Progettazione e futuro degli interruttori a stato solido in corrente continua a media tensione

Come funzionano i circuiti di interruzione a stato solido a media tensione:
Un interruttore DC a stato solido utilizza semiconduttori di potenza per interrompere la corrente di guasto. Una topologia semplice di un interruttore DC a stato solido è mostrata nella Figura 1. Quattro diodi e un IGCT rappresentano il percorso principale di conduzione, mentre l'arresto di sovratensione viene utilizzato per scaricare l'induttanza della linea in caso di guasto. Quando l'interruttore DC viene azionato, l'IGCT viene spento. A causa dell'energia accumulata induttivamente, la tensione sui semiconduttori aumenta rapidamente e l'arresto di sovratensione inizia a condurre corrente. Per scaricare l'induttanza della linea, la tensione di protezione dell'arresto di sovratensione deve essere superiore alla tensione nominale della rete. Inoltre, deve essere assicurato che i semiconduttori di potenza siano in grado di sopportare la tensione di protezione dell'arresto di sovratensione. Il principale vantaggio di un interruttore DC a stato solido è la sua velocità di interruzione rapida e l'assenza di parti mobili. Poiché i semiconduttori di potenza sono posizionati nel percorso principale di conduzione, si verificano perdite in stato on.

Figura 1: Progettazione semplice di interruttore a stato solido

Gli interruttori a stato solido si basano esclusivamente sull'interruttore a stato solido per trasportare il carico nominale e interrompere la corrente. Poiché l'arco elettrico è eliminato, è necessario un altro meccanismo per dissipare l'energia accumulata nell'induttanza del circuito. Questo è spesso ottenuto tramite un varistore a ossido metallico (MOV) connesso in parallelo. Un MOV ha una caratteristica non lineare di tensione/corrente.
La sua resistenza rimane alta (agendo effettivamente come un circuito aperto) fino a quando la tensione su di esso raggiunge un certo valore, dove la sua resistenza diminuisce permettendo al dispositivo di condurre corrente. Quando un MOV conduce, mantiene anche la tensione su di esso a un valore costante.
Questo tipo di dispositivo è frequentemente utilizzato nei sistemi ad alta tensione come arresto di sovratensione e viene anche utilizzato come dispositivo di protezione per componenti sensibili alla tensione.
Due topologie bidirezionali di interruttori a stato solido sono mostrate nella Figura 2. Quando l'interruttore è chiuso, entrambi i dispositivi semiconduttori vengono accesi, consentendo il flusso di corrente in entrambe le direzioni. Durante l'interruzione della corrente, entrambi i dispositivi vengono spenti, forzando la tensione sui dispositivi ad aumentare fino a quando il MOV inizia a condurre e a limitare la tensione sui dispositivi. Il MOV in conduzione agisce per dissipare l'energia accumulata all'interno dell'induttanza del circuito.
Sebbene siano mostrati IGCT nella Figura 2 (a), GTO sono stati utilizzati anche in progetti più vecchi basati sulla stessa topologia di circuito.

 
Figura 2   a) Interruttore a stato solido bidirezionale semplice basato su IGCT, (b) Interruttore a stato solido bidirezionale semplice basato su IGBT

La Figura 3 mostra una serie di progetti alternativi che applicano questo concetto ai sistemi a media tensione. In questi sistemi, più dispositivi sono connessi in serie per aumentare la capacità totale di resistenza alla tensione dell'interruttore a stato solido. I diodi sono spesso connessi in serie con gli interruttori principali per migliorare la tensione di blocco inverso del sistema, a causa della limitata capacità di blocco inverso dei dispositivi esistenti come IGCT e GTO. Il circuito mostrato nella Figura 3 (c) include snubber RC connessi in parallelo, necessari per i sistemi basati su GTO per facilitare lo spegnimento dei dispositivi, e contiene anche due caratteristiche interessanti che potrebbero essere applicate ad altri interruttori a stato solido. In primo luogo, include una resistenza connessa in parallelo che viene utilizzata per limitare la corrente di guasto durante l'interruzione. Durante il normale funzionamento, questa resistenza è cortocircuitata dagli interruttori semiconduttori principali e quindi non contribuisce alle perdite in stato on dell'interruttore. In secondo luogo, un interruttore meccanico è connesso in serie per fornire isolamento fisico.
Sebbene i progetti mostrati in questa sezione siano principalmente progettati per sistemi di potenza AC, dovrebbe essere possibile applicare questi progetti a applicazioni DC con modifiche minime.

 
Figura 3: a) Interruttore a stato solido bidirezionale a media tensione basato su IGCT, (b) Interruttore a stato solido bidirezionale a media tensione basato su IGCT, (c) Interruttore a stato solido bidirezionale basato su GTO

Un diagramma a blocchi semplificato di un interruttore a stato solido è mostrato nella Figura 4. L'interruttore a stato solido di interruzione della corrente è composto da una serie di dispositivi a stato solido per gestire in sicurezza la tensione della linea continua. Un controller inverso temporizzato veloce fornisce il segnale di pilotaggio per gli interruttori nell'interruttore, che aprono e chiudono sincronicamente. Il controller inverso temporizzato riceve comandi da un input manuale, da altri interruttori nella rete o da sensori veloci che rilevano le correnti di guasto locali. Il controller inverso temporizzato fornisce un controllo inverso del tempo di interruzione per stati di sovra corrente, e un'interruzione istantanea veloce se viene raggiunto il limite di sovra corrente. Questi parametri operativi possono essere regolati per ogni interruttore in base alla sua posizione nella rete, fornendo una risposta ordinata e sequenziale alle condizioni di guasto.

