1 محدودکننده جریان خطا ابررسانا نوع پل
1.1 ساختار و اصل عملکرد محدودکننده جریان خطا ابررسانا نوع پل
شکل 1 نمودار مدار یک فاز محدودکننده جریان خطا ابررسانا نوع پل را نشان میدهد که شامل چهار دیود D₁ تا D₄، منبع ولتاژ DC V_b و سیم پیچ ابررسانا 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 بایاس V_b جریان بایاس i_b را به سیم پیچ ابررسانا L ارائه میدهد. ولتاژ V_b به اندازه کافی بالا تنظیم شده است تا ولتاژ پیشرو زوجهای دیود (D₁ و D₃، یا D₂ و D₄) را غلبه کند و جریان بایاس i₀ را برقرار کند. مقدار i₀ بیشتر از مقدار قله جریان خط i_max تنظیم شده است با در نظر گرفتن شرایط بار اضافی.
بنابراین، در شرایط عادی، پل دیودی به طور مداوم هدایت میکند و محدودکننده جریان خطا ابررسانا هیچ ممانعتی برای جریان خط i نشان نمیدهد، با نادیده گرفتن ولتاژ پیشرو کوچک پل. فرض کنید که در حالت عملیاتی عادی جریانهای عبوری از دیودهای D₁ تا D₄ به ترتیب iD1 تا iD4 هستند، جریان خط به صورت زیر است:
که بر اساس قانون جریان کیرشهف (KCL) به دست میآید:
وقتی خطا کوتاه مداری در خط رخ میدهد، جریان خط به سرعت به i₀ افزایش مییابد. در دورههای مثبت و منفی، یک زوج دیود بایاس معکوس شده و خاموش میشود، بنابراین به طور خودکار سیم پیچ L به مدار اضافه میشود. بنابراین جریان کوتاه مداری توسط واکنشپذیری القایی سیم پیچ محدود میشود.
با تنظیم صحیح جریان بحرانی سیم پیچ ابررسانا، سیم پیچ در حالت ابررسانا باقی میماند و اثرات زمان پاسخ و بازیابی از خاموشی را اجتناب میکند. اما با ادامه خطا، جریان عبوری از اندوکتور ابررسانا به طور مداوم افزایش مییابد و در نهایت به مقدار ثابت جریان کوتاه مداری که بدون محدودکننده وجود داشته باشد نزدیک میشود. بنابراین، منبع خطا باید به موقع توسط قطع کننده مدار در زمان مشخصی قطع شود. برای سادگی، فرض میشود که خطا کوتاه مداری 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 سیم پیچ و جریان خط در حالت عملیاتی عادی و پس از رخ دادن خطا را نشان میدهد که خطا در t = 0.1 s شروع میشود. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که جریان کوتاه مداری به دلیل اثر محدودکننده جریان سیم پیچ ابررسانا به آرامی افزایش مییابد. فرآیند محدود کردن جریان به اساساً مغناطیسه شدن سیم پیچ ابررسانا است. یکبار جریان خطا ثابت شود، محدودکننده از کار میافتد. بنابراین، خطا باید قبل از رسیدن جریان کوتاه مداری به مقدار ثابت توسط قطع کننده مدار قطع شود. در شکل، خطا توسط قطع کننده مدار در t = 0.2 s قطع میشود.
1.2 بهبود ساختاری محدودکننده جریان خطا ابررسانا نوع پل
یک محدودکننده جریان خطا ابررسانا نوع پل معمولی فقط قادر به کاهش نرخ افزایش جریانهای کوتاه مداری است اما در کنترل مقادیر ثابت آنها بیاثر است. برای محدود کردن مقدار ثابت جریانهای کوتاه مداری، یک محدودکننده جریان خطا هیبریدی خصوصیات مقاومت صفر در حالت ابررسانا و افزایش سریع مقاومت در زمان خاموشی ابررسانا را ترکیب میکند. این امر با یکپارچهسازی محدودکنندههای جریان خطا مقاومتی با محدودکنندههای جریان خطا ابررسانا نوع پل انجام میشود. نمودار مفهومی این رویکرد هیبریدی در شکل 3 نشان داده شده است.
