Mezgranda Volta DC Solid-State Circuit Breakers Dizajno kaj Estonteco

Kiel funkcias solidstataj ĉefkonduktantaj cirkvitoĉeĥiloj de meza tenso:
Solidstata DC-ĉeĥilo uzas potencan semikondukton por interrompi la defektan koranton. Simpligita topologio de solidstata DC-ĉeĥilo estas montrita en Figuro 1. Kvar diodoj kaj IGCT reprezentas la ĉefan konduktan vojon, dum la surĝojarresterro estas uzata por malŝargi la linian indukton en okazo de defekto. Kiam la DC-ĉeĥilo estas trippita, la IGCT estas ŝaltita for. Pro la indukte memorita energio, la tensio trans la semikonduktoj rapidigas kaj la surĝojarresterro komencas konduki koranton. Por malŝargi la linian indukton, la protektado tensio de la surĝojarresterro devas esti pli alta ol la nominala reto tensio. Ankaŭ devas esti certigite, ke la potencaj semikonduktoj povas resisti la protektadan tension de la surĝojarresterro. La ĉefa avantaĝo de solidstata DC-ĉeĥilo estas sia rapida interrompado kaj la manko de moviĝantaj partoj. Ĉar la potencaj semikonduktoj estas lokitaj en la ĉefa konduka vojo, okazas enstataj perdoj.

Figuro 1:Simpla dizajno de solidstata cirkvitoĉeĥilo

Solidstataj cirkvitoĉeĥiloj dependas nur de la solidstata ŝaltilo por porti la nominalan ŝarĝon kaj por interrompi la koranton. Ĉar la elektra arketo estas forigita, necesas alia mekanismo por disipadi la memoritan energion en la cirkvita indukto. Tio ofte estas atingita per paralele konektita oksidmetala varistoro (MOV). MOV havas nelinearan tensio/koranto karakterizadon.
Ĝia rezistado restas alta (efektive agante kiel malfermita cirkvito) ĝis la tensio trans ĝi atingas certan valoron, kie ĝia rezistado falas permesante koranton fluigi tra la aparato. Kiam konduktanta, MOV ankaŭ limigas la tension trans ĝi je konstanta valoro.
Tiu tipo de aparato estas ofte uzata en alta tensio sistemoj kiel surĝojarresterro kaj ankaŭ uzata kiel protektada aparato por tensio-sensiblaj komponantoj.
Du duflukta solidstata cirkvitoĉeĥila topologioj estas montritaj en Figuro 2. Kiam la ĉeĥilo estas fermita, ambaŭ semikonduktoj estas ŝaltitaj on, permesante koranton fluigi en ambaŭ direktoj. Dum la koranta interrompo, ambaŭ aparatoj estas ŝaltitaj for, forĉigante la tension trans la aparatojn altiĝi ĝis la MOV komencas konduki kaj limigi la tension trans la aparatojn. La konduktanta MOV agas por disipadi la energion memoritan en la cirkvita indukto.
Kvankam IGCTs estas montritaj en Figuro 2 (a), GTOs ankaŭ estas uzitaj en pli malnovaj dizajnoj bazitaj sur la sama cirkvita topologio.

 
Figuro 2   a) IGCT-bazita simpla dufluka solidstata cirkvitoĉeĥilo, (b) IGBT-bazita simpla dufluka solidstata cirkvitoĉeĥilo

