Diseño de Interruptores de Circuito de Estado Sólido en Corriente Continua de Media Tensión y futuro
Cómo funcionan los interruptores de estado sólido de media tensión:
Un interruptor de corriente continua (CC) de estado sólido utiliza semiconductores de potencia para interrumpir la corriente de falla. Se muestra una topología simple de un interruptor de CC de estado sólido en la Figura 1. Cuatro diodos y un IGCT representan la ruta principal de conducción, mientras que el pararrayos se usa para descargar la inductancia de la línea en caso de falla. Cuando se activa el interruptor de CC, se apaga el IGCT. Debido a la energía almacenada inductivamente, el voltaje a través de los semiconductores aumenta rápidamente y el pararrayos comienza a conducir corriente. Para descargar la inductancia de la línea, el voltaje de protección del pararrayos debe ser mayor que el voltaje nominal de la red. También debe asegurarse de que los semiconductores de potencia puedan soportar el voltaje de protección del pararrayos. La principal ventaja de un interruptor de CC de estado sólido es su rápida velocidad de interrupción y la falta de partes móviles. Dado que los semiconductores de potencia se colocan en la ruta principal de conducción, se producen pérdidas en estado de conducción.
Figura 1: Diseño simple de un interruptor de estado sólido
Los interruptores de estado sólido dependen únicamente del conmutador de estado sólido para transportar la carga nominal e interrumpir la corriente. Debido a que el arco eléctrico se elimina, se necesita otro mecanismo para disipar la energía almacenada en la inductancia del circuito. Esto se logra a menudo mediante un varistor de óxido metálico (MOV) conectado en paralelo. Un MOV tiene una característica no lineal de voltaje/corriente. Su resistencia permanece alta (actuando efectivamente como un circuito abierto) hasta que el voltaje a través de él alcanza un cierto valor, donde su resistencia disminuye permitiendo que la corriente fluya a través del dispositivo. Cuando conduce, un MOV también limita el voltaje a través de él a un valor constante.
Este tipo de dispositivo se utiliza frecuentemente en sistemas de alta tensión como pararrayos y también se utiliza como dispositivo de protección para componentes sensibles al voltaje. Se muestran dos topologías de interruptores de estado sólido bidireccionales en la Figura 2. Cuando el interruptor está cerrado, ambos dispositivos semiconductores están encendidos, permitiendo que la corriente fluya en ambas direcciones. Durante la interrupción de la corriente, ambos dispositivos se apagan, forzando el voltaje a través de los dispositivos a subir hasta que el MOV comienza a conducir y limitar el voltaje a través de los dispositivos. El MOV que conduce actúa para disipar la energía almacenada dentro de la inductancia del circuito. Aunque se muestran IGCT en la Figura 2 (a), también se han utilizado GTO en diseños antiguos basados en la misma topología de circuito.
Figura 2 a) Interruptor de estado sólido bidireccional simple basado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional simple basado en IGBT
La Figura 3 muestra varios diseños alternativos que aplican este concepto a sistemas de media tensión. En estos sistemas, se conectan múltiples dispositivos en serie para aumentar la capacidad total de soporte de voltaje del interruptor de estado sólido. Los diodos también se conectan a menudo en serie con los interruptores principales para mejorar el voltaje de bloqueo inverso del sistema, debido a la limitada capacidad de bloqueo inverso de los dispositivos existentes como IGCT y GTO. El circuito mostrado en la Figura 3 (c) incluye amortiguadores RC conectados en paralelo, que son necesarios para los sistemas basados en GTO para ayudar a la apertura de los dispositivos, y también contiene dos características interesantes que podrían aplicarse a otros interruptores de estado sólido. Primero, incluye un resistor conectado en paralelo que se utiliza para limitar la corriente de falla durante la interrupción de la corriente. Durante la operación normal, este resistor se cortocircuita por los interruptores semiconductores principales y, por lo tanto, no contribuye a las pérdidas en estado de conducción del interruptor. Segundo, un interruptor mecánico se conecta en serie para proporcionar aislamiento físico. Aunque los diseños mostrados en esta sección están diseñados principalmente para sistemas de potencia de corriente alterna, debería ser posible aplicar estos diseños a aplicaciones de corriente continua con modificaciones mínimas.
Figura 3: a) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión basado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión basado en IGCT, (c) Interruptor de estado sólido bidireccional basado en GTO
Se muestra un diagrama de bloques simplificado de un interruptor de estado sólido en la Figura 4. El interrumpidor de corriente de estado sólido está compuesto por una cadena en serie de dispositivos de estado sólido para manejar de manera segura el voltaje del bus de CC. Un controlador inverso de tiempo rápido y coordinado proporciona la señal de conducción de puerta para los interruptores, que se abren y cierran de forma sincronizada. El controlador inverso de tiempo recibe comandos desde una entrada manual, desde otros interruptores en la red o desde sensores rápidos que detectan corrientes de falla locales. El controlador inverso de tiempo proporciona control de tiempo de viaje inverso para estados de sobrecorriente, y un viaje instantáneo rápido si se alcanza el límite de sobrecorriente. Estos parámetros operativos pueden ajustarse para cada interruptor según su ubicación en la red, proporcionando una respuesta ordenada y secuenciada a las condiciones de falla.
