تصميم مفاتيح الدائرة ذات الحالة الصلبة للتيار المستمر المتوسط ​​الجهد ومستقبلها

كيف تعمل مفتاح الدائرة الثابت المتوسطة الجهد:
يستخدم مفتاح الدائرة الثابت للتيار المباشر أشباه الموصلات لقطع تيار العطل. يظهر تصميم بسيط لمفتاح الدائرة الثابت للتيار المباشر في الشكل 1. تمثل أربعة شواحن وIGCT المسار الرئيسي للتوصيل، بينما يتم استخدام مانع التفريغ لتفريغ الاستدلال الخطي في حالة حدوث عطل. عندما يتم تشغيل مفتاح الدائرة الثابت للتيار المباشر، يتم إيقاف IGCT. بسبب الطاقة المخزنة بشكل استدلالي، يرتفع الجهد عبر أشباه الموصلات بسرعة ويبدأ مانع التفريغ في توصيل التيار. من أجل تفريغ الاستدلال الخطي، يجب أن يكون جهد حماية مانع التفريغ أعلى من الجهد الكهربائي الاسمي. كما يجب التأكد من أن أشباه الموصلات قادرة على تحمل جهد حماية مانع التفريغ. الميزة الرئيسية لمفتاح الدائرة الثابت للتيار المباشر هي سرعة القطع السريعة وعدم وجود أجزاء متحركة. بما أن أشباه الموصلات موضوعة في المسار الرئيسي للتوصيل، تحدث خسائر أثناء التشغيل.

الشكل 1: تصميم بسيط لمفتاح الدائرة الثابت

يعتمد مفاتيح الدائرة الثابتة فقط على التحويل الثابت لتوصيل الحمل الأسمي ولقطع التيار. نظرًا لإزالة القوس الكهربائي، يتم الحاجة إلى آلية أخرى لتفريغ الطاقة المخزنة في استدلال الدائرة. غالبًا ما يتم تحقيق ذلك عبر ربط متوازي لمثبط الأكسيد المعدني (MOV). يمتلك MOV خصائص غير خطية للجهد / التيار. يظل مقاومته عالية (يعمل كدائرة مفتوحة) حتى يصل الجهد عبره إلى قيمة معينة، حيث تنخفض مقاومته والسماح بمرور التيار عبر الجهاز. عند توصيل MOV، يقوم أيضًا بتثبيت الجهد عبره عند قيمة ثابتة. هذا النوع من الأجهزة يستخدم بشكل شائع في الأنظمة ذات الجهد العالي كمانع تفريغ وكمجتمع حماية للأجزاء الحساسة للجهد. يظهر شكلان ثنائيو الاتجاه لمفاتيح الدائرة الثابتة في الشكل 2. عندما يكون المفتاح مغلقًا، يتم تشغيل الجهازين شبه الموصلين، مما يسمح بمرور التيار في كلا الاتجاهين. أثناء قطع التيار، يتم إيقاف الجهازين، مما يدفع الجهد عبر الأجهزة ليزداد حتى يبدأ MOV في التوصيل وتثبيت الجهد عبر الأجهزة. يعمل MOV الموصول على تفريغ الطاقة المخزنة داخل استدلال الدائرة. بينما يتم عرض IGCTs في الشكل 2 (أ)، فقد تم استخدام GTOs أيضًا في التصميمات القديمة بناءً على نفس طوبولوجيا الدائرة.

 
الشكل 2: (أ) مفتاح دارة ثابت ثنائي الاتجاه بسيط مستند إلى IGCT، (ب) مفتاح دارة ثابت ثنائي الاتجاه بسيط مستند إلى IGBT

