Keskivoolu DC tahkejuhuline lülitik Disain ja tulevik

Kuidas keskvoolulised tahvelpäraseadmed töötavad:
Tahvelpäraseade kasutab võimsussemikonduktorite abil vigastusele järgnenud voolu katkestamiseks. Lihtne tahvelpäraseadme topoloogia on näidatud Joonis. 1. Neljas diood ja IGCT esindavad peamist juhtrajat, samas kui ülekandevõtja kasutatakse lõigu induktiivsuse lahti heitmisel vigastuse korral. Kui DC katkeseade triipitakse, lülitatakse IGCT välja. Induktiivselt säilitatud energia tõttu tõuseb semikonduktorite poolt jääv pingetõusu kiiresti ja ülekandevõtja hakkab voolu läbib. Lõigu induktiivsuse lahtiheitmiseks peab ülekandevõtja kaitsepinge olema kõrgem kui nimiööv võrkupinge. Peab ka tagama, et võimsussemikonduktorid suudaksid ülekandevõtja kaitsepinget taluda. Tahvelpäraseadme peamine eelis on selle kiire katkestusspeed ja puuduvad liiguvad osad. Kuna võimsussemikonduktorid asuvad peamisel juhtrajal, tekivad sealt olevikuvaided.

Joonis 1:Lihtne tahvelpäraseadme disain

Tahvelpäraseadmed sõltuvad täielikult tahvelpäraseadmetest nimiööv koorma kannatamiseks ja voolu katkestamiseks. Kuna elektriarck on elimineeritud, on vaja mõnda muud mehanismi, et lahendada lõigu induktiivsuses säilitatud energia. See saavutatakse sageli paralleelselt ühendatud metalloksiidi varistori (MOV) kaudu. MOV-l on mitte-lineaarne pingevool-seose iseloom.
Selle vastus jääb kõrgeks (tõhusalt tekitades avatud tsüklit) kuni selle poolt jääv pinge jõuab kindla väärtuseni, kus tema vastus langeb, lubades voolu läbi seadmete kanne. Kui MOV läbib, see kaardib selle poolt jääva pingega konstantse väärtuse.
Sellist tüüpi seadet kasutatakse sageli kõrgete pingete süsteemides ülekandevõtjana ning ka kaitsevahendina pingesensitiivsete komponentide jaoks.
Kaks kaksiksuunalist tahvelpäraseadme topoloogiat on näidatud Joonis 2. Kui katkeseade on suletud, on mõlemad semikonduktoriseadmed sisse lülitatud, lubades voolu liikuda mõlemas suunas. Voolu katkestamisel on mõlemad seadmed välja lülitatud, sundides seadmete poolt jäävat pinget tõusma kuni MOV alustab voolu läbib ja kaardib seadmete poolt jäävat pinget. Läbib olev MOV aitab lahendada lõigu induktiivsuses säilitatud energiat.
Kuigi Joonis 2 (a) näitab IGCT-de, on vanemates disainides sama tsüklitopoloogia põhjal kasutatud ka GTO-de.

 
Joonis 2   a) IGCT-põhine lihtne kaksisuunaline tahvelpäraseade, (b) IGBT-põhine lihtne kaksisuunaline tahvelpäraseade

Joonis 3 näitab mitmeid alternatiivseid disaineid, mis rakendavad seda mõtet keskmisele pingele. Nendes süsteemides on mitu seadet sarivälja ühendatud, et suurendada tahvelpäraseadme kokkuhoiu pingemäära. Dioodid on sageli sarivälja ühendatud peamiste katkestusswitchidega, et parandada süsteemi reserveeritud blokeerimispinget, kuna olemasolevate seadmete nagu IGCT ja GTO reserveeritud blokeerimisvõime on piiratud. Tsükli Joonis 3 (c) sisaldab paralleelselt ühendatud RC snubberite, mis on vajalikud GTO-põhistele süsteemidele, et aidata seadmete väljalülitamisel, ja neil on ka kaks huvitavat omadust, mida võidakse rakendada muudele tahvelpäraseadmetele. Esiteks see sisaldab paralleelselt ühendatud vastikut, mida kasutatakse vigastuvoolu piiramiseks voolu katkestamisel. Tavalises käivitamisel on see vastik lühendatud peamiste semikonduktorlikkate lülitete poolt ja seega ei panusta see katkeseadme olevikuvaidetele. Teiseks on sarivälja ühendatud mehaaniline lülitaja, mis pakub füüsilist eraldust.
Kuigi selles osas näidatud disainid on peamiselt AC võrkude jaoks mõeldud, peaks nende rakendamine DC rakendustesse minimaalsega muutustega olema võimalik.

 
Joonis 3: a) IGCT-põhine keskvooluline kaksisuunaline tahvelpäraseade, (b) IGCT-põhine keskvooluline kaksisuunaline tahvelpäraseade, (c) GTO-põhine kaksisuunaline tahvelpäraseade

Tahvelpäraseadme lihtsustatud blokkdiagramm on näidatud Joonis 4. Tahvelpäraseade voolu katkestaja koosneb sarivälja ühendatud tahvelpäraseadmetest, et ohutult hoolitseda DC-busspinge eest. Kiire koordineeritud pöörd-aegne kontroller annab lülititele katkestajas portaalide signaali, mis sünkroonselt avatakse ja suletakse. Kiire pöörd-aegne kontroller saab käsklusi kas manuaalselt, teistest katkeseadmetest võrgus või kiiretest sensoritest, mis tuvastavad kohalikke vigastuvoolusid. Pöörd-aegne kontroller pakub pöörd-aega kontrolli ülevooluolukordade korral ja kiire hetkeloopu, kui ülevoolu piir on saavutatud. Need operatsiooniparametrid on igale katkeseadmeks sõltuvalt selle asukohast võrgus kohandatud, pakkudes järjestatud vastust vigastusolukordadele.

