Orta Gerilimli DC Katı Hal Devre Kesicileri Tasarım ve gelecek

Orta gerilim katı hal devre kesicileri nasıl çalışır:
Katı hal DC devre kesicisi, güç yarıiletkenlerini kullanarak arızalı akımı keser. Katı hal DC devre kesicisinin basit bir topolojisi Şekil 1'de gösterilmiştir. Dört diyot ve bir IGCT ana iletim yolunu temsil ederken, ani dalga absorberi, arıza durumunda hat endüktansını boşaltmak için kullanılır. DC devre kesicisi tetiklendiğinde, IGCT kapalı hale getirilir. Endüktif olarak depolanan enerji nedeniyle, yarıiletkenlerdeki gerilim hızlıca yükselir ve ani dalga absorberi akım geçirmeye başlar. Hat endüktansını boşaltabilmek için, ani dalga absorberinin koruma gerilimi nominal şebeke geriliminden yüksek olmalıdır. Ayrıca, güç yarıiletkenlerinin ani dalga absorberinin koruma gerilimini dayanabilecek olması gerekir. Katı hal DC devre kesicisinin en önemli avantajı, hızlı kesme hızı ve hareketli parçaların olmamasıdır. Güç yarıiletkenlerinin ana iletim yolu üzerinde yerleştirilmesi nedeniyle, devre halinde kayıplar oluşur.

Şekil 1: Katı hal devre kesicisinin basit tasarımı

Katı hal devre kesicileri, nominal yükü taşımak ve akımı kesmek için sadece katı hal anahtarıya bağlıdır. Elektrik arkının ortadan kaldırılması nedeniyle, devre endüktansındaki depolanan enerjiyi dağıtmak için başka bir mekanizma gereklidir. Bu genellikle paralel bağlantılı bir metal oksit varistör (MOV) aracılığıyla sağlanır. MOV'nin gerilim/akım karakteristiği doğrusaldır.
Direnci, onun üstündeki gerilim belirli bir değere ulaşana kadar yüksek kalır (etkili bir şekilde açık devre gibi davranır), bu noktada direnci düşer ve cihazdan akım geçirmeye başlar. Akım geçirirken, MOV aynı zamanda onun üstündeki gerilimi sabit bir değerde tutar.
Bu tür cihaz, yüksek gerilim sistemlerinde ani dalga absorberi olarak sıkça kullanılır ve ayrıca gerilime duyarlı bileşenler için koruma cihazı olarak da kullanılır.
İki çift yönlü katı hal devre kesicisi topolojisi Şekil 2'de gösterilmiştir. Kesici kapalı olduğunda, her iki yarıiletken cihaz da açılır, her iki yönde de akım akmasına izin verir. Akım kesme sırasında, her iki cihaz da kapatılır, cihazların üstündeki gerilimin yükselmeye devam etmesine neden olur ve MOV akım geçirmeye ve cihazların üstündeki gerilimi sabitlemeye başlar. Akım geçirirken, MOV devre endüktansındaki depolanan enerjiyi dağıtır.
Şekil 2 (a) IGCT'leri gösterirken, GTO'lar aynı devre topolojisine dayalı eski tasarımlarda da kullanılmıştır.

 
Şekil 2   a) IGCT tabanlı basit çift yönlü katı hal devre kesicisi, (b) IGBT tabanlı basit çift yönlü katı hal devre kesicisi

Şekil 3, bu kavramı orta gerilim sistemlerine uygulayan birkaç alternatif tasarım göstermektedir. Bu sistemlerde, toplam gerilim dayanıklılığını artırmak için birden fazla cihaz serile bağlanır. Mevcut cihazların sınırlı ters bloklama yeteneği nedeniyle, ana kesme anahtarları ile seri bağlı diotlar, sistemin ters blok gerilimini artırmak için de kullanılır. Şekil 3 (c) devresi, cihazların kapanmasını yardımcı olmak için GTO tabanlı sistemlerde gerekli olan paralel bağlantılı RC snubberleri içerir ve diğer katı hal devre kesicilerine uygulanabilecek iki ilginç özelliği de içerir. İlk olarak, akım kesme sırasında arıza akımını sınırlamak için kullanılan paralel bağlantılı bir direnç içerir. Normal işlem sırasında, bu direnç ana yarıiletken anahtarlar tarafından kısa devre edilir ve bu nedenle kesicinin devredeki kayıplarına katkıda bulunmaz. İkinci olarak, fiziksel yalıtımı sağlamak için serile bir mekanik anahtar bağlanır.
Bu bölümde gösterilen tasarımlar, çoğunlukla AC güç sistemleri için tasarlanmış olsa da, bu tasarımların DC uygulamalarına küçük değişikliklerle uygulanabileceği düşünülmektedir.

 
Şekil 3: a) IGCT tabanlı orta gerilim çift yönlü katı hal devre kesicisi, (b) IGCT tabanlı orta gerilim çift yönlü katı hal devre kesicisi, (c) GTO tabanlı çift yönlü katı hal devre kesicisi

Katı hal devre kesicisinin basitleştirilmiş blok diyagramı Şekil 4'te gösterilmiştir. Katı hal akım kesicisi, DC otobüsü gerilimini güvenli bir şekilde ele almak için bir dizi katı hal cihazdan oluşur. Hızlı koordineli ters zaman kontrolörü, kesicideki anahtarlara kapı sürücü sinyali sağlar ve senkronize olarak açıp kapatır. Hızlı ters zaman kontrolörü, manuel girişten, ağdaki diğer kesicilerden veya yerel arıza akımlarını algılayıcılardan komut alır. Ters zaman kontrolörü, aşırı akım durumları için ters zaman kontrolü sağlar ve aşırı akım limiti aşıldığında hızlı anlık bir kesme yapar. Bu operasyonel parametreler, her bir kesicinin ağdaki konumuna bağlı olarak ayarlanabilir, böylece arıza koşullarına düzenli, sıralı bir yanıt sağlar.

