1 Köprü Tipi Süperiletken Sürük Akımı Sınırlayıcı
1.1 Köprü Tipi SFCL'in Yapısı ve Çalışma Prensibi
Şekil 1, D₁'den D₄'e kadar dört diyod, bir DC bias voltaj kaynağı V_b ve bir süperiletken bobin L içeren köprü tipi SFCL'nin tek fazlı devre şemasını göstermektedir. Sınırlayıcı ile seri bağlı bir devre kesicisi CB, sınırlanmasından sonra hata akımını kesmek için kullanılır. Bias kaynağı V_b, süperiletken bobin L'ye bir bias akımı i_b sağlar. V_b'nin voltajı, diyod çiftlerinin (D₁ ve D₃, veya D₂ ve D₄) ileri voltaj düşümünü aşmak için yeterince yüksek ayarlanır, böylece bir bias akımı i₀ oluşturur. i₀ değeri, hat akımının zirve değerinden i_max'tan daha büyük olarak, aşırı yük koşulları için yer bırakılarak belirlenir.
Bu nedenle, normal koşullar altında, diyod köprü sürekli iletken olur ve SFCL, köprünün ön voltaj düşümünü ihmal ederek hat akımına i herhangi bir impedans göstermez. Normal çalışırken D₁'den D₄'e kadar geçen akımların sırasıyla iD1'den iD4'e kadar olduğunu varsayarak, hat akımı şu şekildedir:
Kirchhoff'un Akım Yasası (KCL) göre elde edilir:
Hat üzerinde kısa devre hatası meydana geldiğinde, hat akımı hızlıca i₀'ya yükselir. Pozitif ve negatif yarı periyotlarda, bir diyod çifti ters yönde biaslanır ve kapanır, bu da otomatik olarak bobin L'yi devreye sokar. Kısa devre akımı, bu nedenle bobinin endüktif reaktansı tarafından sınırlanır.
Süperiletken bobinin kritik akımını uygun şekilde ayarlayarak, hata sırasında bobin süperiletken durumda kalır, tepki süresi ve quenching'den geri dönüş etkilerini önler. Ancak, hata devam ettikçe, süperiletken indüktörün akımı sürekli artar ve sonunda sınırlayıcı olmadan var olacak olan durağan kısa devre akım değerine yaklaşır. Bu nedenle, hata kaynağı, belirli bir süre içinde devre kesicisi tarafından zamanında kesilmelidir. Basitleştirme amacıyla, kısa devre hata kaynakta voltajın sıfır geçtiği an (t = t₀) gerçekleştiğini varsayılır. Kirchhoff'un Voltaj Yasası (KVL) göre, aşağıdaki denklem elde edilir:
Başlangıç koşulu I0, bu diferansiyel denklemin çözümü şu şekildedir:
Şekil 2, normal çalışma sırasında ve hata oluştuğunda indüktör akımı ve hat akımının dalga formlarını göstermektedir, hata t = 0.1 s'da başlamıştır. Simülasyon sonuçları, süperiletken indüktörün akım sınırlama etkisi sayesinde kısa devre akımının yavaşça yükseldiğini göstermektedir. Akım sınırlama süreci esas olarak süperiletken indüktörün manyetlenmesidir. Hata akımı durgunlaştığında, sınırlayıcı etkili olmayı bırakır. Bu nedenle, kısa devre akımı durağan değerine ulaşmadan önce devre kesicisi tarafından hata temizlenmelidir. Şekilde, hata t = 0.2 s'da devre kesicisi tarafından temizlenmiştir.
1.2 Köprü Tipi Süperiletken Sürük Akımı Sınırlayıcıların Yapısal İyileştirmeleri
Geleneksel bir köprü tipi süperiletken sürük akımı sınırlayıcısı (SFCL), kısa devre akımlarının hızlanma oranını kontrol edebilir ancak durağan değerlerini kontrol etmede etkisizdir. Kısa devre akımlarının durağan değerlerini sınırlamak için, süperiletken durumda sıfır direnç ve quench sırasında direncin hızlı artışı özellikleri birleştirilmiş hibrit bir SFCL kullanılır. Bu, dirençli süperiletken sürük akımı sınırlayıcılarını köprü tipi SFCL'lerle entegre ederek gerçekleştirilir. Bu hibrit yaklaşımın şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.
Normal çalışma koşullarında, anahtar K açık olduğundan, dirençli SFCL dışa doğru herhangi bir impedans göstermez ve akım i_L onu dirençsiz olarak geçirir. Hata oluştuğunda, dirençli SFCL hemen yüksek impedansa sahip olur ve süperiletken bobinle serili olarak hata akımını ortaklaşa bastırır. Hata temizlendikten sonra, anahtar K kapalı olur; bu noktada, yüksek impedansı nedeniyle, dirençli SFCL kısa devre olur ve hızlıca süperiletken duruma geri döner.
