Diseáil agus todchaí Bhréagáin Stáit Shólídh Iomlán DC Meán Voltaic

Conas a oibríonn briseoir ciorcal rialta-áirí:
Úsáideann briseoir DC rialta-áirí semicóidireachta cumhachtach chun an siombalach ghearrchinn a scrios. Tá topolaíocht shimplí de bhriseoir DC rialta-áirí léirithe i Figiúr 1. Dairtís ceithre agus IGCT ina n-aonad príomha conaidh, agus úsáidtear an cosantóir srónach chun an induictacht líne a dhíscéadú i gcás gearrchinn. Nuair a triopthear an briseoir DC, dúnann IGCT. Mar gheall ar an gcumhacht atá stóráilte inductíoch, éiríonn an voltas ar fud na semicóidireachta go tapa agus thosaíonn an cosantóir srónach ag cur siombalach. Chun an induictacht líne a dhíscéadú, caithfidh go mbaineann an voltas cosanta an cosantóir srónach le breis air an voltas umshlán gréasáin. Ní mór freisin a chinntiú go bhfuil an cumas ag na sémicóidireachtaí dul i ngleic leis an bhvoltas cosanta an cosantóir srónach. Is é an t-ardphointe is mó de bhriseoir DC rialta-áirí a luas scuabadh tapa agus gan aon chuid gníomhairi. Ó tá na sémicóidireachtaí suite sa phríomhaonad conaidh, tarlaíonn fordhulaí annamh.

Figiúr 1: Deseáin shimplí de bhriseoir ciorcal rialta-áirí

Bhíonn briseoirí ciorcal rialta-áirí ag brath ar an scuab rialta-áirí amháin chun an lod leanúnach a chur agus an siombalach a scuabadh. Ó ghoileann an tarc triceach, tá meicniúm eile riachtanach chun an cumhacht stóráilte sa chiorcal induichteach a dhíscéadú. Déantar seo go minic trí varistóir óxaid metála (MOV) a chonascadh parallach. Tá carachtar voltas/siombalach neamhlinnéar ag MOV.
Fágann sé a réitse ard (ag obair mar choimeádóir oscailte go héifeachtach) go dtí go raghann an voltas air go pointe áirithe, áit a dtagann a réitse síos agus lig do siombalach a thrasnú trí an t-eochair. Nuair a thrasnóidh an MOV, clampaíonn sé an voltas air ag luach comhstaigh.
Úsáidtear an seánra seiceálaí cosanta i gcórais uafais mhóra mar cosantóir srónach agus mar chosantóir don chuid comhphónaithe sonraithe voltag.
Léirithear dhá topolaíocht briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo i Figiúr 2. Nuair a dúnann an briseoir, cuireann an dá seiceálaí rialta-áirí siombalach trí daon treo. Le linn an scuabadh, dúnann an dá eochair, ag forcáil an voltas ar fud na ndeisi a éirí go dtí go thosaíonn an MOV ag cur siombalach agus ag clampaíocht an voltas ar fud na ndeisi. An MOV atá ag cur siombalach déanann an cumhacht stóráilte sa chiorcal induichteach a dhíscéadú.
Cé go léirítear IGCT i Figiúr 2 (a), úsáidear GTO freisin i ndeseáin níos sine bunaithe ar an topolaíocht céanna.

 
Figiúr 2   a) Briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo bunaithe ar IGCT, (b) Briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo bunaithe ar IGBT