يوضح الشكل 3 العديد من التصاميم البديلة التي تطبق هذا المفهوم على الأنظمة ذات الجهد المتوسط. في هذه الأنظمة، يتم ربط عدة أجهزة بالسلسلة لزيادة القدرة الكلية للمقاومة الجهدية لمفتاح الدائرة الثابت. غالبًا ما يتم ربط الشواحن بالسلسلة مع المحولات الرئيسية لتحسين الجهد العكسي للمحطة، بسبب القدرة المحدودة على التحكم في الجهد العكسي للأجهزة الموجودة مثل IGCT و GTO. تتضمن الدائرة في الشكل 3 (ج) مثبطات RC متوازية الاتصال والتي تكون ضرورية لنظام GTO لمساعدة في إيقاف الأجهزة، وتحتوي أيضًا على ميزتين مثيرتين للاهتمام قد يتم تطبيقهما على مفاتيح الدائرة الثابتة الأخرى. أولاً، يتضمن مقاومة متوازية الاتصال يتم استخدامها لتقييد تيار العطل أثناء قطع التيار. أثناء التشغيل الطبيعي، يتم تجاوز هذه المقاومة بواسطة المحولات الرئيسية شبه الموصلة وبالتالي لا تساهم في الخسائر أثناء التشغيل للمفتاح. ثانيًا، يتم ربط مفتاح ميكانيكي بالسلسلة لتوفير العزل الفيزيائي. بينما يتم تصميم التصاميم المعروضة في هذا القسم بشكل أساسي لأنظمة الطاقة المتوازنة، يجب أن يكون من الممكن تطبيق هذه التصاميم على التطبيقات المستقيمة بتعديلات بسيطة.

 
الشكل 3: (أ) مفتاح دارة ثابت ثنائي الاتجاه ذو جهد متوسط مستند إلى IGCT، (ب) مفتاح دارة ثابت ثنائي الاتجاه ذو جهد متوسط مستند إلى IGCT، (ج) مفتاح دارة ثابت ثنائي الاتجاه مستند إلى GTO

يظهر مخطط كتل مبسط لمفتاح الدائرة الثابت في الشكل 4. يتكون مانع التيار الثابت من سلسلة من الأجهزة الثابتة لتوفير التعامل الآمن مع جهد الحافلة المستقيم. يوفر متحكم سريع متناسق مع الزمن العكسي الإشارة الدافعة للبوابات للمحولات في المانع الذي يفتح ويغلق بشكل متزامن. يتلقى المتحكم العكسي السريع الأوامر إما من إدخال يدوي أو من مفاتيح أخرى في الشبكة أو من أجهزة استشعار سريعة تكتشف تيارات العطل المحلية. يوفر المتحكم العكسي السريع التحكم في زمن القطع العكسي لحالات زيادة التيار، وقطعاً فوريًا إذا تم الوصول إلى حد زيادة التيار. يمكن تعديل هذه المعلمات التشغيلية لكل مفتاح اعتمادًا على موقعه في الشبكة لتوفير استجابة مرتبة ومتسلسلة لظروف العطل.

 
الشكل 4: مخطط نظام مبسط لمفتاح الدائرة الثابت MVDC النموذجي

يوفر مانع التيار الثابت الوظيفة الأساسية لمجموعة مفتاح الدائرة الكاملة وهي حماية العطل السريعة والعزل. يجب أن توفر مجموعة مفتاح الدائرة الكاملة أيضًا وسيلة لفصل المانع بأمان عن شبكة الطاقة عند الحاجة إلى الصيانة أو الخدمة. يظهر تخطيط أولي لمانع تيار بمستوى تحميل 8 ميجاوات في الصورة 1. يتكون هذا المانع من ستة IGBTs بـ 4,500 فولت (CM900HB-66H) متصلة بالسلسلة. يبلغ عرض المانع حوالي 23 بوصة × 9 بوصات × 11 بوصة ويبلغ وزنه حوالي 60 رطل. يتم تركيب IGBTs على ألواح باردة مبردة بالماء مصنوعة من الألمنيوم، والتي يتم تركيبها بدورها على إطار ميكانيكي عازل كهربائيًا. الخطوط المائية غير المعدنية كافية المقاومة لتقييد تسرب التيار عبر الخطوط. سيتطلب هذا نظام تبريد مغلق صغير وكرتون تبادل الأيونات طويل الأمد للحفاظ على مقاومة مياه التبريد. تظهر الصورة 1 التخطيط الميكانيكي الأولي لمانع تيار IGBT بـ 10 كيلو فولت، 8 ميجاوات (800 أمبير). يتم تركيب IGBTs على ألواح باردة مبردة بالماء. الخطوط المبردة غير المعدنية بين اللوحات الباردة المجاورة مصممة لتحمل الجهد الكامل للمحول عند فتح المحول. يتم استخدام صفائف متوازية من هذه التجميعات لتلبية متطلبات التيار الكلية للحمل.

