طراحی و آینده قاطع‌های جریان مستقیم ولتاژ متوسط به حالت جامد

چگونه مدار قطع‌کننده حالت جامد ولتاژ متوسط کار می‌کند:
مدار قطع‌کننده DC جامد از نیمه‌رساناها برای قطع جریان خطا استفاده می‌کند. توپولوژی ساده یک مدار قطع‌کننده DC جامد در شکل ۱ نشان داده شده است. چهار دایود و یک IGCT مسیر هدایت اصلی را نمایش می‌دهند، در حالی که محافظ برق‌افشان برای تخلیه القای خط در صورت خطا استفاده می‌شود. زمانی که مدار قطع‌کننده DC فعال می‌شود، IGCT خاموش می‌شود. به دلیل انرژی ذخیره شده القایی، ولتاژ روی نیمه‌رساناها به سرعت افزایش می‌یابد و محافظ برق‌افشان شروع به هدایت جریان می‌کند. برای تخلیه القای خط، ولتاژ محافظ برق‌افشان باید بالاتر از ولتاژ اسمی شبکه باشد. همچنین باید مطمئن شد که نیمه‌رساناها قادر به تحمل ولتاژ محافظ برق‌افشان باشند. مزیت اصلی یک مدار قطع‌کننده DC جامد سرعت قطع سریع آن و عدم وجود قطعات متحرک است. چون نیمه‌رساناها در مسیر هدایت اصلی قرار دارند، تلفات حالت روشن رخ می‌دهند.

شکل ۱: طراحی ساده یک مدار قطع‌کننده حالت جامد

مدار قطع‌کننده‌های حالت جامد تنها از قطع‌کننده حالت جامد برای حمل بار اسمی و قطع جریان استفاده می‌کنند. چون قوس الکتریکی حذف شده است، مکانیسم دیگری برای تخلیه انرژی ذخیره شده در القای مدار لازم است. این اغلب از طریق متال-اکسید واریستور (MOV) متصل شده به موازی انجام می‌شود. MOV ویژگی ولتاژ/جریان غیرخطی دارد.
مقاومتش تا زمانی که ولتاژ روی آن به مقدار معینی برسد، بالا (به طور موثر عمل می‌کند مانند یک مدار باز) می‌ماند، جایی که مقاومت آن کاهش یافته و جریان از طریق دستگاه هدایت می‌شود. زمانی که MOV هدایت می‌کند، ولتاژ روی آن را در یک مقدار ثابت ثابت می‌کند.
این نوع دستگاه اغلب در سیستم‌های ولتاژ بالا به عنوان محافظ برق‌افشان و همچنین به عنوان دستگاه محافظ برای مولفه‌های حساس به ولتاژ استفاده می‌شود.
دو توپولوژی مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه در شکل ۲ نشان داده شده‌اند. زمانی که قطع‌کننده بسته است، هر دو دستگاه نیمه‌رسانا روشن می‌شوند و اجازه می‌دهند جریان در هر دو جهت جریان یابد. در زمان قطع جریان، هر دو دستگاه خاموش می‌شوند و ولتاژ روی دستگاه‌ها افزایش می‌یابد تا زمانی که MOV شروع به هدایت و ثابت کردن ولتاژ روی دستگاه‌ها می‌کند. MOV هدایت‌کننده عمل می‌کند تا انرژی ذخیره شده در القای مدار تخلیه شود.
در حالی که در شکل ۲ (a) IGCT‌ها نشان داده شده‌اند، GTO‌ها نیز در طرح‌های قدیمی‌تر بر اساس همین توپولوژی مداری استفاده شده‌اند.

 
شکل ۲   a) مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر IGCT، (b) مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر IGBT

