Dizajn i budućnost srednjeg naponskog DC čvrstotokovog prekidača

Kako rade srednjenski naponski čvrsti stanje prekidaci:
Čvrsti stanje DC prekidac koristi snage poluprovodnike da prekine struju greške. Jednostavna topologija čvrstog stanja DC prekidaca prikazana je na Slici 1. Četiri diode i IGCT predstavljaju glavni put provođenja, dok se varistor koristi za ispraznjenje induktivnosti linije u slučaju greške. Kada se DC prekidac isključi, IGCT se isključuje. Zbog energije skladištene induktivno, napon preko poluprovodnika brzo raste i varistor počinje da vodi struju. Da bi se ispraznila induktivnost linije, zaštitni napon varistora mora biti veći od nominalnog naponskog nivoa mreže. Takođe, mora se osigurati da poluprovodnici mogu izdržati zaštitni napon varistora. Glavna prednost čvrstog stanja DC prekidaca jeste njegova brza brzina prekida i nedostatak pokretnih delova. Pošto su snage poluprovodnici postavljeni na glavnom putu provođenja, javljaju se gubitci u stanju "on".

Slika 1:Jednostavan dizajn čvrstog stanja prekidaca

Čvrsti stanje prekidaci potpuno se oslanjaju na čvrsti stanje prekidača da nosi nominalnu opterećenje i da prekine struju. Pošto je električna luk izbeđena, potrebna je druga mehanizam da disipira skladisti energiju u induktivnosti kruga. Ovo se često postiže kroz paralelno povezan metalički oksid varistor (MOV). MOV ima nelinearnu karakteristiku napona/struje.
Njegova otpornost ostaje visoka (efektivno djeluje kao otvoreni krug) sve dok napon preko njega ne dostigne određenu vrednost, gdje njegova otpornost pada dopuštajući strujanje kroz uređaj. Kada vodi, MOV takođe ograničava napon preko njega na konstantnu vrednost.
Ovaj tip uređaja često se koristi u visokonskim sistemima kao varistor i takođe se koristi kao zaštitni uređaj za komponente osjetljive na napon.
Dva dvosmjerni čvrsti stanje prekidaci topologije prikazani su na Slici 2. Kada je prekidac zatvoren, oba poluprovodnička uređaja su uključena, dozvoljavajući strujanje u oba smjera. Tijekom prekida struje, oba uređaja su isključena, prisiljavajući napon preko uređaja da raste dok MOV ne počne da vodi i ograničava napon preko uređaja. Vodeći MOV djeluje da disipira energiju skladisti unutar induktivnosti kruga.
Iako su IGCT prikazani na Slici 2 (a), GTO-ovi su takođe bili korišteni u starijim dizajnima baziranim na istoj topologiji kruga.

 
Slika 2   a) IGCT baziran jednostavan dvosmjerni čvrsti stanje prekidac, (b) IGBT baziran jednostavan dvosmjerni čvrsti stanje prekidac

Slika 3 prikazuje brojne alternative dizajna koji primjenjuju ovaj koncept na srednjonaponske sisteme. U tim sistemima, više uređaja je povezano nizom kako bi se povećala ukupna sposobnost izdržavanja naponova čvrstog stanja prekidaca. Diode su takođe često povezane nizom s glavnim prekidačima kako bi se poboljšao obrnut blok napon sistema, zbog ograničene sposobnosti obrnutog blokiranja postojećih uređaja poput IGCT i GTO. Krug prikazan na Slici 3 (c) uključuje paralelno povezane RC snubber-e koji su potrebni za GTO bazirane sisteme kako bi pomogli isključivanju uređaja, i takođe sadrže dve zanimljive karakteristike koje bi se mogle primijeniti na druge čvrste stanje prekidace. Prvo, uključuje paralelno povezan otpornik koji se koristi za ograničavanje greške struje tijekom prekida struje. Tijekom normalne operacije, ovaj otpornik je iskraćen glavnim poluprovodničkim prekidačima i stoga ne doprinosi gubitcima u stanju "on" prekidaca. Drugo, mehanički prekidac je povezan nizom kako bi pružio fizičku izolaciju.
Iako su dizajni prikazani u ovom odeljku uglavnom dizajnirani za AC strujne sisteme, trebalo bi biti moguće primijeniti ove dizajne na DC aplikacije sa minimalnim modifikacijama.

 
Slika 3: a) IGCT baziran srednjonaponski dvosmjerni čvrsti stanje prekidac, (b) IGCT baziran srednjonaponski dvosmjerni čvrsti stanje prekidac, (c) GTO baziran dvosmjerni čvrsti stanje prekidac

Uproscen dijagram blokova čvrstog stanja prekidaca prikazan je na Slici 4. Čvrsti stanje prekidac struje sastoji se od serije čvrstih stanja uređaja kako bi sigurno upravljao naponom DC bus-a. Brzi koordinirani inverzni-vremenski kontroler pruža signal za ulazne vrata prekidača u prekidacu koji sinhronizovano otvaraju i zatvaraju. Brzi inverzni-vremenski kontroler prima naredbe ili ručno, od drugih prekidaca u mreži, ili od brzih senzora koji otkrivaju lokalne greške struje. Inverzni-vremenski kontroler pruža inverzni kontrolu vremena prekida za stanja prekomjerne struje, i brzi trenutni prekid ako se doseže granica prekomjerne struje. Ovi operativni parametri mogu se prilagoditi svakom prekidacu u zavisnosti od njegovog položaja u mreži, pružajući redovit, sekvencirani odgovor na uslove grešaka.

