1 پلی-نوع محدودکننده جریان خطای فرارسانا
1.1 ساختار و اصل عملکرد محدودکننده جریان خطای پلی-نوع (SFCL)
شکل 1 نمودار مدار تکفاز محدودکننده جریان خطای پلی-نوع را نشان میدهد که شامل چهار دیود D₁ تا D₄، منبع ولتاژ DC V_b و سیم پیچ فرارسانا L است. یک قطع کننده مدار CB به صورت سری با محدودکننده متصل شده است تا پس از محدود کردن جریان خطا، آن را قطع کند. منبع V_b جریان بایاس i_b را به سیم پیچ فرارسانا L ارائه میدهد. ولتاژ V_b به اندازه کافی بالا تنظیم شده تا تیرگی جلوی دیودهای (D₁ و D₃ یا D₂ و D₄) را غلبه کند و جریان بایاس i₀ را ایجاد کند. مقدار i₀ بیشتر از مقدار قله جریان خط i_max با در نظر گرفتن شرایط بیشباری تنظیم شده است.
بنابراین، در شرایط عادی، پل دیودی به طور مداوم هدایت میکند و SFCL هیچ مقاومتی برای جریان خط i ارائه نمیدهد، با نادیده گرفتن تیرگی جلوی کوچک پل. فرض کنید که در حین عملکرد عادی جریانهای عبوری از دیودهای D₁ تا D₄ به ترتیب iD1 تا iD4 هستند، جریان خط:
بر اساس قانون جریان کیرشهف (KCL) به دست میآید:
هنگامی که خطا کوتاهمداری در خط رخ میدهد، جریان خط به سرعت به i₀ افزایش مییابد. در نیمهدورههای مثبت و منفی، یک زوج از دیودها بایاس معکوس میشوند و خاموش میشوند، بنابراین به طور خودکار سیم پیچ L به مدار وارد میشود. بنابراین جریان کوتاهمداری توسط واکنشپذیری القایی سیم پیچ محدود میشود.
با تنظیم جریان بحرانی سیم پیچ فرارسانا به طور مناسب، سیم پیچ در حین خطا در حالت فرارسانا باقی میماند و اثرات زمان پاسخ و بازیابی از خنثیسازی را اجتناب میکند. اما با ادامه خطا، جریان عبوری از القایی فرارسانا به طور مداوم افزایش مییابد و در نهایت به مقدار ثابت جریان کوتاهمداری که بدون محدودکننده وجود داشته باشد نزدیک میشود. بنابراین، منبع خطا باید به طور موثر توسط قطع کننده مدار در زمان مشخصی قطع شود. برای سادگی، فرض میشود که خطا کوتاهمداری در لحظهای که ولتاژ منبع از صفر عبور میکند (t = t₀) رخ میدهد. بر اساس قانون ولتاژ کیرشهف (KVL)، معادله زیر به دست میآید:
شرایط اولیه I0، حل این معادله دیفرانسیل نتیجه میدهد:
شکل 2 نمودارهای جریان القایی و جریان خط در حین عملکرد عادی و پس از رخ دادن خطا را نشان میدهد، با شروع خطا در t = 0.1 s. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که جریان کوتاهمداری به دلیل اثر محدودکننده جریان القایی فرارسانا به آرامی افزایش مییابد. فرآیند محدود کردن جریان به اساساً مغناطیسپذیری القایی فرارسانا است. هنگامی که جریان خطا ثابت میشود، محدودکننده مؤثر نمیشود. بنابراین، خطا باید قبل از رسیدن جریان کوتاهمداری به مقدار ثابت خود توسط قطع کننده مدار قطع شود. در شکل، خطا توسط قطع کننده مدار در t = 0.2 s قطع میشود.
1.2 بهبود ساختاری محدودکنندههای جریان خطای پلی-نوع فرارسانا
یک محدودکننده جریان خطای پلی-نوع فرارسانا (SFCL) معمولی فقط میتواند نرخ افزایش جریانهای کوتاهمداری را کاهش دهد اما در کنترل مقادیر ثابت آنها مؤثر نیست. برای محدود کردن مقادیر ثابت جریانهای کوتاهمداری، یک SFCL ترکیبی ویژگیهای مقاومت صفر در حالت فرارسانا و افزایش سریع مقاومت در حین خنثیسازی فرارسانا را ترکیب میکند. این امر با یکپارچهسازی محدودکنندههای جریان خطای مقاومتی فرارسانا با محدودکنندههای جریان خطای پلی-نوع فرارسانا انجام میشود. نمودار مفهومی این رویکرد ترکیبی در شکل 3 نشان داده شده است.
