Projektowanie przekaźników półprzewodnikowych o stałym napięciu średniego napięcia i przyszłość

Jak działają stałe obwody przerzutników średniego napięcia:
Stały przerzutnik DC używa półprzewodników mocy do przerwania prądu uszkodzeniowego. Prosta topologia stałego przerzutnika DC jest pokazana na rysunku 1. Cztery diody i IGCT reprezentują główną ścieżkę przewodzenia, podczas gdy ogranicznik przebłysków służy do rozładowania indukcyjności linii w przypadku uszkodzenia. Gdy przerzutnik DC jest wyłączony, IGCT jest wyłączone. Ze względu na przechowywaną indukcyjnie energię, napięcie na półprzewodnikach szybko rośnie i ogranicznik przebłysków zaczyna przeprowadzać prąd. Aby rozładować indukcyjność linii, napięcie ochronne ogranicznika przebłysków musi być wyższe niż nominalne napięcie sieci. Ponadto należy zapewnić, aby półprzewodniki mocy mogły znieść napięcie ochronne ogranicznika przebłysków. Główną zaletą stałego przerzutnika DC jest jego szybka prędkość przerwania i brak części poruszających się. Ponieważ półprzewodniki mocy są umieszczone w głównej ścieżce przewodzenia, występują straty w stanie przewodzenia.

Rysunek 1:Prosty projekt stałego przerzutnika

Stałe przerzutniki polegają wyłącznie na stałym przełączniku do przeprowadzania nominalnego obciążenia i przerwania prądu. Ponieważ łuk elektryczny jest eliminowany, potrzebna jest inna metoda do rozładowania przechowywanej energii w indukcyjności obwodu. Jest to często osiągane poprzez połączenie równoległe warstwowe varystory (MOV). MOV ma nieliniową charakterystykę napięcie/prąd. Jego opór pozostaje wysoki (efektywnie działając jako otwarty obwód) do momentu, gdy napięcie na nim osiągnie określoną wartość, gdzie jego opór spada, umożliwiając przeprowadzenie prądu przez urządzenie. Kiedy MOV przeprowadza prąd, również utrzymuje napięcie na nieustalonej wartości.
Ten typ urządzenia jest często używany w systemach wysokiego napięcia jako ogranicznik przebłysków i służy również jako urządzenie ochronne dla elementów wrażliwych na napięcie.
Dwie dwustronne topologie stałych przerzutników są pokazane na rysunku 2. Gdy przerzutnik jest zamknięty, oba urządzenia półprzewodnikowe są włączone, umożliwiając przepływ prądu w obu kierunkach. Podczas przerwania prądu oba urządzenia są wyłączone, zmuszając napięcie na urządzeniach do wzrostu, aż MOV zacznie przeprowadzać prąd i utrzymywać napięcie na urządzeniach. Przeprowadzający prąd MOV działa na rozładowanie energii przechowywanej w indukcyjności obwodu.
Chociaż na rysunku 2 (a) przedstawione są IGCT, GTO były również używane w starszych projektach opartych na tej samej topologii obwodowej.

 
Rysunek 2   a) prosty dwukierunkowy stały przerzutnik oparty na IGCT, (b) prosty dwukierunkowy stały przerzutnik oparty na IGBT

Rysunek 3 pokazuje wiele alternatywnych projektów, które stosują ten koncept do systemów średniego napięcia. W tych systemach wiele urządzeń jest połączonych szeregowo, aby zwiększyć całkowitą zdolność nośną napięcia stałego przerzutnika. Diody są również często połączone szeregowo z głównymi przełącznikami odłączającymi, aby poprawić odwrócone blokujące napięcie systemu, ze względu na ograniczoną zdolność odwróconego blokowania istniejących urządzeń, takich jak IGCT i GTO. Obwód pokazany na rysunku 3 (c) zawiera równolegle połączone tłumiki RC, które są wymagane dla systemów opartych na GTO, aby ułatwić wyłączenie urządzeń, oraz zawiera dwie interesujące cechy, które mogą być zastosowane do innych stałych przerzutników. Po pierwsze, zawiera równolegle połączony rezystor, który służy do ograniczania prądu uszkodzeniowego podczas przerwania prądu. W normalnym trybie pracy ten rezystor jest pomijany przez główne przełączniki półprzewodnikowe i dlatego nie przyczynia się do strat w stanie przewodzenia przerzutnika. Po drugie, przełącznik mechaniczny jest połączony szeregowo, aby zapewnić fizyczną izolację.
Pomimo że projekty pokazane w tej sekcji są głównie zaprojektowane dla systemów zasilania przemiennego, powinno być możliwe zastosowanie tych projektów do zastosowań DC z minimalnymi modyfikacjami.

 
Rysunek 3: a) IGCT oparty na średnim napięciu dwukierunkowy stały przerzutnik, (b) IGCT oparty na średnim napięciu dwukierunkowy stały przerzutnik, (c) GTO oparty na dwukierunkowy stały przerzutnik

Uproszczony schemat blokowy stałego przerzutnika pokazany jest na rysunku 4. Stały przerzutnik prądu składa się z szeregu urządzeń półprzewodnikowych, które bezpiecznie obsługują napięcie DC bus. Szybki skoordynowany kontroler odwrotnej czasowej charakterystyki dostarcza sygnał sterujący dla przełączników w przerzutniku, które synchronicznie otwierają i zamykają. Szybki kontroler odwrotnej czasowej charakterystyki otrzymuje komendy ręcznie, od innych przerzutników w sieci lub od szybkich czujników wykrywających lokalne prądy uszkodzeniowe. Kontroler odwrotnej czasowej charakterystyki zapewnia odwrotną kontrolę czasu przerwania dla stanów nadprądu, a także szybkie natychmiastowe przerwanie, jeśli zostanie osiągnięty limit nadprądu. Te parametry operacyjne mogą być dostosowane dla każdego przerzutnika w zależności od jego położenia w sieci, zapewniając uporządkowaną, sekwencyjną odpowiedź na stany uszkodzeniowe.

