Орта басының DC солид-статикалық ағынды бөлшектерінің құрылымы және болашақтық

Орта басым тұрақты схемалык айналуы:
Тұрақты DC айналуы электр энергиясын бөліп шекараланған және дефектті ағымды тоқтатады. Тұрақты DC айналуының қарапайым топологиясы 1-суретте көрсетілген. Төрт диод және IGCT негізгі өту жолын білдіреді, ал ауырсақ аудармашы дефект жағдайында сызықтың индуктивті энергиясын аудару үшін қолданылады. DC айналуы өткізілгенде, IGCT өткізіледі. Индуктивтік сакталған энергия үшін, полупроводниктердің арасындагы напряжение тез өсетінімен, ауырсақ аудармашы ағымды өткізуге бастайды. Сызықтың индуктивті энергиясын аудару үшін, ауырсақ аудармашының қорғау напряжениеcі номиналдық желі напряжениеcінен жоғары болуы керек. Сондай-ақ, полупроводниктер ауырсақ аудармашының қорғау напряжениеcін ескеріп қабылдауға қабілетті болуы керек. Тұрақты DC айналуының негізгі артықшылығы - оның тез өткізу жылдамдығы және қозғалыс бөлшектерінің болмауы. Полупроводниктер негізгі өту жолында орналасқан, сондықтан өткізу уақытында қыбылдар пайда болады.

Сурет 1: Тұрақты схемалык айналуының қарапайым құрылымы

Тұрақты схемалык айналуы тұрақты коммутаторға гаухар ағымды өткізу және ағымды тоқтату үшін толық тиісті. Электр аркасы жоюлғанымен, схемадағы индуктивті энергиян аудару үшін басқа механизм қажет. Бұл жиі параллельденген металл оксидті варистр (MOV) арқылы орындалады. MOV-де нелинейлік напряжение/ағым характеристикасы бар.
Аның сопротивлениеcі жоғары (эффективті түрде ашық цикл ретінде әсер етеді) дейін, аның арасындағы напряжение белгілі бір мәнге жетеді, сондықтан аның сопротивлениеcі төмендейді, ағымды аударуға мүмкіндік береді. Ағымды аударғанда MOV да аның арасындағы напряжениеcін тұрақты мәнде сақтайды.
Бұл түрдегі прибор көбінесе жоғары напряжение системаларында ауырсақ аудармашы ретінде қолданылады және напряжениеға ұшынушы компоненттер үшін қорғау приборы ретінде қолданылады.
Екі біртұтірлі тұрақты схемалык айналуының топологиялары 2-суретте көрсетілген. Айналуы қапталғанда, екеуінің де полупроводник құрылымдары қосылатын, ағымды екі бағытта өткізу мүмкіндігі беріледі. Ағымды тоқтату уақытында, екеуінің де құрылымдары өткізіледі, сондықтан құрылымдардың арасындағы напряжение төмендейді, дейін MOV ағымды өткізуге және құрылымдардың арасындағы напряжениеcін шектеуге бастайды. Ағымды аударған MOV схемадағы индуктивті энергиян аударуға қызмет етеді.
2-суретте (a) IGCT-лер көрсетілген, GTO-лар да қолданылған, бірақ қолданылған схема топологиясына қарай.

 
Сурет 2   a) IGCT негізіндегі қарапайым біртұтірлі тұрақты схемалык айналуы, (b) IGBT негізіндегі қарапайым біртұтірлі тұрақты схемалык айналуы

