ویژگی ها و کاربردهای انواع برش‌کننده‌های دی‌سی ولتاژ متوسط
پرکاربردی‌های مدارکننده‌های ولتاژ متوسط مستقیم در کشتی‌ها، متروهای شهری، قطارهای برقی، شبکه‌های میکرو (خودروهای برقی)، تولید پخش‌شده (انرژی خورشیدی) و سیستم‌های مبتنی بر باتری (مراکز داده) مناسب هستند.
در یک مورد DC، مدار با امپدانس نسبتاً کمتر به جریان‌های کوتاه‌مدار با دامنه بالاتر منجر می‌شود. علاوه بر این، چون پیچش‌های ترانسفورماتور در ثابت زمانی کلی سیستم‌های DC نقشی ندارند، ثابت زمانی کلی کوچک‌تر می‌شود و یک کوتاه‌مدار می‌تواند در چند میلی‌ثانیه رخ دهد. فروافتادگی ولتاژ نیز ممکن است رخ دهد که حفظ حداقل ۸۰٪ از ولتاژ اسمی DC شرط لازم برای عملکرد طبیعی ایستگاه VSC است.
برای کاهش اختلالات عملکرد مبدل، باید خطای رخ داده در چند میلی‌ثانیه رفع شود، به ویژه برای ایستگاه‌هایی که به خط یا کابل معیوب متصل نیستند.
نوع‌های مدارکننده‌های ولتاژ متوسط مستقیم موجود در بازار:
سه نوع اصلی مدارکننده در بازار LVDC و MVDC عبارتند از مدارکننده‌های حالت جامد (SSCBs)، مدارکننده‌های مکانیکی (MCBs) و مدارکننده‌های ترکیبی (HCBs) که ترکیبی از SSCB با یک سوئیچ مکانیکی فراسریع (UFMS) است.
مدارکننده‌های مکانیکی AC معمولی مبتنی بر هوا و SF6 در LV و MV دارای توانایی قطع DC محدود به فقط چند کیلوولت و چند آمپر هستند.
مدارکننده‌های ولتاژ متوسط مستقیم حالت جامد:
توپولوژی‌های SSCBs معمولاً بر اساس تعداد مشخصی از Thyristors Gate Commutated Integrated (IGCTs)، Thyristors Turn-Off (GTOs) یا Transistors Bipolar Insulated Gate (IGBTs) متصل شده به صورت سری است. اگرچه زمان‌های پاسخ بسیار سریع هستند، یکی از ضعف‌ها از دست دادن حالت روشن معمولاً در محدوده ۱۵-۳۰٪ از تلفات یک ایستگاه VSC است.
هزینه‌های بالای قطعات، عدم وجود جداسازی گالوانیک و ظرفیت جذب حرارتی ناکافی نیز موارد دیگر ضعف هستند.
شکل ۱ نشان‌دهنده نوعی طراحی مدارکننده ولتاژ متوسط مستقیم حالت جامد است:
شکل ۱: a) مدارکننده حالت جامد دوطرفه ولتاژ متوسط مبتنی بر IGCT، (b) مدارکننده حالت جامد دوطرفه ولتاژ متوسط مبتنی بر IGCT، (c) مدارکننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر GTO
توپولوژی‌های مختلف SSCB پیشنهاد شده‌اند. با این حال، بیشتر آن‌ها برای ولتاژ ≤ ۱ kV، به ویژه برای جریان‌های کم ≤ ۱۰۰۰ A هستند. باید توجه داشت که یکی از چالش‌های مهم فناوری SSCB تلفات حالت روشن بالا است و با اینکه برخی مقالات گزارش می‌دهند که یک مدارکننده SSCB با ولتاژ MV مانند ۶-۱۵ kV رضایت‌بخش است، معمولاً برای جریان اسمی کمتر از ۱۰۰۰ A هستند، اما ظرفیت توان مورد نیاز باید در محدوده چند MW تا چند ده MW با حداقل ۳ ماژول موازی (۳P: ۳*۳٫۷۲ MW) باشد.
بنابراین، توسعه یک مدارکننده DC با توان اسمی کمتر از ۱۰ MW برای معماری‌های MVDC آینده تقریباً بی‌فایده می‌شود. فناوری‌های نیمه‌رسانا فعلی نمی‌توانند این توان را برآورده کنند؛ بنابراین، مدارکننده‌های SSCB برای معماری‌های MVDC آینده منجر به یک طراحی کارآمد و اقتصادی فشرده نخواهد شد. در این مورد، بلندکننده‌های هوا با ظرفیت حدود شش هزار فوت مکعب در دقیقه و یا خنک‌کننده‌های آب فعال برای سطح تلفات چند کیلوواتی پیش‌بینی شده برای جریان‌های بالا نیاز است.
مدارکننده‌های ترکیبی ولتاژ متوسط مستقیم (HCBs):
مدارکننده‌های ترکیبی ولتاژ متوسط مستقیم شامل مسیر رسانایی جریان و مسیر قطع جریان هستند.
