بریکر حالت جامد و مزایا و معایب آن

مدارشکن حالت جامد چیست؟

مدارشکن حالت جامد یا Solid-state circuit breaker یک راهکار جایگزین با تلفات کم، هزینه های نسبی متوسط ​​و قابلیت اطمینان خوب، برای استفاده در تابلو برق صنعتی است. در این مقاله ضمن معرفی این تجهیز به بررسی کاربردها، مزایا و معایب آن می پردازیم. با ما در بلاگ آداک همراه باشید.

تاریخچه بریکر حالت جامد

در مقایسه با فناوری های قدیمی قطع کننده مدار DC که از دهه 1950 تا 1970 به خوبی تثبیت شده است، توسعه مدارشکن حالت جامد یک تحول نسبتاً جدید در زمینه قطع مدار است. کلیدهای مدار حالت جامد برای دستیابی به قطع اتصال مدار باز مورد نیاز، کنتاکت الکترومکانیکی را با کلیدهای نیمه هادی جایگزین می کنند.

ویژگی های بریکر حالت جامد چیست؟

کلیدهای برق حالت جامد مدرن با بهره گیری از دستگاه های نیمه هادی با سرعت سوئیچینگ بالا و ظرفیت حمل جریان بالا که در طول سه دهه گذشته توسعه یافته اند، دارای سرعت قطعی بین چند تا 100 ثانیه میکروثانیه در مقایسه با زمان شکست میلی ثانیه برای مدارهای مبتنی بر انحطاط قوس هستند. 

قوس الکتریکی و بریکر حالت جامد

از آنجایی که هیچ قوس الکتریکی در مدار شکن وجود ندارد، عناصر مدار خارجی برای اتلاف انرژی ذخیره شده در اندوکتانس مدار مورد نیاز هستند. جالب توجه است، تکنیک‌هایی نیز توسعه داده شده‌اند که به برخی از قطع کننده‌های حالت جامد اجازه می‌دهند تا جریان خطا را قبل از قطع نهایی محدود کنند.

مزایا و معایب بریکر حالت جامد 

در حالی که سرعت قطع یک مدارشکن حالت جامد بسیار سریع تر از یک بریکر معمولی است، یک نقطه ضعف اصلی آن، تلفات بالای حالت روشن آن در مقایسه با کلیدهای مدار الکترومکانیکی معمولی است. کلیدهای مدار هیبریدی برای غلبه بر این مشکل از ترکیبی از کلیدهای الکتریکی کلاسیک الکترومکانیکی و کلیدهای نیمه هادی استفاده می کنند.

مدارشکن هیبریدی چیست؟

در مدارشکن هیبریدی جریان به طور معمول از طریق تماس الکترومکانیکی کم تلفات منتقل می شود و کلیدهای نیمه هادی برای کاهش یا حذف قوس در طول قطع مدار استفاده می شوند. کلیدهای مدار حالت جامد و هیبریدی عمدتاً هنوز در مرحله تحقیق و توسعه هستند. در نتیجه، تا به امروز محصولات تجاری بسیار کمی بر اساس این تکنیک ها گزارش شده است.

نحوه عملکرد مدار شکن حالت جامد فشار متوسط

یک بریکر DC حالت جامد از نیمه هادی های قدرت برای قطع جریان خطا استفاده می کند. یک توپولوژی ساده از یک بریکر DC حالت جامد در شکل زیر نشان داده شده است. چهار دیود و یک IGCT نشان دهنده مسیر اصلی هدایت هستند، در حالی که برق گیر برای تخلیه اندوکتانس خط در صورت بروز خطا استفاده می شود. هنگامی که قطع کننده DC خاموش می شود، IGCT خاموش می شود. به دلیل انرژی ذخیره شده به صورت القایی، ولتاژ در نیمه هادی ها به سرعت بالا می رود و برق گیر شروع به هدایت جریان می کند. برای تخلیه اندوکتانس خط، ولتاژ حفاظتی برق گیر باید بیشتر از ولتاژ نامی شبکه باشد.

