Srednjeročni DC pevni stanje preklopniki Design and future

Kako delujejo srednje napetostne pevne stanje preklopni prelomniki:
Pevni stanje DC prelomnik uporablja močne polprevodnike za prekinitev strmnega toka. Preprosta topologija pevnega stanja DC prelomnika je prikazana na Sliki 1. Štiri diode in IGCT predstavljajo glavno vodilno pot, medtem ko se varovalna naprava uporablja za razpoloženje induktivnosti črte ob napaki. Ko je DC prelomnik preklopljen, se IGCT izklopi. Zaradi shranjene induktivne energije hitro narašča napetost na polprevodnikih in varovalna naprava začne voditi tok. Za razpoloženje induktivnosti črte mora biti zaščitna napetost varovalne naprave višja od nominalne mrežne napetosti. Prav tako je treba zagotoviti, da so močni polprevodniki sposobni zdržati zaščitno napetost varovalne naprave. Glavna prednost pevnega stanja DC prelomnika je njegova hitra preklopna hitrost in pomanjkanje gibanju podvzetih delov. Ker so močni polprevodniki postavljeni v glavni vodilni poti, se pojavijo izgube v stanju priključen.

Slika 1:Preprost dizajn pevne stanje prelomnika

Pevni stanje prelomniki se oslanjajo samo na pevni stanje preklopnik za prenos nominalnega bremena in prekinitev toka. Ker je električni luk eliminiran, je potrebna druga mehanizem za disipacijo shranjene energije v induktivnosti sklopa. To je pogosto doseženo z vzporedno povezanim metal-oxid varistorjem (MOV). MOV ima nelinearno karakteristiko napetosti/toka.
Njegova upornost ostane visoka (učinkovito deluje kot odprt sklop) dokler napetost na njej ne doseže določeno vrednost, kjer pa upornost pada in omogoča tok skozi napravo. Ko vodi, tudi MOV omejuje napetost na konstantno vrednost.
Ta tip naprave se pogosto uporablja v visokonapetostnih sistemih kot varovalna naprava in tudi kot zaščitna naprava za napetostosjetljive komponente.
Dve dvosmerne pevne stanje prelomniki so prikazani na Sliki 2. Ko je prelomnik zaprt, sta oba polprevodnična napravi vklopljeni, kar omogoča tok v obeh smereh. Med prekinanjem toka sta obe napravi izklopljeni, s tem prisilijo napetost na napravah, da narašča, dokler MOV ne začne voditi in omejevati napetost na napravah. Vodenje MOV-a služi za disipacijo energije, shranjene v induktivnosti sklopa.
Čeprav so na Sliki 2 (a) prikazani IGCT, so v starejših dizajnihh, ki temeljijo na isti topologiji, uporabljali tudi GTO.

 
Slika 2   a) IGCT baziran preprost dvosmerni pevni stanje prelomnik, (b) IGBT baziran preprost dvosmerni pevni stanje prelomnik

Slika 3 prikazuje številne alternativne dizajne, ki uporabljajo ta koncept v srednje napetostnih sistemih. V teh sistemih so več naprav povezanih v vrsto, da se poveča skupna trpnost na napetost pevnega stanja prelomnika. Diode so tudi pogosto povezane v vrsto z glavnimi preklopnimi prelomniki, da se izboljša obratna blokirna napetost sistema, zaradi omejene obratne blokirne zmogljivosti obstoječih naprav, kot so IGCT in GTO. Sklop, prikazan na Sliki 3 (c), vključuje vzporedno povezane RC dušilke, ki so potrebne za sisteme na osnovi GTO, da pomagajo pri izklopovanju naprav, in vsebuje tudi dve zanimivi značilnosti, ki bi jih lahko uporabili tudi za druge pevne stanje prelomnike. Prvič, vključuje vzporedno povezan upornik, ki se uporablja za omejevanje napakega toka med prekinanjem toka. V normalnem delovanju je ta upornik premosten glavnimi polprevodničnimi preklopniki in s tem ne prispeva k izgubam v stanju priključen prelomnika. Drugič, je serijalno povezan mehanični preklopnik, ki zagotavlja fizično ločevanje.
Čeprav so dizajni, prikazani v tej sekciji, predvsem zasnovani za AC strujne sisteme, bi moralo biti mogoče te dizajne uporabiti za DC aplikacije z minimalnimi spremembami.

 
Slika 3: a) IGCT baziran srednje napetostni dvosmerni pevni stanje prelomnik, (b) IGCT baziran srednje napetostni dvosmerni pevni stanje prelomnik, (c) GTO baziran dvosmerni pevni stanje prelomnik

Poenostavljena blokna shema pevnega stanja prelomnika je prikazana na Sliki 4. Pevni stanje prekinitveni prelomnik sestavlja serija pevni stanje naprav, da varno obdeluje DC bus napetost. Hitri koordinirani obratni časovni kontroler zagotavlja signal za vratne pogone preklopnikov v prekinitveniku, ki se sinhronizirajo in odpirajo ter zapirajo. Hitri obratni časovni kontroler prejme ukaze bu v ročnem vhodu, od drugih prelomnikov v omrežju ali od hitrih senzorjev, ki zaznajo lokalne napakege toka. Obratni časovni kontroler zagotavlja obratno časovno nadzorno za stanje pretok, in hitri trenutni preklop, če je dosežen mejni pretok. Ti operativni parametri se lahko prilagajajo za vsak prelomnik glede na njegovo lokacijo v omrežju, kar omogoča urejen, zaporeden odgovor na stanje napake.

