برج ٹائپ فلٹ کرنٹ لیمیٹر | سوپر کنڈکٹنگ اور سولڈ سٹیٹ
1 برجی محدود کننده جریان خطا بر اساس رسانایی فوق العاده
1.1 ساختار و اصل عملکرد محدود کننده جریان خطا برجی
شکل 1 نمودار مدار تک فاز محدود کننده جریان خطا برجی را نشان می دهد که شامل چهار دایود D₁ تا D₄، منبع ولتاژ تعیین کننده جریان مستقیم V_b و سیم پیچ فوق العاده رسان L است. یک قطع کننده مدار CB به طور سری با محدود کننده متصل شده است تا جریان خطا را پس از محدود کردن آن قطع کند. منبع تعیین کننده V_b جریان تعیین کننده i_b را به سیم پیچ فوق العاده رسان L ارائه می دهد. ولتاژ V_b به اندازه کافی بالا تنظیم شده است تا فولت قطره پیشرو دایودها (D₁ و D₃ یا D₂ و D₄) را غلبه کند و جریان تعیین کننده i₀ را ایجاد کند. مقدار i₀ بیشتر از مقدار اوج جریان خط i_max تنظیم شده است با در نظر گرفتن شرایط بیش بار.
بنابراین، در شرایط عادی، پل دایود همچنان رسانا می ماند و محدود کننده جریان خطا هیچ مقاومتی نسبت به جریان خط i نشان نمی دهد با نادیده گرفتن فولت قطره پیشرو کوچک پل. فرض کنید که در حالت عادی جریان های عبوری از دایودها D₁ تا D₄ به ترتیب iD1 تا iD4 هستند، جریان خط عبارت است از:
این مقدار بر اساس قانون جریان کیرشهف (KCL) به دست می آید:
وقتی که خطا کوتاه مداری در خط رخ می دهد، جریان خط به سرعت به i₀ افزایش می یابد. در نیمه دورهای مثبت و منفی، یک زوج از دایودها معکوس شارژ می شوند و خاموش می شوند، بنابراین به صورت خودکار سیم پیچ L به مدار وارد می شود. بنابراین جریان خطا توسط واکنش القایی سیم پیچ محدود می شود.
با تنظیم صحیح جریان بحرانی سیم پیچ فوق العاده رسان، سیم پیچ در حالت فوق العاده رسانی در طول خطا باقی می ماند و اثرات زمان پاسخ و بازیابی از خنثی سازی را اجتناب می کند. با این حال، با ادامه خطا، جریان عبوری از القاء کننده فوق العاده رسان به طور مداوم افزایش می یابد و در نهایت به مقدار ثابت جریان خطا کوتاه مداری که بدون محدود کننده وجود داشته باشد نزدیک می شود. بنابراین، منبع خطا باید به موقع توسط یک قطع کننده مدار در مدت زمان مشخص شده قطع شود. برای سادگی، فرض می شود که خطا کوتاه مداری در لحظه ای که ولتاژ منبع از صفر عبور می کند (t = t₀) رخ می دهد. بر اساس قانون ولتاژ کیرشهف (KVL)، معادله زیر به دست می آید:
شرایط اولیه I0، حل این معادله دیفرانسیل نتیجه می دهد:
شکل 2 موج های جریان القاء کننده و جریان خط در حالت عادی و پس از وقوع خطا را نشان می دهد، با شروع خطا در t = 0.1 s. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که جریان خطا به دلیل تاثیر محدود کننده جریان القاء کننده فوق العاده رسان به آرامی افزایش می یابد. فرآیند محدود کننده جریان به طور اساسی مغناطیسی شدن القاء کننده فوق العاده رسان است. یک بار جریان خطا ثابت شد، محدود کننده دیگر مؤثر نیست. بنابراین، خطا باید قبل از رسیدن جریان خطا به مقدار ثابت خود توسط قطع کننده مدار قطع شود. در شکل، خطا توسط قطع کننده مدار در t = 0.2 s قطع می شود.