همچنین باید اطمینان حاصل شود که نیمه هادی های قدرت قادر به مقاومت در برابر ولتاژ حفاظتی برق گیر هستند. مزیت اصلی یک بریکر DC حالت جامد سرعت قطع سریع آن و عدم وجود قطعات متحرک است. از آنجایی که نیمه هادی های قدرت در مسیر هدایت اصلی قرار می گیرند، تلفات در حالت روشن رخ می دهد.

همچنین بخوانید: راهنمای جامع خرید تابلو برق صنعتی 

بریکرهای حالت جامد برای حمل بار اسمی و قطع جریان، فقط به کلید solid-state متکی هستند. از آنجا که قوس الکتریکی حذف می شود، مکانیسم دیگری برای اتلاف انرژی ذخیره شده در اندوکتانس مدار مورد نیاز است. این اغلب از طریق یک وریستور اکسید فلزی متصل موازی (MOV) به دست می آید. یک MOV یک مشخصه ولتاژ/جریان غیر خطی دارد. مقاومت آن بالا باقی می ماند (به طور موثر به عنوان یک مدار باز عمل می کند) تا زمانی که ولتاژ دو طرف آن به مقدار معینی برسد، جایی که مقاومت آن کاهش می یابد و اجازه می دهد جریان از طریق دستگاه عبور کند. هنگام انجام یک MOV همچنین ولتاژ در سراسر آن را در یک مقدار ثابت می‌بندد.

توپولوژی قطع کننده مدار حالت جامد

دو توپولوژی قطع کننده مدار حالت جامد دو جهته در شکل زیر نشان داده شده است. هنگامی که بریکر بسته می شود، هر دو دستگاه نیمه هادی روشن می شوند و اجازه می دهند جریان در هر دو جهت جریان یابد. در طول وقفه جریان، هر دو دستگاه خاموش می‌شوند و ولتاژ بین دستگاه‌ها را مجبور می‌کند تا زمانی که MOV شروع به هدایت و بستن ولتاژ بین دستگاه‌ها کند، افزایش یابد.

شکل زیر نیز تعدادی طرح جایگزین را نشان می دهد که این مفهوم را برای سیستم های ولتاژ متوسط ​​اعمال می کند. در این سیستم‌ها، چندین دستگاه به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا قابلیت تحمل ولتاژ کل قطع کننده حالت جامد را افزایش دهند. دیودها نیز اغلب به صورت سری به کلیدهای قطع کننده اصلی متصل می شوند تا ولتاژ بلوک معکوس سیستم را بهبود بخشند، به دلیل محدودیت قابلیت مسدود کردن معکوس دستگاه های موجود مانند IGCT و GTO.

مدار نشان داده شده در شکل 3c شامل snubber های RC متصل موازی است که برای سیستم های مبتنی بر GTO برای کمک به خاموش شدن دستگاه ها مورد نیاز است. همچنین حاوی دو ویژگی جالب است که ممکن است برای دیگر کلیدهای مدار حالت جامد اعمال شود. در مرحله اول، شامل یک مقاومت موازی متصل است که برای محدود کردن جریان خطا در طول قطع جریان استفاده می شود. در حین کارکرد عادی، این مقاومت توسط کلیدهای نیمه هادی اصلی کوتاه می شود و بنابراین به تلفات حالت روشن شکن کمک نمی کند. ثانیاً، یک سوئیچ مکانیکی به صورت سری متصل می شود تا ایزوله فیزیکی را فراهم کند.

شاید برای شما جالب باشد: اثرات محیطی در تابلو عایق گاز

در حالی که طرح‌های نشان‌داده‌شده در این بخش عمدتاً برای سیستم‌های برق متناوب طراحی شده‌اند، باید بتوان این طرح‌ها را برای برنامه‌های DC با حداقل تغییرات اعمال کرد.

دیاگرام بریکر حالت جامد

یک بلوک دیاگرام ساده شده از یک قطع کننده مدار حالت جامد در شکل 4 نشان داده شده است. قطع کننده جریان حالت جامد از مجموعه ای از دستگاه های حالت جامد برای کنترل ایمن ولتاژ باس DC تشکیل شده است. یک کنترل کننده زمان معکوس هماهنگ شده سریع سیگنال درایو دروازه را برای سوئیچ های قطع کننده که همزمان باز و بسته می شوند ارائه می دهد.