Léiríonn Figiúr 3 roinnt diseáin eile a úsáideann an concéad seo i gcórais uafais meánacha. Sa chórais seo, tá ailt arda ceangailte parallach chun an cumas slánbhaint voltas an briseora rialta-áirí a mhéadú. Ceanglaítear dairtí parallach leis na príomhscuabaireacha chun an voltas bloic iarbhuanach an chórais a fheabhsú, mar gheall ar an tsíorcheangal teoranta a bhíonn ag ailt cosúil le IGCT agus GTO. Léirítear snubaire RC parallach i gcórais bunaithe ar GTO i Figiúr 3 (c) chun cabhrú leis an ndúnadh na sémicóidireachta, agus tá dhá ghné spéisialta ann a d'fhéadfadh a bheith ag feidhmiú do briseoirí ciorcal rialta-áirí eile. Ar dtús, tá reisistóir parallach ann a úsáidtear chun an siombalach gearrchinn a shrianadh le linn an scuabadh. Le linn an oibriú normal, bíonn an reisistóir gortach agus ní dhéanann sé aon fordhulaí annamh don briseoir. Ina dhiaidh sin, tá scuab méacánach ceangailte parallach chun slánbhaint fisiciúil a sholáthar.
Cé go bhforbrófaí na diseáin atá léirithe sa rannán seo go príomha do chórais cumhacht AC, ba chóir go mbeadh sé féidir leis na diseáin seo a chur i bhfeidhm do chúrsaí DC le hathruithe beaga.

 
Figiúr 3: a) Briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo bunaithe ar IGCT, (b) Briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo bunaithe ar IGCT, (c) Briseoir ciorcal rialta-áirí idir dhá treo bunaithe ar GTO

Léirítear diagram bloc shimplí de bhriseoir ciorcal rialta-áirí i Figiúr 4. Tá an scuabaire siombalach rialta-áirí comhdhéanta as sreang sémicóidireachta chun an voltas bus DC a shábháil. Tugann riaraitheoir neamh-am cothromódúch rátha an sianál scuabaire do na scoilt i scuabaire a osclaíonn agus a dhúnann cothromódúch. Faigheann an riaraitheoir neamh-am cothromódúch orduithe ó iontráil láimhe, ó briseoirí eile san líonra, nó ó shinséir greannacha a dírbheir siombalach gearrchinn áitiúil. Tugann an riaraitheoir neamh-am cothromódúch rialú am scuabadh neamh-am do stáitsí forsiombalach, agus scuabadh ionsaigh tapa má shroicheann an teorainn forsiombalach. Is féidir a athrú na paramaithe oibriúch i gcóir gach briseoir ag brath ar a suíomh san líonra, ag soláthar freagra seicheamhach, oirdaithe do stáids gearrchinn.

 
Figiúr 4: Diagram córas shimplí de bhriseoir ciorcal rialta-áirí MVDC tíocha

Tugann an scuabaire siombalach rialta-áirí an fheidhmiú príomha de thiomantas briseoir ciorcal iomlán - cosaint greannach tapa agus slánbhaint. Caithfidh an tiomantas briseoir ciorcal iomlán freisin modh a sholáthar chun an scuabaire a shcanradh go sábháil ón líonra cumhacht nuair atá oibleagáid oiriúnach ag teastáil.
Léirítear réamhleagan do scuabaire lod-leibhéal 8 MW i grianghraf 1. Consúidtear an scuabaire seo
as seis IGBT (CM900HB-66H) 4,500 V ceangailte parallach. Is ea an scuabaire 8 MW
go laghdach 23" leathan x 9" airde  11" dornach agus maigh 60 lb. Cuireann IGBT
ar plátaí fuara alóm a bhfuil uisce orthu, a chuirtear, ina thréimhse, ar fhráma meicánach insulaithe leictreach. Tá na línte uisce neamh-mhetála chomh réisteach le go mbeidh siad in ann an siombalach a shrianadh síos trí na línte. Seo a bheidh ag teastáil
córas fuachtaithe sluaite lú agus cartán ion-iscipte faoi fhad chun an réisistiviteacht an uisce fuachtaithe a choimeád.
Seo a bheidh ag teastáil córas fuachtaithe sluaite lú agus cartán ion-iscipte faoi fhad chun an réisistiviteacht an uisce fuachtaithe a choimeád.
Léiríonn grianghraf 1 an réamhleagan meicánach de scuabaire IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). Tá IGBT cuireadh ar plátaí fuara alóm. Tá línte fuachtaithe neamh-mhetála idir plátaí fuara comharsa deartha chun an voltas iomlán an scoilt a dúnadh nuair atá an scoilt oscailte.
Úsáidtear cruthaitheacha parallacha den sórt seo chun an riachtanas siombalach iomlán a shábháil.

