגים חזותית את אפקט האופטימיזציה, שיטת קבלת החלטות TOPSIS משווה תוצאות לפני ואחרי האופטימיזציה. השוואת התוצאות מראה שיפורים משמעותיים במדדים מרכזיים כמו זמן הפסקה, ספיגת אנרגיה וזרם פסגה, מגבירה באופן משמעותי את הביצועים הכלליים ומגיבה טוב יותר לדרישות הנדסיות מעשיות לפסקה מהירה ומוצלחת בתיכנות תחתית סטטיים.

2.3 תכנון מבנה מכני מהימן
(1) מתג מבודד מגנט נצחי
כדי לשפר את המהימנות והיציבות של תיכנות תחתית סטטיים, מתכנן מתג מבודד מגנטי נצחי המשתמש במנגנון מגנטי נצחי דו-יציב. בהבנית זו, כוח החזקה לסגירה ופתיחת מתג מסופק בעיקר על ידי מגנטים נצחיים, עם סליל מופעל רק למשך זמן קצר במהלך פעולות המתג. הדבר מפחית את צריכת החשמל בכ-90% בהשוואה למתגי מבודד אלקטרומגנטי מסורתיים. ניתוח דינמי של Adams מראה שהחיים המכניים של מתג המבודד המגנטי הנצחי עוברים מיליון פעולות, עם מהירות הפרדת מגע של 3 m/s. המהירות הגבוהה של הפרדת מגע מבטיחה ניתוק מהיר של מעגל במקרה של תקלה, מפחיתה את הסיכוי ליצירת קשת ומגבירה את יכולת הפסקת המתג. החיים המכניים הארוכים מבטיחים ביצועים יציבים לאורך זמן, מפחיתים את תדירות ההדרכות והחלפות, ובכך מספקים תמיכה חזקה לפעילות יעילה של תיכנות תחתית סטטיים.

(2) פתרון ניהול חום
כדי להתמודד עם אתגרי הפיזור בחום בעיצובים בעומס גבוה, מציע פתרון קירור היברידי שמשלב קירור אבולטיבי עם קירור אוויר כפוף. קירור אבולטיבי משתמש בעקרון הרaporation של נוזל שספוג חום, מאפשר העברה יעילה של חום במרחבים קומפקטיים. קירור אוויר כפוף מרחיב את הפיזור באמצעות נגיף מנועי. דרך קירור היברידית זו מייצבת את הטמפרטורה של נקודת החום המודולית מתחת ל-75°C, עם קצב עלייה בטמפרטורה של פחות מ-5°C/דקה, עומדת בדרישות תקן.III. אימות ניסיוני

3 אימות ניסיוני

3.1 פרמטרים של הדגם
כדי לוודא את יעילות הטכנולוגיות והעיצובים המפתח, פותח דגם של תיכנות תחתית סטטיים DC נמוך-מתח, עם הפרמטרים העיקריים הבאים:

3.2 תוצאות מבחן סוג

הופעלו מבחנים מקיפים על הדגם כדי להעריך אם הביצועים שלו עומדים בדרישות ליישומים מעשיים:

(1) מבחן הפסקת קצר חשמל
תקלות קצר חשמל הן אחת מתקלות החומרות ביותר במערכות חשמל, והזרם העצום שנוצר בהן מהווה איום משמעותי על פעולת הציוד. כדי לדמות את מצב הקיצון הזה, הוקם סביבת מבחן עם זרם קצר חשמל של 23 kA - מטיל אתגר קשה לתיכנות תחתית סטטיים. בתחילת המבחן, הדגם הפעיל במהירות, והטכנולוגיה המהירה לזיהוי והפסקת תקלות שבנויה בו החלה לפעול. טכנולוגיה זו, באמצעות מעקב מדויק מאוד אחר הזרם ומנגנון תגובה מהיר, זיהתה את הזרם המוזר בתוך זמן קצר מאוד וガーמה להפעלת תהליך הפסקת הזרם מיד.

