Orta Dənizçi DC Ağırlaşdırıcı Növləri və Tətbiqləri

Orta gerilimli DC anahtarlara gemiler, şehir metro sistemleri, elektrikli trenler, mikro ağlar (elektrikli araçlar), dağıtık jenerasyon (güneş enerjisi) ve batarya tabanlı sistemler (veri merkezleri) uygundur.

DC durumunda nispeten düşük devre empedansı, kısa devre akımlarının daha yüksek genliklerine neden olur. Ayrıca, transformatör sarımının DC sistemlerinde toplam zaman sabitine katkı sağlamaması nedeniyle, toplam zaman sabiti küçülür ve kısa devre yükseltme süreleri birkaç milisaniye kadar kısa olabilir. Nominal DC geriliminin en az %80'ini korumanın, gerilim kaynağı dönüştürücüsü (VSC) istasyonunun normal çalışması için bir ön şart olduğu yerlerde gerilim çöküşü de meydana gelebilir.

Dönüştürücünün çalışma kesintilerini minimize etmek için, özellikle hat veya kablo ile bağlantılı olmayan istasyonlar için hata birkaç milisaniye içinde temizlenmelidir.

Piyasadaki orta gerilimli DC anahtar tipleri:
LVDC ve MVDC pazarlarındaki üç ana anahtar türü, katı hal anahtarlardır (SSCBs), mekanik anahtarlardır (MCBs) ve ultra hızlı mekanik anahtar (UFMS) ile paralel bağlanmış SSCB olan hibrit anahtarlardır (HCBs).

Geleneksel hava ve SF6 tabanlı LV ve MV AC MCB'lerin sadece birkaç kilovolt ve birkaç amper ile sınırlı belirli bir DC kesme yeteneği vardır.

Katı hal orta gerilimli DC anahtarlardır:
SSCB topolojileri genellikle dizi bağlı olan Entegre Kapı Komut Edilmiş Tirostrorlar (IGCTs), Kapı Kapatma Thyristorları (GTOs) veya yalıtılmış kapak iki yönlü transistörler (IGBTs) üzerine dayanır. Yanıt süreleri inanılmaz hızlı olsa da, bir dezavantaj VSC istasyonunun kayıplarının %15-30 arası olan önemli on-state kayıplarıdır.

Yüksek bileşen maliyetleri, galvanik izolasyon eksikliği ve yetersiz termal absorpsiyon kapasitesi diğer dezavantajlardır.

Şekil 1, bazı katı hal orta gerilimli DC anahtar tasarımı gösterir:

Şekil 1: a) IGCT bazlı orta gerilimli çift yönlü katı hal anahtarı, (b) IGCT bazlı orta gerilimli çift yönlü katı hal anahtarı, (c) GTO bazlı çift yönlü katı hal anahtarı

Farklı SSCB topolojileri önerilmiştir. Ancak, bunların çoğu ≤ 1 kV gerilimleri, özellikle ≤ 1000 A düşük akımlar için önerilmiştir. Not edilmesi gereken, SSCB teknolojisinde en zorlu yönlerden birinin yüksek on-state kaybı olmasıdır ve bazı makaleler MV seviyesini sağlayan bir MV SSCB hakkında rapor olsa da, genellikle 1000 A'dan daha düşük nominal akım için olup, gerekli güç işleme kapasitesi MW'ler cinsinden olmalıdır. Bu nedenle, gelecekteki MVDC mimarileri için 10 MW'dan daha düşük nominal güçte bir DC CB geliştirmek neredeyse işe yaramaz. Mevcut güç yarı iletken teknolojileri bu güç seviyelerini karşılayamaz; bu nedenle, gelecekteki MVDC mimarileri için SSCB'ler, yüksek verimli, ekonomik ve kompakt bir tasarım sağlayamaz. Bu bağlamda, çok kilowatt düzeyinde on-state kayıp için büyük hava blowerlar ve/veya aktif su soğutması gerekir.

Hibrit orta gerilimli DC anahtarlardır (HCBs):
Hibrit orta gerilimli DC anahtarlarda, akım iletim yolu ve akım kesme yolu bulunur.

Hibrit anahtar, tamamen katı hal anahtarın hızlı performansını paralel yolda birleştirerek, saf ultra hızlı anahtarın çok düşük ileri kayıplarına sahiptir. Ana anahtar, serili ve paralel katı hal anahtarlardan oluşan paralel bir yolda yer alır.