Figuro 3 montras kelkajn alternativajn dizajnojn kiuj aplikas tiun koncepton al meztenso sistemoj. En tiuj sistemoj, pluraj aparatoj estas konektitaj en serio por pligrandigi la tutan tensiomemorigan kapablon de la solidstata ĉeĥilo. Diodoj estas ankaŭ ofte konektitaj en serio kun la ĉefaj rompaj ŝaltiloj por plibonigi la inversan blokadon de la sistemo, pro la limigita inversa blokada kapablo de ekzistantaj aparatoj kiel IGCT kaj GTO. La cirkvito montrita en Figuro 3 (c) inkluzivas paralele konektitajn RC snuberojn kiuj estas bezonataj por GTO-bazitaj sistemoj por helpi la malŝaltadon de aparatoj, kaj ankaŭ enhavas du interesajn trajtojn kiuj povus esti aplikitaj al aliaj solidstataj cirkvitoĉeĥiloj. Unue, ĝi inkluzivas paralele konektitan reziston kiu estas uzata por limigi la defektan koranton dum la koranta interrompo. Dum normala operacio, ĉi tiu rezisto estas kortuŝita per la ĉefaj semikonduktoj kaj do ne kontribuas al la enstataj perdoj de la ĉeĥilo. Due, mekanika ŝaltilo estas konektita en serio por provizi fizikan izolacion.
Kvankam la dizajnoj montritaj en ĉi tiu sekcio estas ĉefe dezinitaj por ak-nurto sistemoj, eble estos eble apliki tiujn dizajnojn al dc-aplikoj kun minimumaj modifoj.

 
Figuro 3: a) IGCT-bazita meztenso dufluka solidstata cirkvitoĉeĥilo, (b) IGCT-bazita meztenso dufluka solidstata cirkvitoĉeĥilo, (c) GTO-bazita dufluka solidstata cirkvitoĉeĥilo

Simpligita bloka diagramo de solidstata cirkvitoĉeĥilo estas montrita en Figuro 4. La solidstata koranta interrompilo estas komponita el serio de solidstataj aparatoj por sekure trakti la DC busan tension. Rapida koordinata invers-tempa kontrolilo provizas la portan signalon por la ŝaltiloj en la interrompilo, kiuj sinkronige malfermas kaj fermas. La rapida invers-tempa kontrolilo ricevas komandojn aŭ de manua enigo, aŭ de aliaj ĉeĥiloj en la reto, aŭ de rapidaj sensoroj kiuj detektas lokajn defektajn korantojn. La invers-tempa kontrolilo provizas inversan trip-tempan kontrolo por superkorantaj statoj, kaj rapidan momentan tripon se la superkoranta limo estas atingita. Tiuj operaciaj parametroj povas esti adaptitaj por ĉiu ĉeĥilo depende de ĝia loko en la reto, provizante ordigitan, sekvencan respondon al defektaj kondiĉoj.

 
Figuro 4: Simpligita sistemo diagramo de tipa MVDC solidstata cirkvitoĉeĥilo

La solidstata interrompilo provizas la primaran funkciatecon de kompleta cirkvitoĉeĥilo asambleo rapidega defektprotekto kaj izolado. La kompleta cirkvitoĉeĥilo asambleo ankaŭ devas provizi manieron por sekura diskonigado de la interrompilo de la energia reto kiam estas bezonata servado aŭ manteno.
Preludiga aranĝo por 8 MW ŝarĝ-nivela koranta interrompilo estas montrita en foto 1. Ĉi tiu interrompilo
konsistas el ses 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) konektitaj en serio. La 8 MW interrompilo estas
aproximadamente 23” larĝa x 9” alta  11” profunda kaj pezas aproximadamente 60 lb. La IGBTs estas montitaj
sur akvomalvarmaj aluminiĉaj malvarmaj tabuloj, kiuj, turne, estas montitaj sur elektra izolanta mekanika
rampo. La nemetala akvovico estas sufiĉe rezistiva por limigi la korantan fuĝadon laŭ la vicoj.
Ĉi tio postulas malgrandan fermit-ciklan malvarmigadon kaj longdaŭran ion-interŝanĝan kartuŝon por prizorgi
la rezistivecon de la malvarmiga akvo.
Ĉi tio postulas malgrandan fermit-ciklan malvarmigadon kaj longdaŭran ion-interŝanĝan kartuŝon por prizorgi la rezistivecon de la malvarmiga akvo.
En foto 1 montras la preludigan mekanikan aranĝon de 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrompilo. La IGBTs estas montitaj sur akvomalvarmaj malvarmaj tabuloj. Nemetalaj malvarmigaj vicoj inter apudaj malvarmaj tabuloj estas dezinitaj por starigi la tutan ŝaltan tension kiam la ŝalto estas malfermita.
Paralelaj matricoj de tiuj asambleoj estas uzitaj por kontentigi la tutajn korantajn postulojn por la ŝarĝo.