3-суретте орта басым системаларына бұл концепция қолданылуына арналған бірнеше альтернативті дизайндер көрсетілген. Бұл системаларда, бірнеше құрылымдар сериялық қосылып, тұрақты айналуының жалпы напряжение қабылдау қабілетін арттыру үшін қолданылады. Диодтар да негізгі бөлшектермен сериялық қосылып, IGCT және GTO сияқты құрылымдардың шектеулі теріс блокировка қабілетін жақсарту үшін қолданылады. 3-суретте (c) параллель RC снубберлер қосылып, GTO-ға негізделген системаларда құрылымдарды өткізу үшін қажет, оларда екеуі де қызықты заттар бар, олар басқа тұрақты схемалык айналуылерге қолданылуы мүмкін. Біріншісі, параллель қосылған сопротивление, ағымды тоқтату уақытында дефектті ағымды шектеу үшін қолданылады. Нормалды іске қосу уақытында, бұл сопротивление негізгі полупроводник қосылғыштары арқылы қысуға қолданылады, сондықтан айналуының өткізу уақытындағы қыбылдарға қоспақ болмайды. Екіншісі, физикалық ізоляция үшін сериялық қосылған механикалық айналуы қолданылады.
Бұл бөлімде көрсетілген дизайнылар негізінен AC энергия системалары үшін құрылған, бірақ бұл дизайныларды DC қолданыстарына қолдану үшін минималды өзгерістер қажет болады.

 
Сурет 3: a) IGCT негізіндегі орта басым біртұтірлі тұрақты схемалык айналуы, (b) IGCT негізіндегі орта басым біртұтірлі тұрақты схемалык айналуы, (c) GTO негізіндегі біртұтірлі тұрақты схемалык айналуы

Тұрақты схемалык айналуының қысқартылған блок диаграммасы 4-суретте көрсетілген. Тұрақты ағымды тоқтату құрылымы DC автобус напряжениеcін қабылдау үшін тұрақты құрылымдардың сериялық жолынан тұрады. Жылдам координатталған кері уақытты контроллер қосылғыштарға қосылғыш сигналын береді, олар синхронды түрде ачылып және қапталады. Кері уақытты контроллер қолмен берілген, желідегі басқа айналуылардан немесе дефектті ағымды анықтайтын жылдам датчиктерден командалар алады. Кері уақытты контроллер өткізу ағымының қыбыл мәнінен туындаған кері уақытты қолданады, ал өткізу ағымының шекті мәніне жетсе, жылдам моменталды тоқтату үшін қолданылады. Бұл іске қосу параметрлері әрбір айналуы үшін өзгертуге мүмкіндік береді, оның желідегі орнына қарай, дефектті жағдайларға ұзақтықты, секвенцияланған жауап береді.

 
Сурет 4: типтік MVDC тұрақты схемалык айналуының қысқартылған система диаграммасы

Тұрақты ағымды тоқтату құрылымы толық айналуы агрегатының негізгі функциясы болып табылады - жылдам дефектті қорғау және ізоляция. Толық айналуы агрегатының қолданыста же қызметте болғанда, ағымды тоқтату құрылымын энергия желісінен қауіпсіз түрде қосу үшін қажет.
8 МВт деңгейіндегі нагрузкалық ағымды тоқтату құрылымының басқаруы 1-суретте көрсетілген. Бұл ағымды тоқтату құрылымы
алты 4,500 В IGBT-лер (CM900HB-66H) сериялық қосылған. 8 МВт ағымды тоқтату құрылымы
құрамында 23 дюйм ұзындығы, 9 дюйм биіктігі, 11 дюйм ені және құрамында 60 фунт салмағы. IGBT-лер
судың суытылған алюминий холодные платына орналасқан, оларда, соңында электр қаттылықтың механикалық каркасына орналасқан. Металлсыз судың линиялары қаттылықты шектеу үшін жеткілікті болады.
Бұл үшін кішкентай, жабық контурлі суытылған жүйе және суытылған судың қаттылығын сақтау үшін узак мезгілді ион-ауыстыру картриджі қажет.
Бұл үшін кішкентай, жабық контурлі суытылған жүйе және суытылған судың қаттылығын сақтау үшін узак мезгілді ион-ауыстыру картриджі қажет.
1-суретте 10 кВ, 8 МВт (800 А) IGBT ағымды тоқтату құрылымының басқаруы көрсетілген. IGBT-лер суытылған холодные платаларға орналасқан. Комплексінде қойылған басқа құрылымдар барлық нагрузканы қанағаттандыру үшін қолданылады.
Параллель массивтері бар бұл құрылымдар барлық нагрузканы қанағаттандыру үшін қолданылады.