 
Grianghraf 1: Réamhleagan meicánach de scuabaire IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). Tá IGBT cuireadh ar plátaí fuara alóm

Comhréiteach na hoidhche agus na mí-oidhche de bhriseoirí ciorcal rialta-áirí le briseoirí ciorcal eile go géar:
Cé go bhféadfaí do bhriseoirí ciorcal rialta-áirí a bhaint scuabadh go tapa go suntasach níos tapa ná briseoirí ciorcal bunaithe ar eileamecht-méacánach traidisiúnta, is é an conspóid mhór le briseoirí rialta-áirí ná a ndul i ngleic fordhulaí annamh. Le réitse contacht bheag mar roinnt micró-ohm, díríonn contacht eileamecht-méacánach i briseoirí ciorcal traidisiúnta fordhulaí annamh. In ainneoin sin, intróigeann formhór sémicóidireachtaí rialta-áirí drophall de volts, mar sin, nuair a thrasnóidh siombalach mór trí an briseoir, is féidir leis na fordhulaí annamh a bheith go huafasach níos airde ná briseoir ciorcal traidisiúnta. An dul i ngleic cumhacht níos airde cuireann brú níos mó ar an fuachtaithe. Trádisionálta, úsáidear heatsinks metalacha móra chun na sémicóidireachtaí cumhachtach a fuachtaithe go pasív, ach is féidir leo a bheith ina chuid substaintiúil den mhéid agus an mhéadrach iomlán an chórais. Cé go d'fhéadfadh an seiceálaí fuachtaithe gníomhach cosúil le haer (fan) nó fuachtaithe uisce a chur isteach chun laghdú a dhéanamh ar an mhéid agus an mhéadrach iomlán an chórais, cuireann siad castacht níos airde ar an gcóras cosúil le síniú acústach, fordhulaí cumhacht, agus fadhbanna oibre.
De réir Figiúr 5, titeann na luachanna i gcomparáid leis an luach is airde in aghaidh an ghrúpa.
Do gach critéar, moltaítear luachanna beaga. Mar sin, léiríonn réigiún beag feidhmíocht maith iomlán de chonspóid scuabadh.
De réir na bhfiontar, léiríonn an briseoir ciorcal rialta-áirí feidhmíocht iomlán maith. Mar gheall ar a chumas scuabadh tapa, is beag an am dúnta agus tarlaíonn siombalach beag. Freisin, is féidir leis an infheisteoireacht agus an castacht an scuabadh a mheas go maith. Ach, díríonn an briseoir rialta-áirí ar fordhulaí airde, i gcomparáid le scoiltí meicánacha nó ilchruthaithe.
Is é an chonspóid eile le fordhulaí íseal, costais meánacha, agus infheisteoireacht maith an briseoir meicánach snubaire. Freisin, léiríonn an briseoir ilchruthaithe traidisiúnta feidhmíocht meánacha iomlán. Tarlaíonn siombalach bacúil airde mar gheall ar an scoilt meicánach. Níl an t-eolas a ghlacadh ó chórais HVDC ag déanamh feidhmíocht maith sa leibhéal voltas agus cumhacht a scrúdaíodh. Ach, d'fhéadfadh sé a athrú do voltas agus cumhacht níos airde. Deiridh, is é an chonspóid briseoir meicánach púirín maith do úsáid i gcórais íseal agus íseal-meánacha voltas mar gur é an t-aon amháin atá proifisiúnta.

Figiúr 5: Forbairt gach conas scuabadh do briseoirí ciorcal DC

Achoimreann Tábla 1 na carachtar a bhaineann le ceithre teicníc briseoir ciorcal:
Ba chóir a lua go raibh an tráth a rinneadh an tábla seo 2012.

 
Tábla 1: Achoimre ar theicníc briseoir ciorcal do úsáid íseal cumhacht DC