 
Slika 4: Poenostavljena sistemsko shema tipičnega MVDC pevnega stanja prelomnika

Pevni stanje prekinitveni prelomnik zagotavlja osnovno funkcionalnost celotnega prelomnika, hitro zaščito pred napakama in ločevanje. Celoten prelomnik mora tudi zagotavljati način varnega odpojitve prekinitvenega prelomnika od električnega omrežja, kadar je potrebno vzdrževanje ali storitev.
Predhodni razpored za prekinitveni prelomnik na raven bremena 8 MW je prikazan na fotografiji 1. Ta prekinitveni prelomnik
sastavlja šest 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) povezanih v vrsto. 8 MW prekinitveni prelomnik meri
približno 23” širok x 9” visok  11” globok in tehta približno 60 lb. IGBT-ji so montirani
na vodnima hladilnima aluminijastima hladilnima ploščama, ki so na vrsti montirani na električno izolirano mehansko
okvir. Nemetalske vodne cevi so dovolj uporni, da omejujejo tokov iztekanje skozi cevi.
To bo zahtevalo majhen, zaprt zanki hladilni sistem in dolgoročen ion-smenjalni patron, da se ohranja
upornost hladilne vode.
Na fotografiji 1 je prikazan predhodni mehanski razpored za 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekinitveni prelomnik. IGBT-ji so montirani na vodnima hladilnima ploščama. Nemetalske hladilne cevi med sosednjimi hladilnimi ploščami so zasnovane, da odpovedajo celotno napetost preklopnika, ko je preklopnik odprt.
Paralelni nabori teh sklopov se uporabljajo za zadostitev skupnih zahtev po toku za breme.

 
Fotografija 1: Predhodni mehanski razpored za 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekinitveni prelomnik. IGBT-ji so montirani na vodnima hladilnima ploščama

Kratek primerjava prednosti in slabosti pevne stanje prelomnikov z drugimi prelomniki:
Čeprav pevni stanje prelomniki lahko dosežejo bistveno hitrejšo hitrost preklopa v primerjavi z konvencionalnimi elektromehanskimi prelomniki, ena glavna pomanjkljivost pevne stanje prelomnikov je njihova visoka stopnja izgub v stanju priključen. Z kontaktne upornosti, ki je manjše le nekaj mikroohmov, elektromehanski kontakti v klasičnih prelomnikih uvedejo zanemarljive izgube v stanju priključen. V nasprotju s tem, večina pevne stanje naprav uvede padec napetosti najmanj dve volt, zato, ko velik tok teče skozi prelomnik, izgube v stanju priključen pevne stanje prelomnika lahko znatno presegajo izgube klasičnega prelomnika. Povečane energijske izgube tudi vodijo do povečanih zahtev za hladilne sisteme. Tradicionalno se uporabljajo veliki kovinski hladilniki, da pasivno ohladijo močne polprevodnike, vendar lahko prispevajo k značilnim deležem celotne velikosti in teže sistemov. Čeprav bi namestitev aktivnih hladilnih sistemov, kot so prisiljen zrak (ventilator) ali tekočinsko hladilno, lahko pomagala zmanjšati velikost in težo celotnega sistema, vnesla bi dodatne kompleksnosti, kot so povečani akustični znak, energijske izgube in težave z vzdrževanjem.
Glede na Sliko 5 so vrednosti podane v odnosu do najvišje vrednosti skupine.
Za vsak kriterij se manjše vrednosti smatrajo boljše. Manjša površina tako kaže na dobri celotni učinek koncepta preklopa.
Na podlagi ugotovitev, pevni stanje prelomnik kaže dober celotni učinek. Zaradi svojih hitrih preklopnih zmogljivosti je čas izklopa majhen in se pojavijo le nizki amplitudni tokovi. Tudi zanesljivost in kompleksnost procesa preklopa se lahko smatrajo dobre. Vendar trpi pevni stanje prelomnik zaradi visokih izgub, v primerjavi z mehanskimi ali hibridnimi preklopi.
Alternativni koncept s nizkimi izgubami, srednjimi relativnimi stroški in dobro zanesljivostjo je snubber mehanski prelomnik. Tudi konvencionalni hibridni prelomnik kaže srednji celotni učinek. Trpi zaradi visokih vrhunskih tokov zaradi mehanskega preklopnika. Koncepti, vzeti iz HVDC sistemov, nimajo doberga učinka v preverjanem območju napetosti in moči. Vendar se to lahko spremeni za višje napetosti in moči. Nazadnje, koncept čist mehanski prelomnik ostaja zanimiv za nizke in nizko-srednje napetostne aplikacije, ker je edini dobro dokazan.

Slika 5: Pregled vseh konceptov preklopa za DC prelomnike

Tabela 1 povzema značilnosti štirih tehnologij prelomnikov:
Je treba opozoriti, da je čas priprave te tabele leta 2012.

 
Tabela 1: Povzetek tehnologij prelomnikov za nizkomojne DC aplikacije