Figura 4: Diagrama de sistema simplificado de un interruptor de estado sólido de media tensión típico
El interrumpidor de estado sólido proporciona la funcionalidad principal de un conjunto completo de interruptores, que es la protección rápida contra fallas y el aislamiento. El conjunto completo del interruptor también debe proporcionar un medio para desconectar de manera segura el interrumpidor de la red de alimentación cuando se requiere mantenimiento o servicio. Se muestra un diseño preliminar para un interrumpidor de nivel de carga de 8 MW en la foto 1. Este interrumpidor consiste en seis IGBT de 4,500 V (CM900HB-66H) conectados en serie. El interrumpidor de 8 MW mide aproximadamente 23 pulgadas de ancho x 9 pulgadas de alto x 11 pulgadas de profundidad y pesa aproximadamente 60 libras. Los IGBT están montados en placas frías de aluminio refrigeradas por agua, que a su vez están montadas en un marco mecánico aislante eléctricamente. Las líneas de agua no metálicas son suficientemente resistentes para limitar la fuga de corriente a lo largo de las líneas. Esto requerirá un sistema de refrigeración de circuito cerrado pequeño y un cartucho de intercambio iónico de larga duración para mantener la resistividad del agua de refrigeración. Esto requerirá un sistema de refrigeración de circuito cerrado pequeño y un cartucho de intercambio iónico de larga duración para mantener la resistividad del agua de refrigeración. La foto 1 muestra el diseño mecánico preliminar de un interrumpidor de 10 kV, 8 MW (800 A) con IGBT. Los IGBT están montados en placas frías refrigeradas por agua. Las líneas de refrigeración no metálicas entre placas frías adyacentes están diseñadas para soportar el voltaje completo del interruptor cuando el interruptor está abierto. Se utilizan matrices paralelas de estas unidades para cumplir con los requisitos totales de corriente de la carga.
Foto 1: Diseño mecánico preliminar de un interrumpidor de 10 kV, 8 MW (800 A) con IGBT. Los IGBT están montados en placas frías refrigeradas por agua
Compare brevemente las ventajas y desventajas de los interruptores de estado sólido con otros interruptores: Mientras que los interruptores de estado sólido pueden lograr una velocidad de interrupción considerablemente más rápida en comparación con los interruptores convencionales basados en electro-mecánicos, una desventaja importante de los interruptores de estado sólido es sus altas pérdidas en estado de conducción. Con una resistencia de contacto tan pequeña como unos pocos micro-ohmios, los contactos electro-mecánicos en los interruptores clásicos introducen pérdidas en estado de conducción insignificantes. En contraste, la mayoría de los dispositivos de estado sólido introducen una caída de voltaje de al menos dos voltios, por lo que, cuando una corriente grande fluye a través del interruptor, las pérdidas en estado de conducción de un interruptor de estado sólido pueden ser significativamente mayores que las de un interruptor clásico. El aumento de la pérdida de energía también conduce a un aumento en los requisitos de refrigeración. Tradicionalmente, se utilizan grandes disipadores de calor metálicos para enfriar pasivamente los dispositivos semiconductores de potencia, sin embargo, pueden contribuir a una parte sustancial del tamaño y peso totales del sistema. Si bien la instalación de sistemas de refrigeración activa, como aire forzado (ventilador) o refrigeración líquida, puede ayudar a reducir el tamaño y el peso del sistema general, introduce complejidades adicionales, como una firma acústica aumentada, pérdidas de energía y problemas de mantenimiento. Según la figura 5, los valores se dan en relación con el valor más alto por grupo. Para cada criterio, se consideran preferibles los valores pequeños. Por lo tanto, un área pequeña indica un buen rendimiento general de un concepto de conmutación. Basándose en los hallazgos, el interruptor de estado sólido muestra un buen rendimiento general. Debido a sus capacidades de conmutación rápida, el tiempo de apagado es pequeño y solo ocurren amplitudes de corriente bajas. Además, la confiabilidad y la complejidad del proceso de conmutación se pueden considerar buenas. Sin embargo, el interruptor de estado sólido sufre de altas pérdidas, en comparación con los interruptores mecánicos o híbridos. Un concepto alternativo con bajas pérdidas, costos relativos medios y buena confiabilidad es el interruptor mecánico con amortiguador. También, el interruptor híbrido convencional muestra un rendimiento general medio. Sufre de corrientes pico altas debido al interruptor mecánico. Los conceptos tomados de los sistemas de corriente continua de alta tensión no tienen un buen rendimiento dentro de los niveles de voltaje y potencia investigados. Sin embargo, para voltajes y potencias más altos, esto podría cambiar. Finalmente, el concepto de un interruptor puramente mecánico sigue siendo interesante para aplicaciones de baja y media-baja tensión, ya que es el único bien probado.
Figura 5: Resumen de todos los conceptos de conmutación para interruptores de CC
La Tabla 1 resume las características de las cuatro tecnologías de interruptores: Debe tenerse en cuenta que el tiempo de preparación de esta tabla es 2012.
Tabla 1: Resumen de las tecnologías de interruptores para aplicaciones de CC de baja potencia