شکل ۳ طراحی‌های جایگزین مختلفی را نشان می‌دهد که این مفهوم را به سیستم‌های ولتاژ متوسط اعمال می‌کنند. در این سیستم‌ها، چندین دستگاه به سری متصل می‌شوند تا ظرفیت تحمل ولتاژ کل مدار قطع‌کننده حالت جامد افزایش یابد. دایودها نیز غالباً به سری با مפסק‌های اصلی متصل می‌شوند تا ولتاژ بلوک‌کردن معکوس سیستم بهبود یابد، به دلیل محدودیت تحمل بلوک‌کردن معکوس دستگاه‌های موجود مانند IGCT و GTO. مدار در شکل ۳ (c) شامل RC snubbers متصل شده به موازی است که برای سیستم‌های مبتنی بر GTO برای کمک به خاموش شدن دستگاه‌ها لازم است و همچنین دو ویژگی جالب دارد که ممکن است به سایر مدار قطع‌کننده‌های حالت جامد اعمال شود. ابتدا، یک مقاومت متصل شده به موازی که برای محدود کردن جریان خطا در زمان قطع جریان استفاده می‌شود. در حالت عادی، این مقاومت توسط مפסק‌های نیمه‌رسانا اصلی کوتاه می‌شود و بنابراین به تلفات حالت روشن مدار اضافه نمی‌شود. دوم، یک مפסק مکانیکی به سری متصل شده تا جدا شدن فیزیکی فراهم کند.
در حالی که طراحی‌های نشان داده شده در این بخش اصلی طراحی شده‌اند برای سیستم‌های قدرت AC، باید امکان پذیر باشد که این طراحی‌ها با تغییرات minimal به کاربردهای DC اعمال شوند.

 
شکل ۳: a) مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر IGCT ولتاژ متوسط، (b) مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر IGCT ولتاژ متوسط، (c) مدار قطع‌کننده حالت جامد دوطرفه مبتنی بر GTO

یک نمودار بلوکی ساده از یک مدار قطع‌کننده حالت جامد در شکل ۴ نشان داده شده است. مفسد جریان حالت جامد از یک رشته سری از دستگاه‌های حالت جامد تشکیل شده است تا به طور ایمن ولتاژ DC bus را مدیریت کند. یک کنترل‌کننده inverse-time سریع هماهنگ شده سیگنال گیت را برای مפסק‌ها در مفسد ارائه می‌دهد که به طور همزمان باز و بسته می‌شوند. کنترل‌کننده inverse-time سریع دستورات را از ورودی دستی، از مفصل‌های دیگر در شبکه یا از سنسورهای سریع که جریان‌های خطا محلی را تشخیص می‌دهند دریافت می‌کند. کنترل‌کننده inverse-time کنترل زمان معکوس برای وضعیت overcurrent و trip سریع اگر حد overcurrent رسیده باشد ارائه می‌دهد. این پارامترهای عملیاتی برای هر مفصل می‌تواند بر اساس موقعیت آن در شبکه تنظیم شود، که پاسخ مرتب و دنباله‌دار به شرایط خطا را فراهم می‌کند.

 
شکل ۴: نمودار سیستم ساده‌شده یک مدار قطع‌کننده حالت جامد MVDC معمولی

مفسد حالت جامد عملکرد اصلی یک مجموعه کامل مفصل قطع‌کننده را ارائه می‌دهد که شامل حفاظت سریع از خطا و جدا شدن است. مجموعه کامل مفصل قطع‌کننده باید همچنین روشی برای جدا کردن ایمن مفسد از شبکه قدرت وقتی که نیاز به نگهداری یا خدمات وجود دارد ارائه دهد.
طرح اولیه برای یک مفسد سطح بار ۸ MW در عکس ۱ نشان داده شده است. این مفسد شامل شش 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) متصل شده به سری است. مفسد ۸ MW حدود ۲۳ اینچ عرض × ۹ اینچ ارتفاع   ۱۱ اینچ عمق است و وزن آن حدود ۶۰ پوند است. IGBTs بر روی صفحات سرد آلومینیومی خنک شده با آب monted شده‌اند که به نوبه خود بر روی یک قاب مکانیکی عایق الکتریکی monted شده‌اند. خطوط آب غیرفلزی به اندازه کافی مقاوم هستند تا جریان نشتی در طول خطوط محدود شود. این نیاز به یک سیستم خنک‌کننده حلقه بسته کوچک و یک کارت تبادل یونی بلند مدت برای حفظ مقاومت آب خنک‌کننده دارد.
این نیاز به یک سیستم خنک‌کننده حلقه بسته کوچک و یک کارت تبادل یونی بلند مدت برای حفظ مقاومت آب خنک‌کننده دارد. در عکس ۱ نشان‌دهنده طرح مکانیکی اولیه یک مفسد IGBT ۱۰ kV، ۸ MW (۸۰۰ A) است. IGBTs بر روی صفحات سرد خنک شده با آب monted شده‌اند. خطوط خنک‌کننده غیرفلزی بین صفحات سرد مجاور طراحی شده‌اند تا وقتی مفتاح باز است، تمام ولتاژ مفتاح را تحمل کنند. آرایه‌های موازی از این مجموعه‌ها برای برآورده کردن نیازهای جریان کلی بار استفاده می‌شوند.