در شرایط عملکرد عادی، کلید K باز است، بنابراین SFCL مقاومتی هیچ مقاومت خارجی ندارد و جریان i_L بدون مقاومت از آن عبور میکند. در زمان رخ دادن خطا، SFCL مقاومتی به طور فوری مقاومت بالایی ارائه میدهد و به صورت سری با سیم پیچ فرارسانا کار میکند تا به طور مشترک جریان خطا را محدود کند. پس از رفع خطا، کلید K بسته میشود؛ در این زمان، به دلیل مقاومت بالای خود، SFCL مقاومتی کوتاهمدار میشود و به سرعت به حالت فرارسانا بازمیگردد.
از آنجا که کلید K مقاومت در حالت روشن دارد، توسط SFCL مقاومتی بازیابی شده کوتاهمدار میشود، بنابراین کل محدودکننده پلی-نوع ترکیبی به عنوان مقاومت کم خارجی ظاهر میشود. در این زمان، باز کردن K فرآیند محدود کردن جریان را به پایان میرساند. برای افزایش ظرفیت SFCL مقاومتی، معمولاً از اتصالهای سری و موازی واحدهای SFCL مقاومتی استفاده میشود تا ولتاژ و جریان دستگاه را بهبود بخشند. شکل 4 نمودار مداری محدودکننده جریان مقاومتی فرارسانا را نشان میدهد، که R₁ تا R₆ مقاومتهای فرارسانا را نشان میدهند و R به عنوان مقاومت دوری که میتواند خنثیسازی همزمان دو فرارسانا در یک شاخه سری را در زمان خطا کوتاهمداری تسریع کند.
نقش ترانسفورماتور تلفیقی بین فازها این است که iL1 = iL2 = iL3 را تضمین کند، تا واحدهای SFCL در شاخههای موازی مختلف بعد از رخ دادن خطا کوتاهمداری به طور همزمان خنثیسازی شوند. محدودکننده جریان خطای پلی-نوع ترکیبی با استفاده از ویژگیهای انتقال فرارسانا از حالت فرارسانا به حالت عادی (S/N) به طور خودکار مقاومت محدودکننده جریان را در زمان تشخیص خطا وارد میکند بدون اینکه نیاز به مکانیزمهای تشخیص خطا اضافی باشد. با این حال، افزودن دستگاه محدودکننده جریان خطای مقاومتی فرارسانا هزینههای عملیاتی کلی را افزایش میدهد و زمان بازیابی از خنثیسازی را طولانیتر میکند، که هماهنگی با عملیات دوبارهبستن سیستم را پیچیده میکند.
2 محدودکننده جریان خطای پلی-نوع غیرفرارسانا
2.1 محدودکننده جریان جامد
در سالهای اخیر، پیشرفتهای سریع در تکنولوژی الکترونیک قدرت و دستگاههای نیمهرسانا با ظرفیت بالا - مانند SCR، GTO، GTR و IGBT - همراه با کاربرد گسترده آنها در سیستمهای عملی، محدودکنندههای جریان خطای تشکیل شده از القاییها، مقاومتها، خازنهای و مولفههای الکترونیک قدرت را به یک نقطه تمرکز تحقیقاتی تبدیل کردهاند. محدودکننده جریان خطای پلی-نوع غیرفرارسانا از مولفههای متعارف ساخته شده است، از تکنولوژی فرارسانا پیچیده اجتناب میکند و مزایای قابلیت اطمینان بالا و ارزشمندی خوب را ارائه میدهد.
شکل 5 نمودار مفهومی یک محدودکننده جریان پلی-نوع تکفاز ایدهآل را نشان میدهد که شامل یک مدار پل تکفاز و یک القایی محدودکننده جریان L است. در حین عملکرد عادی، پالسهای تحریک مداوم به چهار تایریستور اعمال میشود. پس از یک فرآیند مغناطیسپذیری کوتاه، جریان در القایی به مقدار قله جریان بار میرسد. وقتی که تیرگی ولتاژی تایریستورهای T₁ تا T₄ نادیده گرفته شود، محدودکننده هیچ مقاومت خارجی ندارد.