Geliştirilen modüler HCB ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, 6.2 kV ve 600 A nominal gerilim ve akım ile, 6.2 kV ve 600 A akım kesme kapasitesine sahip bir modül geliştirilmiştir.

Ultra hızlı anahtarın ark odasının, akım iletimini sağlamak ve modüllerin paralel felsefesini kolaylaştırmak için yeterli gerilim üretmesi gerektiğini unutmamak önemlidir. Tüm SSCB ve HCB tasarımlarında, Şekil 2'de gösterildiği gibi, artan akım ayırıcı (RCD) ve akımı ölçmek için şunt rezistor gerekir. Akım, metal oksit varyoşterin (MOV) sızıntı akımı tarafından belirlenen düşük bir değere düşerken, ayırıcı açılır, sistemi izole eder ve yarı iletkenler ve MOV aracılığıyla herhangi bir sızıntı akımını önler.

Şekil 2: Hibrit orta gerilimli DC anahtarı

Ana yolun UFMS'si, akımı paralel tam IGBT anahtarına geçirmek için yeterince yüksek bir gerilim üretebilir. Yardımcı DC anahtarının Rdson direnci 2 kA'da ve hızlı mekanik anahtarın, elektromekanik devre kesici ile benzer özelliklere sahip olması için 20 mW'dan daha düşük olması gerekir. Ana yolda UFMS kullanmak, tam bir SSCB'ye göre daha düşük on-state kayıplar ve ileri gerilim sağlar.

Önerilen tasarım, ABB ve Alstom tarafından üretilen yüksek gerilimli HCB'lere göre avantajlı olabilir, çünkü (1) on-state yarı iletken kaybı yoktur, (2) kontrol devresi daha basittir ve (3) ana yolda pahalı "Power Electronic Switch" kaçınılabilmektedir. Gerçekten de, sadece bir UFMS hem "Power Electronic Switch" hem de ABB'nin ana yol için önerdiği hızlı ayırıcıyı değiştirebilir.

Ancak, UFMS temas direncinin, elektromekanik kontaktlara eşdeğer olmaması ve 4.45×10-7 I2 N (yani 2 kA nominal akım ve güvenlik faktörü 2x veya 356 N ile 10x ani giriş için > 178 N) tutma gücüne sahip olması gerekir.

Orta gerilimli hibrit DC anahtarındaki ultra hızlı mekanik anahtar:
Belirtilen felsefenin gerçekleştirilmesi için zorluklar şunlardır: (1) böyle ultra hızlı anahtarların MV seviyeleri için geliştirilebilip geliştirilemeyeceği, (2) komütasyon için arc voltajının yeterince yüksek olup olmadığı ve (3) aynı tasarım RCB için mümkün olup olmadığı. Aşağıdaki tartışmalara göre tüm soruların cevabı EVET olabilir.

Akım taşıyan iletkenler arasındaki çekici veya itici kuvvetlere dayalı olarak çalışan manyetik Thomson bobin (TC) aktüatörleri, hassas kontrolle yüksek ivmeler elde edebilecekleri için hızlı anahtarlamaya çok uygunlardır. Şimdiye kadar, TC'ye dayalı olarak iki teknik önerilmiştir ve çok fizikli sonlu eleman modellemesi ile karşılaştırılmıştır. Seri bobinlerle olan tekniğin, endüksiyona dayalı olan tekniğe göre daha verimli olduğunu göstermiştir.

Tek fazlı 12 kV (nominal gerilim) ve 2 kA (nominal akım) / 20 kA (kısa devre) hata akımı sınırlama devre kesicisi (FCLCB) ve 24 kA, 3 kA / 40 kA FCLCB, herhangi bir zorlanmış ark soğutması olmadan 100-300 μs içinde arkın söndürülmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır ve yapılmıştır.

Endüksiyona dayalı hızlı anahtar, 7 kA nominal akımı ile yaklaşık 2 kg'lık bir HCB temasını ~44,900 m/s2 başlangıç ivmesiyle hızlandırır ve bu, ~422 μs sonra 4 mm temas ayrımına neden olur, 3 kV nominal anahtar gerilimine dayanmak için yeterlidir.

Bu hızlı hareket, aşırı yolculuğu, sıçrama, yorgunluk ve diğer istenmeyen etkileri önlemek için seyahatin sonunda sönümleyilmelidir.