Festkörperspannungswandler vs. herkömmlicher Spannungswandler: Vorteile und Anwendungen erklärt

Ein Festkörpertransformator (SST), auch bekannt als elektronischer Leistungstransformator (PET), ist ein statisches elektrisches Gerät, das Leistungselektronik-Wandlungstechnologie mit hochfrequenter Energieumwandlung auf der Grundlage elektromagnetischer Induktion integriert. Er transformiert elektrische Energie von einem Satz von Leistungsmerkmalen in einen anderen. SSTs können die Stabilität des Stromnetzes verbessern, eine flexible Energieübertragung ermöglichen und sind für Anwendungen im Smart Grid geeignet.

Traditionelle Transformator haben Nachteile wie große Größe, hohes Gewicht, gegenseitige Störungen zwischen Netz- und Lastseite sowie fehlende Energiespeicherfähigkeit, was sie zunehmend unfähig macht, den Marktbedarf an stabiler und sicherer Betriebsweise des Stromnetzes zu erfüllen. Im Gegensatz dazu sind Festkörpertransformator kompakt und leicht und bieten eine flexible Steuerung des Primärstroms, der Sekundärspannung und des Energiestroms. Sie verbessern die Energiequalität und haben klare Vorteile bei der Behandlung von Spannungsstörungen, der Sicherstellung eines stabilen Systembetriebs und der Ermöglichung einer flexiblen Energieübertragung. Über die Energiewirtschaft hinaus können SSTs in Elektrofahrzeugen, medizinischen Geräten, chemischen Prozessen, Luft- und Raumfahrt sowie militärischen Bereichen eingesetzt werden.

Merkmale

Der elektronische Transformator ist ein neuartiges Leistungswandlungsgerät. Neben den grundlegenden Funktionen herkömmlicher Leistungstransformatoren - Spannungswandlung, elektrische Isolation und Energieübertragung - bietet er zusätzliche Fähigkeiten wie die Regulierung der Energiequalität, die Steuerung des Energiestroms und die Blindleistungskompensation. Diese erweiterten Funktionalitäten werden durch die Integration von Leistungselektronik-Wandlung und fortschrittlichen Steuerungstechnologien ermöglicht, die eine flexible Manipulation der Amplitude und Phase von Spannungen und Strömen auf der Primär- und Sekundarseite ermöglichen. Dadurch kann der Energiestrom nach den Anforderungen des Systems präzise gesteuert werden, was eine stärkere und flexiblere Energieübertragung ermöglicht. SSTs können viele Herausforderungen in modernen Stromnetzen bewältigen und haben daher weite Anwendungsmöglichkeiten.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungstransformatoren bieten PETs die folgenden Merkmale:

• Kompakte Größe und geringes Gewicht;

• Luftgekühlter Betrieb ohne die Notwendigkeit von Isolieröl, was die Umweltverschmutzung reduziert, die Wartung vereinfacht und die Sicherheit erhöht;

• Fähigkeit, eine konstante Ausgangsspannungsamplitude auf der Sekundarseite bereitzustellen;

• Verbesserte Energiequalität mit sinusförmigem Eingangsstrom und Ausgangsspannung, fähig, einen Einheitsleistungsfaktor zu erreichen. Sowohl Spannung als auch Strom auf der Primär- und Sekundarseite sind steuerbar, was eine willkürliche Anpassung des Leistungsfaktors ermöglicht;

• Integrierte Schalterschutzfunktion – Hochleistungshalbleiterbauteile können Fehlerströme innerhalb von Mikrosekunden unterbrechen, wodurch separate Schutzrelais entfallen.

Darüber hinaus bieten elektronische Leistungstransformatoren einzigartige Funktionen, wie z.B. eine verbesserte Versorgungsreliabilität beim Anschluss an Batterien; die Fähigkeit, spezielle Phasenumwandlungen durchzuführen (z.B. Drei- zu Zwei- oder Drei- zu Vierphasen); und die Möglichkeit, gleichzeitig Wechsel- und Gleichspannung auszuliefern. In einer referenzierten Studie haben die Autoren Simulationen zwischen herkömmlichen Leistungstransformatoren und selbstausgleichenden elektronischen Leistungstransformatoren unter fünf verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der PET unter vollastiger Nennleistungsbetriebsweise, bei Einphasenkurzschluss auf der Niederspannungsseite, Dreiphasenkurzschluss, ungleichmäßiger Dreiphasenspannung auf der Hochspannungsseite und harmonischer Verunreinigung überlegene Eingangs- und Ausgangseigenschaften aufweist. Der PET isoliert effektiv Ungleichgewichte oder Störungen auf einer Seite, um die andere Seite davon unberührt zu lassen, und zeigt deutlich bessere Leistungen als herkömmliche Transformator.