 
Figura 4: Diagramma di sistema semplificato di un tipico interruttore a stato solido a media tensione DC

L'interruttore a stato solido fornisce la funzionalità primaria di un'unità completa di interruttore, offrendo protezione rapida contro i guasti e isolamento. L'unità completa di interruttore deve inoltre fornire un modo per disconnettere in sicurezza l'interruttore dalla rete elettrica quando è richiesta manutenzione o servizio.
Un layout preliminare per un interruttore di carico di 8 MW è mostrato nella foto 1. Questo interruttore
è composto da sei IGBT da 4.500 V (CM900HB-66H) connessi in serie. L'interruttore di 8 MW è
approssimativamente largo 23 pollici x alto 9 pollici x profondo 11 pollici e pesa circa 60 libbre. Gli IGBT sono montati
su piastre fredde d'alluminio raffreddate ad acqua, che a loro volta sono montate su un telaio meccanico isolante elettricamente. Le linee d'acqua non metalliche sono sufficientemente resistenti per limitare la fuga di corrente lungo le linee.
Questo richiede un piccolo sistema di raffreddamento a ciclo chiuso e un cartuccia di scambio ionico duratura per mantenere la resistività dell'acqua di raffreddamento.
Questo richiede un piccolo sistema di raffreddamento a ciclo chiuso e un cartuccia di scambio ionico duratura per mantenere la resistività dell'acqua di raffreddamento.
Nella foto 1 è mostrato il layout meccanico preliminare di un interruttore IGBT da 10 kV, 8 MW (800 A). Gli IGBT sono montati su piastre fredde raffreddate ad acqua. Le linee di raffreddamento non metalliche tra piastre fredde adiacenti sono progettate per sostenere la tensione completa dello switch quando lo switch è aperto.
Array paralleli di queste unità vengono utilizzati per soddisfare i requisiti di corrente complessivi per il carico.

 
Foto 1: Layout meccanico preliminare di un interruttore IGBT da 10 kV, 8 MW (800 A). Gli IGBT sono montati su piastre fredde raffreddate ad acqua

Confrontiamo brevemente i vantaggi e gli svantaggi degli interruttori a stato solido con altri interruttori:
Sebbene gli interruttori a stato solido possano raggiungere velocità di interruzione significativamente più rapide rispetto agli interruttori convenzionali a base elettromeccanica, uno dei principali inconvenienti degli interruttori a stato solido sono le elevate perdite in stato on. Con una resistenza di contatto di pochi micro-ohm, i contatti elettromeccanici negli interruttori classici introducono perdite in stato on trascurabili. Al contrario, la maggior parte dei dispositivi a stato solido introduce un calo di tensione di almeno due volt, quindi quando una corrente elevata attraversa l'interruttore, le perdite in stato on di un interruttore a stato solido possono essere significativamente superiori a quelle di un interruttore classico. L'aumento delle perdite energetiche comporta anche requisiti di raffreddamento più elevati. Tradizionalmente, grandi dissipatori termici metallici vengono utilizzati per raffreddare passivamente i dispositivi semiconduttori di potenza, tuttavia, possono contribuire a porzioni sostanziali della dimensione e del peso complessivi del sistema. Sebbene l'installazione di sistemi di raffreddamento attivi come aria forzata (ventilatore) o raffreddamento a liquido possa aiutare a ridurre la dimensione e il peso del sistema complessivo, introduce complessità aggiuntive come firma acustica aumentata, perdite energetiche e problemi di manutenzione.
Secondo la figura 5, i valori sono dati in relazione al valore massimo per gruppo.
Per ogni criterio, i valori bassi sono considerati preferibili. Un'area piccola, quindi, indica un'ottima performance complessiva di un concetto di commutazione.
In base ai risultati, l'interruttore a stato solido mostra una buona performance complessiva. Grazie alle sue capacità di commutazione veloce, il tempo di spegnimento è breve e si verificano solo ampiezze di corrente basse. Inoltre, la affidabilità e la complessità del processo di commutazione possono essere considerate buone. Tuttavia, l'interruttore a stato solido soffre di alte perdite, rispetto agli interruttori meccanici o ibridi.
Un concetto alternativo con basse perdite, costi relativi medi e buona affidabilità è l'interruttore meccanico con snubber. Anche l'interruttore ibrido convenzionale mostra una performance complessiva media. Soffre di correnti di picco elevate a causa dello switch meccanico. I concetti tratti dai sistemi HVDC non hanno una buona performance nelle fasce di tensione e potenza esaminate. Tuttavia, per tensioni e potenze più elevate, questo potrebbe cambiare. Infine, il concetto di un puro interruttore meccanico rimane interessante per applicazioni a bassa e media-bassa tensione, poiché è l'unico ben dimostrato.

Figura 5: Panoramica di tutti i concetti di commutazione per interruttori DC

Tabella 1 riassume le caratteristiche delle quattro tecnologie di interruttore:
Si noti che il tempo di preparazione di questa tabella è 2012.

 
Tabella 1: Riepilogo delle tecnologie di interruttori per applicazioni a bassa potenza in corrente continua