 
Şekil 4: Tipik MVDC katı hal devre kesicisinin basitleştirilmiş sistem diyagramı

Katı hal kesici, tam bir devre kesici montajının hızlı arıza koruması ve yalıtımı işlevini sağlar. Tam devre kesici montajı, bakım veya servis gerektirdiğinde kesicinin güç ağından güvenli bir şekilde ayrılmasını sağlaması gerekir.
Bir 8 MW yük seviyesi devre kesicisi için ön plan çizgesi Fotoğraf 1'de gösterilmiştir. Bu kesici
altı 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) cihazın serile bağlanmasıyla oluşmaktadır. 8 MW kesici yaklaşık 23 inç genişliğinde x 9 inç yüksekliğinde  11 inç derinliğindedir ve yaklaşık 60 lb ağırlığındadır. IGBT'ler su soğutmalı alüminyum soğutma plakalarına monte edilmiştir, bunlar ise elektriksel yalıtkan mekanik çerçeveye monte edilmiştir. Metallik olmayan su hatları, hat boyunca akım sızıntısını sınırlamak için yeterince dirençlidir. Bu, küçük, kapalı döngülü bir soğutma sistemi ve soğutma suyunun rezistivitesini korumak için uzun ömürlü bir iyon değiştirme kartuşu gerektirecektir. Fotoğraf 1, 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT kesicinin ön plan çizgesini göstermektedir. IGBT'ler su soğutmalı soğutma plakalarına monte edilmiştir. Komşu soğutma plakaları arasındaki metalleşmiş olmayan soğutma hatları, anahtar açık olduğunda tam anahtar voltajını dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Paralel dizileri, yükün toplam akım gereksinimlerini karşılamak için kullanılır.

 
Fotoğraf 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT kesicinin ön plan çizgesi. IGBT'ler su soğutmalı soğutma plakalarına monte edilmiştir

Katı hal devre kesicilerini diğer devre kesicileriyle kıyasla kısaca avantaj ve dezavantajlarını karşılaştırın:
Katı hal devre kesicileri, geleneksel elektromekanik tabanlı devre kesicilere kıyasla çok daha hızlı kesme hızına sahip olabilir, ancak katı hal kesicilerin en büyük dezavantajı yüksek devredeki kayıplarıdır. Mikro ohm düzeyinde küçük temas direnci ile, geleneksel devre kesicilerindeki elektromekanik kontaklar, ihmal edilebilir derecede düşük devredeki kayıplara sahiptir. Buna karşılık, çoğu katı hal cihaz en az iki volt gerilim düşümü oluşturur, bu nedenle büyük bir akım kesiciden geçtiğinde, katı hal devre kesicisinin devredeki kayıpları, geleneksel devre kesicilerine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek olabilir. Artan enerji kaybı, soğutmanın artan gerekliliklerine de yol açar. Geleneksel olarak, büyük metalleşmiş ısısal iletkenler, pasif olarak güç yarıiletken cihazlarını soğutmak için kullanılır, ancak bu, sistemlerin genel boyut ve ağırlığına önemli katkılar sunabilir. Aktif soğutma sistemlerinin, zorla hava (fan) veya sıvı soğutma gibi kurulumu, genel sistem boyutunu ve ağırlığını azaltmaya yardımcı olabilir, ancak bu, artan ses imzası, enerji kaybı ve bakım sorunları gibi ek karmaşıklıklara neden olabilir. Şekil 5'e göre, değerler, her grup için en yüksek değere göre verilmiştir. Her kriter için, küçük değerler tercih edilir. Küçük alan, dolayısıyla bir anahtarlama kavramının genel olarak iyi bir performansı olduğunu gösterir. Elde edilen sonuçlara göre, katı hal devre kesicisi genel olarak iyi bir performans gösterir. Hızlı anahtarlama yetenekleri nedeniyle, kapanma süresi kısa ve düşük akım genlikleri oluşur. Ayrıca, anahtarlama sürecinin güvenilirliği ve karmaşıklığı iyi kabul edilebilir. Ancak, katı hal kesicisi, mekanik veya hibrit anahtarlara kıyasla yüksek kayıplara sahiptir. Düşük kayıplar, orta düzeyde maliyetler ve iyi güvenilirliğe sahip alternatif bir kavram, snubber mekanik kesicidir. Ayrıca, geleneksel hibrit kesiciler genel olarak orta düzeyde performans gösterir. Mekanik anahtardan dolayı yüksek tepe akımlarından muzdarip olurlar. HVDC sistemlerinden alınan kavramlar, incelenen gerilim ve güç seviyelerinde iyi bir performans göstermez. Ancak, daha yüksek gerilimler ve güçler için bu durum değişebilir. Son olarak, saf mekanik kesici kavramı, düşük ve düşük-orta gerilim uygulamaları için hala ilgi çekicidir, çünkü bu tek kanıtlanmış olanıdır.

Şekil 5: DC devre kesicileri için tüm anahtarlama kavramlarının genel bakışı

Tablo 1, dört devre kesici teknolojisinin özelliklerini özetlemektedir:
Bu tablonun hazırlanma zamanının 2012 yılı olduğu unutulmamalıdır.

 
Tablo 1: Düşük güç DC uygulamaları için devre kesicileri teknolojilerinin özeti