مدارکننده ترکیبی تلفات رو به جلو بسیار کم یک سوئیچ فراسریع خالص را با عملکرد سریع یک مدارکننده حالت جامد در مسیر موازی ترکیب می‌کند. مدارکننده اصلی در مسیر موازی قرار دارد و از سوئیچ‌های حالت جامد سری و موازی تشکیل شده‌است که به صورت سری متصل شده‌اند.
یک HCB مدولار توسعه یافته و یک ماژول نشان داده شده در شکل ۲ با ولتاژ و جریان اسمی و توان قطع جریان ۶.۲ kV و ۶۰۰ A به ترتیب.
đáng注意的是，超快速开关的灭弧室只需要产生足够的电压来传导电流并促进模块的并联理念。在所有SSCB和HCB设计中，需要一个剩余电流断路器（RCD）和一个分流电阻来测量如图2所示的电流。当电流降至由金属氧化物压敏电阻（MOV）的漏电流规定的低值时，断路器打开，隔离系统并防止任何通过半导体和MOV的漏电流。
شکل ۲: مدارکننده ترکیبی ولتاژ متوسط مستقیم
مسیر اصلی UFMS فقط باید ولتاژ کافی برای تغییر جریان به مدارکننده IGBT کامل موازی تولید کند. مقاومت مدارکننده DC کمکی، Rdson در ۲ kA، و سوئیچ مکانیکی سریع باید کمتر از ۲۰ mΩ باشد تا مشابه یک مدارکننده الکترومکانیکی باشد. استفاده از UFMS در مسیر اصلی منجر به کاهش تلفات حالت روشن و ولتاژ رو به جلو نسبت به یک SSCB کامل می‌شود.
طرح پیشنهادی می‌تواند نسبت به مدارکننده‌های HCB ولتاژ بالا تولید شده توسط ABB و Alstom مزیت داشته باشد، زیرا (۱) تلفات نیمه‌رسانا در حالت روشن وجود ندارد، (۲) مدار کنترل آن ساده‌تر خواهد بود، و (۳) "سوئیچ الکترونیک قدرت" گران‌قیمت در مسیر اصلی می‌تواند اجتناب شود. در واقع، فقط یک UFMS می‌تواند هم "سوئیچ الکترونیک قدرت" و هم سوئیچ جداکننده سریع پیشنهاد شده توسط ABB برای مسیر اصلی را جایگزین کند.
با این حال، باید مطمئن شد که مقاومت تماس UFMS بیش از تماس‌های الکترومکانیکی معادل نباشد و توان تحمل نیروی گرفتن ۴.۴۵×۱۰-۷ I2 N (یعنی > ۱۷۸ N برای ۱۰ برابر جریان ورودی با ضریب ایمنی ۲ برابر یا ۳۵۶ N) داشته باشد.
سوئیچ مکانیکی فراسریع در مدارکننده ترکیبی ولتاژ متوسط مستقیم:
چالش‌هایی که برای تحقق فلسفه ذکر شده وجود دارد عبارتند از (۱) آیا می‌توان چنین سوئیچ‌های فراسریعی برای سطوح MV توسعه داد؟ (۲) آیا ساختار ولتاژ قوس برای تغییر جریان کافی است؟ و (۳) آیا همان طرح برای RCB ممکن است؟ پاسخ ممکن است برای همه سوالات YES باشد، مانند آنچه در زیر بحث شده است.
کنترل‌کننده‌های Thomson coil (TC) الکترومغناطیسی که بر اساس نیروهای جاذبه یا دفع بین رساناهای حامل جریان کار می‌کنند برای کلیدزنی سریع بسیار مناسب هستند زیرا می‌توانند با کنترل دقیق شتاب‌های بالا را به دست آورند. تاکنون دو روش مبتنی بر TC برای سوئیچ‌های مکانیکی فراسریع پیشنهاد و به خوبی توضیح داده شده‌اند که روشی با سیم‌پیچ‌های سری از نظر کارایی بهتر از روش مبتنی بر القایی بود. این دو روش نیز با مدل‌سازی المان محدود Multiphysics مقایسه شده‌اند.
یک مدارکننده محدود کننده جریان کوتاه‌مدار (FCLCB) یکفاز ۱۲ kV (ولتاژ اسمی) و ۲ kA (جریان اسمی) / ۲۰ kA (جریان کوتاه‌مدار) و یک FCLCB ۲۴ kV، ۳ kA / ۴۰ kA طراحی و ساخته شده‌اند که قادر به خاموش کردن قوس بدون خنک‌سازی اجباری قوس در ۱۰۰-۳۰۰ میکروثانیه هستند.
سوئیچ سریع مبتنی بر القایی با جریان اسمی ۷ kA یک تماس HCB حدود ۲ کیلوگرم با شتاب اولیه حدود ۴۴۹۰۰ متر بر مجذور ثانیه را شتاب می‌دهد که منجر به جدایی تماس ۴ میلی‌متر پس از حدود ۴۲۲ میکروثانیه می‌شود، که کافی است برای تحمل ولتاژ سوئیچ اسمی ۳ kV.
این حرکت سریع باید در پایان مسیر میرا شود تا از سفر بیش از حد، نوسان، خستگی و اثرات نامطلوب دیگر جلوگیری شود.
