Tentsio Baxuko DCko Soild-Stateko Iturritzaileen Proiektuak eta etorkizuna

Nola funtzionatzen ditu tenperatura erdiko solido egoerako itsasontzi elektrikoa:
Solido egoerako DC itsasontzi batek indar elektroa interrumpeatzeko erabiltzen ditu potentzia semikonduktoreak. Solido egoerako DC itsasontziren topologia sinple bat erakusten da Irudi 1an. Lauroi diodo eta IGCT bat adierazten dute hodei nagusiak, eta soka urruneko defentsia erabiltzen da lerroko indar magnetikoaren kargua askatasunean kasu baten gertatzen bada. DC itsasontzia aktibatuta dagoenean, IGCT itzal egiten da. Indar magnetikoki gorde den energia dela eta, semikonduktoreen gaineko tensio azkar handitzen da eta soka urruneko defentsia hasi du korrontea garraiatzen. Lerroko indar magnetikoaren karga askatasunean, soka urruneko defentsiaren babesteko tensioa izan behar du handiagoa izan zenbakiarraren tensiotik. Gainera, ziurtatu behar da potentzia semikonduktoreek egingo dutela fronte soka urruneko defentsiaren babesteko tensioari. Solido egoerako DC itsasontzien abantaila nagusia bere ekintza azkarra da, eta ez dute zati mugigabeak. Potentzia semikonduktoreak hodei nagusian kokatuta daudelako, on-state galurak gertatzen dira.

Irudi 1: Solido egoerako itsasontziren diseinu sinplea

Solido egoerako itsasontziek oinarriko karga nominala eta korrontea ebaki soilik solido egoerako interruptorean oinarrituz. Elektrizitate arkuak kenduta, beste mekanismo bat beharrezkoa da lerroko indar magnetikoaren barruan gorde den energia askatasunean. Hau arrazoitzeko gehienetan metal-oxide varistor (MOV) bat erabiltzen da paralelo konektatuta. MOVk tensio/korrontearen ezaugarri lineala ez duena.
Berresistentzia altua mantentzen du (efektiboki zirkuitu irekia bezala jarduten da) arte, bertan dagoen tensioa balio jakin batera heltzen da, non berresistentzia jaitsi eta korrontea garraiatzen den gailuan zehar. Garraitzean, MOVk bertan dagoen tensioa konstante batean finkatzen du.
Gailu mota hau gehienetan tensio handiko sistematan erabiltzen da soka urruneko defentsia bezala, eta tensio-sentsibleko osagaien defentsi gisa ere erabiltzen da.
Bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontziren topologietako bi erakusten dira Irudi 2an. Itsasontzia itzali dagoenean, bi semikonduktore gailuak aktibatuta daude, korrontea bi noranzkoetan garraitzea ahalbidetuz. Korrontearen ebaketa anean, bi gailuak itzal egiten dira, gailuen gaineko tensioa igotzeko behartuta geratzen da MOV hasi arte korrontea garraitzen eta gailuen gaineko tensioa finkatzen du. Garraitzeko MOVk lerroko indar magnetikoaren barruan gorde den energia askatasunean erabiltzen du.
Irudi 2 (a)an IGCTak agertzen dira, baina GTOak ere diseinu zaharragoetan erabili dira zirkuitu topologia bera oinarrian.

 
Irudi 2   a) IGCT oinarriko sinplea bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontzia, (b) IGBT oinarriko sinplea bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontzia

Irudi 3an erakusten dira zenbat desberdintasun diseinuak aplikatzen dituztenei tenperatura erdiko sistemetara. Sistemetan hainbat gailu seriean konektatuta dauden solido egoerako itsasontziaren tensio guztizko suportatzeko kapasitatea handitzen da. Diodeak ere seriean konektatuta daude hodei nagusiarekin hodei sistemaren blokeo alderantzizko tensioa hobetzeko, IGCT eta GTO bezalako gaitasuna mugatua duten gailuei esker. Irudi 3 (c)ko zirkuituan RC snubbers paralelo konektatuta daude, GTO oinarritako sistemetan gailuen itzaleko laguntza beharrezkoa baita, eta bi ezaugarri interesgarri ditu, bestelako solido egoerako itsasontziekin aplikatu daitezkeenak. Lehenik, erritantza bat paralelo konektatuta dago, korrontearen ebaketa anean akats-korrontea murrizteko. Eguneroko erabilpenan, erritantza hau semikonduktore nagusiek zuri unean eta horregatik ez du laguntzen itsasontzirako on-state galurik. Bigarren, sakelari mekaniko bat seriean konektatuta dago fisikoki isolatzeko.
Zerrendan agertzen diren diseinuetako batzuk oinarrian AC indar sistemetarako diseinatuak dira, baina diseinu hauek DC aplikazioetara modifikazio gutxiengatik aplikatu beharko lituzkete.

 
Irudi 3: a) IGCT oinarriko tenperatura erdiko bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontzia, (b) IGCT oinarriko tenperatura erdiko bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontzia, (c) GTO oinarriko bi noranzkoan garraitzeko solido egoerako itsasontzia

Solido egoerako itsasontziren diagrama bloke sinplifikatua erakusten da Irudi 4an. Solido egoerako korronte-interruptorea solido egoerako gailu enparrutatua da DC busko tensioa segurtasunez kudeatzeko. Inversio-denboraren kontrolagailu azkar koordinatu bat ematen du gate drive signal-a interruptoreko sakelariei, zuzenean eta itzalean zabaldu egiten dituzten. Inversio-denboraren kontrolagailu azkarra komandoak jasotzen ditu eskuz, sareko beste itsasontziegitik edo sensorrak lokalki detektatutako akats-korronteetatik. Inversio-denboraren kontrolagailuak inversio-trip denboraren kontrola ematen dio korronte gaineko egoerentzat, eta trip instantaneo azkar bat, korronte gaineko muga iritsita. Egoera operatibo hauek itsasontzirako doitu daitezke sarean kokapena arabera, ordenatuta eta sekuentzialki erantzun dezakeen akats egoerentzat.

