Pengimej Pengecas Arus Terus Rendah Voltan dan Aplikasinya

Pemutus litar DC tegangan sederhana sesuai untuk aplikasi di kapal, kereta api bawah tanah bandar, kereta api elektrik, mikrogelombang (kenderaan elektrik), penjanaan teragih (tenaga suria), dan sistem berdasarkan bateri (pusat data).

Rintangan litar yang relatif rendah dalam kes DC menyebabkan amplitud hubungan pendek yang lebih tinggi. Selain itu, kerana kumparan transformer tidak menyumbang kepada pemalar masa keseluruhan dalam sistem DC, pemalar masa keseluruhan berkurang dan hubungan pendek boleh mempunyai masa naik sependek beberapa milisaat. Kerosakan voltan juga mungkin berlaku di mana mengekalkan sekurang-kurangnya 80% voltan DC nominal adalah syarat untuk stesen pengubah voltan (VSC) berfungsi secara normal.

Untuk mengurangkan gangguan operasi pengubah, kesalahan perlu dibersihkan dalam beberapa milisaat, terutamanya untuk stesen yang tidak disambungkan ke litar atau kabel yang rosak.

Jenis pemutus litar DC tegangan sederhana di pasaran:
Tiga jenis utama pemutus litar di pasaran LVDC dan MVDC adalah pemutus litar negara pepejal (SSCBs), pemutus litar mekanikal (MCBs), dan pemutus litar hibrid (HCBs) yang merupakan gabungan SSCB selari dengan switch mekanikal ultra pantas (UFMS).

MCBs AC LV dan MV konvensional berdasarkan udara dan SF6 mempunyai keupayaan pemutusan DC tertentu yang terhad hanya kepada beberapa kilovolt dan beberapa Ampere.

Pemutus litar DC tegangan sederhana negara pepejal:
Topologi untuk SSCBs biasanya berdasarkan pada jumlah tertentu Thyristor Komutasi Gerbang Terpadu (IGCTs), Thyristor Penghujung Mati (GTOs), atau Transistor Bipolar Gerbang Terasing (IGBTs), yang disambung selari. Walaupun masa tindak balas sangat cepat, satu kelemahan adalah kerugian on-state yang substantial biasanya dalam julat 15-30% daripada kerugian stesen VSC.

Kos komponen yang tinggi, kurangnya isolasi galvanik, dan kapasiti penyerapan haba yang tidak mencukupi adalah kelemahan lain.

Gambar 1 menunjukkan beberapa jenis reka bentuk pemutus litar DC tegangan sederhana negara pepejal:

Gambar 1: a) Pemutus litar dua arah tegangan sederhana berdasarkan IGCT, (b) Pemutus litar dua arah tegangan sederhana berdasarkan IGCT, (c) Pemutus litar dua arah berdasarkan GTO

Beberapa topologi SSCB telah dicadangkan. Namun, kebanyakan mereka adalah untuk voltan ≤ 1 kV, khususnya untuk arus rendah ≤ 1000 A. Patut diperhatikan bahawa salah satu aspek paling mencabar teknologi SSCB adalah kerugian on-state yang tinggi, walaupun beberapa artikel melaporkan SSCB MV yang memenuhi tahap voltan MV seperti 6-15 kV, mereka biasanya untuk arus bernilai kurang dari 1000 A, tetapi kapasiti penanganan kuasa yang diperlukan akan berada dalam julat beberapa MW hingga puluhan MW dengan sekurang-kurangnya 3 modul selari (3P:3*3.72 MW).

Oleh itu, pembangunan pemutus litar DC dengan kuasa bernilai kurang dari 10 MW untuk arkitektur MVDC masa depan menjadi hampir tidak berguna. Teknologi semikonduktor kuasa semasa tidak dapat memenuhi penilaian kuasa tersebut; akibatnya, SSCBs untuk arkitektur MVDC masa depan tidak akan membawa kepada reka bentuk kompak yang cekap kos. Dalam hal ini, blower udara yang agak besar dengan kapasiti sekitar enam ribu kaki padu per minit dan/atau pendinginan air aktif diperlukan untuk tahap kerugian on-state multi-kilowatt yang dijangka untuk arus tinggi.

Pemutus litar DC tegangan sederhana hibrid (HCBs):
Pemutus litar DC tegangan sederhana hibrid termasuk laluan penghantaran arus dan laluan pemutusan arus.