1.2 بهبود ساختاری محدود کننده های جریان خطا برجی
یک محدود کننده جریان خطا برجی معمولی فقط قادر به کاهش نرخ افزایش جریان های خطا کوتاه مداری است اما در کنترل مقادیر ثابت آنها بی اثر است. برای محدود کردن مقدار ثابت جریان های خطا کوتاه مداری، یک محدود کننده جریان خطا ترکیبی (SFCL) خصوصیات مقاومت صفر در حالت فوق العاده رسانی و افزایش سریع مقاومت در طول خنثی سازی رساناها را ترکیب می کند. این امر با ادغام محدود کننده های جریان خطا مقاومتی با محدود کننده های جریان خطا برجی به دست می آید. نمودار این رویکرد ترکیبی در شکل 3 نشان داده شده است.
در شرایط عادی عملکرد، سوئیچ K باز است، بنابراین محدود کننده جریان خطا مقاومتی هیچ مقاومت خارجی نشان نمی دهد و اجازه می دهد تا جریان i_L بدون مقاومت از آن عبور کند. در صورت وقوع خطا، محدود کننده جریان خطا مقاومتی فوراً مقاومت بالایی ارائه می دهد و با سیم پیچ فوق العاده رسان به طور سری کار می کند تا جریان خطا را مشترکاً محدود کند. پس از رفع خطا، سوئیچ K بسته می شود؛ در این زمان، به دلیل مقاومت بالای خود، محدود کننده جریان خطا مقاومتی کوتاه مدار می شود و به سرعت به حالت فوق العاده رسانی بازمی گردد.
چون سوئچ K کے پاس آن حالت کی ریزسٹنس ہوتی ہے، اس کو واپسی ریزسٹو SFCL کے ذریعے شارٹ سرکٹ کیا جائے گا، نتیجے میں پورا ہائبرڈ بریج طرز کا محدود کنندہ بیرونی طور پر کم ریزسٹنس کے طور پر ظاہر ہوگا۔ اس وقت، K کو کھولنا کل محدود کرنے کا عمل ختم کرتا ہے۔ ریزسٹو SFCL کی صلاحیت کو بہتر بنانے کے لیے عام طور پر ریزسٹو SFCL یونٹوں کو سیریز اور پیرالل کنکشن کا استعمال کیا جاتا ہے تاکہ دستیاب کی وولٹیج اور کرنٹ ریٹنگ کو بہتر بنایا جا سکے۔ فگر 4 ریزسٹو سپرکنڈکٹنگ محدود کنندہ کے سرکٹ سکیمیٹک کو ظاہر کرتا ہے، جہاں R₁ سے R₆ تک سپرکنڈکٹنگ ریزسٹروں کی نمائندگی کرتے ہیں، اور R کو بائی پاس ریزسٹر کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے جو شارٹ سرکٹ فلٹ کے دوران ایک ہی سیریز شاخ میں دو سپرکنڈکٹروں کو ملکنٹ کرنے کو فروغ دیتا ہے۔
بین فیز کوپلنگ ترانسفارمر کا کردار یہ ہوتا ہے کہ iL1 = iL2 = iL3 کو یقینی بنایا جائے، تاکہ شارٹ سرکٹ فلٹ کے بعد مختلف پیرالل شاخوں میں SFCL یونٹوں کو ملکنٹ کرنے کا امکان ہو۔ ہائبرڈ بریج طرز کا SFCL سپرکنڈکٹنگ سے عام حالت (S/N) کے ترانسفر کے خصوصیات کا استعمال کرتے ہوئے شارٹ سرکٹ کرنٹ کی مستحکم قدر کو محدود کرتا ہے، خودکار طور پر فلٹ کے پتہ چلنے پر کرنٹ محدود کرنے والے ریزسٹروں کو شامل کرتا ہے بغیر کسی اضافی فلٹ ڈیٹیکشن مکینزم کی ضرورت کے۔ تاہم، ریزسٹو سپرکنڈکٹنگ فلٹ محدود کرنے والے ڈیوائس کا اضافہ کل عاملیہ کی لاگت کو بڑھا دیتا ہے اور ملکنٹ سے بازیافت کے وقت کو لمبا کرتا ہے، نظام کے دوبارہ کلوسنگ آپریشنز کے ساتھ تناسب کو پیچیدہ بناتا ہے۔
