מחשף מעגל מתח בינוני בסוגים היישומים
מפעלי חשמל ישר ב напряжение מתאימים ליישומים בספינות, רכבות תחתית עירונית, רכבות חשמליות, מיקרו-רשתות (רכבי חשמל), ייצור מבוזר (אנרגיה סולרית) ומערכות מבוססות סוללות (מרכזים נתונים).
ההתנגדות הנמוכה באופן יחסי בתיק של חשמל ישר מובילה לעוצמות גבוהות יותר של קצר. בנוסף, מכיוון שהסלילים של המרתיקים אינם תורמים לקבוע הזמן הכולל במערכות חשמל ישר, הקבוע הזמן הכללי מצטמצם וקצר יכול להיות עם זמני עלייה קצרים כמו מספר מילישניות. עלול להתרחש גם קריסת מתח כאשר שמירה לפחות 80% מהמתח הנומינלי של החשמל הישר היא תנאי מקדים לתפקוד תקין של תחנת הממיר (VSC).
כדי להפחית את הפרעות פעולת הממיר, על השגיאה להתנקז תוך מספר מילישניות, במיוחד עבור תחנות שאינן מחוברות לקו או כבל פגום.
סוגי מפעלי חשמל ישר ב напряжение בשוק:
שלושת הסוגים העיקריים של מפעלי חשמל בשוק LVDC ו-MVDC הם מפעלי חשמל מוצקים (SSCBs), מפעלי חשמל מכניים (MCBs) ומפעלי חשמל היברידיים (HCBs) שהם שילוב של SSCB מקביל למפסק מכני אולטרה מהיר (UFMS).
מפעלי MCBs AC מסדרות נמוכות וMV מבוססים על אוויר ו-SF6 יש להם יכולת ניתוק חשמל ישר מוגבלת רק לכמה קילוולט ואמפרים מעטים.
מפעלי חשמל ישר ב напряжение מוצקים:
טופולוגיות עבור SSCBs הן בדרך כלל מבוססות על מספר מסוים של Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) או Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), המחוברים בטור. אם כי זמני התגובה הם מהירים מאוד, חסרון אחד הוא ההפסדים המשמעותיים במצב ההדלקה שטיפוסית בסביבות 15-30% מההפסדים של תחנת VSC.
עלות רכיבים גבוהה, חוסר בידוד גלואני וקיבולת ספיגה תרמית בלתי מספקת הם חסרונות נוספים.
איור 1 מציג סוג מסוים של עיצוב מפעל חשמל ישר ב напряжение מוצק:
איור 1: a) מפעלי חשמל ישר ב напряжение דו-כיווניים מבוססי IGCT, (b) מפעלי חשמל ישר ב напряжение דו-כיווניים מבוססי IGCT, (c) מפעלי חשמל ישר ב напряжение דו-כיווניים מבוססי GTO
הוצעו טופולוגיות שונות של SSCB. עם זאת, רובן הן עבור מתחים ≤ 1 kV, במיוחד עבור זרמים נמוכים ≤ 1000 A. יש לציין כי אחת האתגרים הקשים ביותר בטכנולוגיית SSCB היא ההפסדים הגבוהים במצב ההדלקה, ומרוב המאמרים דיווחו על MV SSCB שמתאים לרמה של MV כגון 6-15 kV, הם בדרך כלל עבור זרם נומינלי פחות מ-1000 A, אך יכולת הטיפול בעוצמה הנדרשת תהיה ברמה של כמה מגה-וואט עד עשרות מגה-וואט עם לפחות 3 מודולים מקבילים (3P:3*3.72 MW).
לכן, הפיתוח של מפעל חשמל עם עוצמה נומינלית של פחות מ-10 MW לארכיטקטורות MVDC עתידיות נהיה כמעט חסר תכלית. טכנולוגיות מוליכים למחצה לכוח לא יכולות לעמוד בעוצמות כאלה; לכן, SSCBs לארכיטקטורות MVDC עתידיות לא יובילו לעיצוב יעיל וcompact במונחים של עלות. בנוגע לכך, נחוצים משבטי אוויר גדולים יחסית עם יכולת סביב שש אלף רגל מעוקבת לדקה ו/או קירור מים פעיל עבור רמות ההפסדים במצב ההדלקה הצפויות לזרמים גבוהים.
מפעלי חשמל ישר ב напряжение היברידיים (HCBs):
מפעלי חשמל ישר ב напряжение היברידיים כוללים נתיב העברת זרם ונתיב ניתוק זרם.