 
Joonis 4: Lihtsustatud süsteemdiagramm tavalisest MVDC tahvelpäraseadme katkeseadmest

Tahvelpäraseade pakub täieliku katkeseadme komplekti peamist funktsionaalsust - kiire vigastuskaitse ja eraldus. Täielik katkeseadme komplekt peab ka andma võimaluse katkestaja ohutult lahutada võrkust hoolduse või teeninduse ajal.
8 MW koormustaseme katkestaja eelkoostis on näidatud foto 1. See katkestaja koosneb kuuest 4,500 V IGBT-st (CM900HB-66H), mis on sarivälja ühendatud. 8 MW katkestaja mõõtmed on umbes 23 tolli lai x 9 tolli kõrgus x 11 tolli sügav ja selle kaal on umbes 60 naela. IGBT-d on paigaldatud veekülmutatud aluminiumplokkidele, mis omakorda on paigaldatud elektriliselt isolleeriva mehaanilise raami peale. Metallitundmatud vedelike jooned on piisavalt vastuvõtlikud, et piirata voolu joonte kaudu.
See nõuab väiket, suletud tsükli külmamissüsteemi ja pikka kestvat ionivahetuspatronit, et säilitada külmamisvedeliku vastuvõtkust.
Foto 1 näitab 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT katkestaja eelkoostist. IGBT-d on paigaldatud veekülmutatud külmusplokkidele. Metallitundmatud külmusjooned naaberlike külmusplokkide vahel on disainitud, et toetada täielikku lülituspinti, kui lülitus on lahti.
Nende ühenduste paralleelsed massid kasutatakse, et rahuldada koormuse üldise voolunõudlust.

 
Foto 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT katkestaja eelkoostis. IGBT-d on paigaldatud veekülmutatud külmusplokkidele

Võrrelge tahvelpäraseadmete eeliseid ja puudusi teiste katkeseadmetega lühidalt:
Kuigi tahvelpäraseadmed saavutavad oluliselt kiiremat katkestusspeedi võrreldes tavaliste elektromeetaaniliste katkeseadmetega, on üks tahvelpäraseadmete peamist trükkide nende kõrge olevikuvaidete. Elektromeetaaniliste kontaktidega klassikaliste katkeseadmetes, mille kontaktresistents on vaid mõned mikroohmid, on olevikuvaided väikesed. Vastupidiselt, enamik tahvelpäraseadmeid tekitab vähemalt kaks voltide pingevahet, seega kui suur vool läbib katkeseadet, siis tahvelpäraseadme olevikuvaided võivad olla oluliselt kõrgemad kui klassikalise katkeseadme. Suurenev energia kadumine viib ka suuremate külmamisnõuete juurde. Traditsiooniliselt kasutatakse suuri metallilisi soojendusplaatide passiivseks külmamiseks, kuid need võivad olla süsteemi üldise suuruse ja kaalu suure osa.
Aktiivsete külmamissüsteemide, nagu surutud õhu (ventilaator) või vedeliku külmamine, installimine võib aita vähendada süsteemi üldist suurust ja kaalu, kuid nad toovad kaasa lisakoostiseid, nagu akustiline allkirjak, energia kadumine ja hoolduse probleemid.
Joonis 5 näitab väärtusi suurima väärtuse suhegruppide järgi.
Iga kriteeriumi jaoks on väikesed väärtused pidanud eelistatavaks. Seega viitab väike ala üldisele heale käitumisele lülituskäsitluskonseptsiooni jaoks.
Uuringute põhjal näitab tahvelpäraseade hea üldise käitumise. Selle kiire lülitamise võimetehnikaga on lülitamisaeg väike ja ainult madalad voolu amplituudid esinevad. Samuti võib lülituskäitusprotsessi usaldusväärsust ja keerukust pidada heaks. Siiski kannatab tahvelpäraseade kõrgete vaidetest võrreldes mehaaniliste või hybridsete lülitajatega.
Alternatiivne konseptsioon madalate vaidetest, keskmiste suhtealaste kulude ja hea usaldusväärsusega on snubber mehaaniline lülitaja. Samuti näitab tavaline hybridlüliti üldiselt keskmist käitumist. See kannatab kõrgetest vooluamplituudidest mehaanilise lülitaja tõttu. HVDC-süsteemidest võetud konseptsioonid ei näita hea käitumist uuritud pingete ja võimsuste tasemel. Kuid kõrgemate pingete ja võimsuste korral võib see muutuda. Lõpuks on puhas mehaaniline lülitaja endiselt huvitav madalate ja madal-meesespingete rakendustele, kuna see on ainsa hästi tõestatud.

Joonis 5: Ülevaade kõikidest lülituskäitluskonseptsioonidest DC katkeseadmete jaoks

Tabel 1 kokkuvõtab neli katkeseadme tehnoloogia omadust:
Tuleb märkida, et selle tabeli koostamise aeg on 2012.

 
Tabel 1: Kokkuvõte katkeseadme tehnoloogiast madala võimsuse DC rakenduste jaoks