Què és un transformador d'estat sòlid? 2025Tech, Estructura i Principis Explicats

Noah

Camp: Disseny i manteniment

Australia

1. Què és un transformador de segon estat (SST)?

1.1 Fundaments i limitacions dels transformadors convencionals

L'article revisa primer la història (per exemple, la patenta de Stanley de 1886) i els principis bàsics dels transformadors convencionals. Basats en l'inducció electromagnètica, els transformadors tradicionals consten de nuclis d'acer silici, bobines de cobre o alumini, i sistemes d'aïllament/refredament (oli mineral o de tipus sec). Operen a freqüències fixes (50/60 Hz o 16⅔ Hz), amb relacions de transformació de tensió fixes, capacitats de transferència d'energia i característiques de freqüència.

Avantatges dels transformadors convencionals:

Baix cost
Alta fiabilitat (eficiència >99%)
Capacitat de limitació de corrent de curtcircuït

Desavantatges incloen:

Grandària i pes elevats
Sensibles a harmòniques i desplaçament DC
Sense protecció per sobrecàrrega
Riscos de foc i ambientals

1.2 Definició i origen dels transformadors de segon estat

Un Transformador de Segon Estat (SST) és una alternativa als transformadors convencionals basada en la tecnologia electrònica de potència, amb orígens que es remunten al concepte de "transformador electrònic" de McMurray de 1968. Els SST assolen la transformació de tensió i l'aïllament gavanomètric a través d'una etapa d'aïllament de freqüència mitjana (MF), mentre també proporcionen múltiples funcions de control intel·ligent.

Estructura bàsica d'un SST inclou:

Interfície de tensió mitjana (MV)
Etapa d'aïllament de freqüència mitjana (MF)
Enllaços de comunicació i control

2. Desafiaments de disseny dels SST

2.1 Desafiament: Gestió de tensió mitjana (MV)

Nivells de tensió mitjana (per exemple, 10 kV) superen molt les valoracions de tensió dels dispositius semiconductors existents (IGBTs de Si fins a 6.5 kV, MOSFETs de SiC ~10–15 kV). Per tant, s'ha d'adoptar o bé un enfocament multicel·la (modular) o unicel·la (dispositiu d'alta tensió).

Avantatges de les solucions multicel·la:

Disseny modular i redundant
Formes d'ona de nivell múltiple, reduint els requisits de filtratge
Suport per canvi ràpid i tolerància a fallades

Avantatges de les solucions unicel·la:

Estructura més simple
Adequat per a sistemes trifàsics

2.2 Desafiament: Selecció de topologia

Les topologies SST es poden categoritzar com:

Front-End Aïllat (IFE): Aïllament abans de la retificació
Back-End Aïllat (IBE): Retificació abans de l'aïllament
Tipus conversor matricial: Conversió directa AC-AC
Conversor Multinivell Modular (M2LC)

2.3 Desafiament: Fiabilitat

Els transformadors convencionals són extremadament fiables, mentre que els SST incorporen diversos semiconductors, circuits de control i sistemes de refredament, fent que la fiabilitat sigui una preocupació crítica. L'article introdueix diagrames de blocs de fiabilitat (RBD) i models de taxa de falla (λ en FIT), indicant que la redundància pot millorar significativament la fiabilitat del sistema.

2.4 Desafiament: Convertidors d'energia aïllats de freqüència mitjana

Topologies comunes inclouen:

Pont Actiu Dual (DAB): Flux de potència controlat a través de desfasament, permetent commutació suau
Convertidor Sèrie Resonant en Mode Discontinu de Miterm (HC-DCM SRC): Assolint ZCS/ZVS, exhibint característiques de "transformador DC"

2.5 Desafiament: Disseny de transformadors de freqüència mitjana

Els transformadors de freqüència mitjana operen a freqüències de nivell kHz, enfrontant-se a reptes com:

Volum menor del nucli magnètic
Conflicte entre aïllament i gestió tèrmica
Distribució desigual de la corrent en el fil de Litz

2.6 Desafiament: Coordinació d'aïllament

Les unitats de tensió mitjana requereixen aïllament elevat a terra, necessitant considerar:

Tensió de freqüència de 50 Hz i camp elèctric de freqüència mitjana combinats
Pèrdues dielèctriques i risc de sobreaqueciment localitzat

2.7 Desafiament: Interferència electromagnètica (EMI)

Les corrents de mode comú generades durant la commutació de MV poden fluir a terra a través de la capacitància paràsita i han de ser suprimides utilitzant estranguladors de mode comú.

2.8 Desafiament: Protecció

Els SST han de gestionar sobretensions, sobrecorrents, impactes de llamp i curtcircuïts. Les fusibles i arrestadors de sobretensió tradicionals romanen aplicables, però haurien de combinar-se amb estratègies de limitació de corrent electrònica i absorció d'energia.

2.9 Desafiament: Control

Els sistemes de control SST són complexos i requereixen una estructura jeràrquica:

Control extern: Interacció amb la xarxa, despach d'energia
Control intern: Regulació de tensió/corrent, gestió de redundància
Control a nivell d'unitat: Modulació i protecció

2.10 Desafiament: Construcció de convertidors modulars

La construcció de sistemes modulars pràctics de MV implica:

Disseny d'aïllament
Sistemes de refredament
Comunicació i alimentació auxiliar
Estructura mecànica i suport per canvi ràpid

2.11 Desafiament: Prova de convertidors de MV

Les instal·lacions de prova de MV són complexes i requereixen:

Fonts/càrregues d'alta tensió i alta potència
Equips de mesura d'alta precisió (per exemple, probes diferencials d'alta tensió)
Estratègies de prova de reserva (per exemple, prova cara a cara)

3. Aplicabilitat i casos d'ús dels SST

3.1 Aplicacions a la xarxa

Els SST es poden utilitzar en xarxes elèctriques per:

Regulació de tensió i compensació de potència reactiva
Filtratge d'harmòniques i millora de la qualitat de l'energia
Integració d'interfícies DC (per exemple, emmagatzematge d'energia, fotovoltaica)

No obstant això, en comparació amb els transformadors de freqüència de línia (LFT) convencionals, els SST se'nfronten a un "repte d'eficiència":

L'eficiència dels LFT pot arribar al 98,7%
Els SST normalment només assolen un ~96,3% degut a la conversió multinivell
Reducció limitada en grandària i pes (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)
Cost significativament més elevat (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Aplicacions de tracció

Els sistemes de tracció (per exemple, locomotives elèctriques) tenen requisits estrictes en grandària, pes i eficiència, on els SST ofereixen avantatges clars:

Reducció significativa de la grandària del transformador a través de freqüències d'operació més altes (per exemple, 20 kHz)
Doble optimització d'eficiència i reducció de volum

3.3 Aplicacions DC-DC

En sistemes DC (per exemple, recol·lecció d'energia eòlica offshore, centres de dades), els SST són la única solució viable d'aïllament, ja que la seva freqüència d'operació pot ser escollida lliurement sense estar restringida per la freqüència de la xarxa.