1 Most superconducting prehodni tokovni omejevalnik
1.1 Struktura in delovanje mostnega SFCL
Slika 1 prikazuje enofazni shematični diagram mostnega SFCL, sestavljenega iz štirih diod D₁ do D₄, DC stranskega napajalnika V_b in superprovodnega črka L. Preklopni krmilnik CB je serijsko povezan z omejevalnikom, da prekine prehodni tok po tem, ko je bil omejen. Stranski vir V_b zagotavlja stranski tok i_b superprovodnemu črku L. Napetost V_b je nastavljena tako visoko, da premaga predhodno padec napetosti diodnih parov (D₁ in D₃ ali D₂ in D₄), s čimer se vzpostavi stranski tok i₀. Vrednost i₀ je nastavljena višja od vrhunske vrednosti črkevne toka i_max, s popustom za pretok.
Torej, pod normalnimi pogoji, diodni most ostane neprekinjeno v stanju provodnosti, in SFCL ne kaže nobene impedancije na črkevni tok i, zanemarjena je le majhna predhodna padec napetosti preko mostu. Če predpostavimo, da tok, ki teče skozi diode D₁ do D₄, je iD1 do iD4, je črkevni tok:
To sledi Kirchhoffovemu zakonu o toku (KCL):
Ob morebitnem kratkem zaprtju na črki, črkevni tok hitro narašča do i₀. Med pozitivnimi in negativnimi polcikli, en par diod postane obrnjen in se izklopi, s čimer se avtomatsko vstavi črkek L v krilo. Kratkoskrbninski tok je tako omejen induktivno reaktivno črke L.
Z ustrezno nastavitvijo kritičnega toka superprovodnega črka, črkek ostane v superprovodnem stanju med odpadkom, izogibajoč se učinkom časa odziva in obnovitve iz kvenčnega stanja. Vendar, kot odpadek traja, tok skozi superprovodni induktor nadaljuje s povečevanjem, dokler končno ne doseže stabilno vrednost kratkoskrbninskega toka, ki bi obstajala brez omejevalnika. Zato mora biti vir odpadka pravočasno prekinjen s preklopnim krmilnikom v določenem času. Za preprostost, predpostavljamo, da se kratkoskrbninski odpadek zgodi v trenutku, ko prehodna napetost doseže nič (t = t₀). Po Kirchhoffovem zakonu o napetosti (KVL) dobimo naslednjo enačbo:
Začetni pogoj I0, rešitev te diferencialne enačbe je:
Slika 2 prikazuje valovne oblike toka induktorja in črkevnega toka med normalnim delovanjem in po nastopu odpadka, z odpadkom, ki se zgodil ob t = 0,1 s. Rezultati simulacije kažejo, da se kratkoskrbninski tok počasi povečuje zaradi omejevalnega učinka superprovodnega induktorja. Omejevalni postopek je bistveno magnetizacija superprovodnega induktorja. Ko se odpadek stabilizira, omejevalnik prestane. Zato mora biti odpadek pravočasno prekinjen s preklopnim krmilnikom, preden se kratkoskrbninski tok dotakne svoje stabilne vrednosti. Na sliki je odpadek prekinjen s preklopnim krmilnikom ob t = 0,2 s.
1.2 Strukturne izboljšave mostnega superprovodnega omejevalnika prehodnih tokov
Tradicionalni mostni superprovodni omejevalnik prehodnih tokov (SFCL) lahko le zmanjša stopnjo rasti kratkoskrbninskih tokov, vendar ni učinkovit pri kontroli njihovih stabilnih vrednosti. Da bi omejili stabilno vrednost kratkoskrbninskih tokov, kombinira hibridni SFCL lastnosti ničelne upornosti v superprovodnem stanju in hitrega povečevanja upornosti med kvenchem superprovodnikov. To dosežemo s povezovanjem upornih superprovodnih omejevalnikov prehodnih tokov z mostnimi SFCL. Shematični diagram tega hibridnega pristopa je prikazan na Sliki 3.
Pod normalnimi pogoji delovanja, preklop K je odprt, zato uporny SFCL ne kaže nobene zunanje impedancije, omogoča, da tok i_L preteče skozi brez upornosti. Ob nastopu odpadka, uporny SFCL takoj prikaže visoko upornost in deluje v seriji s superprovodnim induktorjem, da skupaj omejujeta odpadek. Po prekinjanju odpadka, preklop K zapre; v tem trenutku, zaradi svoje visoke upornosti, uporny SFCL postane kratkopreklapen in hitro se vrne v superprovodno stanje.