במהלך הפסקת הזרם, אנשי המבחן עקבו בקפידה בביצועי המתג, ולא היו מקרי הדלקת מחדש של קשת במהלך התהליך. תוצאה זו מוכיחה לא רק את היעילות הגבוהה של טכנולוגיית הזיהוי והפסיקת תקלות המהירה, אלא גם את הביצועים המתקדמים של הפסקת תקלות בתיכנות תחתית סטטיים. במתגים מסורתיים, הדלקת מחדש של קשת היא בעיה קשה להימנע ממנה, ולעיתים קרובות גורמת לתקלות משניות או אפילו לנזק חמור לציוד. לעומת זאת, תיכנות תחתית סטטיים מצליחים להימנע מבעיה זו באמצעות טכניקות הפסקת תקלות מתקדמות, ובכך מספקים תמיכה חזקה לפעילות יציבה של מערכות חשמל.

(2) מבחן עלייה בטמפרטורה
ביצועי חום הם גורם נוסף חשוב בהערכת תיכנות תחתית סטטיים. כדי להעריך בצורה יעילה את יכולת הפיזור בחום של האביזר במהלך פעולה ממושכת, בוצע מבחן עלייה בטמפרטורה. נדרש מהדגם לפעול באופן רציף במשך 24 שעות, במהלכן נוצר חום משמעותי [9]. לאחר המבחן, השתמשו חיישני טמפרטורה כדי למדוד את הטמפרטורה של הדגם. התוצאות הראו עלייה בטמפרטורה של ΔT = 32 K. הנתונים מאמתים את היעילות של הפתרון ההיברידי לקירור שמשלב קירור אבולטיבי עם קירור אוויר כפוף. באמצעות שילוב עקרון הפיזור הטבעי של קירור אבולטיבי עם הפיזור הכפוף של קירור אוויר כפוף, המערכת מפזרת בצורה יעילה את החום שנוצר במהלך הפעולה, ומבטיחה שהאביזר נשאר בתחום טמפרטורה מקובל. ניהול חום טוב לא רק מבטיח פעילות יציבה של תיכנות תחתית סטטיים, אלא גם מאריך את חיי השירות שלהם.

(3) מבחן חיים
חיי שירות הם מדד קריטי לקביעת אם ניתן להשתמש בתיכנות תחתית סטטיים באופן רחב במערכות חשמל מעשיות. לכן, כדי לוודא את ביצועי החיים של הדגם, עבר הדגם מבחן עמידה של מיליון מחזורים פעולה. לאורך המבחן, אנשי המבחן עקבו בקפידה על שינויים בהתנגדות המגע של הדגם. לאחר המבחן, נמדד והתנגדות המגע נמצא שהוא השתנה בפחות מ-5%. תוצאה זו מאמתת את היעילות של העיצוב לחיים ארוכים של מתג המבודד המגנטי הנצחי. גם לאחר פעולה ממושכת ותדירה, המגעים של המתג שומרים על מוליכות טובה, ומבטיחים פונקציונליות אliable on/off functionality of the solid-state circuit breaker.

4 סיכום
לסיכום, המאמר מציג פתרון טכנולוגי לתיכנות תחתית סטטיים DC נמוך-מתח על בסיס מחקר עמוק בטכנולוגיות מפתח, כולל אופטימיזציה של התקנים רחבי פער, אלגוריתמים בקרת אינטליגנטית ועיצוב מבני מהימן. אימות ניסיוני מראה שהדגם המפותח מצליח להשיג ביצועים מובילים במדדים מרכזיים כמו מהירות הפסקה, דיוק הזיהוי של תקלות וחיי שירות.

הוא מצליח לממש הפסקה מהירה ברמת מיקרו-שניות וחיי שירות של מיליון מחזורים, ומציע פתרון מעשי ו móvil para la protección en sistemas de distribución de energía renovable. En el futuro, hay muchas direcciones prometedoras de investigación para los interruptores de estado sólido de CC de baja tensión. Por ejemplo, establecer un modelo de simulación integrado a nivel de dispositivo-empaquetamiento-sistema podría simular de manera más completa el rendimiento de los interruptores de estado sólido bajo diversas condiciones de funcionamiento, proporcionando así un soporte teórico más preciso para la optimización del diseño.