¿Cuál es el efecto de retardo de los diodos en la conmutación automática de redes de distribución?

一, La base física de las características de retardo del diodo.
Las características de retardo de un diodo surgen de los procesos dinámicos de sus portadores de carga internos. Cuando un diodo cambia de un estado conductor a un estado de corte, los portadores de desequilibrio acumulados en la unión PN (como los electrones en la región P y los huecos en la región N) no desaparecen instantáneamente, sino que disminuyen gradualmente a través de dos caminos: movimiento de deriva bajo la acción de un campo eléctrico inverso y recombinación con la mayoría de los portadores. Este proceso hace que la corriente inversa mantenga un valor alto en la etapa inicial y luego decaiga gradualmente hasta un valor de estado estable-, formando un tiempo de recuperación inversa (Trr). La duración del tiempo de recuperación inversa afecta directamente la velocidad de conmutación del diodo, lo que a su vez determina sus características de retardo en la conmutación automática.

Los datos experimentales muestran que el tiempo de recuperación inversa de los diodos está estrechamente relacionado con la capacitancia de la unión y la carga almacenada. Cuanto mayor sea el área de unión PN, más cargas almacenadas y mayor será el tiempo de retraso; Cuanto mayor sea la corriente directa, mayor será la cantidad de carga almacenada y mayor será el tiempo de apagado; Cuanto mayor sea la corriente inversa, más rápido desaparecerá la carga y más corto será el tiempo de apagado. Por ejemplo, en el circuito rectificador del interruptor automático en la red de distribución, si se utilizan diodos rectificadores ordinarios, el tiempo de recuperación inversa puede alcanzar de cientos de nanosegundos a microsegundos, mientras que los diodos Schottky pueden acortar el tiempo de recuperación inversa a nanosegundos a través del mecanismo de conducción de portador mayoritario, mejorando significativamente la velocidad de respuesta del interruptor.

2, Implementación del circuito de control de retardo de diodo en conmutación automática
En la conmutación automática de redes de distribución, el control de retardo de los diodos se logra principalmente a través de dos formas de circuito: uno es un circuito de retardo basado en carga y descarga RC, y el otro es un circuito de supresión transitoria basado en las características de recuperación inversa de los diodos.

1. Aplicación de diodos en circuitos de retardo RC.
El circuito de retardo RC logra un retardo de tiempo mediante el proceso de carga y descarga de los condensadores, y el diodo desempeña un papel en el control de la ruta de carga y descarga en este circuito. Por ejemplo, en el circuito de control de cierre de un interruptor automático, cuando la señal de entrada es alta, el diodo conduce en dirección directa y el condensador se carga rápidamente a través de una pequeña resistencia, acortando el tiempo de cierre; Cuando la señal de entrada es baja, el diodo se apaga a la inversa y el condensador se descarga lentamente a través de una resistencia grande, extendiendo el tiempo de apertura. Este diseño puede lograr un control de retardo que va desde decenas de microsegundos a milisegundos ajustando la relación de resistencia directa e inversa del diodo, cumpliendo con los requisitos de tiempo para el aislamiento y la recuperación de fallas en la red de distribución.

2. Aplicación de diodos en circuitos de supresión de transitorios.
En el circuito de protección contra sobretensiones de los interruptores automáticos, los diodos (como los diodos TVS) absorben sobretensiones transitorias a través de sus características de ruptura inversa, y su tiempo de recuperación inversa afecta directamente la velocidad de respuesta de la protección. Por ejemplo, cuando los rayos o las operaciones de interruptores generan sobretensión en la red de distribución, el diodo TVS conduce en nanosegundos, fijando la sobretensión a un nivel seguro y luego restaurando el estado de corte mediante un proceso de recuperación inversa. Si el tiempo de recuperación inversa es demasiado largo, puede causar una sobretensión secundaria, por lo que los diodos de recuperación ultrarrápidos (como UF4007, Trr<50ns) need to be selected to optimize the protection effect.

3, aplicación típica de las características de retardo de diodo en la automatización de redes de distribución.
1. Control de tiempo para aislamiento y recuperación de fallas.
En la automatización de alimentadores de redes de distribución, los interruptores automáticos necesitan aislar rápidamente las secciones defectuosas en función de las señales de falla y restaurar el suministro de energía a las secciones que no están defectuosas. Las características de retardo de los diodos pueden lograr la coordinación temporal de las acciones del interruptor. Por ejemplo, en un circuito de reconexión, el tiempo de carga del condensador está controlado por un diodo para garantizar un retraso de varios segundos antes de la reconexión después del aislamiento de la falla, evitando el impacto repetido de fallas transitorias. Después de adoptar este esquema en un proyecto de red de distribución de 10 kV, el tiempo de aislamiento de fallas se redujo a menos de 200 ms y la tasa de éxito de reconexión se incrementó al 98 %.

2. Protección antirreflujo para acceso a energía distribuida
Con la popularización de los sistemas fotovoltaicos distribuidos y de almacenamiento de energía, la red de distribución debe evitar que las fuentes de energía distribuidas envíen electricidad de regreso a la red en caso de falla. El diodo está conectado en serie con el terminal de salida del inversor, utilizando su conductividad unidireccional para bloquear la corriente inversa, mientras controla la velocidad de respuesta de la protección antirreflujo a través del tiempo de recuperación inversa. Por ejemplo, cuando una determinada central fotovoltaica adopta diodos Schottky (como SS14, Trr<10ns), the anti backflow protection action time is shortened from milliseconds to microseconds, effectively avoiding the expansion of power grid faults.

3. Control síncrono de interruptores en sistemas de distribución de CC.
En la red de distribución de CC, la apertura y cierre sincrónicos de interruptores automáticos debe resolver el problema del reencendido del arco. El diodo logra la sincronización de fase de la acción de conmutación retrasando el control de carga y descarga del condensador. Por ejemplo, en un disyuntor de CC, un diodo forma un circuito resonante con un inductor y un condensador. Al ajustar el ángulo de conducción del diodo para controlar la frecuencia resonante, el interruptor puede romperse en el cruce por cero de la corriente, lo que reduce la energía del arco por debajo del 1% y mejora significativamente la vida útil del interruptor.