Ker ima preklop K upornost v stanju zaprtja, bo kratkopreklapan z obnovljenim upornim SFCL, s čimer celoten hibridni mostni omejevalnik izgleda kot nizka impedanca zunanje. V tem trenutku, odpiranje K zaključi celoten postopek omejevanja toka. Za izboljšanje zmogljivosti upornega SFCL, so tipično uporabljeni serijni in vzporedni povezavi enot upornih SFCL, da se izboljšajo napetostne in tokovne specifikacije naprave. Slika 4 prikazuje shematični diagram upornega superprovodnega omejevalnika, kjer R₁ do R₆ predstavljajo superprovodne upornike, in R služi kot omegovalni upornik, ki lahko sproži hkratni kvench dveh superprovodnikov v istem serijskem vezi pri kratkem zaprtju.
Vloga mehurčnega preoblikovalnika je, da zagotovi, da je iL1 = iL2 = iL3, da SFCL enote v različnih vzporednih vejah hkrati kvenchajo po nastopu kratkega zaprtja. Hibridni mostni SFCL učinkovito omejuje stabilno vrednost kratkoskrbninskih tokov s pomočjo prehoda superprovodnika iz superprovodnega v normalno stanje (S/N), avtomatsko vklopitve omejevalnega upornika ob zaznavanju odpadka, brez potrebe po dodatnih mehanizmih za zaznavanje odpadkov. Vendar, dodatek upornega superprovodnega omejevalnika prehodnih tokov poveča skupne stroške operacije in podaljša čas obnove iz kvench, kar komplikira usklajevanje z operacijami ponovnega zaprtja sistema.
2 Mostni nenadlegni omejevalnik prehodnih tokov
2.1 Trdnofazni omejevalnik toka
V zadnjih letih hitri razvoj tehnologije elektronskih naprav in velikih kapacitetnih polprevodniških naprav - kot so SCR, GTO, GTR in IGBT - skupaj s široko uporabo v praktičnih sistemih, je omejevalniki prehodnih tokov, sestavljeni iz induktorjev, upornikov, kondenzatorjev in komponent elektrotehnike, postali fokus raziskav. Nenadlegni mostni omejevalnik prehodnih tokov je sestavljen iz tradicionalnih komponent, izbegajoč kompleksno superprovodno tehnologijo, in ponuja prednosti visoke zanesljivosti in dobre ekonomičnosti.
Slika 5 prikazuje shematični diagram idealnega enofaznega mostnega omejevalnika toka, sestavljenega iz enofaznega mostnega krila in omejevalnega induktorja L. Pod normalnimi pogoji delovanja, na štirim tiristorjem se stalno uporabljajo impulsi za vklop. Po kratkem magnetizacijskem procesu, tok v induktorju doseže vrhunsko vrednost toka optage. Ko se zanemari padec napetosti preko tiristorjev T₁ do T₄, omejevalnik ne prikazuje nobene zunanje impedancije.
Če se zgodi kratkoskrbninski odpadek med pozitivnim polciklam prehodne napetosti, T₃ prisilno izklopi, vstavi omejevalni induktor v krilo, da omeji odpadek. Z ustrezno nastavitvijo vrednosti induktorja L, se kratkoskrbninski tok lahko omeji na želeno ravno. Poleg tega ima ta omejevalnik sposobnost trenutnega prekinjanja kratkoskrbninskega toka. Vendar, zaradi uporabe štirih nadzorljivih preklopov, logika nadzora za trenutno prekinjanje je relativno zapletena. Med omejevanjem odpadkov se generirajo znatni harmonski, ki jih je mogoče učinkovito zmanjšati s povezovanjem omegovalnih induktorjev vzporedno preko mostnih rokovi.
2.2 Polnadzorjen mostni kratkoskrbninski omejevalnik toka
Slika 6 prikazuje topologijo enofaznega kratkoskrbninskega omejevalnika toka, temeljeno na polnadzorjenem mostu in samovoljno izklopljivih napravah. Ta sistem vključuje diode D₁ do D₄, samovoljno izklopljive naprave T₁ in T₂, superprovodni induktor L, omejevalni induktor Llim in absorber previsoke napetosti ZnO, z us predstavljajo AC vir napetosti in CB služi kot preklopni krmilnik črka.
Pod normalnimi pogoji delovanja, dve samovoljno izklopljivi napravi T₁ in T₂ sta stalno aktivirani. Ob prvotnem vklopitvi, tok v superprovodnem induktorju se postopoma poveča do vrhunske vrednosti črkevnega toka pod vplivom vira napetosti. Ko se optaga stabilizira, iL ostane konstanten. Zanemarjena predhodna padec napetosti preko diod D₁ do D₄ in samovoljno izklopljivih naprav T₁ in T₂, napetost preko mostu je nič, in napetost preko omejevalnega induktorja Llim je tudi nič. Torej, omejevalnik toka ne prikazuje nobene zunanje impedancije in nima vpliva na sistem.