 
Slika 4: Uproscen dijagram sistema tipičnog MVDC čvrstog stanja prekidaca

Čvrsti stanje prekidac struje pruža glavnu funkcionalnost kompletnog skupa prekidaca brza zaštita od grešaka i izolacija. Kompletni skup prekidaca mora takođe pružiti način sigurnog odspajanja prekidaca struje od strujne mreže kada je potrebno održavanje ili servis.
Preliminarni raspored za 8 MW nivo opterećenja prekidaca struje prikazan je na slici 1. Ovaj prekidac struje
sastoji se od šest 4,500 V IGBT-a (CM900HB-66H) povezanih nizom. 8 MW prekidac struje je
otprilike 23” širok x 9” visok  11” dubok i teži otprilike 60 lb. IGBT-ovi su montirani
na hladne aluminijumske ploče, koje su, na svoj red, montirane na električki izolovanu mehaničku
okvir. Nemetaličke vodove su dovoljno otporne da ograniče struju koja curenja dolje linijama.
To će zahtevati malo, zatvoreni krug hlađenja i dugotrajnu ion-smenjiva patrona da održi
rezistivnost hladne vode.
To će zahtevati malo, zatvoreni krug hlađenja i dugotrajnu ion-smenjiva patrona da održi rezistivnost hladne vode.
Na slici 1 prikazan je preliminarni mehanički raspored 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekidaca struje. IGBT-ovi su montirani na hladne ploče. Nemetaličke hladne linije između susjednih hladnih ploča su dizajnirane da stoje na punom naponu prekidača kada je prekidač otvoren.
Paralelni nizovi ovih sklopova koriste se da ispune ukupne zahtjeve za strujom za opterećenje.

 
Slika 1: Preliminarni mehanički raspored 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekidaca struje. IGBT-ovi su montirani na hladne ploče

Uporedite prednosti i nedostatke čvrstog stanja prekidaca struje s drugim prekidacima struje kratko:
Iako čvrsti stanje prekidaci struje mogu postići znatno bržu brzinu prekida u poređenju s konvencionalnim elektromehaničkim prekidacima, jedan glavni nedostatak čvrstih stanja prekidaca je njihovi visoki gubitci u stanju "on". Sa kontaktom otpornosti manjom od nekoliko mikro-ohma, elektromehanički kontakti u klasičnim prekidacima struje uvode zanemarive gubitke u stanju "on". Na suprotnu stranu, većina čvrstih stanja uređaja uvođenje pad napona najmanje dva volta, dakle, kada velika struja prođe kroz prekidac, gubitci u stanju "on" čvrstog stanja prekidaca struje mogu biti značajno veći nego kod klasičnog prekidaca struje. Povećani gubitak energije takođe dovodi do povećanih zahtjeva za hlađenjem. Tradicionalno, veliki metalni hladnjaci koriste se za pasivno hlađenje snaga poluprovodnika, ali oni mogu doprineti značajnim dijelovima ukupne veličine i težine sistema. Dok bi instalacija aktivnih sistema hlađenja, poput prisilnog zraka (ventilator) ili tekućeg hlađenja, mogla pomoći u smanjenju veličine i težine ukupnog sistema, oni uvođenje dodatnih složenosti, poput povećanog akustičkog oznake, gubitaka energije i problema održavanja.
Prema slici 5, vrednosti su date u odnosu na najveću vrednost po grupi.
Za svaki kriterijum, male vrednosti se smatraju preferentnijim. Mala površina, dakle, ukazuje na opšte dobro performanse koncepta prekidanja.
Na osnovu nalaza, čvrsti stanje prekidac struje pokazuje dobre opšte performanse. Zbog svojih brzih mogućnosti prekidanja, vreme isključivanja je mali i samo niske amplitude struje se javljaju. Takođe, pouzdanost i složenost procesa prekidanja može se smatrati dobre. Međutim, čvrsti stanje prekidac struje trpi visoke gubitke, u poređenju sa mehaničkim ili hibridnim prekidacima.
Alternativni koncept s niskim gubitcima, srednjim relativnim troškovima i dobrim pouzdanosti jeste snubber mehanički prekidac. Takođe, konvencionalni hibridni prekidac pokazuje opšte srednje performanse. Trpi visoke vrhunske struje zbog mehaničkog prekidaca. Koncepti uzeti iz HVDC sistema nemaju dobre performanse unutar istraživanih nivoa napona i snage. Međutim, za više napone i snage, to bi se moglo promijeniti. Konačno, koncept čistog mehaničkog prekidaca još uvijek je zanimljiv za niske i nisko-srednje naponske aplikacije, budući da je to jedini dobro dokazani.

Slika 5: Pregled svih koncepta prekidanja za DC prekidace struje

Tabela 1 sumira karakteristike četiri tehnologije prekidaca struje:
Treba napomenuti da je vrijeme pripreme ove tabele 2012. godine.

 
Tabela 1: Sažetak tehnologija prekidaca struje za niske snage DC aplikacije