Средно напонско DC тврдотелни прекинувачи дизајн и будуќина

Как работат тврдотелни прекинувачи на средно напонение:
Тврдотелен DC прекинувач користи моќностни полупроводници за прекинување на токот на дефект. Проста топологија на тврдотелен DC прекинувач е прикажана на Слика 1. Четири диоди и IGCT претставуваат главната патека за проводливост, додека заштитниот агрегат се користи за разрадување на индуктивната енергија во случај на дефект. Кога DC прекинувачот е активиран, IGCT-то се изклучува. Збогот на индуктивно складираната енергија, напонот над полупроводниците брзо се зголемува и заштитниот агрегат започнува да проводи ток. За да се разради индуктивната енергија, заштитниот напон на заштитниот агрегат мора да биде повисок од номиналниот мрежен напон. Треба да се осигура дека полупроводниците можат да го издржат заштитниот напон на заштитниот агрегат. Главната предност на тврдотелниот DC прекинувач е неговата брза брзина на прекинување и лакот на движење. Бидејќи полупроводниците се поставени во главната патека за проводливост, се јавуваат загуби во состојба на вклучено.

Слика 1: Прост дизајн на тврдотелен прекинувач

Тврдотелните прекинувачи се осласуваат само на тврдотелен прекинувач за носење на номиналната напонска опрема и за прекинување на токот. Бидејќи електричниот лумен е елиминиран, потребна е друга механизам за дисипирање на складираната енергија во индуктивната кола. Ова често се постигнува преку паралелно поврзан металоксиден варистер (MOV). MOV има нелинеарна карактеристика на напон/ток.
Неговата отпорност останува висока (ефективно делува како отворена кола) сѐ додека напонот над него не достигне одредена вредност, каде што неговата отпорност се намалува, дозволувајќи токот да протече низ уредот. Кога проводи, MOV исто така ограничува напонот над него на константна вредност.
Овој тип уред често се користи во системи со висок напон како заштитен агрегат и исто така како заштитен уред за компоненти чувствителни на напон.
Две бидирекционални тврдотелни прекинувачки топологии се прикажани на Слика 2. Кога прекинувачот е затворен, оба полупроводнички уреда се вклучуваат, дозволувајќи токот да текне во двете насоки. Во време на прекинување на токот, оба уреда се изклучуваат, силејќи напонот над уредите да се зголеми сѐ додека MOV не почне да проводи и да ограничува напонот над уредите. Проводниот MOV действува за дисипирање на енергијата складирана во индуктивната кола.
Иако IGCT-тите се прикажани на Слика 2 (a), GTO-тите исто така се користеле во стари дизајни базирани на истата колна топологија.

 
Слика 2   a) IGCT базиран прост бидирекционален тврдотелен прекинувач, (b) IGBT базиран прост бидирекционален тврдотелен прекинувач

Слика 3 приказува неколку алтернативни дизајни кои применуваат овој концепт на системи со средно напон. Во овие системи, повеќе уреди се поврзуваат во серија за да се зголеми целокупната капацитет за одржување на напонот на тврдотелниот прекинувач. Диодите често се поврзуваат во серија со главните прекинувачки копчиња за да се подобри обратниот блок напон на системот, поради ограничената капацитет за обратно блокирање на постојчивите уреди како IGCT и GTO. Колата прикажана на Слика 3 (c) вклучува паралелно поврзани RC гасители кои се потребни за GTO базирани системи за помош при исклучување на уредите, и исто така содржи две интересни карактеристики кои можат да се применат и на други тврдотелни прекинувачи. Прво, вклучува паралелно поврзан резистор кој се користи за ограничување на токот на дефект во време на прекинување. Во нормална работа, овој резистор е прескочен од главните полупроводнички прекинувачи и затоа не доприносува на загубите во состојба на вклучено. Второ, механички прекинувач е поврзан во серија за да се обезбеди физичка изолација.
Иако дизајните прикажани во овој дел се првенствено дизајнирани за AC електро системи, треба да биде можно да се применат овие дизајни на DC примените со минимални модификација.

 
Слика 3: a) IGCT базиран средно напонски бидирекционален тврдотелен прекинувач, (b) IGCT базиран средно напонски бидирекционален тврдотелен прекинувач, (c) GTO базиран бидирекционален тврдотелен прекинувач

Просечен дијаграм на тврдотелен прекинувач е прикажан на Слика 4. Тврдотелниот прекинувач за прекинување на токот е составен од серија на тврдотелни уреди за безбедно управување со DC автобус напон. Брз координиран контролер со инверзна време функција дава сигнал за вратата на прекинувачите во прекинувачот кои синхронизно се отвараат и затвораат. Брзото управување со инверзна време функција прими команди од рачен влез, од други прекинувачи во мрежата или од брзи сензори кои детектираат локални токови на дефект. Инверзното управување со време функција дава инверзно управување со временски период за состојби со префрлање, и брз моментален прекин ако се достигне границата за префрлање. Овие оперативни параметри можат да се прилагодат за секој прекинувач според неговата локација во мрежата, што дава редовен, последователен одговор на состојби со дефект.

