Disseny i futur dels interruptors de circuit d'estat sòlid a corrent contínua de mitja tensió
Com funcionen els interruptors de corrent contínua en tensió mitjana basats en semiconductors:
Un interruptor de corrent contínua en estat sòlid utilitza semiconductors per interrompre la corrent de defecte. Una topologia simple d'un interruptor de corrent contínua en estat sòlid es mostra a la Figura 1. Quatre díodes i un IGCT representen el camí de conducció principal, mentre que el paràlitge és utilitzat per descarregar l'inductància de la línia en cas de defecte. Quan l'interruptor de corrent contínua es dispara, l'IGCT es desactiva. Degut a l'energia emmagatzemada inductivament, la tensió sobre els semiconductors augmenta ràpidament i el paràlitge comença a conduir corrent. Per descarregar l'inductància de la línia, la tensió de protecció del paràlitge ha de ser més alta que la tensió nominal de la xarxa. També cal assegurar-se que els semiconductors puguin suportar la tensió de protecció del paràlitge. La principal avantatge d'un interruptor de corrent contínua en estat sòlid és la seva velocitat d'interrupció ràpida i la falta de parts mòbils. Com que els semiconductors es troben al camí de conducció principal, hi ha pèrdues en estat de conducció.
Figura 1: Disseny simple d'un interruptor de circuit en estat sòlid
Els interruptors de circuit en estat sòlid depenen exclusivament del commutador en estat sòlid per portar la càrrega nominal i interrompre la corrent. Com que l'arc elèctric s'elimina, cal un altre mecanisme per dissipar l'energia emmagatzemada en l'inductància del circuit. Això sovint es aconsegueix mitjançant un varistor d'òxid metàl·lic (MOV) connectat en paral·lel. Un MOV té una característica no lineal de tensió/corrent.
La seva resistència roman alta (actuant efectivament com un circuit obert) fins que la tensió sobre ell arriba a un cert valor, on la seva resistència baixa permetent que el corrent condueixi a través del dispositiu. Quan el MOV condueix també limita la tensió sobre ell a un valor constant.
Aquest tipus de dispositiu es fa servir sovint en sistemes de alta tensió com a paràlitge i també com a dispositiu de protecció per components sensibles a la tensió.
S'han mostrat dues topologies d'interruptors de circuit en estat sòlid bidireccional a la Figura 2. Quan l'interruptor està tancat, tots dos dispositius semiconductors es giren, permetent que la corrent flueixi en ambdós sentits. Durant la interrupció de la corrent, tots dos dispositius es desactiven, forçant la tensió sobre els dispositius a augmentar fins que el MOV comença a conduir i limitar la tensió sobre els dispositius. El MOV que condueix actua per dissipar l'energia emmagatzemada dins de l'inductància del circuit.
Si bé es mostren IGCTs a la Figura 2 (a), també s'han utilitzat GTOs en dissenys antics basats en la mateixa topologia de circuit.
Figura 2 a) Interruptor de circuit bidireccional en estat sòlid simple basat en IGCT, (b) Interruptor de circuit bidireccional en estat sòlid simple basat en IGBT
La Figura 3 mostra diversos dissenys alternatius que apliquen aquest concepte a sistemes de tensió mitjana. En aquests sistemes, múltiples dispositius es connecten en sèrie per augmentar la capacitat total de suport de tensió de l'interruptor en estat sòlid. També es connecten sovint díodes en sèrie amb els commutadors principals per millorar la tensió de bloc inversa del sistema, degut a la limitada capacitat de bloc invers de dispositius existents com IGCT i GTO. El circuit de la Figura 3 (c) inclou atenuadors RC connectats en paral·lel que són necessaris per als sistemes basats en GTO per ajudar a la desactivació dels dispositius, i també conté dues característiques interessants que podrien aplicar-se a altres interruptors de circuit en estat sòlid. Primer, inclou un resistor connectat en paral·lel que s'utilitza per limitar la corrent de defecte durant la interrupció de la corrent. Durant l'operació normal, aquest resistor es bypassa pels commutadors semiconductors principals i, per tant, no contribueix a les pèrdues en estat de conducció de l'interruptor. Segon, un commutador mecànic es connecta en sèrie per proporcionar aïllament físic.
Encara que els dissenys mostrats en aquesta secció estan principalment dissenyats per a sistemes de potència AC, hauria de ser possible aplicar aquests dissenys a aplicacions DC amb modificacions mínimes.
Figura 3: a) Interruptor de circuit bidireccional en estat sòlid de tensió mitjana basat en IGCT, (b) Interruptor de circuit bidireccional en estat sòlid de tensió mitjana basat en IGCT, (c) Interruptor de circuit bidireccional en estat sòlid basat en GTO
Es mostra un diagrama de bloc simplificat d'un interruptor de circuit en estat sòlid a la Figura 4. L'interruptor de corrent en estat sòlid consta d'una cadena en sèrie de dispositius en estat sòlid per gestionar segurament la tensió de la línia de corrent contínua. Un controlador invers ràpid coordinat proporciona la senyal de conducció per als commutadors de l'interruptor, que obrin i tanquen sincronitzadament. El controlador invers ràpid rep ordres d'una entrada manual, d'altres interruptors a la xarxa o de sensors ràpids que detecten corrents de defecte locals. El controlador invers proporciona un control de temps invers per a estats de sobrecorrent, i un disparador instantani ràpid si s'assoleix el límit de sobrecorrent. Aquests paràmetres operatius es poden ajustar per a cada interruptor depenent de la seva ubicació a la xarxa, proporcionant una resposta ordenada i seqüencial a les condicions de defecte.