در شرایط عملیاتی عادی، کلید K باز است، بنابراین محدودکننده جریان خطا مقاومتی هیچ ممانعت خارجی نشان نمیدهد و جریان i_L بدون مقاومت از آن عبور میکند. پس از رخ دادن خطا، محدودکننده جریان خطا مقاومتی به طور فوری مقاومت بالا نشان میدهد و به صورت سری با سیم پیچ ابررسانا 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، محدودکننده جریان خطا مقاومتی کوتاه مدار میشود و به سرعت به حالت ابررسانا بازمیگردد.
از آنجا که کلید K مقاومت حالت بسته دارد، توسط محدودکننده جریان خطا مقاومتی بازیابی شده کوتاه مدار میشود، بنابراین کل محدودکننده هیبریدی نوع پل به عنوان مقاومت پایین ظاهر میشود. در این زمان، باز کردن K فرآیند محدود کردن جریان را به پایان میرساند. برای افزایش ظرفیت محدودکننده جریان خطا مقاومتی، معمولاً از اتصال سری و موازی واحدهای محدودکننده جریان خطا مقاومتی استفاده میشود تا ولتاژ و جریان واحدها را بهبود بخشد. شکل 4 نمودار مداری محدودکننده جریان خطا مقاومتی را نشان میدهد که در آن R₁ تا R₆ مقاومتهای ابررسانا هستند و R به عنوان مقاومت دورزدن عمل میکند که میتواند به طور همزمان خاموشی دو ابررسانا در یک شاخه سری را در زمان خطا کوتاه مداری تسریع کند.
نقش ترانسفورماتور کوپلینگ بین فازی اطمینان از iL1 = iL2 = iL3 است تا واحدهای SFCL در شاخههای موازی مختلف بتوانند پس از رخ دادن خطا کوتاه مداری به طور همزمان خاموش شوند. محدودکننده جریان خطا هیبریدی نوع پل با استفاده از ویژگیهای انتقال ابررسانا از حالت ابررسانا به حالت عادی (S/N) به طور خودکار مقاومت محدودکننده جریان را در زمان تشخیص خطا فعال میکند بدون نیاز به مکانیزمهای تشخیص خطا اضافی. با این حال، افزودن دستگاه محدودکننده جریان خطا مقاومتی هزینههای عملیاتی کلی را افزایش میدهد و زمان بازیابی از خاموشی را طولانی میکند و هماهنگی با عملیات دوبارهبستن سیستم را پیچیده میکند.
2 محدودکننده جریان خطا غیر ابررسانا نوع پل
2.1 محدودکننده جریان جامد
در سالهای اخیر، پیشرفتهای سریع در فناوری الکترونیک قدرت و دستگاههای نیمهرسانا قدرت بالا—مانند SCR، GTO، GTR و IGBT—همراه با کاربرد گسترده آنها در سیستمهای عملی، محدودکنندههای جریان خطا ساخته شده از القاییها، مقاومتها، خازنهای و مولفههای الکترونیک قدرت را به یک نقطه تمرکز تحقیقاتی تبدیل کرده است. محدودکننده جریان خطا غیر ابررسانا نوع پل از مولفههای معمولی ساخته شده و از فناوری پیچیده ابررسانا پرهیز میکند و مزایای قابلیت اطمینان بالا و ارزشمندی خوب را ارائه میدهد.
شکل 5 نمودار مفهومی یک محدودکننده جریان خطا یک فاز ایدهآل نوع پل را نشان میدهد که شامل یک مدار پل یک فاز و یک القایی محدودکننده جریان L است. در حالت عملیاتی عادی، پالسهای تحریک مداوم به چهار تایریستور اعمال میشود. پس از یک فرآیند مغناطیسهسازی کوتاه، جریان در القایی به مقدار قله جریان بار میرسد. وقتی ولتاژ پیشرو تایریستورهای T₁ تا T₄ نادیده گرفته شود، محدودکننده هیچ ممانعت خارجی نشان نمیدهد.
