1 Мостов тип суперпроводящ ограничител на тока при късно
1.1 Структура и принцип на действие на мостовия SFCL
Фигура 1 показва еднофазната схема на мостовия SFCL, който се състои от четири диода D₁ до D₄, DC източник на напрежение V_b и суперпроводяща катушка L. Предпазен ключ CB е свързан в редова поредност с ограничителя, за да прекъсне тока при късно след като е ограничен. Източникът на предварителна нагласа V_b предоставя предварителен ток i_b към суперпроводящата катушка L. Напряжението на V_b е зададено достатъчно високо, за да преодолее падането на напрежението в диодните двойки (D₁ и D₃, или D₂ и D₄), установявайки предварителен ток i₀. Стойността на i₀ е зададена по-голяма от върховната стойност на линейния ток i_max, с допустимост за препълване.
Следователно, при нормални условия, диодния мост остава непрекъснато провеждащ, а SFCL не изразява никакво импеданс към линейния ток i, игнорирайки малкото падане на напрежението през моста. Ако приемем, че при нормална работа токовете, минаващи през диодите D₁ до D₄, са съответно iD1 до iD4, линейният ток е:
Получава се според Закона за тока на Кирхоф (KCL):
Когато във веригата се появи късно, линейният ток бързо се увеличава до i₀. През положителната и отрицателната половина цикъл, една двойка диоди става обратно полярни и се изключват, автоматично включвайки катушката L в веригата. Токът при късно е така ограничен от индуктивната реактивност на катушката.
Чрез правилно задаване на критичния ток на суперпроводящата катушка, катушката остава в суперпроводящо състояние при късно, избягвайки ефектите от времето за реакция и възстановяване от затопляне. Но докато късното продължава, токът през суперпроводещия индуктор продължава да се увеличава, в крайна сметка достигайки стабилната стойност на тока при късно, която би съществувала без ограничителя. Следователно, източникът на късното трябва да бъде навременно прекъснат от предпазен ключ в определено време. За улеснение, се приема, че късното се появява в момент, когато източника на напрежението преминава през нула (t = t₀). Според Закона за напрежението на Кирхоф (KVL) се получава следното уравнение:
Начално условие I0, решавайки това диференциално уравнение се получава:
Фигура 2 показва формите на тока през индуктора и линейния ток при нормална работа и след появата на късно, когато късното започва в t = 0.1 с. Резултатите от симулацията показват, че токът при късно се увеличава бавно благодарение на ограничаващия ефект на суперпроводещия индуктор. Процесът на ограничаване на тока е основно намагничаването на суперпроводещия индуктор. Когато токът при късно се стабилизира, ограничителят спира да действа. Следователно, късното трябва да бъде прекъснато от предпазния ключ преди токът при късно да достигне стабилната си стойност. В фигурата, късното се прекъсва от предпазния ключ в t = 0.2 с.
1.2 Структурни подобрения на мостовите суперпроводещи ограничители на тока при късно
Традиционният мостов тип суперпроводящ ограничител на тока при късно (SFCL) може само да ограничи скоростта на увеличаване на тока при късно, но не е ефективен при контролирането на техните стабилни стойности. За да се ограничат стабилните стойности на тока при късно, хибридният SFCL комбинира характеристиките на нулево съпротивление в суперпроводящо състояние и бързото увеличаване на съпротивлението при затопляне на суперпроводниците. Това се постига чрез интегриране на резистивни суперпроводящи ограничители на тока при късно с мостови SFCL. Схематичната диаграма на този хибридният подход е показана на Фигура 3.
При нормални условия на работа, ключът K е отворен, така че резистивният SFCL не изразява никакво външно импеданс, позволявайки току i_L да минава през него без съпротивление. При появата на късно, резистивният SFCL веднага представя високо импеданс и работи в редова поредност с суперпроводящия индуктор, за да ограничат общо тока при късно. След като късното е прекъснато, ключът K се затваря; в този момент, поради своето високо импеданс, резистивният SFCL се закръгля и бързо се връща в суперпроводящо състояние.
Тъй като ключът K има съпротивление в отворено състояние, той ще бъде закръглен от възстановения резистивен SFCL, като така целият хибридният мостов ограничител изглежда като ниско импеданс външно. В този момент, отварянето на K завършва целия процес на ограничаване на тока. За повишаване на капацитета на резистивния SFCL обикновено се използват сериен и паралелен свръзки на единици от резистивни SFCL, за да се подобри напрежението и токът на устройството. Фигура 4 илюстрира схематичната диаграма на резистивния суперпроводящ ограничител, където R₁ до R₆ представляват суперпроводящи резистори, а R служи като обиколен резистор, който може да предизвика едновременно затопляне на два суперпроводника в една и съща сериен клон при късно.
Ролята на междуфазния куплинг трансформатор е да осигури iL1 = iL2 = iL3, така че единици от SFCL в различни паралелни клонове да могат да се затоплят едновременно след появата на късно. Хибридният мостов SFCL ефективно ограничава стабилните стойности на тока при късно, използвайки характеристиките на прехода на суперпроводниците от суперпроводящо до нормално състояние (S/N), автоматично активирайки ограничителния резистор при откритието на късно, без да изисква допълнителни механизми за откриване на късното. Но добавянето на резистивен суперпроводящ ограничител на тока при късно увеличава общите операционни разходи и удължава времето за възстановяване от затопляне, усложнявайки координацията с операции за повторно затваряне на системата.
