Как удовлетворить большие потребности будущих силовых электрических судовых установок, радаров, вооружений, учитывая размеры и вес требуемых стандартных генераторов переменного тока и трансформаторов? Решением задачи видится применение систем — эффективные компактные твердотельные выключатели среднего напряжения (10-20 кВ) постоянного тока. Рассмотрим архитектуру устройства оглядкой на информацию «Diversified Technologies, Inc».
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Первопричины внимания к твердотельным выключателям
Прибор класса 10 — 20 кВ видится технологичным прорывом в области цепей питания напряжением средней величины. Устройство обеспечивает чрезвычайно быструю блокировку повреждения, низкие токовые пики, гибкую программируемую координацию, механическую изоляцию. Это ключ надежной и безопасной эксплуатации электрических систем.
Распределение мощности по линиям СНПТ активно исследуется разработчиками энергосистем по нескольким причинам. Во-первых, военно-морские и гражданские суда приводятся в действие:
- силовыми,
- радиолокационными,
- оружейными системами,
требующими питания постоянным напряжением. При этом совокупные габариты и вес всех рабочих стандартных генераторов переменного тока и трансформаторов явно ограничены. Во-вторых, ожидается, что электропитание в перспективе обеспечат преобразователи энергии, способные интегрировать ряд альтернативных источников и систем хранения, включая:
- энергию ветра;
- солнечную энергию;
- аккумуляторы и маховики, с диапазоном напряжений, частот и уровней мощности.
Каналы постоянного тока идеально подходят для такого рода интеграции, но эти каналы нельзя безопасно развернуть без эффективных твердотельных автоматических выключателей. В конечном счёте, гибкость систем распределения электроэнергии постоянного тока обещает расширить возможности коммерческих и военно-морских энергетических систем.
Твердотельные автоматические выключатели рассматриваются ключевой технологией для распределения питания. Эти устройства способны блокировать систему при полной нагрузке в микросекундных временных масштабах. В результате токовая составляющая короткого замыкания лишь в несколько раз превышают номинальный параметр нагрузки.
Прежде использование питания постоянным напряжением отмечалось сложностями по причине отсутствия подходящих высоковольтных автоматических выключателей постоянного тока. Теперь требованиям электроустановок доступно соответствие, если использовать быстродействующие твердотельные высоковольтные выключатели.
Твердотельные выключатели — высоковольтные переключатели
Высоковольтные твердотельные переключатели из серии разработок «Diversified Technologies, Inc» представляют собой последовательные массивы полупроводниковых устройств, работающих как один переключатель.
Концепция достаточно проста, но выполнение требует тщательной синхронизации элементов управления затвором и отведения паразитной энергии, чтобы обеспечивались надежная работа и продолжительный срок службы коммутатора.
Такие массивы могут выстраиваться из нескольких типов полупроводниковых приборов. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) часто рассматривается предпочтительным выбором по причинам:
- широкой коммерческой доступности;
- механической прочности;
- скорости действия;
- низкого энергопотребления для работы привода затвора.
Однако для практических применений с очень высокой мощностью (> 10 МВт), вместо транзистора желательно использовать тиристор с интегрированным затвором (IGCT — Integrated Gate Commutated Thyristor). Причины — низкие потери на проводимость.
На будущее эту же технологию высокого напряжения планируется использовать с устройствами на SiC (карборунд) или GaN (нитрид галлия) по мере доступности элементов. Такое применение обеспечивает большее снижение потерь проводимости и более широкий диапазон рабочих температур, устраняя необходимость активного охлаждения.
Твердотельные выключатели: мгновенная блокировка неисправности
Полупроводниковое высоковольтное переключение обеспечивает существенный прогресс в работе выключателя, повышая надежность и безопасность энергетической системы.
Поскольку твердотельный коммутатор способен прерывать полный ток в микросекундных временных интервалах, локальная защита от неисправностей полностью обеспечена. Реализуется защита через систему управления непосредственно выключателя, без необходимости внешнего обнаружения неисправности.
Быстродействующие полупроводниковые твердотельные размыкающие выключатели представлены технологией, позволяющей распределять мощность постоянного тока, поскольку эти устройства прерывают ток без образования дуги.
Следовательно, не требуется изменение напряжения. Различия между твердотельным выключателем и механическим выключателем отмечаются сравнением соответствующих графиков времени / тока.