 
Irudi 4: MVDC solido egoerako itsasontzien sistema-diagrama sinplifikatua

Solido egoerako interruptorea ematen du itsasontzi osoko bildumaren funtzionalitate nagusia, akatsen babesa eta isolamendua azkar. Itsasontzi osoko bilduma osoak ere ahalbidetu behar du interruptorea zurezko zaintza edo zerbitzu beharrezkoa denean sareelektrikoaren tarte honetatik askatasunean.
Argazki 1an 8 MW karga-mailako circuit-interruptorerako diseinu lehentasuna erakusten da. Interruptore honek sei 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) seriean konektatuta ditu. 8 MW interruptorea
hurbil 23” zabala x 9” altua  11” sakona da eta pisua hurbil 60 lb. IGBTak
urralditako aluminioen cold plate-en gainean kokatuta daude, eta horiei, berriz, elektrikoki isolatutako mekanikoko
egitura batean kokatuta daude. Urraldiko lerroak elektrikoki resistente nahikoa dira korrontearen ihes-murrizteko. Horrek
murriztu egingo du urraldi sisteman mantentzeko ion-exchange kartridgerik luzea eta itxurako sistema bat behar izango du urraldiaren
resistivitatea mantentzeko.
Murriztu egingo du urraldi sisteman mantentzeko ion-exchange kartridgerik luzea eta itxurako sistema bat behar izango du urraldiaren resistivitatea mantentzeko.
Argazki 1an 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interruptorerako diseinu mekanikoa lehentasuna erakusten da. IGBTak urralditako cold plate-en gainean kokatuta daude. Cold plate arteko material ezmetalezko urraldi lerroak diseinatu dira sakelari itzal dagoenean sakelariaren tensio osoa suportatzeko.
Karga orokorraren eskariak betetzeko sakelarien array paraleloak erabiltzen dira.

 
Argazki 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interruptorerako diseinu mekanikoa lehentasuna. IGBTak urralditako cold plate-en gainean kokatuta daude

Solido egoerako itsasontzien abantailak eta arrazoiazkoak laburbildu beste itsasontziekin alderatuta:
Solido egoerako itsasontziek konpentsazio elektromekaniko oinarritako itsasontziekin alderatuta korrontearen ebaketa azkar askoz ere hobeto lortu dezakete, baina solidoen abantaila nagusi bat da bere on-state galura handiak. Kontaktu elektromekanikoak kontaktu klasikoetan ohiturik dauden kontaktu elektromekanikoak ohiturik dauden kontaktu-resistentziak mikro-ohmo batzuk direnean, on-state galura neurgarriak sartzen dituzte. Aldiz, solido egoerako gailu gehienek gutxienez bi voltazko tensio-ohitze bat sartzen dute, beraz, korronte handia itsasontzian garraitzeko, solido egoerako itsasontzirako on-state galurak klasiko itsasontziekin alderatuta handiagoak izan daitezke. Energia galera handiagoak ere eskalatzen du urraldi beharreko eskariak. Tradizionalki, metalikoki handiak dauden heatsink-ak erabiltzen dira pasiboki urralditu potentzia semikonduktore gailuak, baina, horiek sistemaren tamaina eta pisua % gehienetan ekar ditzakete. Urri aktibo sistema bat instalatzeak, aire forzatua (fan) edo likide urraldia, sistema osoaren tamaina eta pisua murriztu dezake, baina hainbat konplexutasun gehigarri sartzen ditu, hala nola soinu-firma handiagoa, energia galera eta mantentze-arazoak.
Irudi 5aren arabera, balioak taldeko balio handienarekiko eman dira.
Kriterio guztietarako, balio txikiak hobetsi behar dira. Azalera txikia, beraz, sakelari-konzeptu baten errendamentu oso ona adierazten du.
Ikasketen arabera, solido egoerako itsasontziak errendamentu oso ona du. Sakelariaren aktibazio denbora txiki delako, amplitud txikiak gertatzen dira. Gainera, sakelariaren fiabletasuna eta prozesuaren konplexutasuna ondo bilakatu daitezke. Hala ere, solido egoerako itsasontzia galurak handiak ditu, sakelari mekaniko edo ibiltarien aldetik ikusten.
Galur txikiak, kostu erlatiboki erdigarrizkoak eta fiabletasun ona dituen alternatiba bat snubber sakelari mekanikoa da. Sakelari ibiltari tradizionalak ere errendamentu erdigarrizko bat du. Sakelari mekanikoaren ondorioz korronte-punta handiak gertatzen dira. HVDC sistemetatik hartutako ideiak ez dute errendamentu ona tensio eta indarra aztertutako mailan. Baina, tensio eta indar handiagoetarako, hau aldatu daiteke. Azkenik, sakelari mekaniko puroaren ideia oraindik interesgarria da tensio baxu eta baxu-medio aplikazioetarako, sakelari bakarra dela probatuta.

Irudi 5: DC itsasontzientzako sakelari-konzeptu guztien ikuspegi orokorra

Taula 1etan laburketa egin da itsasontzi teknologiaren lau mota karakteristikoei buruz:
Ohartu behar da taula hau 2012an prestatua dela.

 
Taula 1: Indar txiki DC aplikazioetarako itsasontzi teknologiaren laburpena