Trasformatore a Stato Solido vs Trasformatore Tradizionale: Vantaggi e Applicazioni Spiegati

Un trasformatore a stato solido (SST), noto anche come trasformatore elettronico di potenza (PET), è un dispositivo elettrico statico che integra la tecnologia di conversione elettronica del potere con la conversione ad alta frequenza basata sull'induzione elettromagnetica. Trasforma l'energia elettrica da un set di caratteristiche di potenza in un altro. Gli SST possono migliorare la stabilità del sistema elettrico, consentire una flessibile trasmissione dell'energia e sono adatti per applicazioni smart grid.

I trasformatori tradizionali soffrono di svantaggi come dimensioni e peso elevati, disturbi reciproci tra lato rete e lato carico, e mancanza di capacità di accumulo dell'energia, rendendoli sempre meno in grado di soddisfare le esigenze del mercato per l'operazione stabile e sicura dei sistemi di potenza. In contrasto, i trasformatori a stato solido sono compatti e leggeri, e offrono un controllo flessibile sulla corrente primaria, la tensione secondaria e il flusso di potenza. Migliorano la qualità dell'energia e presentano chiari vantaggi nella gestione dei disturbi di tensione, nell'assicurare l'operazione stabile del sistema e nel consentire una flessibile trasmissione dell'energia. Oltre all'industria dell'energia, gli SST possono essere applicati in veicoli elettrici, attrezzature mediche, processi chimici, aerospaziale e campi militari.

Caratteristiche

Il trasformatore elettronico è un dispositivo di conversione di potenza innovativo. Oltre alle funzioni basilari dei trasformatori di potenza convenzionali - trasformazione della tensione, isolamento elettrico e trasferimento di energia - fornisce capacità aggiuntive come regolazione della qualità dell'energia, controllo del flusso di potenza e compensazione del potere reattivo. Queste funzionalità migliorate sono resi possibili dall'incorporazione della conversione elettronica del potere e delle tecnologie di controllo avanzate, che permettono una manipolazione flessibile dell'ampiezza e della fase delle tensioni e correnti su entrambi i lati primario e secondario. Di conseguenza, il flusso di potenza può essere controllato con precisione secondo le esigenze del sistema, consentendo una trasmissione più stabile e flessibile dell'energia. Gli SST possono affrontare molte sfide nei sistemi di potenza moderni e quindi offrono ampie prospettive di applicazione.

In confronto ai trasformatori di potenza convenzionali, i PET offrono le seguenti caratteristiche:

• Dimensioni compatte e peso ridotto;

• Operazione a raffreddamento a aria senza necessità di olio isolante, riducendo l'inquinamento ambientale, semplificando la manutenzione e migliorando la sicurezza;

• Capacità di fornire un'ampiezza costante della tensione di uscita sul lato secondario;

• Migliore qualità dell'energia con corrente d'ingresso sinusoidale e tensione d'uscita, in grado di raggiungere un fattore di potenza unitario. Tensione e corrente su entrambi i lati primario e secondario sono controllabili, consentendo un arbitrario aggiustamento del fattore di potenza;

• Funzionalità di interruttore integrato - dispositivi semiconduttori ad alta potenza possono interrompere le correnti di guasto entro microsecondi, eliminando la necessità di relè di protezione separati.

Inoltre, i trasformatori elettronici di potenza offrono funzionalità uniche, come: miglioramento della affidabilità dell'alimentazione quando collegati a batterie; la capacità di eseguire conversioni di fase speciali (ad esempio, trifase a bifase o trifase a quadrifase); e la capacità di fornire contemporaneamente uscite AC e DC. In uno studio di riferimento, gli autori hanno condotto confronti di simulazione tra trasformatori di potenza convenzionali e trasformatori elettronici di potenza autoequilibranti in cinque diverse condizioni operative.

I risultati della simulazione mostrano che il PET presenta caratteristiche di ingresso e uscita superiori durante l'operazione a pieno carico, apertura di circuito monofase sul lato a bassa tensione, cortocircuito trifase, tensione trifase non bilanciata sul lato ad alta tensione e inquinamento armonico. Il PET isola efficacemente squilibri o disturbi su un lato, impedendo che influenzino l'altro, dimostrando prestazioni significativamente migliori rispetto ai trasformatori convenzionali.