Przekształtnik stało-stanowy vs tradycyjny przekształtnik: wyjaśnione zalety i zastosowania

Stacjonarne urządzenie elektryczne zwane transformatorem przemiennym w stanie stały (SST) lub transformatorem elektronicznym (PET), integruje technologię konwersji mocy elektronicznej z wysokoczęstotliwościową konwersją energii opartą na indukcji elektromagnetycznej. Przekształca ono energię elektryczną z jednego zestawu charakterystyk mocy na inny. SST mogą zwiększać stabilność systemów energetycznych, umożliwiać elastyczną transmisję mocy i są odpowiednie do zastosowań w inteligentnych sieciach.

Tradycyjne transformery mają wady, takie jak duże rozmiary, duża waga, wzajemne zakłócenia między stroną sieci a obciążeniem oraz brak możliwości przechowywania energii, co sprawia, że coraz bardziej nie są w stanie spełniać rynkowych wymagań dotyczących stabilnego i bezpiecznego działania systemu energetycznego. W przeciwieństwie do nich, transformery w stanie stały są kompaktowe i lekkie, oferują elastyczną kontrolę nad prądem podstawowym, napięciem wtórnym i przepływem mocy. Poprawiają one jakość mocy i mają wyraźne zalety w radzeniu sobie z zakłóceniami napięcia, zapewnianiu stabilnego działania systemu i umożliwianiu elastycznej transmisji mocy. Poza branżą energetyczną, SST mogą być stosowane w pojazdach elektrycznych, sprzęcie medycznym, przemyśle chemicznym, lotnictwie i dziedzinie wojskowej.

Cechy

Transformator elektroniczny to nowoczesne urządzenie do konwersji mocy. Oprócz podstawowych funkcji tradycyjnych transformatorów mocy, takich jak transformacja napięcia, izolacja elektryczna i transfer energii, oferuje również dodatkowe możliwości, takie jak regulacja jakości mocy, kontrola przepływu mocy i kompensacja mocy biernej. Te rozszerzone funkcje są możliwe dzięki integracji technologii konwersji mocy elektronicznej i zaawansowanych technologii sterowania, które pozwalają na elastyczną manipulację amplitudą i fazą napięć i prądów zarówno po stronie podstawowej, jak i wtórnej. W rezultacie przepływ mocy może być precyzyjnie kontrolowany zgodnie z wymaganiami systemu, co umożliwia bardziej stabilną i elastyczną transmisję mocy. SST mogą rozwiązać wiele problemów współczesnych systemów energetycznych, co daje im szerokie perspektywy zastosowania.

W porównaniu do tradycyjnych transformatorów mocy, PET oferują następujące cechy:

• Kompaktowy rozmiar i niewielka waga;

• Działanie z chłodzeniem powietrza, bez potrzeby używania oleju izolacyjnego, co zmniejsza zanieczyszczenia środowiska, upraszcza konserwację i poprawia bezpieczeństwo;

• Możliwość utrzymania stałej amplitudy napięcia wyjściowego po stronie wtórnej;

• Poprawiona jakość mocy z prądem wejściowym i napięciem wyjściowym o kształcie sinusoidalnym, zdolna do osiągnięcia jednostkowego współczynnika mocy. Napięcia i prądy po stronie podstawowej i wtórnej są kontrolowane, co pozwala na dowolne dostosowanie współczynnika mocy;

• Funkcjonalność wbudowanego automatu bezpieczeństwa – wysokomocne półprzewodnikowe urządzenia mogą przerwać prąd uszkodzeniowy w mikrosekundy, eliminując potrzebę oddzielnych relé ochronnych.

Ponadto, transformatory elektroniczne oferują unikalne funkcje, takie jak: zwiększona niezawodność zasilania przy połączeniu z bateriami; możliwość wykonania specjalnych konwersji faz (np. trójfazowe do dwufazowego lub trójfazowego do czterofazowego); oraz zdolność jednoczesnego dostarczania wyjść AC i DC. W jednym z badań autorzy przeprowadzili symulacje porównawcze między tradycyjnymi transformatorami mocy a samo-zbilansowanymi transformatorami elektronicznymi w pięciu różnych warunkach pracy.

Wyniki symulacji pokazują, że PET wykazuje lepsze charakterystyki wejściowe i wyjściowe podczas pełnego obciążenia nominalnego, otwartego obwodu jednofazowego po stronie niskiego napięcia, trójfazowego zwarcia, nierównomiernego napięcia trójfazowego po stronie wysokiego napięcia i zanieczyszczenia harmonicznych. PET skutecznie izoluje niezbalansowanie lub zakłócenia po jednej stronie od wpływu na drugą, demonstrując znacznie lepsze wyniki niż tradycyjne transformatory.