Ko se v sistemu zgodi kratkoskrbninski odpadek, tok iL v superprovodnem induktorju se poveča. Ob zaznavanju kratkoskrbninskega odpadka, T₁ in T₂ takoj izklopi, s čimer most zapre. Kratkoskrbninski tok se nato prenese na omegovalni omejevalni induktor Llim, medtem ko tok v superprovodnem induktorju nadaljuje s tekanjem skozi diode D₁ in D₄, dokler ne opade na nič. Slika 7 prikazuje valovne oblike toka in napetosti enofaznega kratkoskrbninskega omejevalnika toka, temeljene na polnadzorjenem mostu, v stabilnem in odpadkovem stanju.
Sistem se vklopi ob t=0,02 sekund in doseže stabilno stanje znotraj enega cikla. Kratkoskrbninski odpadek se zgodi ob t=0,1 sekunde, in T₁ se izklopi znotraj četrtine cikla po zaznavanju odpadka. Parametri krila, uporabljeni za simulacijo, so naslednji: vrhunska fazna napetost vira napetosti je 100V/50Hz; vrhunska nominativna optagska tok je 10A; optagska upornost je 10Ω; superprovodni DC induktor L je 10mH; predhodna padec napetosti preko diod in nadzorljivih preklopov je 0,8V; in omejevalni induktor Llim je 10mH.
Eden od glavnih namenov uporabe superprovodnih omejevalnikov prehodnih tokov (SFCL) v električnih sistemih je omejevanje odpadkov, da ne presežejo trenutno prekinjalno zmogljivost preklopnih krmilnikov črka. V analizi se pogosto uporablja razmerje zmanjševanja odpadka D (0<D<1) za predstavitev procentnega zmanjševanja vrhunskega odpadka, in izraz za D je:
je vrhunski tok pri kratkoskrbninskem odpadku brez nameščenega SFCL, njegova vrednost je povezana z ekvivalentnim razmerjem X/R sistema.
V enačbi (7), Ip označuje amplitudo periodičnega komponente kratkoskrbninskega toka, in Ta je časovna konstanta. ilim predstavlja vrhunsko vrednost omejenega kratkoskrbninskega toka, ki je odvisen od velikosti omejevalnega induktorja Llim. Z ustrezno izbiro vrednosti Llim, je mogoče doseči želeno procentno zmanjševanje vrhunskega odpadka. Simulacije so bile izvedene z Llim nastavljenim na 10 mH, 15 mH in 20 mH, rezultati so prikazani na Sliki 8. Opazimo, da večji Llim zagotavlja boljše omejevanje toka, vendar tudi višje operacijske stroške.
2.3 Izboljšava polnadzorjenega mostnega kratkoskrbninskega omejevalnika toka
V konfiguraciji, prikazani na Sliki 6, T₁ in T₂ sta stalno aktivirani pod normalnimi pogoji delovanja. Ko se zazna kratkoskrbninski odpadek, nadzorni krilo izklopi T₁ in T₂. Z namestitvijo enega nadzorljivega preklopa T v skupni poti mosta, da zamenja T₁ in T₂, je mogoče doseči podobno učinkovitost omejevanja toka. Ta sprememba zmanjša število nadzorljivih preklopov, zmanjša stroške in poenostavi kompleksnost krila. Shematični diagram je prikazan na Sliki 9.
3 Zaključek
Ta članek predstavlja več vrst mostnih kratkoskrbninskih omejevalnikov toka. S kaskadiranjem tradicionalnega mostnega superprovodnega omejevalnika prehodnih tokov z upornim superprovodnim omejevalnikom prehodnih tokov, je mogoče učinkovito omejiti vrhunske in stabilne vrednosti kratkoskrbninskih tokov. Poleg tega, s pomočjo prehoda S/N (superprovodno-v normalno) lastnosti superprovodnih materialov, sistem združi zaznavanje odpadkov, sprožitev in omejevanje toka v eno enoto, ponuja hitri odziv in visoko zanesljivost.
V zadnjih letih, s hitrim razvojem in praktično uporabo tehnologije elektronskih naprav in velikih kapacitetnih polprevodniških naprav, nenadlegni mostni kratkoskrbninski omejevalniki toka, sestavljeni iz tradicionalnih polprevodniških preklopov in induktorjev, pridobivajo prednosti v zanesljivosti in ekonomičnosti zaradi odsotnosti kompleksne superprovodne tehnologije. Rezultati simulacij kažejo, da obe vrsti omejevalnikov dosežejo odlično učinkovitost omejevanja toka, potrjujejo možnost predlaganih pristopov k omejevanju toka.