Какво е твърдотелен трансформатор? 2025Tech, Обяснени структура и принципи

1. Какво е твърдото преобразувателно устройство (SST)?

1.1 Основи и ограничения на традиционните преобразувателни устройства

Статията първо разглежда историята (например, патентът на Стенли от 1886 г.) и основните принципи на традиционните преобразувателни устройства. На базата на електромагнитна индукция, традиционните преобразувателни устройства се състоят от ядра от силексова стомана, обиколки от мед или алуминий, и системи за изолация/охлаждане (минерално масло или сух тип). Те работят при фиксирана честота (50/60 Hz или 16⅔ Hz), с фиксирано отношение на преобразуване на напрежението, възможности за пренос на мощност и честотни характеристики.

Преимущества на традиционните преобразувателни устройства:

• Ниска цена

• Висока надеждност (ефективност >99%)

• Възможност за ограничаване на краткосрочния ток

Недостатъци включват:

• Голям размер и тегло

• Чувствителност към хармоники и DC предразположеност

• Липса на защита при прекомерна нагрузка

• Ризик от пожар и околната среда

1.2 Дефиниция и произход на твърдите преобразувателни устройства

Твърдото преобразувателно устройство (SST) е алтернатива на традиционните преобразувателни устройства, основани на технологията на силовата електроника, с произход, който се държи до концепцията на МакМъри "електронно преобразувателно устройство" през 1968 г. SST постига преобразуване на напрежението и галванична изолация чрез стадий на изолация на средна честота (MF), като същевременно предоставя множество интелигентни функции за управление.

Основна структура на SST включва:

• Интерфейс на средно напрежение (MV)

• Стадий на изолация на средна честота (MF)

• Комуникационни и управляващи връзки

2. Предизвикателства в дизайна на SST

2.1 Предизвикателство: Обработка на средно напрежение (MV)

Уровни на средно напрежение (например, 10 kV) далеч надвишават напрежението на съществуващите полупроводници (Si IGBTs до 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Следователно, трябва да се приеме подход с многоклетъчна (модулна) или единична клетъчна (високонапреженска) система.

Преимущества на многоклетъчните решения:

• Модулна и резервна конструкция

• Многоуровневи изходни вълни, намаляващи изискванията за филтри

• Поддръжка за горещо замяна и устойчивост към грешки

Преимущества на единичноклетъчните решения:

• По-проста структура

• Подходящо за трифазни системи

2.2 Предизвикателство: Избор на топология

Топологиите на SST могат да бъдат категоризирани като:

• Изолиран фронтен интерфейс (IFE): Изолация преди ректификация

• Изолиран заден интерфейс (IBE): Ректификация преди изолация

• Матричен преобразувателен тип: директно AC-AC преобразуване

• Модулно многоуровнев преобразувател (M2LC)

2.3 Предизвикателство: Надеждност

Традиционните преобразувателни устройства са изключително надеждни, докато SST инкорпорират множество полупроводници, управляващи цепи и охладителни системи, което прави надеждността ключов проблем. Статията въвежда диаграми на блокове за надеждност (RBD) и модели за честота на откази (λ в FIT), показвайки, че резервността може значително да подобри надеждността на системата.

2.4 Предизвикателство: Преобразуватели на средна честота с изолация

Общи топологии включват:

• Двойна активна мост (DAB): Контрол на потока на мощност чрез фазово смещение, позволяващо меко комутиране

• Половин-циклов модулатор в режим на непрекъснатост (HC-DCM SRC): Постига ZCS/ZVS, демонстрирайки характеристики на "DC преобразувател"

2.5 Предизвикателство: Дизайн на преобразуватели на средна честота

Преобразувателите на средна честота работят на честоти на килохерц, срещайки предизвикателства като:

• По-малко обем на магнитното ядро

• Конфликт между изолация и термално управление

• Неравномерно разпределение на тока в Litz проводник

2.6 Предизвикателство: Координация на изолацията

Елементите на средно напрежение изискват висока изолация до земята, което изисква разглеждане на:

• Комбинирано напрежение на 50 Hz и електрическо поле на средна честота

• Диелектрични загуби и риск от локално прекомерно затопляне

2.7 Предизвикателство: Електромагнитна интерференция (EMI)

Общите модови токове, генериращи се при комутиране на MV, могат да се излъчат до земята чрез паразитни капацитети и трябва да бъдат поддавани с общомодови дросели.

2.8 Предизвикателство: Защита

SST трябва да обработват прекомерно напрежение, прекомерен ток, удари от мълнии и краткосрочни съединения. Традиционните предпазни устройства и арестири остават приложими, но трябва да бъдат комбинирани с електронни стратегии за ограничаване на тока и абсорбиране на енергия.

2.9 Предизвикателство: Управление

Системите за управление на SST са сложни и изискват иерархична структура:

• Външно управление: Взаимодействие с мрежата, разпределение на мощност

• Вътрешно управление: Регулиране на напрежението/ток, управление на резервност

• Управление на ниво на единица: Модулиране и защита

2.10 Предизвикателство: Конструкция на модулни преобразуватели

Изграждането на практически модулни системи на MV включва:

• Дизайн на изолация

• Охладителни системи

• Комуникации и допълнителна мощност

• Механична структура и поддръжка за горещо замяна

2.11 Предизвикателство: Тестове на преобразуватели на MV

Фасилитетите за тестове на MV са сложни и изискват:

• Източници/потребители на високо напрежение и мощност

• Апаратура за високоточно измерване (например, диференциални щупове за високо напрежение)

• Резервни стратегии за тестове (например, обратни тестове)

3. Приложимост и случаи на използване на SST

3.1 Приложения в мрежата

SST могат да бъдат използвани в електрическите мрежи за:

• Регулиране на напрежението и компенсация на реактивна мощност

• Филтриране на хармоники и подобряване на качеството на енергията

• Интеграция на DC интерфейси (например, съхранение на енергия, фотозагреватели)

Въпреки това, в сравнение с традиционните преобразувателни устройства на линейна честота (LFT), SST се сблъскват с "предизвикателство за ефективност":

• Ефективността на LFT може да достигне 98.7%

• SST обикновено постигат само ~96.3% поради многократно преобразуване

• Ограничен намален размер и тегло (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• Значително по-висока цена (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Приложения в тракция

Системите за тракция (например, електрически локомотиви) имат строги изисквания за размер, тегло и ефективност, където SST предлагат явни преимущества:

• Значително намален размер на преобразувателното устройство чрез по-високи операционни честоти (например, 20 kHz)

• Двойна оптимизация на ефективност и намаление на обема

3.3 Приложения в DC-DC

В DC системи (например, офшорни ветроенергийни колекции, данни центрове), SST са единственото жизнеспособно решение за изолация, тъй като техните операционни честоти могат да бъдат свободно избрани, без да са ограничени от мрежовата честота.

4. Бъдещи концепции и заключение

4.1 Бъдещи сценарии за приложение

• Подводни системи за обработка на нефт и газ

• Въздушни ветрогенератори

• Пълен електрически самолет

• Морски системи на средно напрежение DC (MVDC)