طراحی و آینده قطع کننده های مدار مستقیم ولتاژ متوسط حالت جامد

چگونه قطع‌کننده حالت جامد ولتاژ متوسط کار می‌کند:
قطع‌کننده DC جامد از نیمه‌رساناها برای قطع جریان خطا استفاده می‌کند. توپولوژی ساده‌ای از قطع‌کننده DC جامد در شکل ۱ نشان داده شده است. چهار دیود و یک IGCT مسیر رسانای اصلی را نمایان می‌کنند، در حالی که مهارکننده تشدید برای تخلیه القای خط در صورت بروز خطا استفاده می‌شود. هنگامی که قطع‌کننده DC فعال می‌شود، IGCT خاموش می‌شود. به دلیل انرژی ذخیره شده القایی، ولتاژ روی نیمه‌رساناها سریعاً افزایش می‌یابد و مهارکننده تشدید شروع به رسانایی جریان می‌کند. برای تخلیه القای خط، ولتاژ محافظ مهارکننده تشدید باید بالاتر از ولتاژ اسمی شبکه باشد. همچنین باید مطمئن شد که نیمه‌رساناها قادر به تحمل ولتاژ محافظ مهارکننده تشدید هستند. مزیت اصلی قطع‌کننده DC جامد سرعت قطع سریع و عدم وجود قطعات متحرک است. چون نیمه‌رساناها در مسیر رسانای اصلی قرار دارند، زیان‌های حالت رسانا رخ می‌دهند.

شکل ۱: طراحی ساده قطع‌کننده حالت جامد

قطع‌کننده‌های حالت جامد تنها از مبدل حالت جامد برای حمل بار اسمی و قطع جریان استفاده می‌کنند. چون قوس الکتریکی حذف شده است، مکانیسم دیگری برای تبدیل انرژی ذخیره شده در القای مدار لازم است. این اغلب از طریق متصل کردن موازی یک مقاومت غیرخطی اکسید فلزی (MOV) انجام می‌شود. MOV ویژگی ولتاژ/جریان غیرخطی دارد.
مقاومتش تا زمانی که ولتاژ روی آن به مقدار مشخصی می‌رسد، بالا (به طور مؤثر عمل می‌کند مانند یک مدار باز) باقی می‌ماند، جایی که مقاومتش کاهش یافته و اجازه می‌دهد جریان از طریق دستگاه عبور کند. هنگام رسانایی، MOV ولتاژ روی آن را در یک مقدار ثابت ثابت می‌کند.
این نوع دستگاه معمولاً در سیستم‌های ولتاژ بالا به عنوان یک مهارکننده تشدید و همچنین به عنوان دستگاه محافظ برای مولفه‌های حساس به ولتاژ استفاده می‌شود.
دو توپولوژی قطع‌کننده دوطرفه حالت جامد در شکل ۲ نشان داده شده است. هنگامی که قطع‌کننده بسته است، هر دو دستگاه نیمه‌رسانا روشن می‌شوند و اجازه می‌دهند جریان در هر دو جهت جریان یابد. در طول قطع جریان، هر دو دستگاه خاموش می‌شوند و ولتاژ روی دستگاه‌ها افزایش می‌یابد تا زمانی که MOV شروع به رسانایی و ثابت کردن ولتاژ روی دستگاه‌ها می‌کند. MOV رسانا انرژی ذخیره شده در القای مدار را تبدیل می‌کند.
در حالی که در شکل ۲ (a) IGCT‌ها نشان داده شده‌اند، GTO‌ها نیز در طراحی‌های قدیمی‌تر براساس همان توپولوژی مدار استفاده شده‌اند.