2 Мостов тип немагнитен ограничител на тока при късно
2.1 Твердотелен ограничител на тока
През последните години, бързият напредък в технологията на електрониката на мощността и висококапацитетните елементи на мощността, като SCR, GTO, GTR и IGBT, както и широкото им приложение в практически системи, са направили ограничителите на тока при късно, съставени от индуктори, резистори, кондензатори и компоненти на мощността, гореща точка на изследванията. Несуперпроводящият мостов тип ограничител на тока при късно е създаден от традиционни компоненти, избягвайки сложната суперпроводяща технология, и предлага предимства на висока надеждност и добра цена-ефективност.
Фигура 5 показва схематичната диаграма на идеален еднофазен мостов тип ограничител на тока, състоящ се от еднофазен мостов тип верига и ограничителен индуктор L. При нормална работа, непрекъснати тригерни импулси се прилагат към четирите тиристора. След кратък процес на намагничаване, токът в индуктора достига върховната стойност на тока на товара. Когато падането на напрежението през тиристорите T₁ до T₄ се игнорира, ограничителят не изразява никакво външно импеданс.
Ако се появи късно по време на положителната половина цикъл на източника на напрежението, T₃ е принуден да се изключи, включвайки ограничителния индуктор в веригата, за да ограничи тока при късно. Чрез правилно задаване на стойността на индуктора L, токът при късно може да бъде ограничен до желаната стойност. Освен това, този ограничител има способността да прекъсне мигновено тока при късно. Но, поради използването на четири контролируеми ключа, логиката за мигновено прекъсване е относително сложна. По време на ограничаване на тока при късно, се генерират значителни хармоники; тези могат да бъдат ефективно намалени, като се свърже обиколен индуктор в паралел към мостовите ръце.
2.2 Полу-контролиран мостов тип ограничител на тока при късно
Фигура 6 илюстрира топологията на еднофазен ограничител на тока при късно, базиран на полу-контролиран мост и самозатварящи устройства. Тази система се състои от диоди D₁ до D₄, самозатварящи устройства T₁ и T₂, суперпроводящ индуктор L, ограничителен индуктор Llim и ZnO абсорбер на наднормено напрежение, с us представляващ източника на AC напрежение и CB служещ като предпазен ключ на веригата.
При нормални условия на работа, двата самозатваряща устройства T₁ и T₂ са непрекъснато тригерирани. При първоначално включване, токът в суперпроводящия индуктор постепенно се увеличава до върховната стойност на линейния ток под влиянието на източника на напрежението. Когато товарът се стабилизира, iL остава постоянен. Игнорирайки падането на напрежението през диодите D₁ до D₄ и самозатварящите устройства T₁ и T₂, напрежението през моста е нула, а напрежението през ограничителния индуктор Llim също е нула. Следователно, ограничителят на тока не изразява никакво външно импеданс и няма влияние върху системата.
Когато в системата се появи късно, токът iL в суперпроводящия индуктор се увеличава. След откриването на късното, T₁ и T₂ се изключват веднага, причинявайки моста да излезе от работа. Токът при късно се прехвърля към обиколния ограничителен индуктор Llim, докато токът в суперпроводящия индуктор продължава да протича през диодите D₁ и D₄, докато се разпадне до нула. Фигура 7 показва кривите на тока и напрежението при стабилно и аварийно състояние на еднофазен ограничител на тока при късно, базиран на полу-контролиран мост.
Системата се включва в t=0.02 секунди и достига стабилно състояние в рамките на един цикъл. Късно се появява в t=0.1 секунди, и T₁ се изключва в рамките на четвърт цикъл след откриването на късното. Параметрите на веригата, използвани за симулация, са следните: върховното фазно напрежение на източника на напрежение е 100V/50Hz; върховната номинална стойност на тока на товара е 10A; съпротивлението на товара е 10Ω; суперпроводящият DC индуктор L е 10mH; падането на напрежението през диодите и контролируемите ключове е 0.8V; и ограничителният индуктор Llim е 10mH.
Едно от основните цели на използването на суперпроводящи ограничители на тока при късно (SFCL) в системите за енергоснабдяване е да се ограничат токовете при късно, така че да не надхвърлят мигновената пречупваща способност на предпазните ключове на веригата. В анализите, се използва отношението на намалението на тока при късно D (0<D<1) за да се представи процентното намаление на върховната стойност на тока при късно, и изразът за D е:
е върховният ток при късно, без да е инсталиран SFCL, и неговата стойност е свързана със съотношението на еквивалентната X/R система.
В Уравнение (7), Ip означава амплитудата на периодичната компонента на тока при късно, а Ta е временната константа. ilim представлява върховната стойност на ограниченото ток при късно, което зависи от големината на ограничителния индуктор Llim. Чрез правилно избиране на стойността на Llim, може да се постигне желаното процентно намаление на върховната стойност на тока при късно. Симулации са проведени с Llim зададен на