Keskmine jõudlusega DC lülitikute tüübid ja rakendused

Keskspinglikud DC lülitikud on sobivad laevade, linna metrode, elektrirongide, mikrogridide (elektriajad), hajusenergeetika (päikeseenergia) ja akukõrvaldatud süsteemide (andmekeskkonnad) rakenduste jaoks.

Väljundjoone suhteliselt madal takistus DC puhul viib kõrgemate lühikringide amplituudini. Lisaks ei panusta transformatorkiteldid üldise ajakonstandile DC süsteemides, mis viib üldise ajakonstandi vähenemiseni ja lühikring võib alustada mõne millisekundi jooksul. Voolenõrgenemine võib toimuda ka siis, kui vähemalt 80% nimekirja DC voolest on eeltingimus voolallikas konverteri (VSC) töötamiseks normaalselt.

Konverteri töökatkestuste vähendamiseks tuleb vea välja korrastada mõne millisekundi jooksul, eriti jaamade puhul, mis ei ole seotud vigase joone või kaabelega.

Turgus olevad keskspinglike DC lülitikute tüübid:
Kolm peamist lülitiku tüüpi LVDC ja MVDC turul on tahvlipõhised lülitikud (SSCBs), mehaanilised lülitikud (MCBs) ja hybridlülitikud (HCBs), mis on SSCB paralleelsed ultrikiire mehaaniline lüliti (UFMS).

Tavalised õhu- ja SF6-põhised LV ja MV AC MCBs omavad piiratud DC katkestamisvõimet, mis ulatub vaid mõne kilovolti ja mõne amperi.

Tahvlipõhised keskspinglikud DC lülitikud:
SSCB topoloogiad põhinevad tavaliselt teatud arvu Integratsiooniga Vaatega Kommuteeritud Türistoritel (IGCTs), Vaatega Lülitatavatel Türistoritel (GTOs) või Isolatsiooniga Vaatega Bipolaarsetel Tranzistoritel (IGBTs), mis on ühendatud rida. Kuigi vastusajad on äärmiselt kiired, on üks puudus olulised sisseoleku kahjud, mis tavaliselt ulatuvad 15-30% VSC jaama kahjudest.

Kõrge komponendikulu, galvaanilise eralduse puudumine ja ebapiisav soojusabsorptsioonivõime on muud puudused.

Joonis 1 näitab mõnda tüüpi tahvlipõhise keskspinglike DC lülitiku disaini:

Joonis 1: a) IGCT-põhine keskspingline bi-suunaline tahvlipõhine lülitik, (b) IGCT-põhine keskspingline bi-suunaline tahvlipõhine lülitik, (c) GTO-põhine bi-suunaline tahvlipõhine lülitik

On esitatud erinevaid SSCB topoloogiaid. Kuid enamik neist on voltide ≤ 1 kV, eriti madalate voolude ≤ 1000 A jaoks. Tuleks märkida, et üks SSCB-tehnoloogia kõige raskemaid aspekte on kõrge sisseoleku kahju ja kuigi mõned artiklid raporteerivad MV SSCBi, mis rahuldab MV voltaga nagu 6-15 kV, on need tavaliselt vooluga vähem kui 1000 A, kuid vajalik energia käsitlusvõime oleks mingite MWsid kuni mitme kümne MWni ulatuses vähemalt 3 paralleelsed moodulid (3P:3*3.72 MW).

Nii, et tuleviku MVDC arhitektuuride jaoks vähem kui 10 MW võimsusega DC lülitiku arendamine muutuks peaaegu kasutuks. Praegused voolsemiconductori tehnoloogiad ei saa selliseid voolusid rahuldada; seega ei vii SSCBid tuleviku MVDC arhitektuuride juurde väga efektiivsele ja odavale kompaktilisele disainile. Selles suhtes on vaja suhteid suuri õhu tuulitajaid kapasiteediga umbes kuus tuhat kuupmeetrit minutis ja/või aktiivsete vee jahutamist mitmekilowattide tasemel sisseoleku kahjude eeldamiseks suuremate voolude puhul.

Hybridkeskspinglikud DC lülitikud (HCBs):
Hybridkeskspinglikud DC lülitikud sisaldavad voolujuhtimise tee ja voolu katkestamisteid.

