Reka Bentuk dan Masa Depan Penutup Litar Keadaan pepejal Arus Terus Tegangan Sederhana

Medan: Peralihan kuasa

China

Bagaimana pemutus litar padat keadaan tegangan sederhana berfungsi:
Pemutus litar DC padat menggunakan semikonduktor kuasa untuk mengganggu arus kerosakan. Topologi mudah pemutus litar DC padat ditunjukkan dalam Rajah. 1. Empat diod dan IGCT mewakili laluan konduksi utama, manakala penahan ribut digunakan untuk melepaskan induktansi laluan dalam kes kerosakan. Apabila pemutus litar DC dipadam, IGCT dimatikan. Disebabkan tenaga yang disimpan secara induktif, voltan merentasi semikonduktor meningkat dengan cepat dan penahan ribut mula mengalirkan arus. Untuk melepaskan induktansi laluan, voltan perlindungan penahan ribut mesti lebih tinggi daripada voltan grid nominal. Juga, perlu dijamin bahawa semikonduktor kuasa mampu menanggung voltan perlindungan penahan ribut. Kelebihan utama pemutus litar DC padat adalah kelajuan penghentian yang cepat dan tiada bahagian bergerak. Oleh kerana semikonduktor kuasa diletakkan dalam laluan konduksi utama, kerugian on-state berlaku.

Rajah 1: Reka bentuk mudah pemutus litar padat

Pemutus litar padat bergantung sepenuhnya pada switch padat untuk membawa beban nominal dan mengganggu arus. Kerana ark elektrik dihilangkan, mekanisme lain diperlukan untuk mendissipate tenaga yang disimpan dalam induktansi laluan. Ini sering dicapai melalui varistor oksida logam (MOV) yang disambung selari. MOV mempunyai ciri voltan/arusan yang bukan linear.
Tahanannya kekal tinggi (berfungsi sebagai litar terbuka) sehingga voltan merentasinya mencapai nilai tertentu, di mana tahanannya jatuh membolehkan arus mengalir melalui peranti. Apabila mengalir, MOV juga mengunci voltan merentasinya pada nilai malar.
Jenis peranti ini sering digunakan dalam sistem tegangan tinggi sebagai penahan ribut dan juga digunakan sebagai peranti perlindungan untuk komponen peka voltan.
Dua topologi pemutus litar padat dwi-arah ditunjukkan dalam Rajah 2. Apabila pemutus ditutup, kedua-dua peranti semikonduktor dihidupkan, membolehkan arus mengalir dalam kedua-dua arah. Semasa penghentian arus, kedua-dua peranti dimatikan, memaksa voltan merentas peranti meningkat sehingga MOV mula mengalir dan mengunci voltan merentas peranti. MOV yang mengalir bertindak untuk mendissipate tenaga yang disimpan dalam induktansi laluan.
Walaupun IGCT ditunjukkan dalam Rajah 2 (a), GTO juga telah digunakan dalam reka bentuk lama berdasarkan topologi litar yang sama.

Rajah 2 a) Pemutus litar padat dwi-arah berdasarkan IGCT, (b) Pemutus litar padat dwi-arah berdasarkan IGBT

Rajah 3 menunjukkan beberapa reka bentuk alternatif yang menerapkan konsep ini kepada sistem tegangan sederhana. Dalam sistem-sistem ini, beberapa peranti disambung selari untuk meningkatkan keupayaan tahanan voltan total pemutus litar padat. Diod juga sering disambung selari dengan switch pemutus utama untuk meningkatkan voltan blok songsang sistem, disebabkan oleh keupayaan blok songsang yang terhad pada peranti seperti IGCT dan GTO. Litar ditunjukkan dalam Rajah 3 (c) termasuk snubber RC yang disambung selari yang diperlukan untuk sistem berdasarkan GTO untuk membantu pemadaman peranti, dan juga mengandungi dua ciri menarik yang mungkin boleh diterapkan kepada pemutus litar padat lain. Pertama, ia termasuk resistor yang disambung selari yang digunakan untuk membatasi arus kerosakan semasa penghentian arus. Semasa operasi normal, resistor ini disingkirkan oleh switch semikonduktor utama dan oleh itu tidak menyumbang kepada kerugian on-state pemutus. Kedua, switch mekanikal disambung selari untuk memberikan isolasi fizikal.
Walaupun reka bentuk yang ditunjukkan dalam bahagian ini direka utamanya untuk sistem kuasa ac, seharusnya boleh menerapkan reka bentuk ini kepada aplikasi dc dengan modifikasi minimal.

Rajah 3: a) Pemutus litar padat dwi-arah berdasarkan IGCT, (b) Pemutus litar padat dwi-arah berdasarkan IGCT, (c) Pemutus litar padat dwi-arah berdasarkan GTO

Rajah blok ringkas pemutus litar padat ditunjukkan dalam Rajah 4. Pemutus arus padat terdiri daripada rentetan siri peranti padat untuk menangani voltan bus DC dengan selamat. Pengawal masa terbalik cepat yang berkoordinasi memberikan isyarat gerbang untuk switch dalam pemutus yang dibuka dan ditutup secara serentak. Pengawal masa terbalik cepat menerima arahan dari input manual, dari pemutus lain dalam rangkaian, atau dari sensor cepat yang mengesan arus kerosakan tempatan. Pengawal masa terbalik memberikan kawalan masa terbalik untuk keadaan overcurrent, dan trip segera jika had overcurrent dicapai. Parameter operasi ini boleh disesuaikan untuk setiap pemutus bergantung pada lokasinya dalam rangkaian, memberikan respons urutan, berperingkat kepada keadaan kerosakan.

