כיצד דיודות יכולות למנוע זרימת כוח רוח לאחור מפגיעה בבקרים?

1, מעגל מיישר בלתי נשלט: מחסום טבעי החוסם אספקת חשמל הפוכה מסוללות
במערכות כוח רוח, מעגל המיישר הבלתי מבוקר הוא חוליה מרכזית המחברת את הגנרטור והסוללה. תפקיד הליבה שלו הוא להמיר את תפוקת ה-AC של הגנרטור להספק DC, תוך ניצול המוליכות החד-כיוונית של דיודות כדי למנוע מהסוללה לספק חשמל לגנרטור בהיפוך במהלך מהירויות רוח נמוכות או מצבי כיבוי. לדוגמה, במעגל יישור בלתי מבוקר של דיודות תלת-, שש דיודות יוצרות מבנה גשר. כאשר מתח המוצא של הגנרטור נמוך ממתח הסוללה, הדיודות מנותקות אוטומטית, וחוסמות את נתיב הזרם ההפוך.

יתרונות טכניים:

מבנה פשוט ואמין: יש צורך רק בדיודות כדי להשיג פונקציות כפולות של תיקון ואנטי זרימה חוזרת, ללא צורך במעגלי בקרה נוספים, וכתוצאה מכך שיעור כשל נמוך.
צריכת אנרגיה נמוכה: ירידת מתח ההולכה של דיודות היא בדרך כלל 0.3-0.7V, ובתרחישי מתח גבוה וזרם גבוה, אובדן ההספק נמוך משמעותית מזה של רכיבים פעילים כגון IGBTs.
מהירות תגובה מהירה: זמן מיתוג הדיודה הוא בתחום הננו-שניות, מה שיכול להגיב באופן מיידי לשינויי מתח ולהימנע מנחשולי זרם הפוכים.
מקרה הנדסי:
חוות רוח ימית משתמשת בשסתום מיישר דיודה כדי להחליף את שסתום המיישר המודולרי המודולרי המסורתי-רב-מפלסית (MMC). תחת אותה יכולת שידור, תחנת הממיר צמצמה את הנפח ב-80%, את המשקל ב-65% ואת זמן ההתקנה ב-20%. הסיבה העיקרית היא ששסתום מיישר הדיודה אינו דורש אלגוריתמי בקרה מורכבים, ואובדן ההולכה של הדיודה נמוך ביותר מ-20% מזה של IGBT, מה שמשפר משמעותית את יציבות המערכת וחסכון.

2, הגנה נגד קוטביות הפוכה: כדי למנוע תקלות קטסטרופליות הנגרמות על ידי קוטביות הפוכה של ספק הכוח
בקר כוח הרוח צריך להיות תואם לכניסות כוח מרובות (כגון חשמל, גנרטורים דיזל וסוללות). אם המשתמש הופך בטעות את הקוטביות של ספק הכוח, זה עלול לגרום לצריבה של הקבלים הפנימיים, ה-MOSFETs ורכיבים אחרים של הבקר. על ידי חיבור דיודות בסדרה בכניסת הכוח, ניתן לבנות מעגל הגנה נגד היפוך בעלות נמוכה- ואמין ביותר.

נקודות עיצוב:

אופטימיזציה של ירידת מתח הולכה קדימה: לדיודות שוטקי (כגון MBR1045CT) יש ירידת מתח קדימה של 0.3V בלבד, ובבקרי רמת 5kW, אובדן ההולכה מהווה פחות מ-0.6%, נמוך בהרבה מדיודות סיליקון מסורתיות (0.7V).
בקרת זרם דליפה הפוך: ICs של דיודה אידיאליים (כגון LTC4412) יכולים לדכא זרם דליפה הפוך מתחת ל-1 μ A, ולמנוע ירידה בקיבולת של הסוללה עקב זרם דליפה במצב המתנה.
דיכוי זרם נחשול: על ידי חיבור תרמיסטורי NTC במקביל לדיודות, ניתן להגביל את זרם הנחשול ברגע ההפעלה, תוך הגנה על הקבל במורד הזרם.
ניתוח מצב כשל:
במקרה תחזוקה של בקר כוח רוח, עקב היעדר הגנה נגד הפוך, המשתמש חיבר בטעות את ספק הכוח, וכתוצאה מכך פיצוץ של קבל הקלט. תוכנית השיפור שלאחר מכן מאמצת מעגל מורכב של "דיודת שוטקי+נתיך משחזר עצמי", שמנתק את הדיודה כשהיא מתהפכת וממיס את הפתיל, ומבודד לחלוטין את התקלה.