 
Слика 4: Просечен системски дијаграм на типичен MVDC тврдотелен прекинувач

Тврдотелниот прекинувач за прекинување на токот обезбедува основната функционалност на целосен прекинувач со брза заштита од дефект и изолација. Целосниот прекинувач мора исто така да обезбеди начин за безбедно одсечување на прекинувачот од електро мрежата кога е потребно одржување или сервис.
Првичен распоред за прекинувач со ниво на опрема од 8 MW е прикажан на Фотографија 1. Овој прекинувач
се состои од шест 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) поврзани во серија. Прекинувачот од 8 MW е
приближно 23” широк x 9” висок  11” длабок и тежи приближно 60 lb. IGBT-товите се поставени
на водени хладни плочи од алуминиум, кои на нивна страна се поставени на електрично изолуван механички
оквир. Неметалските водни линии се доволно отпорни за да ограничат токот на течење низ линиите.
Ова ќе бара мал, затворен циклус хладење систем и долготраен ион-разменски картриџ за одржување
на отпорноста на хладната вода.
Ова ќе бара мал, затворен циклус хладење систем и долготраен ион-разменски картриџ за одржување на отпорноста на хладната вода.
На фотографија 1 е прикажан првичниот механички распоред на 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT прекинувач. IGBT-товите се поставени на водени хладни плочи. Неметалски водни линии помеѓу соседни хладни плочи се дизајнирани да стојат на целокупен напон на прекинувачот кога прекинувачот е отворен.
Паралелни масиви од овие асемблии се користат за да се задоволат целокупните барања за ток на опремата.

 
Фотографија 1: Првичен механички распоред на 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT прекинувач. IGBT-товите се поставени на водени хладни плочи

Споредете предностите и недостатоците на тврдотелните прекинувачи со други прекинувачи кратко:
Иако тврдотелните прекинувачи можат да постигнуваат значително побрза брзина на прекинување во споредба со конвенционалните прекинувачи базирани на електромеханични системи, еден главен недостаток на тврдотелните прекинувачи е нивната висока загуба во состојба на вклучено. Со контактна отпорност од само неколку микроОм, електромеханичните контакти во класичните прекинувачи внесуваат пренебрегливи загуби во состојба на вклучено. На спротивно, повеќето тврдотелни уреди внесуваат напонска разлика од најмалку два волта, затоа како голем ток текне низ прекинувачот, загубите во состојба на вклучено на тврдотелен прекинувач можат да бидат значително повисоки од оние на класичен прекинувач. Зголемената енергетска загуба исто така доведува до зголемени барања за хладење. Традиционално, големи метални радијатори се користат за пасивно хладење на моќностни полупроводници, но тие можат да допринесат до значителни делови од целокупната големина и тежина на системот. Иако инсталирањето на активни системи за хладење како принуден воздух (вентилатор) или течно хладење може да помогне за намалување на големината и тежината на целосниот систем, тие внесуваат дополнителни комплексности како зголемена акустичка сигнатура, енергетски загуби и проблеми со одржување.
Според Слика 5, вредностите се дадени во однос на највисоката вредност по група.
За секој критериум, малите вредности се сметаат за пофаворливи. Мала област следователно указува на добар целокупен перформанс на концептот за прекинување.
Според пронајдениве, тврдотелниот прекинувач покажува добар целокупен перформанс. Због неговите брзи способности за прекинување, временскиот период за исклучување е мал и само ниски амплитуди на ток се јавуваат. Исто така, надежноста и комплексноста на процесот на прекинување можат да се сметаат за добри. Меѓутоа, тврдотелниот прекинувач страда од високи загуби, во споредба со механички или хибридни прекинувачи.
Алтернативен концепт со ниски загуби, средни релативни трошоци и добра надежност е механички прекинувач со гасител. Исто така, конвенционалниот хибриден прекинувач покажува среден целокупен перформанс. Страда од високи амплитуди на ток због механичкиот прекинувач. Концептите земени од HVDC системи немаат добар перформанс во испитуваните нивоа на напон и моќ. Меѓутоа, за повисоки напони и моќи, ова може да се промени. Накрај, концептот на чисто механичен прекинувач все уште е интересен за примените со ниски и ниско-средни напони, бидејќи тој е единствениот добро доказан.

Слика 5: Преглед на сите концепти за прекинување за DC прекинувачи

Таблица 1 сумира карактеристиките на четирите технологии на прекинувачи:
Треба да се забележи дека времето на подготвување на оваа таблица е 2012 година.

 
Таблица 1: Сума на технологии на прекинувачи за примените со ниска моќ на DC