2 بریج طرز غیر سپرکنڈکٹنگ فلٹ کرنٹ محدود کنندہ
2.1 سولڈ اسٹیٹ کرنٹ محدود کنندہ
ہالکے سالوں میں، پاور الیکٹرانکس ٹیکنالوجی اور ہائی کیپیسٹی پاور سمیکنڈکٹر ڈیوائسز—جیسے SCR، GTO، GTR، اور IGBT—کی تیز رفتار ترقی اور ان کے وسیع پیمانے پر عملی نظاموں میں استعمال کی وجہ سے، انڈکٹروں، ریزسٹروں، کیپیسٹروں، اور پاور الیکٹرانک کمپوننٹس سے متشکل فلٹ کرنٹ محدود کنندہ کا مطالعہ ایک ہوٹ سپاٹ بن گیا ہے۔ غیر سپرکنڈکٹنگ بریج طرز فلٹ کرنٹ محدود کنندہ روایتی کمپوننٹس سے بنایا جاتا ہے، جس سے پیچیدہ سپرکنڈکٹنگ ٹیکنالوجی کو ٹال لیا جاتا ہے، اور یہ بالا قابلیت اور اچھی قیمت کی فائدہ پردازی کی فراہم کرتا ہے۔
فگر 5 ایک مثالی ایک فیز بریج طرز کرنٹ محدود کنندہ کا سکیمیٹک ڈیاگرام ظاہر کرتا ہے، جس میں ایک ایک فیز بریج سرکٹ اور ایک کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر L شامل ہوتا ہے۔ عام کام کے دوران، چار تائیسٹورز کو مستقل ٹریگر پالسز دیے جاتے ہیں۔ مختصر میگنٹائزیشن کے بعد، انڈکٹر میں کرنٹ لوڈ کرنٹ کی پیک قدر تک پہنچ جاتا ہے۔ جب تائیسٹورز T₁ سے T₄ تک کے ایکسوس ولٹیج کو نظرانداز کیا جائے تو، محدود کنندہ کوئی بیرونی ریزسٹنس ظاہر نہیں کرتا ہے۔
اگر سپلائی ولٹیج کے مثبت نصف چکر کے دوران شارٹ سرکٹ فلٹ ہو تو، T₃ کو بند کر دیا جاتا ہے، جس سے کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر سرکٹ میں شامل ہو جاتا ہے تاکہ فلٹ کرنٹ کو روکا جا سکے۔ انڈکٹر L کی قدر کو درست طور پر سیٹ کرکے، شارٹ سرکٹ کرنٹ کو کسی بھی مطلوبہ سطح تک محدود کیا جا سکتا ہے۔ اس کے علاوہ، یہ محدود کنندہ کرنٹ کو فوری طور پر منقطع کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ تاہم، چار کنٹرول کیل بیل سوئچز کا استعمال کرنے کی وجہ سے فوری منقطع کرنے کی کنٹرول منطق کافی پیچیدہ ہوتی ہے۔ فلٹ کرنٹ محدود کرنے کے دوران، معتبر ہارمونکس پیدا ہوتے ہیں؛ ان کو بریج آرمز کے ساتھ پیرالل کنکشن میں بائی پاس انڈکٹروں کو جوڑ کر موثر طور پر کم کیا جا سکتا ہے۔
2.2 نیم کنٹرول بریج شارٹ سرکٹ فلٹ کرنٹ محدود کنندہ
