Ключові технології низьковольтних DC твердотільних вимикачів

1 Технічні виклики

1.1 Стабільність паралельного з'єднання пристроїв
На практиці струмопровідна здатність одного електронного пристрою досить обмежена. Для задоволення потреб у великому струмі часто підключаються кілька пристроїв паралельно. Однак, варіації параметрів між пристроями — такі як незначні різниці в опорі при проводимості та пороговому напругу — можуть спричинити нерівномірне розподілення струму при паралельному функціонуванні. Під час перехідних процесів паразитна індуктивність та ємність ще більше посилюють неоднаковість швидкостей зміни струму між паралельними пристроями, погіршуючи нерівномірність струму. Якщо ця нерівномірність не буде вчасно усунута, вона може призвести до перегріву та виходу з ладу деяких пристроїв через надмірний струм, що скорочує строк служби твердотільного автоматичного вимикача.

1.2 Затримка виявлення аварій
У DC системах характеристики аварійного струму значно відрізняються від AC систем, оскільки відсутні точки переходу через нуль, які допомагають у виявленні та перериванні аварій. Це вимагає від твердотільних автоматичних вимикачів застосування алгоритмів виявлення аварій на рівні мікросекунд для точного визначення аварій та швидкої реакції. Традиційні методи виявлення аварій мають значні затримки при обробці швидко змінюваних DC аварійних струмів, що робить їх нездатними задовольнити вимоги швидкої захисти.

1.3 Протиріччя між теплоотводом та об'ємом
Для задоволення потреб сучасних енергетичних систем у високій густині потужності, проектування твердотільних автоматичних вимикачів повинно забезпечити більшу струмопровідну здатність в обмеженому просторі. Однак, вища густина потужності призводить до значного зростання тепловиділення від електронних пристроїв. Недостатній теплоотвод призводить до надмірних температур, що погіршують продуктивність пристроїв та можуть спричинити термічний розбіг та виходу з ладу обладнання. Традиційні методи охолодження слабо працюють з високогустинними твердотільними вимикачами. Хоча рідинне охолодження може покращити ефективність теплоотводу, воно збільшує розмір та вартість обладнання. Таким чином, як досягти балансу між ефективним охолодженням та раціональним контролем об'єму, що забезпечує синергетичну оптимізацію, залишається ключовою проблемою в проектуванні твердотільних автоматичних вимикачів.

2 Дослідження ключових технологій

2.1 Технологія застосування широкозонних пристроїв
(1) Вибір та упаковка SiC MOSFET
Серед різних широкозонних пристроїв, SiC MOSFET з низькими провідними втратами мають значні переваги. Для підвищення їх продуктивності в паралельних застосуваннях кількох пристроїв застосовується симетрична компоновка Direct Bonded Copper (DBC). Ця компоновка ефективно зменшує паразитну індуктивність, що є важливим для поліпшення характеристик комутації пристроїв. Під час комутації, особливо при вимкненні, взаємодія між паразитною індуктивністю та ємністю пристрою викликає коливання напруги на затворі. Експериментальні тестування показують, що з симетричною компоновкою DBC, коливання напруги на затворі при вимкненні можна контролювати на рівні менше 5%. Це не лише покращує динамічну стабільність при паралельному функціонуванні, але й зменшує ризик пошкодження пристрою через коливання напруги.

(2) Контроль динамічного розподілу струму
Для вирішення проблеми нерівномірності струму в паралельних пристроях, запропоновано стратегію управління, яка поєднує шину розподілу струму з адаптивним PI-регулюванням. Шина розподілу струму, завдяки унікальній конструкції, забезпечує рівномірний шлях розподілу струму для кожного паралельного гілки на фізичному рівні. На цій основі адаптивний PI-алгоритм динамічно коригує сигнал управління кожного пристрою на основі реального контролю струму в гілках, забезпечуючи більш точне управління розподілом струму.