 
Rysunek 4: Uproszczony schemat systemu typowego stałego przerzutnika MVDC

Stały przerzutnik zapewnia podstawową funkcjonalność kompletnego zestawu przerzutnika, czyli szybką ochronę przed uszkodzeniami i izolację. Kompletny zestaw przerzutnika musi również zapewniać sposób bezpiecznego odłączenia przerzutnika od sieci zasilającej, gdy wymagana jest konserwacja lub serwis.
Wstępny układ dla 8 MW przerzutnika obciążenia jest pokazany na zdjęciu 1. Ten przerzutnik
składa się z sześciu 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) połączonych szeregowo. 8 MW przerzutnik jest
około 23 cale szerokości x 9 cali wysokości  11 cali głębokości i waży około 60 funtów. IGBT są montowane
na chłodzonych wodą aluminiowych płytach chłodzących, które z kolei są montowane na elektrycznie izolującym mechanizmie
ramie. Nie metalowe linie chłodzące są wystarczająco oporne, aby ograniczyć przeciek prądu wzdłuż linii.
To będzie wymagało małego zamkniętego układu chłodzenia i długotrwałej kolumny wymiany jonów, aby utrzymać
oporność wody chłodzącej.
To będzie wymagało małego zamkniętego układu chłodzenia i długotrwałej kolumny wymiany jonów, aby utrzymać oporność wody chłodzącej.
Na zdjęciu 1 przedstawiony jest wstępny układ mechaniczny 10 kV, 8 MW (800 A) przerzutnika IGBT. IGBT są montowane na chłodzonych wodą płytach chłodzących. Nie metalowe linie chłodzące między sąsiednimi płytami chłodzącymi są zaprojektowane, aby stać na pełnym napięciu przełącznika, gdy przełącznik jest otwarty.
Równoległe tablice tych zestawów są używane, aby spełnić ogólne wymagania prądu dla obciążenia.

 
Zdjęcie 1: Wstępny układ mechaniczny 10 kV, 8 MW (800 A) przerzutnika IGBT. IGBT są montowane na chłodzonych wodą płytach chłodzących

Porównaj zalety i wady stałych przerzutników z innymi przerzutnikami:
Podczas gdy stałe przerzutniki mogą osiągać znacznie szybszą prędkość przerwania w porównaniu do konwencjonalnych przerzutników opartych na elektromechanice, jednym z głównych wad stałych przerzutników są ich wysokie straty w stanie przewodzenia. Z oporem kontaktu wynoszącym kilka mikroohm, elektromechaniczne kontakty w klasycznych przerzutnikach wprowadzają zaniedbywalne straty w stanie przewodzenia. W przeciwieństwie do tego, większość urządzeń półprzewodnikowych wprowadza spadek napięcia co najmniej dwóch wolt, więc gdy duży prąd przepływa przez przerzutnik, straty w stanie przewodzenia stałego przerzutnika mogą być znacznie wyższe niż te w klasycznym przerzutniku. Zwiększone straty energetyczne prowadzą również do zwiększenia wymogów chłodzenia. Tradycyjnie duże metalowe grzejniki są używane do pasywnego chłodzenia urządzeń półprzewodnikowych, jednak mogą one wnosić znaczne części do całkowitej wielkości i masy systemu. Pomimo że instalacja aktywnych systemów chłodzenia, takich jak wymuszone powietrze (wentylator) lub chłodzenie cieczą, może pomóc zmniejszyć rozmiar i masę całego systemu, wprowadzają one dodatkowe złożoności, takie jak zwiększone akustyczne sygnatury, straty energetyczne i problemy z utrzymaniem.
Według rysunku 5, wartości są podane w stosunku do najwyższej wartości w grupie.
Dla każdego kryterium małe wartości są uważane za preferowane. Mała powierzchnia, zatem, wskazuje na ogólnie dobrą wydajność koncepcji przełączania.
Na podstawie uzyskanych wyników, stały przerzutnik pokazuje dobrą ogólną wydajność. Dzięki swoim szybkim możliwościom przełączania, czas wyłączenia jest krótki i występują tylko niskie amplitudy prądu. Również niezawodność i złożoność procesu przełączania można uznać za dobre. Jednakże, stały przerzutnik cierpi na wysokie straty, w porównaniu do mechanicznych lub hybrydowych przełączników.
Alternatywna koncepcja z niskimi stratami, średnią względną kosztami i dobrą niezawodnością to przerzutnik mechaniczny z tłumikiem. Również konwencjonalny hybrydowy przerzutnik pokazuje średnią ogólną wydajność. Cierpi on na wysokie amplitudy prądu z powodu przełącznika mechanicznego. Koncepcje pochodzące z systemów HVDC nie mają dobrego wydajności w badanych zakresach napięcia i mocy. Jednak dla wyższych napięć i mocy, ta sytuacja może się zmienić. W końcu, koncepcja czysto mechanicznego przerzutnika jest nadal interesująca dla zastosowań niskiego i niskiego-średniego napięcia, ponieważ jest to jedyna dobrze udokumentowana.

Rysunek 5: Przegląd wszystkich koncepcji przełączania dla przerzutników DC

Tabela 1 podsumowuje cechy czterech technologii przerzutników:
Warto zauważyć, że tabela została przygotowana w 2012 roku.

 
Tabela 1: Podsumowanie technologii przerzutników dla zastosowań niskiej mocy DC