Introduzione

Poiché le griglie integrano fonti di energia rinnovabili, i collegamenti HVDC e i carichi dinamici, crescono le richieste sui componenti elettronici di potenza. Tra questi, il tiristor rimane un blocco fondamentale per il commutazione e il controllo ad alta potenza. La velocità a cui un tiristor passa tra stati di conduzione e di blocco, insieme alle sue caratteristiche di commutazione dinamica, determina direttamente come un sistema di alimentazione può danneggiare i disturbi di funzionamento.

Fondamenti dell'operazione e dell'interscambio di Thyristor

Un tiristor è un dispositivo semiconduttore a quattro strati, a tre incroci che funge da interruttore bistabile. Nel suo stato di blocco in avanti, il dispositivo presenta un'elevata impedenza. Quando un segnale di cancello viene applicato con una corrente sufficiente, i latches di tiro in conduzione e rimane acceso fino a quando la corrente di anodo non scende sotto una soglia di tenuta.

La velocità di queste transizioni è quantificata per il tempo di ripiegamento (t]on]) e il tempo di spegnimento (tq]]). Il tempo di ripiegamento è tipicamente dominato dal ritardo tra il polso del cancello e l'inizio della conduzione (tempo di ritardo) più il tempo di salita della corrente di rientro inverso.

Parametri di commutazione chiave e le loro definizioni

Oltre alla semplice tempistica, diversi parametri definiscono la robustezza di commutazione di un tiristor:

  • dv/dt capacità[[[] – la velocità massima di aumento della tensione in avanti che il dispositivo può resistere senza turn-on non voluto.
  • di/dt capacità[[[] – la velocità massima di aumento della corrente di anodo durante il turn-on. High di/dt può causare riscaldamento localizzato e danneggiare la giunzione se non limitato da circuiti di snubber o induttanza di serie.
  • Perdita di corrente (E]on[[]]][] – l'energia dissipata durante il transitorio di commutazione, che aumenta con tempi di riaccensione più lunghi e correnti più elevate.
  • Perdita di rotazione (E[]] off[[]]]][] – l'energia dissipata durante l'intervallo di recupero.
  • Reverse recovery charge (Q[]rr[]]][] – la carica memorizzata che deve essere rimossa durante il recupero inverso, influenzando il tempo di spegnimento e la magnitudine della corrente di recupero inverso.

Questi parametri interagiscono con l'impedenza del sistema di potenza, gli algoritmi di controllo e i sistemi di protezione. La selezione di un tiristor con i valori dv/dt e di/dt appropriati per l'applicazione specifica è importante come specificare la sua tensione e le valutazioni correnti.

Impatto sulla stabilità del sistema di potenza

La stabilità del sistema di potenza comprende tre categorie principali: l'angolo di rotazione (transiente) stabilità, stabilità della tensione e stabilità del segno piccolo (oscillatoria).

Stabilità transitoria

La stabilità transitoria comporta la capacità di generatori sincroni per mantenere il sincronismo dopo grandi perturbazioni come guasti, viaggi di linea o perdita di generazione.

Nei sistemi HVDC, la velocità di commutazione delle valvole di tiro determina la capacità di commutare la corrente tra i ponti di conversione. La svolta più veloce consente l'operazione ad angoli di cottura più elevati e a guasti di commutazione ridotti, che è particolarmente importante durante i guasti di sistema AC quando la tensione è depressa. Uno studio pubblicato in IEEE Transazioni su Power Delivery[FLT-1] migliorata la riduzione del 20% di turnmachine

Stabilità della tensione

La stabilità della tensione riguarda la capacità di un sistema di alimentazione di mantenere tensioni costanti e accettabili a tutti gli autobus in condizioni normali e dopo essere stato sottoposto a un disturbo. I compensatori di potenza reattivi basati su Thyristor sono schierati per regolare la tensione controllando l'angolo di cottura dei tiri. La risposta dinamica del compensatore è direttamente collegata alla velocità di commutazione del tiristor.

Un esempio pratico è l'uso di condensatori Thyristor-S (interruttori) (TSCs). Ogni modulo TSC è costituito da un condensatore in serie con un interruttore di tiro bidirezionale. Per ridurre i transienti, i tiristori devono essere scambiati all'istante quando la tensione attraverso l'interruttore è zero.

Piccola stabilità e smorzamento di oscillazione

La stabilità del dritto di piccole dimensioni si rivolge alla capacità del sistema di potenza di smorzare le oscillazioni che derivano da modalità elettromeccaniche di generatori (tipicamente nella gamma 0.2 a 2 Hz).

I ricercatori hanno dimostrato che il ritardo di fase introdotto da un tempo di rientro di 100 μs in un convertitore HVDC da 12-pulse può degradare il contributo di coppia di smorzamento fino a 5 gradi a 1 Hz. Mentre questo potrebbe sembrare piccolo, può essere significativo quando combinato con altri ritardi nella simulazione del circuito di controllo (filtraggio sensori, latenza di comunicazione, tempo di ciclo del processore).

Applicazioni nei moderni sistemi di potenza

L'impatto della velocità di tiro e delle caratteristiche di commutazione è più evidente nelle applicazioni in cui è richiesto un controllo rapido e preciso dell'alta potenza.