3, בקרת נתיב התאוששות אנרגיה: חוליה מרכזית במניעת עומס יתר של נגדי בלימה
במערכות כוח רוח, כאשר מהירות הרוח עולה על הערך הנקוב, יש צורך לצרוך עודף אנרגיה באמצעות בקרת גובה או נגדי בלימה. אם מעגל נגד הבלמים אינו מתוכנן כראוי, זרם הפוך עלול לזרום לבקר דרך דיודת הגוף של IGBT, ולגרום להתחממות יתר של הרכיבים. הדיודה יכולה לבנות נתיב התאוששות אנרגיה עצמאי, המבטיח שזרם הבלימה ישוחרר רק דרך הנגד.

יישומים אופייניים:

דיודת גלגלים חופשיים של מעגל ה-Buck: במעגלי ה-Back DC/DC, דיודות ה-Freewheeling (כגון 1N5819WS) מספקות נתיב שחרור לאחסון אנרגיה אינדוקטיבית, תוך הימנעות מיצירת כוח אלקטרו-מוטיבי במתח גבוה- כאשר IGBT כבוי.
דיודה נגד זרימה חוזרת של מעגל הגברת: במעגל דחיפה, דיודה (כגון MBR20100CT) מונעת ממתח המוצא לזרום לאחור למסוף הקלט, ומגינה על רכיבי צד המתח הנמוך-.
תמיכה בנתונים:
נתוני הבדיקה של ממיר כוח רוח מראים כי לאחר החלפת דיודות מיישר רגילות בדיודות שוטקי, עליית הטמפרטורה של נגד הבלימה ירדה מ-120 מעלות ל-85 מעלות, ויעילות המערכת עלתה ב-3.2%.

4, דיודת הידוק בטופולוגיה רב-שכבתית: רכיב ליבה לשיפור אמינות המהפך
בטופולוגיית הגשר H-בדיודה המהודקת בחמש רמות מדורגת, דיודת ההידוק יכולה לאזן את המתח של כל זרוע גשר ולמנוע התמוטטות רכיבים הנגרמת על ידי מתח לא אחיד. לדוגמה, במערכת כוח רוח עם הנעה ישירה של מגנט קבוע, טופולוגיה זו משיגה חיבור לרשת ישירה במתח בינוני באמצעות מיישר 12 פולסים ומהפך בחמש רמות. דיודת ההידוק מפחיתה את מתח המתח של התקני המיתוג למחצית ממתח האוטובוס DC, ומשפרת משמעותית את אמינות המערכת.

פריצת דרך טכנולוגית:
סימנס מאמצת טופולוגיה מהודקת דיודה עבור תחנות ממירי כוח רוח בים, משיגה תפוקה של 9 רמות, משלשת את תדר המיתוג המקביל, הפחתת עיוות הרמוני מתחת ל-1.5% והפחתת נפח המסנן ב-40%.

5, טכנולוגיה מתקדמת: דיודת פס ​​רחב מניעה שדרוג מערכת כוח הרוח
עם הבגרות של דיודות סיליקון קרביד (SiC), התאוששות אפס מטען הפוך שלהן (Qrr ≈ 0) ומאפייני ההתנגדות לטמפרטורה גבוהה (200 מעלות ) מאיצים את החלפת דיודות המבוססות על סיליקון בשדה כוח הרוח. לדוגמה, דיודת SiC Schottky C3D10060A של Cree מפחיתה את אובדן ההולכה ב-75% בהשוואה לדיודות סיליקון בתנאי 100A/600V, כאשר אובדן התאוששות הפוכה מתקרב לאפס.

תרחיש יישום:

ממיר DC/DC בתדר גבוה: דיודות SiC יכולות להגביר את תדר המיתוג ליותר מ-200kHz, מה שמקטין באופן משמעותי את גודל המשרנים והקבלים.
ממיר תדר מתח בינוני: בממירי כוח רוח 10kV, דיודות SiC יכולות להפחית את מספר המפלים ולהפחית את מורכבות המערכת.