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

شکل ۳ طرح‌های مختلفی را نشان می‌دهد که این مفهوم را به سیستم‌های ولتاژ متوسط اعمال می‌کنند. در این سیستم‌ها، چند دستگاه به صورت سری متصل می‌شوند تا ظرفیت تحمل ولتاژ کل قطع‌کننده حالت جامد افزایش یابد. دیودها نیز معمولاً به صورت سری با قطع‌کننده‌های اصلی متصل می‌شوند تا ولتاژ بلاک‌زنی معکوس سیستم را بهبود بخشند، به دلیل محدودیت قابلیت بلاک‌زنی معکوس دستگاه‌های موجود مانند IGCT و GTO. مدار در شکل ۳ (c) شامل مهارکننده‌های RC متصل شده به صورت موازی است که برای سیستم‌های مبتنی بر GTO برای کمک به خاموش کردن دستگاه‌ها ضروری است و همچنین دو ویژگی جالب دارد که ممکن است به سایر قطع‌کننده‌های حالت جامد اعمال شود. اول، شامل مقاومتی متصل شده به صورت موازی است که برای محدود کردن جریان خطا در طول قطع جریان استفاده می‌شود. در حالت عادی، این مقاومت توسط مدارهای نیمه‌رسانا اصلی کوتاه می‌شود و بنابراین به زیان‌های حالت رسانا قطع‌کننده کمک نمی‌کند. دوم، یک قطع‌کننده مکانیکی به صورت سری متصل شده است تا جدا کردن فیزیکی ایجاد کند.
در حالی که طرح‌های نشان داده شده در این بخش از طراحی اصلی برای سیستم‌های توان AC است، باید امکان پذیر باشد که این طرح‌ها با تغییرات کمی به کاربردهای DC اعمال شوند.

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

نمودار بلوکی ساده‌ای از قطع‌کننده حالت جامد در شکل ۴ نشان داده شده است. مسدودکننده جریان حالت جامد از یک رشته سری از دستگاه‌های حالت جامد تشکیل شده است تا به طور ایمن ولتاژ باس DC را مدیریت کند. یک کنترل‌کننده معکوس زمانی سریع هماهنگ شده، سیگنال گیت را برای مدارهای مسدودکننده ارائه می‌دهد که به طور همزمان باز و بسته می‌شوند. کنترل‌کننده معکوس زمانی سریع دستورات را از ورودی دستی، از سایر قطع‌کننده‌ها در شبکه یا از سنسورهای سریع که جریان‌های خطا محلی را شناسایی می‌کنند دریافت می‌کند. کنترل‌کننده معکوس زمانی کنترل زمان معکوس را برای وضعیت جریان بیش از حد و قطع سریع در صورت رسیدن به حد جریان بیش از حد ارائه می‌دهد. این پارامترهای عملیاتی برای هر قطع‌کننده قابل تنظیم هستند بسته به موقعیت آن در شبکه، که پاسخ مرتب و دنباله‌دار به شرایط خطا را فراهم می‌کند.

 
شکل ۴: نمودار سیستم ساده‌ای از یک قطع‌کننده حالت جامد MVDC معمولی

مسدودکننده حالت جامد عملکرد اصلی یک مجموعه کامل قطع‌کننده را ارائه می‌دهد: حفاظت سریع از خطا و جداسازی. مجموعه کامل قطع‌کننده باید همچنین روشی برای قطع ایمن مسدودکننده از شبکه توان در زمان نیاز به تعمیر یا خدمات فراهم کند.
طرح اولیه‌ای برای مسدودکننده بار ۸ MW در عکس ۱ نشان داده شده است. این مسدودکننده شامل شش یگیبت ۴,۵۰۰ V (CM900HB-66H) متصل شده به صورت سری است. مسدودکننده ۸ MW حدود ۲۳ اینچ عرض، ۹ اینچ ارتفاع و ۱۱ اینچ عمق دارد و وزن آن حدود ۶۰ پوند است. یگیبت‌ها روی صفحات سرد آلومینیومی خنک‌شونده با آب نصب شده‌اند که به نوبه خود روی چارچوب مکانیکی عایق‌بندی شده نصب شده‌اند. لوله‌های آب غیرفلزی به اندازه کافی مقاوم هستند تا جریان نشتی را در طول خطوط محدود کنند. این نیاز به یک سیستم خنک‌کننده حلقه بسته کوچک و کارت تبادل یونی با طول عمر طولانی برای حفظ مقاومت آب خنک‌کننده دارد.
این نیاز به یک سیستم خنک‌کننده حلقه بسته کوچک و کارت تبادل یونی با طول عمر طولانی برای حفظ مقاومت آب خنک‌کننده دارد.
در عکس ۱ طرح مکانیکی اولیه یک مسدودکننده یگیبت ۱۰ kV، ۸ MW (۸۰۰ A) نشان داده شده است. یگیبت‌ها روی صفحات سرد خنک‌شونده با آب نصب شده‌اند. لوله‌های خنک‌کننده غیرفلزی بین صفحات سرد مجاور طراحی شده‌اند تا هنگام باز بودن مدار، تمام ولتاژ مدار را تحمل کنند.
آرایه‌های موازی از این مجموعه‌ها برای برآوردن نیازهای جریان کلی بار استفاده می‌شوند.

