Орта басындағы DC цеп бөлшектерінің түрлері және қолданылуы

Орта напрямдагы DC ауытқу айналдырмалары корабларда, қала метрополитендерінде, электрпоездтарда, микрогрістерде (электромобилдер), ұсыныс өндірісінде (күн энергиясы), батареялық системаларда (деректер орталықтары) қолданылады.

DC жағдайында схеманың қатарындағы қатарлы инпеданс әлсіз, бұл күндеттердің деңгейін жоғарылаттырады. Олаймен, трансформаторлық виткалар DC системаларында жалпы уақыттық тұрақтыға үлес емес, бұл жалпы уақыттық тұрақтыны азайтады және күндет уақыты бірнеше миллисекундада өсуі мүмкін. Номиналды DC напрямдасының ең аз 80% қалауы VSC станциясының нормаль жұмысы үшін шарт болып табылады.

Конвертордың жұмысын қолданбай қалуын минималдау үшін, күндетті бірнеше миллисекунд ішінде алау керек, әсіресе кемістік сызығы немесе кабельге қосылмаған станциялар үшін.

Базардағы орта напрямдагы DC ауытқу айнағының түрлері:
LVDC және MVDC базарларында үш негізгі ауытқу айнағы түрлері бар: жұмысқа алынатын заттардан тұратын ауытқу айнағы (SSCBs), механикалық ауытқу айнағы (MCBs) және гибрид ауытқу айнағы (HCBs) - SSCB мен өте жылдам механикалық ауытқыш (UFMS) параллелде бірге жұмыс істейді.

Традициялық ауа және SF6 негізіндегі LV және MV AC MCBs-тердің DC бөлшектеу қабілеті ғана бірнеше киловольт пен амперге шектелген.

Жұмысқа алынатын заттардан тұратын орта напрямдагы DC ауытқу айнағы:
SSCB топологиялары типік түрде бірнеше Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) немесе Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) серияда қосылған. Жауап беру уақыты өте жылдам, бірақ бір қатері - VSC станциясының қындықтарының 15-30% аралығындағы көлемдік қындықтар.

Қымбат компоненттер, гальваникалық бөлшектеу жоғалуы және жетіспеуші термодинамикалық қабілеттер - басқа қатерлер.

Сурет 1 жұмысқа алынатын заттардан тұратын орта напрямдагы DC ауытқу айнағы дизайнын көрсетеді:

Сурет 1: a) IGCT негізіндегі орта напрямдагы екі бағытты жұмысқа алынатын заттардан тұратын ауытқу айнағы, (b) IGCT негізіндегі орта напрямдагы екі бағытты жұмысқа алынатын заттардан тұратын ауытқу айнағы, (c) GTO негізіндегі екі бағытты жұмысқа алынатын заттардан тұратын ауытқу айнағы

Артықча SSCB топологиялары ұсынылған. Бірақ, олардың көпшілігі 1 кВ немесе одан төмен напрямдасы үшін, әсіресе 1000 А немесе одан төмен ток үшін. Ескертуге достой, SSCB технологиясының ең қиын аспектісі - жоғары қындықтар, бірақ бірнеше мақалалар MV напрямдасы сатысын қанағаттандыратын MV SSCB жөнінде хабардар болса да, олар типік түрде 1000 А-нан аз реттелген ток үшін, бірақ қажетті энергия өңдеу қабілеті бірнеше МВ-ден он МВ-ге дейінгі диапазонда болады, ең аз 3 параллел модуль (3P:3*3.72 MW).

Демек, болашақ MVDC архитектурасы үшін 10 МВ-нан аз реттелген түрде DC CB өтінеміз үшін өте қолайсыз. Ағымғы энергиялық полупроводник технологиялары осындай энергиялық сатыларды қанағаттандыруға қадер емес; сонымен, болашақ MVDC архитектурасы үшін SSCB-лер өте эффективті, экономикалық құрылымды дизайн бербейді. Бұл қатарда, өте жоғары токтар үшін күту үшін қажетті өте үлкен ауа жылдатқыштар, алты мың куб фут пер минутпен же активті су жылдату қажет.

Гибрид орта напрямдагы DC ауытқу айнағы (HCBs):
Гибрид орта напрямдагы DC ауытқу айнағы токты өткізу жолы және токты тоқтату жолын қамтиды.

Гибрид ауытқыш өте тез жұмыс істейтін чисто механикалық ауытқыштың өте төмен қындықтары мен параллелде жұмыс істейтін жұмысқа алынатын заттардан тұратын ауытқыштың тез жұмысын біріктіреді. Негізгі ауытқыш параллел жолда орналасқан және серияда қосылған жұмысқа алынатын заттардан тұрады.