Figura 4: Diagrama de sistema simplificat d'un interruptor de circuit en estat sòlid típic de tensió mitjana en corrent contínua
L'interruptor en estat sòlid proporciona la funcionalitat principal d'un conjunt complet d'interruptor de circuit amb protecció ràpida de defectes i aïllament. El conjunt complet d'interruptor de circuit també ha de proporcionar un mitjà per desconectar segurament l'interruptor de la xarxa d'energia quan es requereix manteniment o servei.
Es mostra un disseny preliminar per a un interruptor de nivell de càrrega de 8 MW a la foto 1. Aquest interruptor
consta de sis IGBT de 4,500 V (CM900HB-66H) connectats en sèrie. L'interruptor de 8 MW és
aproximadament 23” d'amplada x 9” d'altura 11” de profunditat i pesa aproximadament 60 lb. Els IGBT estan muntats
en plaques fredes d'alumini refrigerades amb aigua, que, a la vegada, estan muntades en un marc mecànic aïllat elèctricament. Les línies d'aigua no metàl·liques són suficientment resistives per limitar la fuga de corrent a través d'elles.
Això requerirà un sistema de refrigeració en cicle tancat petit i un cartuix d'intercanvi d'ions de llarga durada per mantenir
la resistivitat de l'aigua de refrigeració.
Això requerirà un sistema de refrigeració en cicle tancat petit i un cartuix d'intercanvi d'ions de llarga durada per mantenir la resistivitat de l'aigua de refrigeració.
La foto 1 mostra el disseny mecànic preliminar d'un interruptor de 10 kV, 8 MW (800 A) basat en IGBT. Els IGBT estan muntats en plaques fredes refrigerades amb aigua. Les línies de refrigeració no metàl·liques entre plaques fredes adjacents estan dissenyades per suportar la tensió completa del commutador quan aquest està obert.
S'utilitzen arrays paral·lels d'aquests conjunts per complir amb els requisits de corrent totals per a la càrrega.
Foto 1: Disposició mecànica preliminar d'un interruptor de 10 kV, 8 MW (800 A) basat en IGBT. Els IGBT estan muntats en plaques fredes refrigerades amb aigua
Comparem breument els avantatges i inconvenients dels interruptors de circuit en estat sòlid amb altres interruptors de circuit:
Encara que els interruptors de circuit en estat sòlid poden aconseguir una velocitat d'interrupció substancialment més ràpida en comparació amb els interruptors de circuit basats en electro-mecànica convencionals, un gran inconvenient dels interruptors en estat sòlid és la seva alta pèrdua en estat de conducció. Amb una resistència de contacte tan petita com alguns micro-ohms, els contactes electro-mecànics en els interruptors de circuit clàssics introdueixen pèrdues en estat de conducció negligibles. En canvi, la majoria dels dispositius en estat sòlid introdueixen un descens de tensió d'almenys dos volts, per tant, quan una gran corrent flueix a través de l'interruptor, les pèrdues en estat de conducció d'un interruptor de circuit en estat sòlid poden ser significativament més altes que les d'un interruptor de circuit clàssic. L'augment de la pèrdua d'energia també porta a uns requisits més elevats de refrigeració. Tradicionalment, es fan servir radiadors metàl·lics grans per refredar passivament els dispositius semiconductors de potència, però aquests poden contribuir a una part substancial de la mida i el pes totals dels sistemes. Si bé l'instal·lació de sistemes de refrigeració actius com l'aire forçat (ventilador) o la refrigeració líquida podria ajudar a reduir la mida i el pes totals del sistema, aquests introduïxen complexitats addicionals com la signatura acústica incrementada, pèrdues d'energia i problemes de manteniment.
Segons la figura 5, els valors es donen en relació al valor més alt per grup.
Per a cada criteri, es consideren preferibles els valors petits. Per tant, una àrea petita indica un bon rendiment general d'un concepte de commutació.
Basant-nos en els resultats, l'interruptor de circuit en estat sòlid mostra un bon rendiment general. Gràcies a les seves capacitats de commutació ràpides, el temps de desactivació és petit i només ocorren amplituds de corrent baixes. També, la fiabilitat i la complexitat del procés de commutació es poden considerar bones. No obstant això, l'interruptor en estat sòlid pateix de pèrdues altes, en comparació amb els commutadors mecànics o híbrids.
Un concepte alternatiu amb pèrdues baixes, costos relatius mitjans i bona fiabilitat és el commutador mecànic amb atenuador. També, el commutador híbrid convencional mostra un rendiment general mitjà. Pateix de corrents màximes altes degut al commutador mecànic. Els conceptes extrets dels sistemes HVDC no tenen un bon rendiment en els nivells de tensió i potència investigats. No obstant això, per a tensions i potències més altes, això podria canviar. Finalment, el concepte d'un commutador purament mecànic encara és interessant per a aplicacions de baixa i baixa-mitjana tensió, ja que és l'únic ben provat.
Figura 5: Visió general de tots els conceptes de commutació per a interruptors de circuit en corrent contínua
La Taula 1 resumeix les característiques de les quatre tecnologies d'interruptors de circuit:
Cal tenir en compte que la data de preparació d'aquesta taula és 2012.
Taula 1: Resum de les tecnologies d'interruptors de circuit per a aplicacions de baixa potència en corrent contínua
