Orta Dəhlizli DC Solid-State Sirkit Brekerlərinin İstehsalı və Gələcəyi

Orta voltajlı qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı necə işləyir:
Qalın cihaz hissələrini istifadə edən DC döyüşmə cihazı səhvlərin akımını kəsir. Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış sadə DC döyüşmə cihazının topologiyası Şəkil 1-də göstərilmişdir. Dörd diod və bir IGCT əsas keçirilən yolu təmsil edir, iken üzlük arrester xətanın varlığında xətti induktivliyi boşaltmaq üçün istifadə olunur. DC döyüşmə cihazı tripləndikdə, IGCT söndürülür. İnduktiv saxlanılan enerji səbəbindən, yarı-müqavimlərlərin üstündəki gerilim tez artır və üzlük arrester akım keçirməyə başlayır. Xətti induktivliyi boşaltmaq üçün, üzlük arresterin qoruma gerilimi nominal şəbəkə gerilimindən yüksək olmalıdır. Həmçinin, yarı-müqavimlərin üzlük arresterin qoruma gerilimini dayama biləcəyinə əmin olunmalıdır. Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış DC döyüşmə cihazının əsas üstünlüyü onun sürətli kəsməsi və hərəkət etməyən hissələrin olmamasıdır. Yarı-müqavimlərin əsas keçirilən yolda yerləşdirilməsi səbəbindən, on-state zədələr meydana gəlir.

Şəkil 1: Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazının sadə dizaynı

Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazları yalnız qalın cihaz anahtarına nisbətən nominal yükü taşımaya və akımı kəsməyə güvəndir. Elektrik arkı ləğv edildiyi üçün, xətti induktivlikdə saxlanılan enerjiyi dağıtmak üçün başqa bir mekanizm lazımdır. Bu adətən paralel qoşulmuş metal oksit varistor (MOV) vasitəsilə həll edilir. MOV-nin qeyri-xətti voltaj/akım xüsusiyyəti var.
Onun direksiya, onun üstündəki voltaj bəzi qiymətə çatana qədər yüksək qalır (effektiv olaraq açıq şəkili kimi fəaliyyət göstərir), burada onun direksiya düşür və akım cihazdan keçməyə imkan verir. Akım keçirdikdə, MOV onun üstündəki voltajı sabit qiymətə sabitləyir.
Bu növ cihaz adətən yüksək voltaj sistemlərində üzlük arrester kimi istifadə olunur və da voltaj-həssas komponentlər üçün qoruma cihazı kimi istifadə olunur.
İki iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazının topologiyaları Şəkil 2-də göstərilmişdir. Döyüşmə cihazı bağlandığında, hər iki yarı-müqavim cihaz aktiv olur, bu da akımın hər iki tərəfdən axmasına imkan verir. Akım kəsməsi zamanı, hər iki cihaz söndürülür, bu da cihazların üstündəki voltajın yüksəlməsinə və MOV-ün akım keçirməyə və cihazların üstündəki voltajı sabitləyə bilməsinə məcbur edir. Akım keçirən MOV, xətti induktivlikdə saxlanılan enerjiyi dağıtır.
Əksər hallarda, Şəkil 2 (a)-da IGCT-lar göstərilmişdir, amma eyni şəbəkə topologiyasına əsaslanan daha köhnə dizaynlarda GTO-lar da istifadə olunmuşdur.

 
Şəkil 2   a) IGCT əsaslı sadə iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, (b) IGBT əsaslı sadə iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı

Şəkil 3, bu konsepti orta voltaj sistemlərinə tətbiq edən bir neçə alternativ dizayn göstərir. Bu sistemlərdə, yarı-müqavimlərin seri qoşulması döyüşmə cihazının ümumi voltaj dayanma qabiliyyətini artırır. Diodlar, IGCT və GTO kimi mövcud cihazların sınırlı inversiya blok qabiliyyətinə görə, əsas keçirilən anahtarlara paralel qoşularaq sistemin inversiya blok voltajını yaxşılaşdırmaq üçün də istifadə olunur. Şəkil 3 (c)-də göstərilən şəbəkə, GTO əsaslı sistemlər üçün cihazların söndürülmesinə kömək etmək üçün paralel qoşulmuş RC snubberlərə ehtiyac duyur və digər qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazlarına tətbiq edilə biləcək iki maraqlı xüsusiyyətə malikdir. Birincisi, paralel qoşulmuş rezistor, akım kəsməsi zamanı səhvlər akımını məhdudlaşdırmak üçün istifadə olunur. Normal iş rejimində, bu rezistor əsas yarı-müqavim anahtarlara short out olunur və beləliklə döyüşmə cihazının on-state zədələrinə heç bir zədə verməz. İkinci olaraq, fiziki izolyasiya təmin etmək üçün seriyada qoşulmuş mexaniki anahtar yerləşdirilir.
Bu bölmədə göstərilən dizaynlar əsasən AC elektrik enerjisi sistemləri üçün hazırlanmışdır, amma minimal dəyişikliklərlə bunları DC tətbiqlərə də tətbiq etmək mümkündür.

 
Şəkil 3: a) IGCT əsaslı orta voltajlı iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, (b) IGCT əsaslı orta voltajlı iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, (c) GTO əsaslı iki tərəflü qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı

Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazının sadə blok şeması Şəkil 4-də göstərilmişdir. Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, DC şina gerilimini təhlükəsiz idarə edə bilən yarı-müqavim cihazların seri sırasından ibarətdir. Tez koordinasiya olunan inversiya vaxt controlleri, interupterdəki anahtarlara qapı sinyalini təmin edir və onları simmetrik olaraq açır və bağlayır. Tez inversiya vaxt controlleri, ya əl ilə daxil edilən əmr, ya da şəbəkədəki digər döyüşmə cihazlardan, ya da lokal səhv akımlarını aşkar edən tez sensorlardan əmrlər alır. Inversiya vaxt controlleri, aşırı akım vəziyyətləri üçün inversiya vaxt idarəetməsini təmin edir və aşırı akım limiti çatılarsa tez anlık vəziyyətə keçir. Bu operasiya parametrləri, hər bir döyüşmə cihazın şəbəkədəki yerləşdiyi əsasında tənzimlənə bilər, bu da səhv vəziyyətlərinə təşkil edilmiş, sıralanmış cavab verməyə imkan verir.

 
Şəkil 4: Tipik MVDC qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazının sadələştirilmiş sistem şeması

Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, tam döyüşmə cihaz ensamblinin tez səhv qoruması və izolyasiyası funksiyasını təmin edir. Tam döyüşmə cihaz ensambli, təmir və xidmət tələb olunduqda interupteri elektrik şəbəkəsindən təhlükəsiz ayırmağa da imkan təmin etməlidir.
8 MW yüklü döyüşmə cihazının ilk variantı Foto 1-də göstərilmişdir. Bu döyüşmə cihazı altı 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) cihazlarından ibarətdir ki, onlar seri qoşulub. 8 MW döyüşmə cihazı təxminən 23” genişliyə, 9” hündürlüyə və 11” derinliyə malikdir və təxminən 60 lb ağırlığına sahibdir. IGBT-lar su soğutmalı alüminium soyutma plitlərinə monte edilib, ki, bu plitlər, növbədən elektrik izolyasiya edilmiş mexaniki qəfildə yerləşdirilib. Metallı olmayan su xətləri, xətt boyunca akım sızıntısını məhdudlaşdırmak üçün kifayət qədər direksiyaya malikdir. Bu, kiçik, kapalı çevrəli soğutma sistemi və suyun reaktivlikini saxlamaq üçün uzun ömürlü ion mübadilə kartuşuna ehtiyac duyar.
Bu, kiçik, kapalı çevrəli soğutma sistemi və suyun reaktivlikini saxlamaq üçün uzun ömürlü ion mübadilə kartuşuna ehtiyac duyar.
Foto 1, 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT döyüşmə cihazının ilk mexaniki variantını göstərir. IGBT-lar su soğutmalı soyutma plitlərinə monte edilib. Yan yana olan soyutma plitləri arasında olan non-metal su xətləri, anahtar açıq olduğunda tam anahtar voltajını dayamaq üçün dizayn edilmişdir.
Yük üçün ümumi akım tələblərini qarşılamak üçün bu ensamların paralel massivləri istifadə olunur.