Рейтингді напрямдасы және ток, және 6.2 кВ, 600 А токты бөлшектеу қабілеті бар модульді HCB разработка қылынды, Сурет 2-де көрсетілген.

Ескертуге достой, өте жылдам ауытқыштың дуга камерасы тек токты өткізуге және модулдердің параллел философиясын қолдануға жеткілікті напрямдасын қалыптастыру үшін қажет. Барлық SSCB және HCB дизайнында, Сурет 2-де көрсетілгендей, қалдық токты бөлшектеу (RCD) және токты өлшеу үшін шунт резистор қажет. Ток қалдық метал оксид варистан (MOV) тағынды токына қарай төменге түссе, бөлшектеуші ачылып, системаны бөлшектейді және металл оксид варистан (MOV) арқылы қалдық токты қолданбай қалады.

Сурет 2: Гибрид орта напрямдагы DC ауытқу айнағы

Негізгі жолдың UFMS-і тек токты параллел IGBT ауытқышқа өткізу үшін жеткілікті напрямдасын қалыптастыру үшін қажет. Көмекші DC ауытқыштың Rdson 2 kA, және тез механикалық ауытқыштың қабылдау қабілеті 20 мW-нан аз болуы керек, электромеханикалық ауытқыштың ұқсас қасиеттерін қамтамасыз ету үшін. Негізгі жолда UFMS қолдануы SSCB-ге қарағанда төмен қындықтар мен алдыңғы напрямдасын қамтамасыз етеді.

Өнеркәсіптік дизайн ABB және Alstom компаниялары тағынды жоғары напрямдасындағы HCB-лерге қолайлы болады, себебі (1) жұмысқа алынатын заттардың қындықтары жоқ, (2) оның басқару схемасы қарапайым, (3) негізгі жолдағы қымбат "Power Electronic Switch" қолданылмайды. Ықтимал, бір UFMS өзгөчері ABB компаниясы негізгі жол үшін ұсынған "Power Electronic Switch" және тез бөлшектеушін қолдануға қолданылады.

Бірақ, UFMS контакт қабылдау қабілеті электромеханикалық контакттармен тең немесе олардан төмен болуы қажет, және 2 kA рейтингді ток үшін 4.45×10-7 I2 N (яғни 178 Н үшін 10x тез өтеу, қауіпсіздік коэффициенті 2x немесе 356 Н) қабылдау қабілеті бар.

Орта напрямдагы гибрид DC ауытқу айнағындағы өте жылдам механикалық ауытқыш:
Айтылған философияны жүзеге асыру үшін шешілетін мәселелер: (1) осындай өте жылдам ауытқыштар MV деңгейлері үшін әзірлене ала ма? (2) коммутация үшін дуга напрямдасының қалыптасуы жеткілікті ма? (3) RCB үшін бірдей дизайн мүмкін пе? Жоғарыда айтылғандай, барлық сұрақтарға жоқ емес, жауабы өте қолайлы болуы мүмкін.

Ағымды өткізетін проводшылардың тартылыс немесе тышқану күштерінің негізінде иштейтін электромагниттік Томсон катушкалар (TC) актуаторлары өте тез өту үшін өте ыңғайлы, себебі олар тез өту үшін дәл басқару арқылы жоғары үдеулерді жетістіре алады. Әлі қазір, TC негізінде өте жылдам механикалық ауытқыштар үшін екі техника ұсынылған және жақсы түрде түсіндірілген, сериядағы катушкаларға негізделген техника индукцияға негізделген техникаға қарағанда әсерлілікте жетістікке жетті. Бұл екі техника Multiphysics конечті элементтер моделинің арқылы салыстырылды.

Бір фазада 12 кВ (номиналды напрямдасы) және 2 кА (номиналды ток) / 20 кА (күндеттік ток) ауытқу айнағы (FCLCB) және 24 кВ, 3 кА / 40 кА FCLCB 100-300 μs ішінде дуганы суықтыру арқылы өткізбеу үшін құрылды.

Индукцияға негізделген 7 кА рейтингді ток үшін өте жылдам ауытқыш ~2 кг HCB контактін ~44,900 м/с² бастапқы үдеумен үдеуі үшін қолданылады, бұл ~422 μs ішінде 4 мм контакт бөлшектеуіне әкеледі, бұл 3 кВ рейтингді ауытқыш напрямдасын ұстауға жеткілікті.

Бұл тез қозғалыс сапардың аяқталуында қозғалысты төмендету қажет, өткізбеу, жылжыту, ауыртастыру және басқа да қажет емес әсерлерді тиктеу үшін.