Hybridlülitik kombinib täiuslikult madalaid edaspoole suunatud kahju puhaste ultrakiire lüliti ja tahvlipõhise lülitiku kiire reageering paralleelses tees. Peamisel lülitikul on paralleelsed teed ja see koosneb seriaalselt ja paralleelselt ühendatud tahvlipõhistest lülitustest, mis on ühendatud rida.

Arendati modularne HCB ja üks moodul, nagu näidatud Joonis 2, millel on määratud volti- ja vooluväärtused ning voolu katkestamise võime 6.2 kV ja 600 A vastavalt.

Väga oluline on, et ultrakiire lüliti vajab lihtsalt piisavalt kõrget voltaget, et kommunikeerida voolu ja toetada moodulite paralleelsuse filosoofiat. Kõikides SSCB ja HCB disainides on vaja residual current disconnector (RCD) ja shunt resistori, et mõõta voolu, nagu näidatud Joonis 2. Kui vool languseks madala väärtuseni, määratud metallioksiidi varistori (MOV) lekkevoolu poolt, avaneb disconnector, eraldades süsteemi ja takistades mis tahes lekkevoolu semivoolulistel elementidel ja MOV-l.

Joonis 2: Hybridkeskspinglik DC lülitik

Peamisel teel olev UFMS vajab lihtsalt piisavalt kõrget voltaget, et kommunteerida voolu paralleelsesse täis-IGBT lülitikku. Abi DC lülitiku vastus Rds_on 2 kA ja kiire mehaanilise lüliti vastus peavad olema vähem kui 20 mW, et omada sarnaseid omadusi elektromehaanilise lülitikuga. UFMS kasutamine peamisel teel viib madalamate sisseoleku kahjude ja edaspoole suunatud voltaga kui täis-SSCB.

Eelnõud võib olla kasulikum kui ABB ja Alstom toodetud kõrgete voltaga HCBsid, sest (1) pole sisseolevat semivoolulist kahju, (2) tema juhtimiskiir on lihtsam, ja (3) kallis "Power Electronic Switch" peamisel teel võib vältida. Tõepoolest, ainult üks UFMS saab asendada nii "Power Electronic Switch" kui ka ABB poolt eelnõustatud kiire disconnector peamisel teel.

See nõuab aga, et UFMS kontakti vastus ei oleks rohkem kui vastav elektromehaaniliste kontaktidega ja suudaks kesta hooldusjõudu 4.45×10-7 I2 N (st > 178 N 10-kordsel algusvoolul 2 kA määratud turvalisuse teguriga 2x või 356 N).

Ultrakiire mehaaniline lüliti keskspinglikes DC hybridlülitikes:
Mainitud filosoofia realiseerimiseks on väljakutsed (1) kas selliseid ultrakiireid lülitikke saab arendada MV tasandile, (2) kas kulmete voltaga kommunateerimine on piisavalt kõrge, ja (3) kas sama disain on võimalik RCB jaoks. Vastus võib olla JAH kõigile küsimustele, nagu allpool arutletakse.

Elektromagnetilised Thomsoni spiraali (TC) aktuaatorid, mis töötavad põhinedes vastastikuse või tagasiheitava jõu vahel vooluvedavate joonte vahel, on väga sobivad kiire lülitamiseks, sest saavad saavutada kõrgeid kiirendeid täpse kontrolli abil. Niipea kui on esitatud ja hästi selgitatud kaks TC-põhist meetodit ultrakiirete mehaaniliste lülitikute jaoks, kus üks sarispiraalidega ületas ühe induktsioonipõhise meetodi efektiivsuses. Need kaks meetodit võrreldi ka Multiphysics lõplike elementide modelleerimise abil.

Ühefaasi 12 kV (nimekirja volti) ja 2 kA (nimekirja vool) / 20 kA (lühikring) vea piiramise lülitik (FCLCB) ja 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, mis võimaldavad kulme kaduda ilma mingeid sundlikke kulme jahutamata 100-300 μs jooksul, oli disainitud ja ehitatud.

Induktsioonipõhine kiire lüliti, mille määratud vool on 7 kA, kiirendab ~2 kg HCB kontakti algse kiirendusega ~44,900 m/s2, mis tuletab 4 mm kontakti eraldamiseni pärast ~422 μs, mis on piisav, et kesta määratud lüliti volti 3 kV.

See kiire liikumine tuleb dempeerida matka lõpus, et vältida üleliigutust, hüpplemist, väsilust ja muud ebasoovitavaid mõjusid.