نوع‌ها و کاربردهای قطعکننده‌های دی‌سی با ولتاژ متوسط
قطعکننده‌های دی‌سی با ولتاژ متوسط برای کاربردهایی مانند کشتی‌ها، متروهای شهری، قطارهای برقی، شبکه‌های خرد (وسایل نقلیه الکتریکی)، تولید پراکنده (انرژی خورشیدی) و سیستم‌های مبتنی بر باتری (مراکز داده) مناسب هستند.
در حالت دی‌سی، مقاومت مدار نسبتاً کم است که منجر به شدت بالاتری از کوتاه‌مداری می‌شود. علاوه بر این، چون سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور در زمان ثابت کلی سیستم‌های دی‌سی نقشی ندارند، زمان ثابت کلی کاهش می‌یابد و یک کوتاه‌مدار می‌تواند در چند میلی‌ثانیه رخ دهد. همچنین، فروپاشی ولتاژ ممکن است رخ دهد که حفظ حداقل ۸۰٪ از ولتاژ اسمی دی‌سی یک شرط پیش‌فرض برای عملکرد طبیعی ایستگاه تبدیل‌کننده ولتاژ (VSC) است.
برای کمینه کردن اختلال در عملکرد تبدیل‌کننده، باید خطا در چند میلی‌ثانیه رفع شود، به ویژه برای ایستگاه‌هایی که به خط یا کابل معیوب متصل نیستند.
نوع‌های قطعکننده‌های دی‌سی با ولتاژ متوسط در بازار:
سه نوع اصلی قطعکننده در بازار LVDC و MVDC عبارتند از: قطعکننده‌های جامد (SSCBs)، قطعکننده‌های مکانیکی (MCBs) و قطعکننده‌های ترکیبی (HCBs) که ترکیبی از SSCB با یک قطعکننده مکانیکی بسیار سریع (UFMS) است.
قطعکننده‌های مکانیکی AC با ولتاژ کم و متوسط معمولی مبتنی بر هوا و SF6 توان قطع دی‌سی محدودی دارند که تنها چند کیلوولت و چند آمپر است.
قطعکننده‌های جامد دی‌سی با ولتاژ متوسط:
توپولوژی‌های SSCB معمولاً بر اساس تعداد مشخصی از Thyristors با گیت جمع‌آوری شده (IGCTs)، Thyristors با گیت خاموش (GTOs) یا ترانزیستورهای دوگانه با گیت عایق (IGBTs) متصل شده به صورت سری است. اگرچه زمان‌های پاسخ بسیار سریع هستند، یکی از محدودیت‌ها افت‌های قابل توجه در حالت روشن هستند که معمولاً در محدوده ۱۵-۳۰٪ از افت‌های یک ایستگاه VSC قرار دارد.
هزینه‌های قطعه‌های بالا، عدم وجود جداسازی گالوانیک و ظرفیت جذب حرارتی ناکافی نیز محدودیت‌های دیگری هستند.
شکل ۱ نشان‌دهنده نوعی طراحی قطعکننده جامد دی‌سی با ولتاژ متوسط است:
شکل ۱: a) قطعکننده جامد دوطرفه دی‌سی با ولتاژ متوسط مبتنی بر IGCT، (b) قطعکننده جامد دوطرفه دی‌سی با ولتاژ متوسط مبتنی بر IGCT، (c) قطعکننده جامد دوطرفه دی‌سی مبتنی بر GTO
توپولوژی‌های مختلفی برای SSCB پیشنهاد شده‌اند. با این حال، بیشتر آن‌ها برای ولتاژهای ≤ ۱ kV، به ویژه برای جریان‌های کم ≤ ۱۰۰۰ A هستند. باید توجه داشت که یکی از چالش‌های مهم تکنولوژی SSCB، افت بالا در حالت روشن است و گرچه برخی مقالات گزارش‌هایی از SSCB با ولتاژ MV مانند ۶-۱۵ kV دارند، اما معمولاً برای جریان اسمی کمتر از ۱۰۰۰ A هستند. اما ظرفیت مدیریت توان مورد نیاز در محدوده چند MW تا چند ده MW با حداقل ۳ ماژول موازی (۳P: ۳*۳.۷۲ MW) خواهد بود.
بنابراین، توسعه یک قطعکننده دی‌سی با توان اسمی کمتر از ۱۰ MW برای معماری‌های MVDC آینده تقریباً بی‌معنا می‌شود. تکنولوژی‌های نیمه‌رسانا فعلی نمی‌توانند این توان‌ها را برآورده کنند؛ بنابراین، SSCBها برای معماری‌های MVDC آینده منجر به طراحی فشرده و کارآمد از نظر هزینه نخواهند شد. در این زمینه، موتورهای بادکنکی نسبتاً بزرگ با ظرفیت حدود شش هزار فوت مکعب در دقیقه و/یا خنک‌سازی آبی فعال برای سطح افت‌های چند کیلوواتی در جریان‌های بالا لازم است.