Pemutus hibrid menggabungkan kerugian ke depan yang sangat rendah dari switch ultra pantas murni dengan prestasi pantas pemutus litar negara pepejal dalam laluan selari. Pemutus utama diletakkan pada laluan selari dan terdiri daripada switch-switch negara pepejal yang disambung selari dan selari yang disambung selari.

Modul HCB yang dibangunkan dan satu modul ditunjukkan dalam Gambar 2 dengan voltan dan arus bernilai, dan keupayaan pemutusan arus 6.2 kV, dan 600 A, masing-masing.

Perlu diperhatikan bahawa ruang busur switch ultra pantas hanya perlu menghasilkan voltan yang cukup untuk mengkomunikasikan arus dan memudahkan filosofi paralel modul. Dalam semua reka bentuk SSCB dan HCB, pemutus arus sisa (RCD) dan resistor shunt untuk mengukur arus ditunjukkan dalam Gambar 2 diperlukan. Apabila arus turun ke nilai rendah yang ditetapkan oleh arus bocor varistor oksida logam (MOV), pemutus dibuka, mengasingkan sistem dan mencegah sebarang arus bocor melalui semikonduktor dan MOV.

Gambar 2: Pemutus litar DC hibrid tegangan sederhana

UFMS laluan utama hanya perlu menghasilkan voltan yang cukup tinggi untuk mengkomutasi arus ke pemutus IGBT penuh selari. Rintangan pemutus DC tambahan, Rdson pada 2 kA, dan switch mekanikal pantas perlu kurang daripada 20 mW untuk mempunyai ciri-ciri yang serupa dengan pemutus litar elekromekanikal. Menggunakan UFMS dalam laluan utama menghasilkan kerugian on-state dan voltan ke depan yang lebih rendah daripada SSCB penuh.

Reka bentuk yang dicadangkan boleh memberi manfaat berbanding pemutus litar HCB tegangan tinggi yang dihasilkan oleh ABB dan Alstom, kerana (1) tiada kerugian semikonduktor on-state, (2) litar kawalan akan lebih mudah, dan (3) "Power Electronic Switch" yang mahal dalam laluan utama, boleh dielakkan. Memang, hanya satu UFMS boleh menggantikan kedua-dua "Power Electronic Switch", dan pemutus pantas yang dicadangkan oleh ABB untuk laluan utama.

Namun, perlu dipastikan bahawa rintangan kontak UFMS tidak lebih daripada kontak elekromekanikal yang setara dan mempunyai keupayaan daya tahan gaya 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N untuk 10x in-rush pada arus bernilai 2 kA dengan faktor keselamatan 2x atau 356 N).

Switch Mekanikal Ultra Pantas dalam pemutus litar DC hibrid tegangan sederhana:
Cabaran untuk merealisasikan filosofi yang disebutkan adalah (1) sama ada switch ultra pantas tersebut boleh dibangunkan untuk tahap MV, (2) sama ada pembinaan voltan busur untuk komutasi adalah cukup tinggi, dan (3) sama ada reka bentuk yang sama boleh dilakukan untuk RCB. Jawapan mungkin YA untuk semua soalan seperti yang dibincangkan di bawah.

Aktuator Thomson coil (TC) elektromagnetik yang beroperasi berdasarkan daya tarikan atau tolakan antara konduktor yang membawa arus sangat sesuai untuk pemintasan pantas kerana ia boleh mencapai percepatan tinggi melalui kawalan tepat. Sejauh ini, dua teknik berdasarkan TC telah dicadangkan dan diterangkan dengan baik untuk switch mekanikal ultra pantas, di mana yang menggunakan kumparan selari mengatasi yang berdasarkan induksi dari segi kecekapan. Teknik-teknik ini juga dibandingkan dengan model unsur terbatas Multiphysics.

Pemutus litar had arus kesalahan (FCLCB) fasa tunggal 12 kV (voltan nominal) dan 2 kA (arus nominal) / 20 kA (hubungan pendek) dan FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA yang membolehkan busur dipadamkan tanpa sebarang pendinginan busur paksaan dalam 100-300 μs telah direka dan dibina.

Switch pantas berdasarkan induksi dengan arus bernilai 7 kA mempercepat kontak HCB ~2 kg dengan percepatan awal ~44,900 m/s2 yang menghasilkan pemisahan kontak 4 mm selepas ~422 μs, cukup untuk menahan voltan switch bernilai 3 kV.

Gerakan pantas ini harus diredam pada akhir perjalanan untuk mencegah over-travel, lompatan, letihan, dan kesan-kesan yang tidak diingini lainnya.