Горизонтальные асимптоты кривых обратного времени графиков наглядно показывают — механические переключатели не способны размыкаться менее чем за несколько миллисекунд. То есть ток при коротком замыкании возрастет до крайне высоких значений (10 кА для системы 10 кВ с общей индуктивностью системы 1 мГн).
Между тем повышение тока для полупроводникового твердотельного переключателя на эту же нагрузку составит всего 10А при времени размыкания 1 мкс. Малый ток короткого замыкания и быстрое время размыкания для твердотельного переключателя не позволят достичь разрушительных уровней энергии.
Разработка схем твердотельных выключателей
Упрощенная структурная схема твердотельного автоматического выключателя показана на картинке ниже. Твердотельный автоматический выключатель содержит последовательный ряд твердотельных компонентов, безопасно обрабатывающих напряжения шины постоянного тока.
Быстро скоординированное контроллером обратное время обеспечивает сигнал возбуждения затвора для переключения твердотельного выключателя, синхронное открывание / закрывание.
Быстродействующий контроллер обратного времени получает команды либо от других твердотельных автоматических выключателей сети, либо от быстродействующих датчиков обнаружения токов локальных повреждений.
Контроллер обратного времени обеспечивает управление временем обратного отключения для состояний максимального тока и быстрое мгновенное отключение при достижении предела максимального тока.
Эти рабочие параметры допустимо регулировать для каждого твердотельного выключателя, в зависимости от положения в сети, обеспечивая упорядоченную, последовательную реакцию на неисправные состояния.
Функции твердотельного прерывателя (выключателя)
Полупроводниковый твердотельный прерыватель обеспечивает основную функциональность всей сборки автоматического выключателя: быструю защиту от замыканий и надёжную изоляцию.
Полная сборка автоматического твердотельного выключателя также должна обеспечивать безопасное отключение прерывателя от электросети, когда требуется техническое обслуживание или сервис.
Выбранная концепция конструкции для прерывателя среднего напряжения постоянного тока представляет собой устройство нагрузки на основе IGBT компонента, который выдерживает ток до 800А при напряжении 10 кВ.
Используются последовательные комбинации силовых устройств управления напряжением шины СНПТ. Параллельные массивы этих сборок используются для удовлетворения общих требований к току нагрузки.
Предварительная схема твердотельного прерывателя (выключателя) цепи уровня нагрузки 8 МВт показана на картинке ниже. Твердотельный прерыватель содержит шесть элементов IGBT 4500В (CM900HB-66H), соединенных последовательно.
Прерыватель твердотельный мощностью 8 МВт имеет размеры ширины-высоты-глубины: 58х22х27 см и весит около 27 кг. Элементы IGBT установлены на алюминиевых плитах с водяным охлаждением, которые, в свою очередь, установлены на механически изолированной раме.
Неметаллические водопроводы достаточно резистивные, чтобы ограничивать утечку тока по линиям. Поэтому требуется небольшая замкнутая система охлаждения и долговечный ионообменный картридж для поддержания удельного сопротивления охлаждающей воды.
Твердотельные выключатели + топология распределения тока
Как при традиционном распределении переменного тока, автоматический твердотельный выключатель постоянного тока допустимо использовать в простой системе радиального распределения. Электроэнергия подключается к центральной линии распределительного устройства, а затем распределяется по различным нагрузкам.
В схеме распределения постоянного тока каждая нагрузка изолируется от центральной шины диодами, так как твердотельные автоматические выключатели требуют однонаправленной проводимости.
Например, предполагается, что корабли ВМФ следующего поколения станут использовать комбинацию радиального и кольцевого распределения электрических шин. Порты и шины правого борта предполагают радиальное распределение.
Однако связь с носовой частью и кормой корабля предполагается осуществлять при помощи автоматических твердотельных выключателей. Исполнение твердотельных автоматических выключателей рассчитано на проводимость в обоих направлениях.
Заключительный штрих
Наличие высоковольтных выключателей обеспечивает возможность передачи распределения энергии корабельных систем на бортовые энергосистемы СНПТ. При этом отмечаются существенные преимущества.
Способность систем СНПТ прерывать мощность полной нагрузки в микросекундных временных интервалах обеспечивает явный прогресс в работе автоматического выключателя. Повышается надёжность и безопасность энергосистемы.
Технология также позволяет использовать высокочастотные высоковольтные импульсные преобразователи мощности, которые отличаются прочностью, эффективностью и компактностью.
При помощи информации: DivTecs