Rajah 4: Rajah sistem ringkas pemutus litar padat MVDC biasa

Pemutus arus padat memberikan fungsionaliti utama bagi satu set lengkap pemutus litar iaitu perlindungan kerosakan cepat dan isolasi. Set lengkap pemutus litar juga mesti menyediakan cara untuk memutuskan pemutus arus daripada rangkaian kuasa dengan selamat apabila penyelenggaraan atau perkhidmatan diperlukan.
Susunan awal untuk pemutus arus tahap beban 8 MW ditunjukkan dalam foto 1. Pemutus ini
terdiri daripada enam 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) yang disambung dalam siri. Pemutus 8 MW
kurang lebih 23 inci lebar x 9 inci tinggi 11 inci dalam dan berat kurang lebih 60 paun. IGBT dipasang
pada plat sejuk aluminium yang didinginkan air, yang kemudiannya dipasang pada rangka mekanikal yang bersifat insulator elektrik. Saluran air non-logam cukup resistif untuk membatasi aliran arus ke bawah saluran. Ini akan memerlukan sistem pendinginan gelung tertutup kecil dan kartrij pertukaran ion yang tahan lama untuk mengekalkan resistiviti air pendingin.
Ini akan memerlukan sistem pendinginan gelung tertutup kecil dan kartrij pertukaran ion yang tahan lama untuk mengekalkan resistiviti air pendingin.
Dalam foto 1 menunjukkan susunan mekanikal awal pemutus IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). IGBT dipasang pada plat sejuk yang didinginkan air. Saluran pendingin non-logam antara plat sejuk bersebelahan direka untuk menahan voltan penuh switch apabila switch dibuka.
Tatasusunan selari ini digunakan untuk memenuhi keperluan arus keseluruhan bagi beban.

Susunan mekanikal awal pemutus IGBT

Foto 1: Susunan mekanikal awal pemutus IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). IGBT dipasang pada plat sejuk yang didinginkan air

Bandingkan kelebihan dan kekurangan Pemutus Litar Padat dengan pemutus litar lain secara ringkas:
Walaupun pemutus litar padat dapat mencapai kelajuan penghentian yang jauh lebih cepat berbanding pemutus litar berdasarkan elektromekanikal konvensional, satu kelemahan utama pemutus litar padat adalah kerugian on-state yang tinggi. Dengan rintangan kontak yang kecil hingga beberapa mikro-ohm, kontak elektromekanikal dalam pemutus litar klasik hanya memperkenalkan kerugian on-state yang tidak signifikan. Sebaliknya, kebanyakan peranti padat memperkenalkan jatuh voltan sekurang-kurangnya dua volt, oleh itu apabila arus besar mengalir melalui pemutus, kerugian on-state pemutus litar padat boleh jauh lebih tinggi daripada pemutus litar klasik. Peningkatan kehilangan tenaga juga menyebabkan keperluan penyejukan yang lebih tinggi. Secara tradisional, heatsink logam besar digunakan untuk mendinginkan peranti semikonduktor secara pasif, namun, mereka boleh menyumbang kepada bahagian yang substansial dari saiz dan berat keseluruhan sistem. Walaupun pemasangan sistem penyejukan aktif seperti udara paksa (kipas) atau penyejukan cecair mungkin membantu mengurangkan saiz dan berat keseluruhan sistem, ia memperkenalkan kompleksiti tambahan seperti tandatanda akustik, kehilangan tenaga, dan masalah penyelenggaraan.
Menurut rajah 5, nilai-nilai diberikan berhubungan dengan nilai tertinggi setiap kumpulan.
Untuk setiap kriteria, nilai kecil dianggap lebih baik. Kawasan kecil, oleh itu, menunjukkan prestasi keseluruhan yang baik bagi konsep pemutus.
Berdasarkan dapatan, pemutus litar padat menunjukkan prestasi keseluruhan yang baik. Berkat keupayaan pemutusan yang cepat, masa pemutusan adalah kecil dan hanya amplitud arus yang rendah berlaku. Juga, kebolehpercayaan dan kompleksiti proses pemutusan boleh dianggap baik. Walau bagaimanapun, pemutus padat menderita kerugian yang tinggi, berbanding dengan switch mekanikal atau hibrid.
Konsep alternatif dengan kerugian rendah, kos relatif sederhana, dan kebolehpercayaan yang baik adalah pemutus mekanikal dengan snubber. Juga, pemutus hibrid konvensional menunjukkan prestasi keseluruhan yang sederhana. Ia menderita arus puncak yang tinggi disebabkan oleh switch mekanikal. Konsep yang diambil dari sistem HVDC tidak mempunyai prestasi yang baik dalam tahap voltan dan kuasa yang dikaji. Namun, untuk voltan dan kuasa yang lebih tinggi, ini mungkin berubah. Akhirnya, konsep pemutus murni mekanikal masih menarik untuk aplikasi tegangan rendah dan sederhana kerana ia adalah satu-satunya yang sudah terbukti.

Tinjauan semua konsep pemutus dalam pemutus litar DC