 
عکس ۱: طرح مکانیکی اولیه یک مفسد IGBT ۱۰ kV، ۸ MW (۸۰۰ A). IGBTs بر روی صفحات سرد خنک شده با آب monted شده‌اند

مقایسه مزایا و معایب مدار قطع‌کننده‌های حالت جامد با سایر مدار قطع‌کننده‌ها به طور مختصر:
در حالی که مدار قطع‌کننده‌های حالت جامد می‌توانند سرعت قطع بسیار سریع‌تری نسبت به مدار قطع‌کننده‌های معمولی مبتنی بر الکترو-مکانیکی داشته باشند، یکی از معایب اصلی مدار قطع‌کننده‌های حالت جامد تلفات حالت روشن بالای آنها است. با مقاومت تماس کوچک مانند چند میکرو اهم، تماس‌های الکترو-مکانیکی در مدار قطع‌کننده‌های کلاسیک تلفات حالت روشن ناچیزی معرفی می‌کنند. در مقابل، بیشتر دستگاه‌های حالت جامد ولتاژ drop حداقل دو ولت ایجاد می‌کنند، بنابراین با جریان بزرگی که از طریق مدار قطع‌کننده می‌گذرد، تلفات حالت روشن یک مدار قطع‌کننده حالت جامد می‌تواند به طور قابل توجهی بیشتر از یک مدار قطع‌کننده کلاسیک باشد. افزایش تلفات انرژی همچنین منجر به افزایش نیاز به خنک‌سازی می‌شود. به طور سنتی، هیت‌سنک‌های فلزی بزرگ برای خنک‌سازی غیرفعال دستگاه‌های نیمه‌رسانا استفاده می‌شوند، اما آنها می‌توانند به بخش‌های قابل توجهی از اندازه و وزن کل سیستم کمک کنند. در حالی که نصب سیستم‌های خنک‌کننده فعال مانند هوای مجبور (فن) یا خنک‌کننده مایع می‌تواند به کاهش اندازه و وزن کل سیستم کمک کند، آنها پیچیدگی‌های اضافی مانند افزایش سیگنال آکوستیک، تلفات انرژی و مشکلات نگهداری را معرفی می‌کنند.
بر اساس شکل ۵، مقادیر نسبت به بالاترین مقدار هر گروه داده شده‌اند. برای هر معیار، مقادیر کوچک‌تر مورد ترجیح قرار می‌گیرند. بنابراین، مساحت کوچک نشان‌دهنده عملکرد کلی خوب یک مفهوم مبدل است. بر اساس یافته‌ها، مدار قطع‌کننده حالت جامد عملکرد کلی خوبی دارد. به دلیل توانایی‌های مبدل‌سازی سریع، زمان خاموش شدن کم و فقط جریان‌های با دامنه کم رخ می‌دهند. همچنین، قابلیت اعتماد و پیچیدگی فرآیند مبدل‌سازی می‌تواند خوب در نظر گرفته شود. با این حال، مدار قطع‌کننده حالت جامد از تلفات بالا رنج می‌برد، نسبت به مفتاح‌های مکانیکی یا هیبریدی.
یک مفهوم جایگزین با تلفات کم، هزینه‌های نسبی متوسط و قابلیت اعتماد خوب، مفتاح مکانیکی snubber است. همچنین، مفتاح هیبریدی معمولی عملکرد کلی متوسطی دارد. آن از جریان‌های پیک بالا به دلیل مفتاح مکانیکی رنج می‌برد. مفاهیم گرفته شده از سیستم‌های HVDC عملکرد خوبی در سطوح ولتاژ و توان مورد بررسی ندارند. با این حال، برای ولتاژ‌ها و توان‌های بالاتر، این ممکن است تغییر کند. در نهایت، مفهوم یک مفتاح مکانیکی خالص هنوز برای کاربردهای ولتاژ پایین و پایین-متوسط جالب است، زیرا تنها یکی از موارد معتبر است.

شکل ۵: نظرب کلی از تمام مفاهیم مبدل‌سازی برای مدار قطع‌کننده‌های DC

جدول ۱ ویژگی‌های چهار تکنولوژی مدار قطع‌کننده را خلاصه می‌کند:
باید توجه داشت که زمان تهیه این جدول ۲۰۱۲ است.

 
جدول ۱: خلاصه تکنولوژی‌های مدار قطع‌کننده برای کاربردهای DC با توان پایین