การออกแบบและอนาคตของตัวตัดวงจรแบบโซลิดสเตทสำหรับไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันกลาง

การทำงานของตัวตัดวงจรแรงดันกลางแบบเซมิคอนดักเตอร์:
ตัวตัดวงจรกระแสตรงแบบเซมิคอนดักเตอร์ใช้กำลังเซมิคอนดักเตอร์เพื่อขัดขวางกระแสที่ผิดปกติ โครงสร้างพื้นฐานของตัวตัดวงจรกระแสตรงแบบเซมิคอนดักเตอร์แสดงในรูปที่ 1 สี่ไดโอดและ IGCT แทนเส้นทางการนำกระแสหลัก ในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูงใช้ในการปล่อยพลังงานจากความเหนี่ยวนำของสายเมื่อมีความผิดปกติ เมื่อตัวตัดวงจรกระแสตรงถูกเปิด IGCT จะถูกปิด ด้วยพลังงานที่เก็บสะสมอยู่ในความเหนี่ยวนำ แรงดันที่ขวางระหว่างเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และอุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูงจะเริ่มนำกระแส ในการปล่อยพลังงานจากความเหนี่ยวนำของสาย แรงดันป้องกันของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูงต้องสูงกว่าแรงดันกริดปกติ นอกจากนี้ยังต้องแน่ใจว่าเซมิคอนดักเตอร์สามารถทนทานต่อแรงดันป้องกันของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูงได้ ข้อดีหลักของตัวตัดวงจรกระแสตรงแบบเซมิคอนดักเตอร์คือความเร็วในการขัดขวางที่รวดเร็วและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์ถูกวางไว้ในเส้นทางการนำกระแสหลัก จึงเกิดการสูญเสียพลังงานขณะทำงาน

รูปที่ 1: การออกแบบพื้นฐานของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์

ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์พึ่งพาสวิตช์แบบเซมิคอนดักเตอร์เพียงอย่างเดียวในการนำโหลดปกติและการขัดขวางกระแส เนื่องจากการอาร์คไฟฟ้าถูกกำจัด กลไกอื่น ๆ จำเป็นต้องใช้ในการกระจายพลังงานที่เก็บสะสมอยู่ในความเหนี่ยวนำของวงจร ซึ่งมักทำได้โดยการเชื่อมต่ออุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูงแบบโลหะออกไซด์ (MOV) ขนานกับวงจร MOV มีคุณสมบัติแรงดัน/กระแสที่ไม่เชิงเส้น การต้านทานของมันจะคงอยู่ในระดับสูง (เสมือนวงจรเปิด) จนกระทั่งแรงดันที่ขวางมันถึงค่าหนึ่ง ซึ่งการต้านทานของมันจะลดลงและอนุญาตให้มีการนำกระแสผ่านอุปกรณ์ เมื่อนำกระแส MOV จะควบคุมแรงดันที่ขวางมันให้อยู่ในค่าคงที่
อุปกรณ์ประเภทนี้มักใช้ในระบบแรงดันสูงในฐานะอุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูง และยังใช้เป็นอุปกรณ์ป้องกันสำหรับคอมโพเนนต์ที่ไวต่อแรงดัน สองทอพอโลยีของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางแสดงในรูปที่ 2 เมื่อสวิตช์ปิด ทั้งสองอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะเปิด อนุญาตให้มีการไหลของกระแสในทั้งสองทิศทาง ในระหว่างการขัดขวางกระแส ทั้งสองอุปกรณ์จะปิด ทำให้แรงดันที่ขวางอุปกรณ์เพิ่มขึ้นจนกระทั่ง MOV เริ่มนำกระแสและควบคุมแรงดันที่ขวางอุปกรณ์ MOV ที่นำกระแสจะทำหน้าที่ในการกระจายพลังงานที่เก็บสะสมอยู่ในความเหนี่ยวนำของวงจร
แม้ว่า IGCT จะแสดงในรูปที่ 2 (a) GTOs ก็ได้ถูกใช้ในการออกแบบเก่า ๆ บนวงจรที่มีโครงสร้างเดียวกัน

 
รูปที่ 2   a) ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางบนพื้นฐานของ IGCT, (b) ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางบนพื้นฐานของ IGBT