Anahtar K'nın açık durumda direnci olduğundan, toparlanmış dirençli SFCL tarafından kısa devre olur, bu nedenle tüm hibrit köprü tipi sınırlayıcı dışa doğru düşük impedans gösterir. Bu noktada, K'nın açılması tüm akım sınırlama sürecini sonlandırır. Dirençli SFCL'nin kapasitesini artırmak için genellikle dirençli SFCL ünitelerinin serili ve paralel bağlantıları kullanılarak cihazın voltaj ve akım derecelerini iyileştirir. Şekil 4, dirençli süperiletken sınırlayıcının devre şemasını göstermektedir, burada R₁'den R₆'ya kadar süperiletken dirençleri temsil eder ve R, kısa devre hata sırasında aynı seri dalındaki iki süperiletkenin eşzamanlı quenching'ini tetikleyebilecek bir yanak direnç görevi görür.
Faz arası kombine dönüştürücünün rolü, iL1 = iL2 = iL3 olması için sağlamaktır, böylece farklı paralel dallardaki SFCL üniteleri, kısa devre hata sonrasında eşzamanlı olarak quenching olabilir. Hibrit köprü tipi SFCL, süperiletkenin süperiletken durumdan normal duruma (S/N) geçiş özelliklerini kullanarak, ek hata algılama mekanizmalarına ihtiyaç duymadan otomatik olarak akım sınırlama direncini faaliyete geçirerek kısa devre akımlarının durağan değerlerini etkili bir şekilde sınırlar. Ancak, dirençli süperiletken akım sınırlama cihazının eklenmesi, toplam işletim maliyetlerini artırır ve quenching'den toparlanma süresini uzatır, bu da sistem yeniden kapama işlemlerinin koordinasyonunu karmaşıklaştırır.
2 Köprü Tipi Süperiletken Olmayan Sürük Akımı Sınırlayıcı
2.1 Katı Hal Akım Sınırlayıcı
Son yıllarda, güç elektroniği teknolojisinde ve SCR, GTO, GTR ve IGBT gibi yüksek kapasiteli güç yarı iletken cihazlarında hızlı gelişmeler ve bunların pratik sistemlerde yaygın kullanımı, indüktör, direnç, kondansatör ve güç elektronik bileşenlerden oluşan akım sınırlayıcıları araştırma alanına dönüştürmüştür. Süperiletken olmayan köprü tipi akım sınırlayıcı, karmaşık süperiletken teknolojisi yerine geleneksel bileşenler kullanılarak inşa edilir ve yüksek güvenilirlik ve iyi maliyet etkinliği avantajlarına sahiptir.
Şekil 5, tek fazlı köprü devresi ve akım sınırlama indüktörü L'den oluşan ideal tek fazlı köprü tipi akım sınırlayıcısının şematik diyagramını göstermektedir. Normal çalışma sırasında, dört tiristora sürekli tetikleme darbeleri uygulanır. Kısa bir manyetleme sürecinden sonra, indüktördeki akım yük akımının zirve değerine ulaşır. Tiristorların T₁'den T₄'e kadar voltaj düşümünü ihmal edildiğinde, sınırlayıcı dışa doğru herhangi bir impedans göstermez.
Eğer güç voltajının pozitif yarı periyodu sırasında kısa devre hata oluşursa, T₃ kapanmak zorunda kalır, bu da akım sınırlama indüktörünü devreye sokarak hata akımını bastırır. Indüktör L'nin değerini uygun şekilde ayarlayarak, kısa devre akımını istenen herhangi bir seviyeye sınırlayabilirsiniz. Ayrıca, bu sınırlayıcı, kısa devre akımını anında kesme yeteneğine de sahiptir. Ancak, dört kontrollü anahtarı kullanıldığından, anlık kesme için kontrol mantığı oldukça karmaşıktır. Akım sınırlama sırasında önemli harmonikler üretilir; bu harmonikler, köprü kollarına paralel bağlanan yanak indüktörlerle etkili bir şekilde azaltılabilir.
2.2 Yarı Kontrollü Köprü Kısa Devre Akım Sınırlayıcı
Şekil 6, yarı kontrollü köprü ve kendiliğinden kapanabilen cihazlar temelinde tek fazlı kısa devre akım sınırlayıcısının topolojisini göstermektedir. Bu sistem, D₁'den D₄'e kadar diyo