Гибридные автоматические выключатели постоянного тока

Гибридный автоматический выключатель будет использовать стопки очень больших транзисторов для отключения постоянного тока

Постоянный ток питает фонарики, смартфоны и электромобили, но основные потребители электроэнергии зависят от переменного тока, который включается и выключается 50 или 60 раз в секунду. Благодаря, например, таким свойствам, что переменный ток легко отключить, когда возникает проблема, например, падение дерева на линии электропередачи.

Постоянный ток имеет свои преимущества перед своим чередующимся родственником, среди которых более высокая эффективность и способность переносить больше энергии на большие расстояния. Это может быть полезным тогда, когда, например, ветряные электростанции в полях производят электроэнергию, которую необходимо доставить в населенные пункты. А будущие электрические самолеты и корабли, скорее всего, будут оснащены системами постоянного тока высокой плотности.

Переменный ток можно отключить, когда синусоидальная волна достигает нуля в течение цикла. Это основа выключателей, которые защищают современные энергосистемы повсюду, от подстанций до домашних установок. Без этих чередующихся циклов постоянный ток не имеет подходящего времени для отключения питания.

Новая технология, может помочь решить эту проблему, используя инновации в силовой электронике, пьезоэлектрических приводах и новых изоляционных материалах, позволяющих создать силовые выключатели постоянного тока. Исследователи из Технологического института штата Джорджия и Университета штата Флорида (FSU) ожидают, что скорость переключения выключателя будет в десять раз выше, чем у существующего на сегодняшний день оборудования. Они собираются коммерциализировать эту технологию через консорциум отраслевых партнеров.

«Переход от переменного тока к постоянному, который уже происходит, откроет новую парадигму для эффективного и контролируемого управления питанием в будущих электрических системах и военных платформах». «Это станет возможным благодаря удивительным событиям, произошедшим за последние два десятилетия в области силовой электроники».

Гибридный автоматический выключатель будет использовать стопки очень больших транзисторов для отключения постоянного тока. Полупроводники менее эффективны при пропускании тока, чем обычные механические переключатели, поэтому в обычных условиях ток будет протекать через последние. Но когда питание необходимо будет отключить, ток будет кратковременно направляться через силовую электронику до переключения механических выключателей.

В обычной бытовой электронике транзисторы слишком малы, они рассчитаны всего на несколько вольт. Транзисторы, которые будут использоваться при коммутации постоянного тока, имеют гораздо больший размер - квадратный сантиметр - и десятки или сотни из них будут объединены последовательно или параллельно, чтобы обеспечить достаточную емкость для переключения тысяч вольт.

После того, как ток будет перенаправлен на твердотельные транзисторы, пьезоэлектрические приводы быстро разъединят контакты в механических переключателях, прежде чем ток станет слишком высоким. После разделения ток, идущий через транзисторы, можно будет отключить.

«Необходима очень высокая скорость, чтобы разъединить контакты в течение 250 микросекунд и полностью отключить ток в течение 500 микросекунд. По этой причине нельзя использовать подпружиненные или гидравлические приводы, общие для автоматических выключателей. Устройства, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, смогут справиться с этим».

Тестирования будут проводиться на специальной установке мощностью пять мегаватт в течение трех лет, в сотрудничестве с командой промышленников, которые в конечном итоге переведут опытные автоматические выключатели постоянного тока в коммерческое использование.

Источник: Georgia Institute of Technology