 
الصورة 1: التخطيط الميكانيكي الأولي لمانع تيار IGBT بـ 10 كيلو فولت، 8 ميجاوات (800 أمبير). يتم تركيب IGBTs على ألواح باردة مبردة بالماء

مقارنة بين مزايا وعيوب مفاتيح الدائرة الثابتة والمفاتيح الأخرى بشكل موجز: بينما يمكن لمفاتيح الدائرة الثابتة تحقيق سرعة قطع أسرع بكثير مقارنة بمفاتيح الدائرة التقليدية المستندة إلى الأنظمة الكهروميكانيكية، فإن أحد العيوب الرئيسية لمفاتيح الدائرة الثابتة هو خسائر التشغيل العالية. مع مقاومة الاتصال صغيرة تبلغ بضع ميكرو أوم، تقدم نقاط الاتصال الكهروميكانيكية في مفاتيح الدائرة التقليدية خسائر تشغيل ضئيلة. في المقابل، معظم الأجهزة الثابتة تقدم انخفاضًا في الجهد يبلغ على الأقل فولتين، لذلك عندما يتدفق تيار كبير عبر المفتاح، يمكن أن تكون خسائر التشغيل لمفتاح الدائرة الثابت أعلى بكثير من تلك الخاصة بمفتاح الدائرة التقليدي. يؤدي زيادة فقدان الطاقة أيضًا إلى زيادة متطلبات التبريد. يتم استخدام مبردات حرارية كبيرة معدنية تقليديًا لتبريد الأجهزة شبه الموصلة بشكل سلبي، ومع ذلك، يمكن أن تساهم في أجزاء كبيرة من الحجم والوزن الكلي للأنظمة. بينما يمكن أن يساعد تركيب أنظمة تبريد نشطة مثل الهواء المضغوط (المروحة) أو التبريد السائل في تقليل حجم ووزن النظام الكلي، فإنه يضيف تعقيدات إضافية مثل زيادة التوقيع الصوتي وخسارة الطاقة ومشاكل الصيانة. وفقًا للشكل 5، يتم تقديم القيم فيما يتعلق بالقيمة الأعلى لكل مجموعة. بالنسبة لكل معيار، تعتبر القيم الصغيرة أفضل. لذلك، يشير المجال الصغير إلى أداء عام جيد لمفهوم التحويل. بناءً على النتائج، يظهر مفتاح الدائرة الثابت أداءً عامًا جيدًا. بفضل قدراته السريعة على التحويل، يكون وقت الإيقاف صغيرًا ويحدث تيارات ذات سعة منخفضة فقط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن اعتبار موثوقية وتعقيد عملية التحويل جيدة. ومع ذلك، يعاني مفتاح الدائرة الثابت من خسائر عالية مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية أو الهجينة. يعتبر مفهوم بديل ذو خسائر منخفضة وتكاليف نسبية متوسطة ومعقول من موثوقية هو مفتاح الدائرة الميكانيكي مع المثبط. كما يظهر مفتاح الدائرة الهجين التقليدي أداءً متوسطًا. يعاني من تيارات ذروة عالية بسبب المحول الميكانيكي. المفاهيم المستخرجة من أنظمة HVDC لا تتمتع بأداء جيد ضمن مستويات الجهد والقوة التي تم البحث عنها. ومع ذلك، قد يتغير هذا بالنسبة لجهود وأطوار أعلى. أخيرًا، لا يزال مفهوم المفتاح الميكانيكي النقي مثيرًا للاهتمام للتطبيقات ذات الجهد المنخفض والمتوسط المنخفض نظرًا لأنه الوحيد الذي تم اختباره بشكل جيد.

الشكل 5: نظرة عامة على جميع مفاهيم التحويل لمفاتيح الدائرة المستقيمة

يختصر الجدول 1 خصائص أربع تقنيات لمفاتيح الدائرة: يجب ملاحظة أن وقت إعداد هذا الجدول هو عام 2012.

 
الجدول 1: ملخص تقنيات مفاتيح الدائرة للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة للتيار المستقيم