 
Foto 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT döyüşmə cihazının ilk mexaniki variantı. IGBT-lar su soğutmalı soyutma plitlərinə monte edilib

Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazlarının digər döyüşmə cihazlarla müqayisəsini qısa təsvir edin:
Qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazları, klassik elektro-mexaniki əsaslı döyüşmə cihazlarına nisbətən nəticəvi kəsmə sürətinə nail olmağa məcburdür, amma qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazlarının ən böyük dezavantajı onların yüksək on-state zədələridir. Mikro-omlar ölçüsündə kontakt direksiyası ilə, klassik döyüşmə cihazlarındakı elektro-mexaniki kontaktlar nəticəvi zədələrə səbəb olmur. Müqayisədə, əksər qalın cihaz hissələri, en azı iki volt voltaj düşməsi yaratır, beləliklə, böyük akım döyüşmə cihazından keçdikdə, qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazının on-state zədələri, klassik döyüşmə cihazının on-state zədələrinə nisbətən ancaq daha yüksəkdir. Artan enerji zədəsi, soğutma tələblərini də artırır. Tradisional olaraq, böyük metalli soğutucular, yarı-müqavimlər cihazlarını passiv olaraq soğutmak üçün istifadə olunur, amma, onlar sistemlərin ümumi ölçüsü və ağırlığına bəhsi qədər töhfə verə bilər. Aktiv soğutma sistemlərinin, məsələn, zorlanmış hava (fan) və ya su soğutma sisteminin quraşdırılması, ümumi sistem ölçüsü və ağırlığını azaltmağa kömək edə bilər, amma bu, artan səs imzası, enerji zədələri və texniki xidmət problemləri kimi əlavə mürəkkəbliklərə səbəb olur.
Şəkil 5-də, qiymətlər hər qrupun ən yüksək dəyərinə nisbətən verilmişdir.
Hər bir kriteriyyə üçün, kiçik dəyərlər nisbətən ən yaxşı seçimdən hesab olunur. Kiçik sahə, beləliklə, bir döyüşmə koncepsiyasının ümumi yaxşı performansını göstərir.
Nəticələrə əsasən, qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı ümumi yaxşı performans göstərir. Sürətli döyüşmə imkanlarına görə, söndürmə vaxtı kiçikdir və yalnız aşağı akım amplitudları baş verir. Ayrıca, döyüşmə prosesinin nəzərə alınması və mürəkkəbliyi də yaxşı hesab olunur. Amma, qalın cihaz hissələri ilə donatılmış döyüşmə cihazı, mexaniki və ya hibrid anahtarlara nisbətən yüksək zədələrə sahibdir.
Aşağı zədələr, orta nisbətli xərclər və yaxşı nəzərə alınması ilə birlikdə, alternativ bir koncepsiya snubber mexaniki döyüşmə cihazıdır. Eyni zamanda, konvensional hibrid döyüşmə cihazı ümumi orta performans göstərir. Mexaniki anahtara görə yüksək pika akımlardan çətinlik çəkir. HVDC sistemlərindən götürülmüş koncepsiyalar, araşdırılan voltaj və gücü səviyyələrində yaxşı performans göstərmir. Amma, daha yüksək voltaj və gücü üçün bu dəyişə bilər. Nihayət, saf mexaniki döyüşmə cihazı, aşağı və aşağı-orta voltaj tətbiqləri üçün hələ də maraqlıdır, çünki bu, yeganə yaxşı test edilən koncepsiyadır.

Şəkil 5: DC döyüşmə cihazlarında bütün döyüşmə koncepsiyalarının ümumi baxışı

Cədvəl 1, dörd döyüşmə cihazı texnologiyasının xüsusiyyətlərini ümumiləşdirir:
Bu cədvəlin hazırlanması 2012-ci ildə olmuşdur.

 
Cədvəl 1: Aşağı güc DC tətbiqləri üçün döyüşmə cihazları texnologiyalarının ümumi baxışı