Hvad er en fasttilstandstransformator? 2025Tech, Struktur & Principper Forklaret

Noah

Felt: Design & Vedligeholdelse

Australia

1. Hvad er en fasttilstands-transformator (SST)?

1.1 Grundlæggende principper og begrænsninger ved konventionelle transformatorer

Artiklen gennemgår først historien (f.eks. Stanleys patent fra 1886) og de grundlæggende principper for konventionelle transformatorer. Baseret på elektromagnetisk induktion består traditionelle transformatorer af siliciumjernkerner, kobber- eller aluminiumsvindinger og isolering/afkølingssystemer (mineralolie eller tørt-type). De fungerer med faste frekvenser (50/60 Hz eller 16⅔ Hz), med faste spændingstransformationsforhold, effektoverførselskapaciteter og frekvenskarakteristika.

Fordele ved konventionelle transformatorer:

Lav kostpris
Høj pålidelighed (effektivitet >99%)
Kapacitet til at begrænse kortslutningsstrøm

Ulemper inkluderer:

Størrelse og tungt vægt
Følsomhed over for harmoniske og DC-bias
Ingen overbelastningsbeskyttelse
Brand- og miljørisici

1.2 Definition og oprindelse af fasttilstands-transformatorer (SST)

En fasttilstands-transformator (SST) er et alternativ til konventionelle transformatorer baseret på strømforsynings teknologi, med rødder der kan spores til McMurrays "elektroniske transformator" koncept fra 1968. SST'er opnår spændingstransformation og galvanisk isolation gennem en mellemfrekvens (MF) isolationsstage, mens de også leverer flere intelligente kontrolfunktioner.

Den grundlæggende struktur af en SST omfatter:

Mellevoltage (MV) grænseflade
Mellemfrekvens (MF) isolationsstage
Kommunikation og kontrol links

2. Designudfordringer for SST'er

2.1 Udfordring: Behandling af mellevoltage (MV)

Mellevoltage niveauer (f.eks. 10 kV) overstiger langt spændingsklassifikationerne for eksisterende halvledere (Si IGBT'ere op til 6.5 kV, SiC MOSFET'er ~10–15 kV). Derfor skal enten en flercellulær (modulær) eller enencellulær (højspændingsenhed) tilgang anvendes.

Fordele ved flercellulære løsninger:

Modulær og redundant design
Flerniveaufrembragte bølgeformer, som reducerer filterkravene
Understøttelse af varmt-bytte og fejl-tolerance

Fordele ved enencellulære løsninger:

Enklere struktur
Egnede til trefas-systemer

2.2 Udfordring: Topologivalg

SST topologier kan inddeles i:

Isoleret front-end (IFE): Isolation før rektifikation
Isoleret back-end (IBE): Rektifikation før isolation
Matrix konverter type: Direkte AC-AC konvertering
Modulær multilevel konverter (M2LC)

2.3 Udfordring: Pålidelighed

Konventionelle transformatorer er yderst pålidelige, mens SST'er inkluderer mange halvledere, kontrolcirkuitter og afkølingsanlæg, hvilket gør pålidelighed til en vigtig bekymring. Artiklen introducerer Pålidelighedsblokkediagrammer (RBD) og fejlhyppighedsmodeller (λ i FIT), der viser, at redundans kan forbedre systemets pålidelighed betydeligt.

2.4 Udfordring: Mellemfrekvens-isolerede strømforsyninger

Almindelige topologier inkluderer:

Dual Active Bridge (DAB): Strømflow kontrolleret via faseskift, hvilket muliggør blid skiftning
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Opnår ZCS/ZVS, viser "DC-transformator" karakteristikker

2.5 Udfordring: Design af mellemfrekvens-transformatorer

Mellemfrekvens-transformatorer fungerer på kHz-niveau frekvenser, og står over for udfordringer som:

Mindre magnetisk kernevolumen
Konflikt mellem isolation og termisk ledelse
Ulige strømfordeling i Litz tråd

2.6 Udfordring: Koordinering af isolation

Mellevoltage enheder kræver høj isolation til jord, hvilket indebærer overvejelser af:

Kombineret 50 Hz netfrekvens og mellemfrekvens elektrisk feltspænding
Dielektriske tab og risiko for lokal overophedning

2.7 Udfordring: Elektromagnetisk støj (EMI)

Fællesmode strømme genereret under MV-skift kan strømme til jord gennem parasit kapacitance og skal undertrykkes ved hjælp af fællesmode chokes.

2.8 Udfordring: Beskyttelse

SST'er skal håndtere overspænding, overstrøm, lynnedslag og kortslutning. Traditionelle sikringe og overspændingsbeskyttere er stadig relevante, men bør kombineres med elektroniske strømbegrænsnings- og energiabsorptionsstrategier.

2.9 Udfordring: Kontrol

SST kontrolsystemer er komplekse og kræver en hierarkisk struktur:

Ekstern kontrol: Netværksinteraktion, effekt-dispatch
Intern kontrol: Spændings-/strømregulering, redundancy management
Enhedsniveau kontrol: Modulation og beskyttelse

2.10 Udfordring: Konstruktion af modulære konvertere

Opbygning af praktiske MV modulære systemer involverer:

Isolationsdesign
Afkølingssystemer
Kommunikation og hjælpestrøm
Mekanisk struktur og understøttelse af varmt-bytte

2.11 Udfordring: Test af MV-konvertere

MV-testfaciliteter er komplekse og kræver:

Højspænding, høj effekt kilde/belastning
Højpræcision måleenheder (f.eks. højspændings differentialsonder)
Backup test strategier (f.eks. back-to-back testing)

3. Anvendelighed og brugscaser for SST'er

3.1 Netværksapplikationer

SST'er kan anvendes i strømningsnet for:

Spændingsregulering og reaktiv effekt kompensation
Harmonisk filtrering og forbedring af strømkvalitet
DC-grænseflade integration (f.eks. energilager, fotovoltaik)

Imidlertid, sammenlignet med konventionelle linje-frekvens-transformatorer (LFT'er), står SST'er over for en "effektivitetsudfordring":

LFT effektivitet kan nå 98.7%
SST'er opnår typisk kun ~96.3% på grund af flerstages konvertering
Begrænset reduktion i størrelse og vægt (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Signifikant højere kostpris (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Traction applikationer

Traction systemer (f.eks. elektriske lokomotiver) har strenge krav til størrelse, vægt og effektivitet, hvor SST'er tilbyder klare fordele:

Signifikant reduceret transformatorstørrelse gennem højere driftsfrekvenser (f.eks. 20 kHz)
Dubbel optimering af effektivitet og volumenreduktion

3.3 DC-DC applikationer

I DC-systemer (f.eks. offshore vindstrømsamling, datacentre) er SST'er den eneste realistiske isoleringsløsning, da deres driftsfrekvens frit kan vælges uden at være begrænset af netværksfrekvens.