اگر خطا کوتاهمداری در نیمهدوره مثبت ولتاژ منبع رخ دهد، T₃ مجبور به خاموش شدن میشود، القایی محدودکننده جریان به مدار وارد میشود تا جریان خطا را محدود کند. با تنظیم صحیح مقدار القایی L، جریان کوتاهمداری میتواند به هر سطح مطلوبی محدود شود. علاوه بر این، این محدودکننده توانایی قطع فوری جریان کوتاهمداری را دارد. با این حال، به دلیل استفاده از چهار کلید قابل کنترل، منطق کنترلی برای قطع فوری نسبتاً پیچیده است. در حین محدود کردن جریان خطا، هارمونیکهای قابل توجهی تولید میشوند؛ این هارمونیکها با اتصال القاییهای دوری به صورت موازی در شاخههای پل میتوانند به طور موثر کاهش یابند.
2.2 محدودکننده جریان خطای کوتاهمداری پلی-نوع نیمهکنترلی
شکل 6 توپولوژی یک محدودکننده جریان خطای کوتاهمداری تکفاز بر اساس پل نیمهکنترلی و دستگاههای خود-قطع را نشان میدهد. این سیستم شامل دیودهای D₁ تا D₄، دستگاههای خود-قطع T₁ و T₂، یک سیم پیچ فرارسانا L، یک القایی محدودکننده جریان Llim و یک جاذب ولتاژ زیاد ZnO است، با us نشاندهنده منبع AC و CB به عنوان قطع کننده مدار خط.
در شرایط عملکرد عادی، دو دستگاه خود-قطع T₁ و T₂ به طور مداوم تحریک میشوند. در زمان تغذیه اولیه، جریان در سیم پیچ فرارسانا تحت تأثیر منبع ولتاژ به تدریج به مقدار قله جریان خط افزایش مییابد. پس از ثبات بار، iL ثابت میماند. با نادیده گرفتن تیرگی جلوی دیودهای D₁ تا D₄ و دستگاههای خود-قطع T₁ و T₂، ولتاژ روی پل صفر است و ولتاژ روی القایی محدودکننده جریان Llim نیز صفر است. بنابراین، محدودکننده جریان هیچ مقاومت خارجی ندارد و هیچ تأثیری بر سیستم ندارد.
هنگامی که خطا کوتاهمداری در سیستم رخ میدهد، جریان iL در سیم پیچ فرارسانا افزایش مییابد. در زمان تشخیص خطا کوتاهمداری، T₁ و T₂ فوراً خاموش میشوند، که باعث میشود پل از عملکرد خارج شود. جریان کوتاهمداری سپس به القایی محدودکننده جریان Llim منتقل میشود، در حالی که جریان در سیم پیچ فرارسانا از طریق دیودهای D₁ و D₄ تا زمانی که به صفر میل کند، ادامه مییابد. شکل 7 نمودارهای جریان و ولتاژ حالت ثابت و حالت خطا از یک محدودکننده جریان خطای کوتاهمداری پلی-نوع نیمهکنترلی را نشان میدهد.
سیستم در t=0.02 ثانیه تغذیه میشود و در یک چرخه به حالت ثابت میرسد. خطا کوتاهمداری در t=0.1 ثانیه رخ میدهد و T₁ در یک چهارم چرخه پس از تشخیص خطا خاموش میشود. پارامترهای مداری استفاده شده برای شبیهسازی عبارتند از: ولتاژ فازی قله منبع 100V/50Hz؛ جریان بار مجازی 10A؛ مقاومت بار 10Ω؛ سیم پیچ DC فرارسانا L 10mH؛ تیرگی جلوی دیودها و کلیدهای قابل کنترل 0.8V؛ و القایی محدودکننده جریان Llim 10mH.
یکی از اهداف اصلی استفاده از محدودکنندههای جریان خطای فرارسانا (SFCLs) در سیستمهای قدرت این است که جریانهای خطا را به طوری محدود کنند که فراتر از ظرفیت قطع فوری قطع کنندههای مدار خط نروند. در تحلیل، نسبت کاهش جریان خطا D (0<D<1) معمولاً برای نشان دادن درصد کاهش جریان خطا استفاده میشود و عبارت D به صورت زیر است:
جریان خیس قله در زمان خطا کوتاهمداری بدون نصب SFCL است و مقدار آن با نسبت X/R معادل سیستم مرتبط است.
در معادله (7)، Ip دامنه مولفهی متناوب جریان کوتاهمداری را نشان میدهد و Ta ثابت زمانی است. ilim مقدار قله جریان کوتاهمداری محدود شده را نشان میدهد که به اندازهی القایی محدودکننده جریان Llim