รูปที่ 3 แสดงการออกแบบทางเลือกหลายแบบที่ใช้แนวคิดนี้ในระบบแรงดันกลาง ในระบบนี้ อุปกรณ์หลายตัวถูกเชื่อมต่อขนานเพื่อเพิ่มความสามารถในการทนทานต่อแรงดันรวมของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ ไดโอดมักถูกเชื่อมต่อขนานกับสวิตช์หลักในการตัดวงจรเพื่อปรับปรุงแรงดันป้อนกลับในทิศทางตรงข้ามของระบบ เนื่องจากความสามารถในการป้อนกลับในทิศทางตรงข้ามของอุปกรณ์ที่มีอยู่ เช่น IGCT และ GTO จำกัด วงจรที่แสดงในรูปที่ 3 (c) ประกอบด้วย RC snubber ที่เชื่อมต่อขนานซึ่งจำเป็นสำหรับระบบบนพื้นฐานของ GTO เพื่อช่วยในการปิดอุปกรณ์ และยังมีสองคุณสมบัติที่น่าสนใจที่อาจนำไปใช้กับตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ประการแรก ประกอบด้วยตัวต้านทานที่เชื่อมต่อขนานซึ่งใช้ในการจำกัดกระแสที่ผิดปกติในระหว่างการขัดขวางกระแส ในการทำงานปกติ ตัวต้านทานนี้ถูกป้อนเข้าไปโดยสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์หลักและไม่ส่งผลต่อการสูญเสียพลังงานขณะทำงานของตัวตัดวงจร ประการที่สอง สวิตช์กลไกถูกเชื่อมต่อขนานเพื่อให้การแยกทางกายภาพ
แม้ว่าการออกแบบที่แสดงในส่วนนี้จะออกแบบมาสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ควรสามารถใช้การออกแบบเหล่านี้กับแอปพลิเคชันกระแสตรงด้วยการแก้ไขขั้นต่ำ

 
รูปที่ 3: a) ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางบนพื้นฐานของ IGCT, (b) ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางบนพื้นฐานของ IGCT, (c) ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถนำกระแสได้ทั้งสองทิศทางบนพื้นฐานของ GTO

แผนภาพบล็อกที่ลดรูปของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์แสดงในรูปที่ 4 ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยสายโซ่ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อรับแรงดัน DC bus ได้อย่างปลอดภัย ตัวควบคุมเวลาแบบเร็วที่ประสานงานให้สัญญาณควบคุมประตูสำหรับสวิตช์ในตัวตัดวงจรซึ่งเปิดและปิดพร้อมกัน ตัวควบคุมเวลาแบบเร็วรับคำสั่งจากอินพุตแบบแมนนวล จากตัวตัดวงจรในเครือข่าย หรือจากเซ็นเซอร์ที่ตรวจจับกระแสที่ผิดปกติในท้องถิ่น ตัวควบคุมเวลาแบบเร็วให้การควบคุมเวลาการทริปแบบผกผันสำหรับสถานะกระแสเกิน และการทริปแบบทันทีหากกระแสเกินถึงขีดจำกัด ค่าพารามิเตอร์การทำงานเหล่านี้สามารถปรับได้ตามแต่ละตัวตัดวงจรขึ้นอยู่กับตำแหน่งในเครือข่าย ให้การตอบสนองที่เรียงลำดับและเป็นระเบียบต่อสภาพความผิดปกติ

 
รูปที่ 4: แผนภาพระบบที่ลดรูปของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์แรงดันกลางแบบกระแสตรง

ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์ให้ฟังก์ชันการทำงานหลักของชุดตัวตัดวงจรที่ครบถ้วน คือการป้องกันความผิดปกติอย่างรวดเร็วและการแยกทางกายภาพ ชุดตัวตัดวงจรที่ครบถ้วนยังต้องให้วิธีการในการแยกตัวตัดวงจรออกจากเครือข่ายไฟฟ้าอย่างปลอดภัยเมื่อต้องการบำรุงรักษาหรือบริการ
ภาพร่างเบื้องต้นสำหรับตัวตัดวงจรระดับโหลด 8 MW แสดงในรูปที่ 1 ตัวตัดวงจรนี้
ประกอบด้วย IGBTs 6 ตัว แรงดัน 4,500 V (CM900HB-66H) ที่เชื่อมต่อขนาน ตัวตัดวงจร 8 MW นี้
กว้างประมาณ 23 นิ้ว x สูง 9 นิ้ว x ลึก 11 นิ้ว และน้ำหนักประมาณ 60 ปอนด์ IGBTs ถูกติดตั้ง
บนแผ่นอลูมิเนียมที่มีระบบทำความเย็นด้วยน้ำ ซึ่งติดตั้งบนเฟรมกลไกที่ฉนวนไฟฟ้า ท่อทำความเย็นที่ไม่ใช่โลหะมีความต้านทานเพียงพอที่จะจำกัดการรั่วไหลของกระแสลงท่อ ซึ่งจะต้องใช้ระบบทำความเย็นแบบวงจรป้อนกลับขนาดเล็กและตลับแลกเปลี่ยนไอออนที่มีอายุการใช้งานยาวนานเพื่อรักษาความต้านทานของน้ำทำความเย็น
ในรูปที่ 1 แสดงภาพร่างเบื้องต้นของการวางอุปกรณ์ IGBT สำหรับตัวตัดวงจร 10 kV, 8 MW (800 A) IGBTs ถูกติดตั้งบนแผ่นทำความเย็นด้วยน้ำ ท่อทำความเย็นที่ไม่ใช่โลหะระหว่างแผ่นทำความเย็นถูกออกแบบให้สามารถทนทานต่อแรงดันเต็มของสวิตช์เมื่อสวิตช์เปิด
อาร์เรย์ขนานของชุดอุปกรณ์เหล่านี้ถูกใช้เพื่อตอบสนองความต้องการกระแสรวมสำหรับโหลด