فگر 6 نیم کنٹرول بریج اور سلف-ٹرن آف ڈیوائسز پر مبنی ایک فیز شارٹ سرکٹ فلٹ کرنٹ محدود کنندہ کی ٹوپولوجی ظاہر کرتا ہے۔ یہ نظام دیوڈ D₁ سے D₄، سلف-ٹرن آف ڈیوائسز T₁ اور T₂، ایک سپرکنڈکٹنگ انڈکٹر L، ایک کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر Llim، اور ایک ZnO اوور ولٹیج ایبسوربر پر مشتمل ہوتا ہے، جہاں us AC پاور سرس کی نمائندگی کرتا ہے اور CB لائن سرکٹ بریکر کی کام کرتا ہے۔
عام کام کے دوران، دو سلف-ٹرن آف ڈیوائسز T₁ اور T₂ کو مستقل طور پر ٹریگر کیا جاتا ہے۔ ابتدائی پاور آپ پر، سپرکنڈکٹنگ انڈکٹر میں کرنٹ ولٹیج سرس کے زیر اثر لائن کرنٹ کی پیک قدر تک تدریجی طور پر بڑھتا ہے۔ جب لوڈ مستحکم ہو جاتا ہے تو، iL مستقل رہتا ہے۔ دیوڈ D₁ سے D₄ اور سلف-رن آف ڈیوائسز T₁ اور T₂ کے فوروارڈ ولٹیج ڈروب کو نظرانداز کرتے ہوئے، بریج کا ولٹیج صفر ہوتا ہے، اور کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر Llim کا ولٹیج بھی صفر ہوتا ہے۔ نتیجے میں، کرنٹ محدود کنندہ کوئی بیرونی ریزسٹنس ظاہر نہیں کرتا ہے اور نظام پر کوئی اثر نہیں ڈالتا ہے۔
جب نظام میں شارٹ سرکٹ فلٹ ہوتا ہے تو، سپرکنڈکٹنگ انڈکٹر میں کرنٹ iL بڑھتا ہے۔ فلٹ کی شناخت کے بعد، T₁ اور T₂ کو فوراً بند کر دیا جاتا ہے، جس سے بریج کام کو ختم کر دیا جاتا ہے۔ شارٹ سرکٹ کرنٹ پھر بائی پاس کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر Llim میں منتقل ہو جاتا ہے، جبکہ سپرکنڈکٹنگ انڈکٹر میں کرنٹ دیوڈ D₁ اور D₄ کے ذریعے جاری رہتا ہے تاکہ یہ صفر تک گر جائے۔ فگر 7 نیم کنٹرول بریج پر مبنی ایک فیز شارٹ سرکٹ فلٹ کرنٹ محدود کنندہ کے مستحکم اور فلٹ حالت کرنٹ اور ولٹیج کی کروں کو ظاہر کرتا ہے۔
نظام t=0.02 سیکنڈ پر پاور آپ ہوتا ہے اور ایک چکر کے اندر مستحکم حالت تک پہنچ جاتا ہے۔ t=0.1 سیکنڈ پر شارٹ سرکٹ فلٹ ہوتا ہے، اور فلٹ کی شناخت کے بعد ایک کوارٹر چکر کے اندر T₁ کو بند کردیا جاتا ہے۔ سیمولیشن کے لیے استعمال کیے گئے سرکٹ پیرامیٹرز کے مطابق یہ ہیں: پاور سرس کا پیک فیز ولٹیج 100V/50Hz ہے؛ پیک ریٹڈ لوڈ کرنٹ 10A ہے؛ لوڈ ریزسٹنس 10Ω ہے؛ سپرکنڈکٹنگ DC انڈکٹر L 10mH ہے؛ دیوڈ اور کنٹرول کیل بیل سوئچز کا فوروارڈ ولٹیج ڈروب 0.8V ہے؛ اور کرنٹ محدود کرنے والا انڈکٹر Llim 10mH ہے۔
پاور سسٹم میں سپر کنڈکٹنگ فلٹ کرنٹ لائیمنٹرز (SFCLs) کو استعمال کرنے کا ایک اہم مقصد یہ ہے کہ لائن سرکٹ بریکرز کی فوری رکاوٹ کی صلاحیت سے فلٹ کرنٹ نہیں بڑھے۔ تجزیہ میں فلٹ کرنٹ کم کرنے کا تناسب D (0<D<1) عام طور پر پک افلٹ کرنٹ کی فی صد کمی کی نمائندگی کرتا ہے، اور D کا اظہار یوں ہوتا ہے:
SFCL نصب نہ ہونے کے دوران کسی شارٹ سرکٹ کے دوران پک انروش کرنٹ ہوتا ہے، اور اس کی قدر سسٹم کے معیاری X/R تناسب سے منسلک ہوتی ہے۔
مسوالہ (7) میں، Ip شارٹ سرکٹ کرنٹ کے دورانیہ جز کی شدت کو ظاہر کرتا ہے، اور Ta وقت کی دائمی قیمت ہوتی ہے۔ ilim محدود شارٹ سرکٹ کرنٹ کی پک قدر کو ظاہر کرتا ہے، جو کرنٹ لائیمنٹنگ انڈکٹر Llim کی شدت پر منحصر ہوتا ہے۔ Llim کی مناسب قدر کے منتخب کرنا سے پک فلٹ کرنٹ میں خواہ شدہ فی صد کمی حاصل کی جا سکتی ہے۔ محاکات Llim کو 10 mH، 15 mH، اور 20 mH پر چلاتے گئے تھے، اور نتائج فگر 8 میں دکھائے گئے ہیں۔ دیکھا جا سکتا ہے کہ بڑا Llim بہتر کرنٹ لائیمنگ کارکردگی فراہم کرتا ہے، لیکن یہ عامل کامیابی کی لاگت کو بھی بڑھاتا ہے۔
2.3 نصف کنٹرول شدہ برج شارٹ سرکٹ فلٹ کرنٹ لائیمنٹر کی بہتری
فگر 6 میں دکھائے گئے کنفیگریشن میں، T₁ اور T₂ عام طور پر کام کرتے ہوئے کنٹرول کیے جاتے ہیں۔ جب کوئی شارٹ سرکٹ فلٹ پایا جاتا ہے تو کنٹرول سرکٹ دونوں T₁ اور T₂ کو بند کر دیتا ہے۔ برج کے مشترکہ راستے میں ایک واحد کنٹرول شدہ سوئچ T کو T₁ اور T₂ کی جگہ رکھ کر مشابہ کرنٹ لائیمنگ کارکردگی حاصل کی جا سکتی ہے۔ یہ تبدیلی کنٹرول شدہ سوئچ کمپوننٹس کی تعداد کو کم کرتی ہے، لاگت کو کم کرتی ہے، اور سرکٹ کی پیچیدگی کو آسان بناتی ہے۔ سکیمیٹک ڈیاگرام فگر 9 میں دکھایا گیا ہے۔
3 نتیجہ
اس مقالے میں کچھ قسم کے برج طرز کے شارٹ سرکٹ کرنٹ لیمٹرز کا تذکرہ کیا گیا ہے۔ ایک معمولی سپرکنڈکٹنگ برج طرز کے فلٹ کرنٹ لیمٹر کو ریزسٹو سپرکنڈکٹنگ فلٹ کرنٹ لیمٹر کے ساتھ کیسنڈ کر کے، شارٹ سرکٹ کرنٹ کے پیک اور مستقیم حالت کی قدر دونوں کو موثر طور پر محدود کیا جا سکتا ہے۔ علاوہ ازیں، سپرکنڈکٹنگ مصنوعات کے S/N (سپرکنڈکٹنگ-ٹو-نارمل) تبدیلی کی خصوصیات کو استعمال کرتے ہوئے، نظام میں فلٹ تشخیص، تریگر اور کرنٹ لیمٹنگ کو ایک واحد یونٹ میں ضم کیا گیا ہے، جس سے تیز رفتار جواب اور زیادہ قابلِ اعتمادیت حاصل ہوتی ہے۔
ہالے کے درمیان، برقیاتی تکنالوجی اور بڑے کیپیسٹی کے برقیاتی دستیابات کے تیز رفتار ترقی اور عملی استعمال کے ساتھ، غیر سپرکنڈکٹنگ برج طرز کے شارٹ سرکٹ کرنٹ لیمٹرز—جو معمولی برقیاتی سوئچز اور انڈکٹرز پر مشتمل ہوتے ہیں—کی پیچیدہ سپرکنڈکٹنگ تکنالوجی کے غائب ہونے کی وجہ سے قابلِ اعتمادیت اور لاگت کے لحاظ سے فائدہ حاصل کرتے ہیں۔ محاکاة کے نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ دونوں قسم کے کرنٹ لیمٹرز نے بہترین کرنٹ لیمٹنگ کارکردگی حاصل کی ہے، جس سے پیش کردہ کرنٹ لیمٹنگ طریقوں کی امکانیت کی تصدیق ہوتی ہے۔