اگر خطا کوتاه مداری در نیمهدوره مثبت ولتاژ تغذیه رخ دهد، T₃ مجبور به خاموش شدن میشود و القایی محدودکننده جریان به مدار اضافه میشود تا جریان خطا را محدود کند. با تنظیم صحیح مقدار القایی L، میتوان جریان کوتاه مداری را به هر سطح مطلوبی محدود کرد. علاوه بر این، این محدودکننده توانایی قطع فوری جریان کوتاه مداری را دارد. اما به دلیل استفاده از چهار کلید قابل کنترل، منطق کنترلی برای قطع فوری نسبتاً پیچیده است. در زمان محدود کردن جریان خطا، هارمونیکهای قابل توجهی تولید میشوند؛ این هارمونیکها میتوانند با اتصال القاییهای دورزدن به صورت موازی در شاخههای پل به طور موثر کاهش یابند.
2.2 محدودکننده جریان خطا کوتاه مداری نوع پل نیمه کنترلی
شکل 6 توپولوژی یک محدودکننده جریان خطا کوتاه مداری یک فاز بر اساس پل نیمه کنترلی و دستگاههای خودبازیابی را نشان میدهد. این سیستم شامل دیودهای D₁ تا D₄، دستگاههای خودبازیابی T₁ و T₂، یک سیم پیچ ابررسانا L، یک القایی محدودکننده جریان Llim و یک جاذب ولتاژ اضافی ZnO است، با us نمایانگر منبع AC و CB به عنوان قطع کننده مدار خط عمل میکند.
در شرایط عملیاتی عادی، دو دستگاه خودبازیابی T₁ و T₂ به طور مداوم تحریک میشوند. پس از تغذیه اولیه، جریان در سیم پیچ ابررسانا تحت تأثیر منبع ولتاژ به مقدار قله جریان خط افزایش مییابد. یکبار بار ثابت شود، iL ثابت میماند. با نادیده گرفتن ولتاژ پیشرو دیودهای D₁ تا D₄ و دستگاههای خودبازیابی T₁ و T₂، ولتاژ بر پل صفر است و ولتاژ بر القایی محدودکننده جریان Llim نیز صفر است. بنابراین، محدودکننده جریان هیچ ممانعت خارجی نشان نمیدهد و هیچ تأثیری بر سیستم ندارد.
وقتی خطا کوتاه مداری در سیستم رخ میدهد، جریان iL در سیم پیچ ابررسانا افزایش مییابد. پس از تشخیص خطا کوتاه مداری، T₁ و T₂ فوراً خاموش میشوند و پل از کار میافتد. جریان کوتاه مداری سپس به القایی محدودکننده جریان Llim منتقل میشود، در حالی که جریان در سیم پیچ ابررسانا از طریق دیودهای D₁ و D₄ تا زمانی که به صفر کاهش یابد ادامه مییابد. شکل 7 نمودارهای جریان و ولتاژ حالت ثابت و خطا یک محدودکننده جریان خطا کوتاه مداری یک فاز بر اساس پل نیمه کنترلی را نشان میدهد.
سیستم در t=0.02 ثانیه تغذیه میشود و در یک دوره به حالت ثابت میرسد. خطا کوتاه مداری در t=0.1 ثانیه رخ میدهد و T₁ در یک چهارم دوره پس از تشخیص خطا خاموش میشود. پارامترهای مداری استفاده شده برای شبیهسازی به صورت زیر است: ولتاژ فازی قله منبع 100V/50Hz است؛ جریان بار مجاز 10A است؛ مقاومت بار 10Ω است؛ سیم پیچ DC ابررسانا L 10mH است؛ ولتاژ پیشرو دیودها و کلیدهای قابل کنترل 0.8V است؛ و القایی محدودکننده جریان Llim 10mH است.
یکی از اهداف اصلی استفاده از محدودکنندههای جریان خطا ابررسانا (SFCL) در سیستمهای قدرت، محدود کردن جریانهای خطا به گونهای است که از ظرفیت قطع فوری قطع کنندههای مدار خط فراتر نروند. در تحلیل، نسبت کاهش جریان خطا D (0<D<1) معمولاً برای نشان دادن درصد کاهش جریان خطا در قله استفاده میشود و بیانیه D به صورت زیر است:
جریان اولیه در حالت کوتاه مدار بدون محدودکننده جریان خطا است و مقدار آن با نسبت X/R معادل سیستم مرتبط است.
در معادله (7)، Ip دامنه مؤلفه متناوب جریان کوتاه مداری را نشان میدهد و Ta ثابت زمانی است. ilim مقدار قله جریان کوتاه مداری محدود شده را نشان میدهد که به اندازه القایی محدودکننده جریان Llim