 
Foto 1: Preludiga mekanika aranĝo de 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrompilo. La IGBTs estas montitaj sur akvomalvarmaj malvarmaj tabuloj

Komparu la avantaĝojn kaj malfavorojn de solidstataj cirkvitoĉeĥiloj kun aliaj cirkvitoĉeĥiloj breve:
Kvankam solidstataj cirkvitoĉeĥiloj povas atingi substanciale pli rapidan interrompadon kompare al konvenciaj elektro-mehanikaj cirkvitoĉeĥiloj, unu granda malfavoro de solidstataj cirkvitoĉeĥiloj estas iliaj altaj enstataj perdoj. Kun kontaktresistado kiel malgranda kiel kelkaj mikro-ohmoj, elektro-mehanikaj kontaktoroj en klasikaj cirkvitoĉeĥiloj enkondukas negligeblajn enstatajn perdojn. Kontraste, plej multaj solidstataj aparatoj enkondukas tensi-falon de almenaŭ du volt, do kiel granda koranto flugas tra la ĉeĥilo, la enstataj perdoj de solidstata cirkvitoĉeĥilo povas esti signife pli altaj ol tiuj de klasika cirkvitoĉeĥilo. La pligrandigita energiperdo ankaŭ kondukas al pligrandigitaj postuloj por malvarmigo. Tradicie, grandaj metalaj varmaldisendantoj estas uzitaj por pasive malvarmigi potencan semikondukton, tamen, ili povas kontribui al substanta parto de la tuta sistemo grandeco kaj pezo. Kvankam la instalado de aktiva malvarmiga sistemoj kiel forĉita aer (ventilo) aŭ likva malvarmigo povus helpi redukti la grandon kaj pezon de la tuta sistemo, ili enkondukas pliajn kompleksecojn kiel pliigita akustika signaturo, energiperdoj, kaj mantenaj problemoj.
Laŭ figuro 5, la valoroj estas donitaj relative al la plej alta valoro por grupo.
Por ĉiu kriterio, malgrandaj valoroj estas konsideritaj preferindaj. Malgranda areo, do, indikas bonan tutan performon de la ŝaltkoncepto.
Surbaze de la trovoj, la solidstata cirkvitoĉeĥilo montras bonan tutan performon. Pro siaj rapidaj ŝaltkapabloj, la malŝaltado tempo estas malgranda kaj nur malaltaj koranta amplitudoj okazas. Ankaŭ, la fidindeco kaj la komplekseco de la ŝalta proceso povas esti konsiderataj bonaj. Tamen, la solidstata cirkvitoĉeĥilo suferas de altaj perdoj, kompare al mekanikaj aŭ hibridaj ŝaltiloj.
Alternativa koncepto kun malaltaj perdoj, meza relativa kostoj, kaj bona fidindeco estas la snubber mekanika cirkvitoĉeĥilo. Ankaŭ, la konvena hibrida cirkvitoĉeĥilo montras medianan tutan performon. Ĝi suferas de altaj pikaj korantoj pro la mekanika ŝaltilo. La konceptoj prenitaj el HVDC sistemoj ne havas bonan performon en la esploritaj tensio kaj potenco niveloj. Tamen, por pli altaj tensioj kaj potencoj, ĉi tio povus ŝanĝi. Fine, la koncepto de pura mekanika cirkvitoĉeĥilo ankoraŭ estas interesa por malaltaj kaj malalta-mezaj tensio aplikoj, ĉar ĝi estas la sola bone probita.

Figuro 5: Resumo de ĉiuj ŝaltkonceptoj por DC cirkvitoĉeĥiloj

Tablo 1 resumas la karakterizaĵojn de la kvar cirkvitoĉeĥilo teknologioj:
Notu, ke la tempo de preparo de ĉi tiu tablo estas 2012.

 
Tablo 1: Resumo de cirkvitoĉeĥilo teknologioj por malpotencaj DC aplikoj