 
รูปที่ 1: ภาพร่างเบื้องต้นของการวางอุปกรณ์ IGBT สำหรับตัวตัดวงจร 10 kV, 8 MW (800 A) IGBTs ถูกติดตั้งบนแผ่นทำความเย็นด้วยน้ำ

เปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์กับตัวตัดวงจรชนิดอื่น ๆ โดยสั้น:
แม้ว่าตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์จะสามารถบรรลุความเร็วในการขัดขวางที่เร็วกว่าตัวตัดวงจรแบบอิเล็กโทร-กลไกที่ใช้ทั่วไป แต่ข้อเสียสำคัญของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์คือการสูญเสียพลังงานขณะทำงานสูง ด้วยความต้านทานติดต่อที่น้อยเพียงไม่กี่ไมโครโอห์ม ตัวติดต่อแบบอิเล็กโทร-กลไกในตัวตัดวงจรแบบคลาสสิกจะมีการสูญเสียพลังงานขณะทำงานน้อยมาก ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่จะมีแรงดันตกคร่อมอย่างน้อย 2 โวลต์ ดังนั้นเมื่อมีกระแสสูงผ่านตัวตัดวงจร การสูญเสียพลังงานขณะทำงานของตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์สามารถสูงกว่าตัวตัดวงจรแบบคลาสสิกอย่างมาก การสูญเสียพลังงานที่เพิ่มขึ้นยังนำไปสู่ความต้องการในการทำความเย็นที่เพิ่มขึ้น ทั้งนี้ ฮีทซิงก์โลหะขนาดใหญ่ถูกใช้ในการทำความเย็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบพาสซีฟ แต่ฮีทซิงก์เหล่านี้สามารถส่งผลต่อขนาดและน้ำหนักรวมของระบบ แม้ว่าการติดตั้งระบบทำความเย็นแบบแอคทีฟ เช่น ลมบังคับ (พัดลม) หรือการทำความเย็นด้วยของเหลว อาจช่วยลดขนาดและน้ำหนักรวมของระบบ แต่ก็ส่งผลต่อความซับซ้อนเพิ่มเติม เช่น การส่งเสียงรบกวน การสูญเสียพลังงาน และปัญหาการบำรุงรักษา
ตามรูปที่ 5 ค่าที่กำหนดให้ในสัดส่วนกับค่าสูงสุดในแต่ละกลุ่ม
สำหรับแต่ละเกณฑ์ ค่าที่น้อยถือว่าดีกว่า ดังนั้น พื้นที่ที่น้อยจะหมายถึงประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีของแนวคิดการสวิตช์
ตามผลที่พบ ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์แสดงประสิทธิภาพโดยรวมที่ดี ด้วยความสามารถในการสวิตช์ที่รวดเร็ว ระยะเวลาการปิดสวิตช์น้อยและมีกระแสสูงน้อย นอกจากนี้ ความน่าเชื่อถือและความซับซ้อนของการสวิตช์สามารถถือว่าดี อย่างไรก็ตาม ตัวตัดวงจรแบบเซมิคอนดักเตอร์มีการสูญเสียพลังงานสูงเมื่อเทียบกับสวิตช์แบบกลไกหรือไฮบริด
แนวคิดทางเลือกที่มีการสูญเสียพลังงานต่ำ ต้นทุนสัมพัทธ์ปานกลาง และความน่าเชื่อถือดีคือตัวตัดวงจรแบบกลไกที่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันสูง (snubber) นอกจากนี้ ตัวตัดวงจรแบบไฮบริดแบบทั่วไปแสดงประสิทธิภาพโดยรวมที่ปานกลาง มีกระแสสูงเนื่องจากสวิตช์แบบกลไก แนวคิดที่มาจากระบบ HVDC ไม่มีประสิทธิภาพดีในระดับแรงดันและกำลังที่สำรวจ อย่างไรก็ตาม สำหรับแรงดันและกำลังที่สูงขึ้น อาจมีการเปลี่ยนแปลง ท้ายที่สุด แนวคิดของตัวตัดวงจรแบบกลไกบริสุทธิ์ยังน่าสนใจสำหรับการใช้งานในระบบแรงดันต่ำและต่ำ-ปานกลาง เนื่องจากเป็นแนวคิดที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

รูปที่ 5: ภาพรวมของแนวคิดการสวิตช์ทั้งหมดสำหรับตัวตัดวงจรกระแสตรง

ตารางที่ 1 สรุปคุณลักษณะของเทคโนโลยีตัวตัดวงจร 4 ประเภท:
ควรทราบว่าตารางนี้ถูกเตรียมในปี 2012

 
ตารางที่ 1: สรุปเทคโนโลยีตัวตัดวงจรสำหรับการใช้งานกระแสตรงกำลังต่ำ