2.2 Швидке виявлення та переривання аварій
(1) Виявлення аварій на основі напруги на затворі
Аналіз характеристик короткого замикання SiC MOSFET показує, що під час короткого замикання напруга між дреном та джерелом (VDS) швидко зростає до 900 В, а напруга на затворі значно падає з нахилом, що перевищує 10 В/нс. Використовуючи цю характеристику, розроблено двопороговий компаратор для швидкого виявлення аварій, встановивши два струмові пороги: Ith1 = 500 А та Ith2 = 1.2 кА. Коли виявлений струм перевищує Ith1, активується передупреджувальний сигнал; перевищення Ith2 свідчить про підтверджений короткий замикання. Розроблений детектор та алгоритм обробки сигналів забезпечують затримку виявлення лише 0.8 мкс. Цей підхід, використовуючи внутрішні електричні характеристики SiC MOSFET, уникнув складної конвертації та обробки сигналів традиційними методами, значно підвищуючи точність виявлення аварій.

(2) Оптимізація стратегії переривання з кількома цілями
Для досягнення високої продуктивності переривання аварій в твердотільних автоматичних вимикачах, час переривання (Δt), поглинання енергії (EMOV) та струм враження (Ipeak) встановлені як цільові функції, оптимізовані за допомогою алгоритму багатоцільового оптимізації рою частинок (MOPSO). Коротший час переривання забезпечує кращу захисту обладнання системи; поглинання енергії впливає на вибір та тривалість роботи захисних компонентів, таких як MOV; надмірний струм враження викликає значні електричні напруження, що впливають на нормальне функціонування обладнання.

Після кількох ітерацій оптимізації MOPSO, визначені оптимальні параметри: індуктивність обмежувача струму LB = 15 мкГн та коефіцієнт обмеження напруги MOV γ = 1.8. Використовуючи ці оптимальні параметри, час переривання зменшено до 73.5 мкс, а максимальний струм обмежено до 526 А. Для візуального демонстрації ефекту оптимізації, метод прийняття рішень TOPSIS порівнює результати до та після оптимізації. Порівняння показує значні покращення ключових показників, таких як час переривання, поглинання енергії та струм враження, значно підвищуючи загальну продуктивність та краще задовольняючи практичні інженерні вимоги до швидкого та надійного переривання твердотільними автоматичними вимикачами.

2.3 Проектування високонадійної механічної конструкції
(1) Перемінний магнітний вимикач
Для підвищення надійності та стабільності твердотільних автоматичних вимикачів, розроблено перемінний магнітний вимикач, який використовує бістабільний магнітний механізм. У цій конструкції зберігаюча сила для закриття та відкриття в основному надається магнітами, а катушка живиться лише тимчасово під час операцій переключення. Це зменшує споживання енергії приблизно на 90% порівняно з традиційними електромагнітними вимикачами. Аналіз динаміки Adams показує, що механічний ресурс цього перемінного магнітного вимикача перевищує 1 мільйон операцій, з швидкістю розділення контактів 3 м/с. Висока швидкість розділення контактів забезпечує швидке роз'єднання контуру при виникненні аварії, зменшуючи ймовірність генерації дуги та підвищуючи здатність вимикача до переривання. Довгий механічний ресурс забезпечує стабільну продуктивність протягом довгого періоду використання, зменшуючи частоту обслуговування та заміни, що забезпечує надійну підтримку ефективної роботи твердотільного автоматичного вимикача.

(2) Рішення з управлінням тепла
Для вирішення проблем теплоотводу в проектах з високою густиною потужності, запропоновано гібридне рішення, яке поєднує парове охолодження з примусовим повітряним охолодженням. Парове охолодження використовує принцип абсорбції тепла при випаровуванні рідини, що забезпечує ефективний перенос тепла в компактних просторах. Примусове повітряне охолодження подальше підвищує теплоотвод за допомогою вентиляторів, що створюють примусову конвекцію. Цей гібридний метод охолодження стабілізує температуру гарячих точок модуля нижче 75°C, з темпом підвищення температури менше 5°C/хв, що відповідає стандартним вимогам.III. Експериментальна перевірка

3 Експериментальна перевірка

3.1 Параметри прототипу
Для перевірки ефективності ключових технологій та проектних схем було розроблено прототип твердотільного автоматичного вимикача для низьковольтових DC систем, з основними параметрами наступними:

3.2 Результати типових тестів

Були проведено комплексні типові тестування прототипу для оцінки, чи відповідає його продуктивність вимогам для практичного застосування:

(1) Тест переривання короткого замикання
Короткі замикання є одними з найбільш серйозних типів аварій в енергетичних системах, і величезні миттєві струми, які вони генерують, становлять значну загрозу для роботи обладнання. Для моделювання цієї крайньої ситуації було створено тестове середовище з коротким замиканням струму 23 кА — що представляє сурову випробовування для твердотільного автоматичного вимикача. На початку тесту прототип швидко активізувався, і його вбудована технологія швидкого виявлення та переривання аварій почала працювати. Ця технологія, через високоточне контролювання струму та швидку механізм реакції, виявила аномальний струм за дуже короткий час та негайно запустила процес переривання.

Під час переривання, персонал, який проводив тест, уважно спостерігав за продуктивністю вимикача, і протягом всього процесу не відбулося повторного включення дуги. Цей результат не лише демонструє високу ефективність технології швидкого виявлення та переривання аварій, але й підкреслює відмінну продуктивність переривання твердотільного автоматичного вимикача. У традиційних автоматичних вимикачах повторне включення дуги є проблемою, яку важко уникнути, і часто призводить до вторинних аварій або навіть серйозного пошкодження обладнання. Натомість, твердотільний автоматичний вимикач успішно уникнув цієї проблеми за допомогою передових технологій переривання, що забезпечує надійну підтримку стабільної роботи енергетичних систем.

(2) Тест підвищення температури
Теплові характеристики є ще одним ключовим фактором для оцінки твердотільних автоматичних вимикачів. Для ефективної оцінки здатності обладнання до теплоотводу під час тривалої роботи був проведен тест підвищення температури. Прототип повинен був працювати безперервно протягом 24 годин, під час яких генерувався значний обсяг тепла [9]. Після тесту, датчики температури використовувалися для вимірювання температури прототипу. Результати показали підвищення температури ΔT = 32 K. Ці дані підтверджують ефективність гібридного методу охолодження, який поєднує парове охолодження з примусовим повітряним охолодженням. Інтеграція натурального принципу теплоотводу парового охолодження з примусовою конвекцією примусового повітряного охолодження дозволяє системі ефективно відводити тепло, що генерується під час роботи, забезпечуючи, що пристрій залишається в допустимому температурному діапазоні. Добре управління теплом не лише забезпечує стабільну роботу твердотільного автоматичного вимикача, але й продовжує його строк служби.

(3) Тест на тривалість життя
Тривалість життя є ключовим індикатором для визначення, чи може твердотільний автоматичний вимикач широко застосовуватися в реальних енергетичних системах. Тому, для перевірки його продуктивності, прототип пройшов тест на тривалість життя з одним мільйоном циклів роботи. Протягом тесту, персонал уважно спостерігав за змінами опору контакту прототипу. Після тесту, опір контакту був виміряний і знайдено, що він змінився менше ніж на 5%. Цей результат підтверджує ефективність довготривалого проектування перемінного магнітного вимикача. Навіть після тривалої та частій роботи, контакти вимикача зберігають відмінну провідність, забезпечуючи надійну роботу твердотільного автоматичного вимикача.

4 Висновок
Загалом, у цій статті представлена технічна рішення для твердотільних автоматичних вимикачів для низьковольтових DC систем на основі глибокого дослідження ключових технологій, включаючи оптимізацію широкозонних пристроїв, інтелектуальні алгоритми управління та проектування високонадійних конструкцій. Експериментальна перевірка показує, що розроблений прототип досягає ведучих показників за ключовими характеристиками, такими як швидкість переривання, точність виявлення аварій та тривалість життя.

Він успішно реалізує переривання на рівні мікросекунд та тривалість життя з одним мільйоном циклів, надаючи практичне та можливі рішення для захисту в системах розподілу енергії нових джерел. В перспективі, є багато обіцяючих напрямків досліджень для твердотільних автоматичних вимикачів для низьковольтових DC систем. Наприклад, створення інтегрованої симуляційної моделі на рівні пристроїв, упаковки та систем могло б більш повно моделювати продуктивність твердотільних автоматичних вимикачів в різних умовах роботи, що забезпечує більш точну теоретичну підтримку для оптимізації проектування.