Μετατροπέας Ισχύος Εναλλασσόμενου Βραχίονα Και Μέθοδοι Προστασίας Των Ημιαγωγών Του Με Τη Χρήση Βαρίστορ Μεταλλικών Οξειδίων Συνδεδεμένων Σε Σειρά Και Παράλληλα

Abstract

Τα συστήματα μεταφοράς υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος(HVDC) αποτελούν το μέλλον για τη μεταφορά ενέργειας εξαιτίας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν για τη μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις. Για να είναι όμως τέτοια συστήματα αποτελεσματικά απαιτούν και τους κατάλληλους μετατροπείς ισχύος, οι οποίοι θα μπορούν να ανταπεξέλθουν στις υψηλές απαιτήσεις ενός τέτοιου συστήματος μεταφοράς. Τη λύση έρχεται να δώσει ένας νέος τύπος μετατροπέα, ο Πολυεπίπεδος Μετατροπέας Ισχύος που αποτελείται από υπομονάδες DC-DC Μετατροπέων (Modular Multilevel Converter ή ΜΜC). Στην παρούσα διπλωματική λοιπόν μελετάμε αρχικά τη δομή και τη λειτουργία 2 διαφορετικών τοπολογιών του MMC μετατροπέα, αυτής που χρησιμοποιεί υπομονάδες ημιγέφυρας και αυτής που χρησιμοποιεί υπομονάδες πλήρους γέφυρας. Στη συνέχεια αναλύουμε τη δομή και τη λειτουργία μιας υβριδικής τοπολογίας του ΜΜC μετατροπέα με τον μετατροπέα 2-επιπέδων, τον Μετατροπέα Εναλλασσόμενου Βραχίονα (Alternate Arm Converter ή AAC). Τον τρόπο με τον οποίο αυτοί οι μετατροπείς λειτουργούν τον βλέπουμε και μέσα από προσομοιώσεις.Στη συνέχεια αναζητούμε τρόπους προστασίας του μετατροπέα εναλλασσόμενου βραχίονα (AAC). Πιο συγκεκριμένα προσπαθούμε να βρούμε τρόπους προστασίας των IGBTs που συνδέονται σε σειρά σε έναν τέτοιο μετατροπέα και αποτελούν τον διακόπτη διεύθυνσης. Ο διακόπτης αυτός σε περίπτωση σφάλματος μπορεί να εκτεθεί σε υπερτάσεις που οφείλονται στο πηνίο που υπάρχει στο βραχίονα του μετατροπέα. Το πηνίο αυτό αποθηκεύει ενέργεια κατά τη λειτουργία του μετατροπέα και σε περίπτωση που ανοίξει ο διακόπτης διεύθυνσης κάποια μη προγραμματισμένη χρονική στιγμή, είτε λόγω εσφαλμένου ελέγχου του διακόπτη είτε για να αντιμετωπιστεί ένα σφάλμα εντός ή εκτός του μετατροπέα, τότε έχουμε σαν αποτέλεσμα να υπάρξει μία ανεπιθύμητη ασυνέχεια του ρεύματος του πηνίου και να δημιουργηθεί μία υπέρταση στα άκρα του πηνίου, η οποία είναι καταστροφική για τους ημιαγωγούς του διακόπτη διεύθυνσης. Εξετάζουμε λοιπόν την προστασία του διακόπτη διεύθυνσης μέσω κυκλωμάτων snubber και μέσω βαρίστορ μεταλλικών οξειδίων (MOVs). Και πάλι βλέπουμε μέσα από προσομοιώσεις πώς λειτουργούν οι συγκεκριμένοι τρόποι προστασίας.Τέλος επιχειρούμε να σχεδιάσουμε έναν διακόπτη μεγάλης ισχύος μαζί με σύστημα προστασίας, ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μία πραγματική εφαρμογή μετατροπέα εναλλασσόμενου βραχίονα. Μέσα από προσομοιώσεις σε συγκεκριμένους τύπους σφαλμάτων διαπιστώνουμε την αποτελεσματικότητα του συγκεκριμένου διακόπτη.