 
عکس ۱: طرح مکانیکی اولیه یک مسدودکننده یگیبت ۱۰ kV، ۸ MW (۸۰۰ A). یگیبت‌ها روی صفحات سرد خنک‌شونده با آب نصب شده‌اند

مقایسه مزایا و معایب قطع‌کننده‌های حالت جامد با سایر قطع‌کننده‌ها به طور خلاصه:
در حالی که قطع‌کننده‌های حالت جامد می‌توانند سرعت قطع بسیار سریع‌تری نسبت به قطع‌کننده‌های معمولی مبتنی بر الکترومکانیکی داشته باشند، یکی از معایب اصلی قطع‌کننده‌های حالت جامد، زیان‌های حالت رسانای بالای آنها است. با مقاومت تماس کمتر از چند میکرو اهم، تماس‌های الکترومکانیکی در قطع‌کننده‌های کلاسیک زیان‌های حالت رسانا ناچیزی ایجاد می‌کنند. در مقابل، بیشتر دستگاه‌های حالت جامد حداقل دو ولت کاهش ولتاژ ایجاد می‌کنند، بنابراین هنگامی که جریان بزرگی از طریق قطع‌کننده می‌گذرد، زیان‌های حالت رسانای قطع‌کننده حالت جامد می‌تواند به طور قابل توجهی بیشتر از قطع‌کننده کلاسیک باشد. افزایش زیان انرژی همچنین منجر به افزایش نیاز به خنک‌سازی می‌شود. به طور سنتی، رادیاتورهای فلزی بزرگ برای خنک‌سازی مسکونی 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 ممکن است به کاهش اندازه و وزن کل سیستم کمک کند، آنها پیچیدگی‌های اضافی مانند افزایش سیگناتور صوتی، زیان‌های انرژی و مشکلات نگهداری را معرفی می‌کنند.
بر اساس شکل ۵، مقادیر بر اساس بیشترین مقدار هر گروه داده شده‌اند.
برای هر معیار، مقادیر کوچکتر مورد ترجیح قرار می‌گیرند. بنابراین، مساحت کوچک یک عملکرد کلی خوب از یک مفهوم مسددار را نشان می‌دهد.
بر اساس یافته‌ها، قطع‌کننده حالت جامد یک عملکرد کلی خوب دارد. به دلیل قابلیت‌های سوییچینگ سریع، زمان خاموش کردن کم است و فقط جریان‌های کم دامنه رخ می‌دهند. همچنین، قابلیت اطمینان و پیچیدگی فرآیند سوییچینگ نیز می‌تواند خوب در نظر گرفته شود. با این حال، قطع‌کننده حالت جامد از زیان‌های بالا رنج می‌برد، نسبت به سوییچ‌های مکانیکی یا ترکیبی.
یک مفهوم جایگزین با زیان‌های کم، هزینه‌های نسبی متوسط و قابلیت اطمینان خوب، سوییچ مکانیکی مهارکننده است. همچنین، سوییچ ترکیبی معمولی عملکرد کلی متوسطی دارد. این سوییچ از جریان‌های قله‌ای بالا به دلیل سوییچ 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 وضعیت ممکن است تغییر کند. در نهایت، مفهوم یک سوییچ محض مکانیکی هنوز برای کاربردهای ولتاژ پایین و پایین-متوسط جالب است زیرا تنها یک مفهوم به‌طور کامل اثبات شده است.

شکل ۵: مروری بر تمام مفاهیم سوییچینگ برای قطع‌کننده‌های DC

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

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