מפרק היברידי משלב את ההפסדים הנמוכים מאוד בהדלקה של מפסק אולטרה מהיר טהור עם הביצועים המהירים של מפרק מוצק בנתיב מקביל. המפרק הראשי ממוקם בנתיב מקביל ועשוי מסדרה של מפרקי מצב מוצק המחוברים בטור.
פותח מפרק HCB מודולרי ושני מודולים כפי שמוצג באיור 2 עם מתח נומינלי וזרם, וכושר ניתוק זרם של 6.2 kV, ו-600 A בהתאמה.
ראוי לציין כי לחדר הקשת של המפסק האולטרה מהיר יש רק ליצור מתח מספיק כדי להעביר את הזרם ולשאת את פילוסופיית ה Yao של המודולים. בכל DESIGNS של SSCB ו-HCB נדרש מפרק זרםidual (RCD) ומחנגד shunt למדידת הזרם כפי שמוצג באיור 2. כשהזרם יורד לערך נמוך המוגדר על ידי הזרם הגולש של varistor metal oxide (MOV), המפרק נפתח, מבודד את המערכת למנוע כל זרם גולש דרך מוליכי למחצה ו-MOV.
איור 2: מפעלי חשמל ישר ב напряжение היברידיים
לנתיב הראשי UFMS יש רק ליצור מתח מספיק כדי להעביר את הזרם למפרק IGBT מלא מקביל. ההתנגדות של המפרק DC עזרי, Rdson ב-2 kA, והמפסק המכני מהיר צריכים להיות פחות מ-20 mW כדי иметь מאפיינים דומים למפרק חשמלי מכני. שימוש ב-UFMS בנתיב הראשי מביא להפסדים נמוכים יותר במצב ההדלקה ומתח קדמי מאשר מפרק SSCB מלא.
עיצוב המוצע יכול להיות מועיל לעומת מפעלי HCBS ברמות מתח גבוהות המיוצרים על ידי ABB ו-Alstom, מכיוון ש- (1) אין הפסדים מוליכים למחצה במצב ההדלקה, (2) מעגל הבקרה יהיה פשוט יותר, ו- (3) "מפסק אלקטרוני חזק" יקר בנתיב הראשי, ניתן להימנע ממנו. אכן, רק UFMS אחד יכול להחליף את שני "מפסק אלקטרוני חזק" ואת המפסק המהיר המוצע על ידי ABB לנתיב הראשי.
עם זאת, יש להבטיח שההתנגדות מגע UFMS אינה גדולה יותר מגבולות מגעי מכניים שקולים ויש לה את יכולת החזקה של כוח 4.45×10-7 I2 N (כלומר > 178 N עבור 10x הזנה ראשונית ברמת 2 kA עם גורם בטיחות 2x או 356 N).
מפסק מכני מהיר במפעלי חשמל ישר ב напряжение היברידיים:
האתגרים להגשמת הפילוסופיה המוזכרת הם (1) האם ניתן לפתח מפרקים מהירים כאלה לרמות MV, (2) האם בניית מתח הקשת לסילוק היא גבוהה מספיק, ו- (3) האם אותו עיצוב אפשרי עבור RCB. התשובה יכולה להיות כן לכל השאלות כפי שנדון להלן.
נושאים אלקטרומגנטיים של מתגים TC (Thomson coil) המופעלים על בסיס כוחות משיכה או דחייה בין מוליכים נושאי זרם מאוד מתאימים לתנאי מעבר מהירים מכיוון שהם יכולים להשיג תאוצות גבוהות באמצעות שליטה מדויקת. עד כה, הוצעו ושוחלו שתי טכניקות מבוססות TC למפרקים מכניים מהירים, כאשר זו עם סלים בטור עברה את זו מבוססת אינדוקציה מבחינת יעילות. הטכניקות הללו השוונו גם על ידי מודל אלמנטים סופיים רב-פיזיקלי.
נבנה מפרק מגביל זרם קצר (FCLCB) חד פאזי 12 kV (מתח נומינלי) ו-2 kA (זרם נומינלי) / 20 kA (זרם קצר) ומפרק FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA המאפשר לכבות את הקשת ללא קירור קשת מוטבע בטווח של 100-300 μs.
המפסק המהיר מבוסס אינדוקציה עם זרם נומינלי של 7 kA ממהר מגע HCB של ~2 kg בתאוצה ראשונית של ~44,900 m/s2 שמגיעה להפרדת מגע של 4 mm לאחר ~422 μs, מספיק כדי לשאת מתח מפסק נומינלי של 3 kV.
תנועה מהירה זו צריכה להיות מנומכת בסוף המסע כדי למנוע מסע יתר, צפיפות, עייפות ואפקטים בלתי רצויים אחרים.