 
Сурет 1: 10 кВ, 8 МВт (800 А) IGBT ағымды тоқтату құрылымының басқаруы. IGBT-лер суытылған холодные платаларға орналасқан

Тұрақты схемалык айналуылерді басқа схемалык айналуылермен қысқаша салыстыру:
Тұрақты схемалык айналуылер классикалық электро-механикалық негізде орналасқан схемалык айналуылерге қарағанда, өткізу жылдамдығын өте тез арттыруға болады, бірақ тұрақты айналуылердің негізгі айырмашылығы - олардың жоғары өткізу уақытындағы қыбылдары. Контакттық сопротивлениеcі бірнеше микроОмге дейін кішкентай болғанда, классикалық схемалык айналуылердегі электро-механикалық контакты өткізу уақытындағы қыбылдарды қолданбаған. Сол сияқты, көптеген тұрақты құрылымдар ағымды өткізу уақытында ең аз екі вольттың напряжение төмендетуін енгізеді, сондықтан айналуы арқылы өткен ағым өте үлкен болғанда, тұрақты схемалык айналуының өткізу уақытындағы қыбылдары классикалық схемалык айналуылердің қыбылдарынан өте жоғары болады. Энергия қыбылдарының артуы қыбылдану үшін қажетті талаптарды арттырады. Традиционды түрде, зыңғақ металлическі радиаторлар қолданылады, бірақ олар системаның жалпы өлшемі мен салмағына қатысты өте үлкен қатынасты қосады. Активті суытылған жүйелер, мисалы, жылдамданатын ауа (жылдыру) немесе суытылған жүйелер орнатылса, олар жүйенің жалпы өлшемі мен салмағын азайтуға көмектеседі, бірақ олар үшін қосымша қызықты заттар, мисалы, ауыздық белгілену, энергия қыбылдары және қызмет көрсету проблемалары пайда болады.
5-суретте, мәндер топтағы ең жоғары мәнге қатысты берілген.
Әрбір критерий үшін, кіші мәндер ыңғайлы деп есептеледі. Сондықтан, кіші аймақ бар айналуы концепциясының жалпы жақсы жұмысын білдіреді.
Жасалған табысқа қарай, тұрақты схемалык айналуы жалпы жақсы жұмыс істейді. Оның тез өткізу мүмкіндігіне қарай, өткізу уақыты аз және өткізу ағымының амплитудасы төмен болады. Сол сияқты, өткізу процессінің жақсы жұмыс істеуі мен қиындығы да жақсы. Бірақ, тұрақты айналуы механикалық немесе гибрид айналуылерге қарағанда өте жоғары қыбылдарға ұшынады.
Төмен қыбылдар, орта мөлшерлік құны және жақсы жұмыс істеу үшін басқа концепция - ауырсақ механикалық айналуы. Сол сияқты, адамгерші гибрид айналуы да жалпы орташа жұмыс істейді. Ол механикалық айналуы үшін өте жоғары ағым амплитудасына ұшынады. HVDC системаларынан алынған концепциялар қарастырылған напряжение және өндірістік деңгейлерінде жақсы жұмыс істейді. Бірақ, жоғары напряжение және өндірістік деңгейлер үшін, бұл өзгеруі мүмкін. Соңғы, таза механикалық айналуы концепциясы төмен және орта напряжение қолданыстары үшін әлі де ыңғайлы, себебі ол тек ең жақсы дәлелденген.

Сурет 5: DC схемалык айналуылер үшін барлық айналуы концепцияларының жалпы түсіндірмесі

1-таблица төрт схемалык айналуы технологияларының қасиеттерін жинақтайды:
Бұл таблицаның дайындалу уақыты 2012 жылы болғанын ескеру керек.

 
Таблица 1: Төмен өндірістік деңгейдегі DC қолданыстар үшін схемалык айналуы технологияларының жинақтамасы