کنترل‌کننده زمان معکوس سریع فرمان‌ها را از یک ورودی دستی، از دیگر قطع کننده‌های شبکه یا از حسگرهای سریعی که جریان‌های خطای محلی را تشخیص می‌دهند، دریافت می‌کند. کنترل‌کننده زمان معکوس، کنترل زمان تریپ معکوس را برای حالت‌های اضافه جریان، و یک تریپ آنی سریع در صورت رسیدن به حد مجاز اضافه جریان، فراهم می‌کند. این پارامترهای عملیاتی را می توان برای هر قطع کننده بسته به موقعیت آن در شبکه تنظیم کرد و پاسخی منظم و ترتیبی به شرایط خطا ارائه کرد.

سایر کاربردهای مدارشکن حالت جامد

قطع کننده حالت جامد، عملکرد اولیه یک مجموعه کامل مدارشکن، حفاظت از عیب سریع و ایزوله سازی را فراهم می کند. مجموعه کامل قطع کننده مدار همچنین باید وسیله ای برای جدا کردن ایمن قطع کننده از شبکه برق در صورت نیاز به تعمیر و نگهداری یا سرویس فراهم کند.

ضروریات بریکر حالت جامد

این تجهیز به یک سیستم خنک کننده کوچک و حلقه بسته و یک کارتریج تبادل یونی طولانی مدت برای حفظ مقاومت آب خنک کننده نیاز دارد.

در عکس بالا طرح مکانیکی اولیه یک قطع کننده IGBT 10 کیلو ولت، 8 مگاوات (800 A) را نشان می دهد. IGBT ها بر روی صفحات سرد آب خنک نصب می شوند. خطوط خنک کننده غیرفلزی بین صفحات سرد مجاور به گونه ای طراحی شده اند که ولتاژ کامل سوئیچ را در هنگام باز بودن کلید قطع کنند.

آرایه های موازی این مجموعه ها برای برآوردن نیازهای جریان کلی برای بار استفاده می شود.

مقایسه کلید حالت جامد با سایر بریکرها

در حالی که قطع کننده های مدار حالت جامد می توانند به سرعت وقفه بسیار سریع تری در مقایسه با قطع کننده های مدار مبتنی بر الکترومکانیکی معمولی دست یابند، یکی از اشکالات عمده کلیدهای حالت جامد تلفات بالای آنها در حالت روشن است. با مقاومت تماسی به کوچکی چند میکرو اهم، کنتاکت‌های الکترومکانیکی در قطع‌کننده‌های مدار کلاسیک تلفات ناچیزی را ایجاد می‌کنند. در مقابل، بیشتر دستگاه‌های حالت جامد حداقل دو ولت افت ولتاژ ایجاد می‌کنند، بنابراین با عبور جریان زیادی از شکن، تلفات یک مدار حالت جامد در حالت جامد کاهش می‌یابد.

خلاصه مقاله 

بر اساس یافته ها، مدار شکن حالت جامد عملکرد کلی خوبی را نشان می دهد. به دلیل قابلیت سوئیچینگ سریع، زمان خاموشی کم است و فقط دامنه های جریان کم رخ می دهد. همچنین، قابلیت اطمینان و پیچیدگی فرآیند سوئیچینگ را می توان خوب در نظر گرفت. با این حال، بریکر حالت جامد در مقایسه با کلیدهای مکانیکی یا هیبریدی از تلفات بالایی متحمل می شود.

ساخت تابلو برق صنعتی 

اگر برای شرکت یا مجتمع تجاری مسکونی خود به دنبال سفارش تابلو برق هستید، هم اکنون می توانید با کارشناسان آداک تماس گرفته و از خدمات مشاوره تخصصی ما بهره مند شوید. به پشتوانه سال ها تجربه و اجرای صدها پروژه کشوری و بین المللی در زمینه طراحی و ساخت تابلو برق فشار ضعیف و فشار متوسط، پست کمپکت، سازه های فلزی و غیره، آماده همکاری با شما عزیزان هستیم.