قطعکننده‌های ترکیبی دی‌سی با ولتاژ متوسط (HCBs):
قطعکننده‌های ترکیبی دی‌سی با ولتاژ متوسط شامل مسیر هدایت جریان و مسیر قطع جریان هستند.
یک قطعکننده ترکیبی تلفات جلویی بسیار کم یک قطعکننده سریع بسیار سریع را با عملکرد سریع یک قطعکننده جامد در مسیر موازی ترکیب می‌کند. قطعکننده اصلی در مسیر موازی قرار دارد و از سوئیچ‌های جامد سری و موازی تشکیل شده است که به صورت سری متصل شده‌اند.
یک HCB مدولار توسعه یافته و یک ماژول مانند شکل ۲ با ولتاژ و جریان اسمی و توان قطع جریان ۶.۲ kV و ۶۰۰ A به ترتیب.
đáng noting that the ultrafast switch’s arc chamber simply needs to generate enough voltage to communicate the current and facilitate the paralleling philosophy of the modules. In all SSCB and HCB designs, a residual current disconnector (RCD) and a shunt resistor to measure the current shown in Fig. 2 is needed. When the current dumps to a low value specified by the leakage current of the metal oxide varistor (MOV), the disconnector opens, isolating the system and preventing any leakage current through the semiconductors and MOV.
شکل ۲: قطعکننده ترکیبی دی‌سی با ولتاژ متوسط
مسیر اصلی UFMS فقط باید ولتاژ کافی تولید کند تا جریان را به قطعکننده IGBT کامل موازی منتقل کند. مقاومت قطعکننده کمکی دی‌سی، Rdson در ۲ kA، و سوئیچ مکانیکی سریع باید کمتر از ۲۰ mΩ باشد تا مشخصات مشابه یک قطعکننده الکترومکانیکی داشته باشد. استفاده از UFMS در مسیر اصلی منجر به کاهش تلفات در حالت روشن و ولتاژ جلویی نسبت به یک SSCB کامل می‌شود.
طراحی پیشنهادی می‌تواند مزایایی نسبت به HCBهای با ولتاژ بالا ساخته شده توسط ABB و Alstom داشته باشد، زیرا (۱) تلفات نیمه‌رسانا در حالت روشن وجود ندارد، (۲) مدار کنترل آن ساده‌تر خواهد بود و (۳) "سوئیچ الکترونیکی قدرت" گران‌قیمت در مسیر اصلی می‌تواند پرهیز شود. در واقع، فقط یک UFMS می‌تواند هم "سوئیچ الکترونیکی قدرت" و هم قطعکننده سریع پیشنهاد شده توسط ABB برای مسیر اصلی را جایگزین کند.
با این حال، باید مطمئن شد که مقاومت تماس UFMS بیشتر از تماس‌های الکترومکانیکی معادل نباشد و توان تحمل نیروی گرفتن ۴.۴۵×۱۰-۷ I² N (یعنی > ۱۷۸ N برای ۱۰ برابر جریان اولیه با ولتاژ اسمی ۲ kA با ضریب ایمنی ۲ برابر یا ۳۵۶ N) داشته باشد.
سوئیچ مکانیکی بسیار سریع در قطعکننده ترکیبی دی‌سی با ولتاژ متوسط:
چالش‌های موجود برای محقق کردن فلسفه ذکر شده عبارتند از: (۱) آیا چنین سوئیچ‌های بسیار سریعی می‌توانند برای سطح MV توسعه یابند، (۲) آیا ساختار ولتاژ قوس برای جابجایی کافی است، و (۳) آیا همان طراحی برای RCB ممکن است. پاسخ ممکن است برای همه سوالات YES باشد، مانند آنچه در زیر بحث شده است.
کنش‌گرهای Thomson coil (TC) الکترومغناطیسی که بر اساس نیروهای جاذبه یا دفع بین هادی‌های حامل جریان کار می‌کنند برای سوئیچ‌گذاری سریع بسیار مناسب هستند زیرا می‌توانند با کنترل دقیق شتاب‌های بالا را به دست آورند. تاکنون دو تکنیک بر اساس TC پیشنهاد شده و به خوبی توضیح داده شده‌اند که تکنیک با کویل‌های سری از تکنیک مبتنی بر القایی از نظر کارایی برتر بود. این دو تکنیک نیز با مدل‌سازی المان محدود چندفیزیکی مقایسه شده‌اند.
یک قطعکننده محدودکننده جریان کوتاه‌مدار (FCLCB) یک فاز 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 شدن 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 را با شتاب اولیه حدود ۴۴,۹۰۰ متر بر مجذور ثانیه تسریع می‌کند که منجر به جدایی ۴ میلی‌متر تماس 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 حرکت بیش از حد، بازگشت، خستگی و اثرات نامطلوب دیگر جلوگیری شود.