Trasmissione HVDC

I sistemi HVDC (LCC) utilizzano valvole di tiristor per tensioni fino a 800 kV e correnti di diversi kiloampere. Il tempo di spegnimento di questi tiristori determina l'angolo di estinzione minimo richiesto per una commutazione affidabile.

Sistemi di trasmissione CA flessibili (FACTS)

I dispositivi FACTS come il Compensatore statico Var (SVC), il condensatore di serie Thyristor-Controlled (TCSC), e il Compositore statico Synchronous (STATCOM) dipendono dalle valvole di tiro per il controllo rapido di potenza reattiva.

Un'altra applicazione chiave è il Compositore Serie Sincrono statico (SSSC), che utilizza un convertitore di sorgente di tensione (VSC) per iniettare una tensione controllabile in serie con la linea. Mentre molti VSC utilizzano IGBTs, alcuni progetti SSSC ad alta potenza impiegano ancora i tiristori con circuiti di commutazione forzata.

Motor Drive e applicazioni industriali

In grandi unità industriali (ad esempio, mulini di cemento, paranchi, propulsione navale), cicloconverter a base di tiristor e inverter a carico (LCI) sono utilizzati per controllare la velocità del motore e la coppia. La velocità del commutatore di tiro regola la gamma di frequenza di uscita e la scorrevolezza della produzione di coppia.

Sfide e strategie di mitigazione

Nonostante i loro vantaggi, i tiroristori ad alta velocità presentano diverse sfide ingegneristiche:

  • Interferenze elettromagnetiche (EMI)[: I bordi di commutazione veloci generano armoniche ad alta frequenza che possono accoppiarsi ai cavi di controllo e ai sistemi di comunicazione.
  • Gestione termica[[[]: Le velocità di commutazione più elevate possono aumentare la frequenza degli eventi di turn-on e di turn-off, aumentando le perdite di commutazione totale.
  • Cost[]: I tiristori a commutazione rapida richiedono spesso processi di produzione più complessi (ad esempio, doping di platino, irradiazione di neutroni per il controllo della vita) e controlli di processo più stretti, aumentando il costo dell'unità.
  • Control circuito sofisticazione[[]: I driver Gate devono fornire impulsi ad alta corrente con tempi di jitter molto bassi e di rapido aumento. I requisiti di isolamento (ad esempio, utilizzando fibre ottiche o accoppiatori magnetici) aggiungono complessità e costi.
  • Inverter di commutazione: In inverter LCC HVDC, se il tempo di rientro del tiristor è insufficiente, il dispositivo non può riguadagnare la capacità di blocco prima della prossima commutazione, portando a un guasto di commutazione che può crollare la tensione DC.

Per affrontare queste sfide, gli ingegneri adottano un approccio a livello di sistemi. I circuiti di snob limitano dv/dt e di/dt a livelli sicuri a costo di perdite aggiuntive. I controlli azionamento a cancello attivo possono modellare la corrente di cancello per ottimizzare i transienti di turn-on e turn-off. Inoltre, le piattaforme di controllo digitale con tempi di ciclo sub-microsecondi consentono algoritmi di cottura predittivi che si adattano alle mutevoli condizioni di sistema, compensando così i ritardi di funzionamento.

Tendenze future

I dispositivi basati su silicio sono stati raffinati per raggiungere i tempi di spegnimento inferiori a 30 μs in tiristori ad alta tensione (classificati a 8 kV e superiori). Tuttavia, i materiali a banda larga come il carburo di silicio (SiC) e il nitride di gallio (GaN) offrono un passaggio ancora più rapido.

Un'altra tendenza è l'integrazione dei tiristori con intelligenza digitale. I moduli confezionati comprendono ora driver di cancello, sensori di temperatura e logica di rilevamento guasto che possono comunicare con il controller centrale tramite collegamenti fibra ottica, consentendo un monitoraggio in tempo reale della velocità di commutazione e della salute, consentendo strategie di manutenzione e controllo adattativo basate sulle condizioni.

“Come i sistemi di alimentazione si evolvono verso una maggiore flessibilità e una maggiore penetrazione delle rinnovabili, la velocità di commutazione dei tiristori rimarrà un parametro critico per garantire stabilità sia transiente che a stato costante. La scelta della tecnologia del dispositivo deve essere guidata da una comprensione completa dei requisiti dinamici del sistema, non solo da valutazioni di stato costante.” — Adattata da CIGRE Technical Brochure 799[[VDC converter 1.

Conclusioni

I sistemi di trasmissione a banda larga, che consentono di smorzare i sistemi di trasmissione e di controllare più velocemente i sistemi di trasmissione a banda larga, non sono solo dettagli a livello di dispositivo; sono fondamentali per la stabilità dei sistemi di potenza moderni.

Per ulteriori informazioni sulle considerazioni di progettazione per i sistemi FACTS e HVDC basati su tiristor, fare riferimento alle [EEE Transazioni sulla consegna di potenza e alle guide di applicazione pubblicate da ABB HVDC]] e Siemens Energy.