¿Qué es un transformador de estado sólido? 2025Tech Explicación de la estructura y los principios

Campo: Diseño y Mantenimiento

Australia

1. ¿Qué es un Transformador de Estado Sólido (SST)?

1.1 Fundamentos y Limitaciones de los Transformadores Convencionales

El artículo primero revisa la historia (por ejemplo, la patente de Stanley de 1886) y los principios básicos de los transformadores convencionales. Basados en la inducción electromagnética, los transformadores tradicionales consisten en núcleos de acero silicio, bobinados de cobre o aluminio, y sistemas de aislamiento/enfriamiento (aceite mineral o tipo seco). Operan a frecuencias fijas (50/60 Hz o 16⅔ Hz), con ratios de transformación de voltaje fijos, capacidades de transferencia de potencia y características de frecuencia.

Ventajas de los transformadores convencionales:

Bajo costo
Alta confiabilidad (eficiencia >99%)
Capacidad de limitar la corriente de cortocircuito

Desventajas incluyen:

Tamaño grande y peso elevado
Sensibilidad a armónicos y sesgo DC
Sin protección contra sobrecarga
Riesgos de incendio y ambientales

1.2 Definición y Origen de los Transformadores de Estado Sólido

Un Transformador de Estado Sólido (SST) es una alternativa a los transformadores convencionales basada en la tecnología de electrónica de potencia, con orígenes que se remontan al concepto de "transformador electrónico" de McMurray en 1968. Los SSTs logran la transformación de voltaje y el aislamiento galvánico a través de una etapa de aislamiento de Frecuencia Media (MF), mientras también proporcionan múltiples funciones de control inteligente.

Estructura básica de un SST incluye:

Interfaz de Voltaje Medio (MV)
Etapa de aislamiento de Frecuencia Media (MF)
Enlaces de comunicación y control

2. Desafíos de Diseño de los SSTs

2.1 Desafío: Manejo de Voltaje Medio (MV)

Los niveles de voltaje medio (por ejemplo, 10 kV) superan ampliamente las calificaciones de voltaje de los dispositivos semiconductores existentes (IGBTs de Si hasta 6.5 kV, MOSFETs de SiC ~10–15 kV). Por lo tanto, debe adoptarse un enfoque multicelular (modular) o unicelular (dispositivo de alto voltaje).

Ventajas de las soluciones multicelulares:

Diseño modular y redundante
Formas de onda de salida multinivel, reduciendo los requisitos de filtro
Soporte para intercambio en caliente y tolerancia a fallos

Ventajas de las soluciones unicelulares:

Estructura más simple
Adecuada para sistemas trifásicos

2.2 Desafío: Selección de Topología

Las topologías de SST pueden categorizarse como:

Front-End Aislado (IFE): Aislamiento antes de la rectificación
Back-End Aislado (IBE): Rectificación antes del aislamiento
Tipo convertidor matricial: Conversión directa AC-AC
Convertidor Multinivel Modular (M2LC)

2.3 Desafío: Confiabilidad

Los transformadores convencionales son extremadamente confiables, mientras que los SSTs incorporan numerosos semiconductores, circuitos de control y sistemas de enfriamiento, lo que hace que la confiabilidad sea una preocupación crítica. El artículo introduce Diagramas de Bloques de Confiabilidad (RBD) y modelos de tasa de fallo (λ en FIT), indicando que la redundancia puede mejorar significativamente la confiabilidad del sistema.

2.4 Desafío: Convertidores de Poder Aislados de Frecuencia Media

Topologías comunes incluyen:

Puente Activo Dual (DAB): Flujo de potencia controlado mediante desfase, permitiendo conmutación suave
Convertidor Resonante Serie en Modo Semiciclo Discontinuo (HC-DCM SRC): Logra ZCS/ZVS, exhibiendo características de "transformador DC"

2.5 Desafío: Diseño de Transformadores de Frecuencia Media

Los transformadores de frecuencia media operan a frecuencias de nivel kHz, enfrentándose a desafíos como:

Volumen menor del núcleo magnético
Conflicto entre aislamiento y gestión térmica
Distribución desigual de la corriente en el cable Litz

2.6 Desafío: Coordinación de Aislamiento

Las unidades de voltaje medio requieren un alto aislamiento a tierra, necesitando considerar:

Estrés combinado de campo eléctrico de frecuencia de red 50 Hz y frecuencia media
Pérdidas dieléctricas y riesgo de sobrecalentamiento localizado

2.7 Desafío: Interferencia Electromagnética (EMI)

Las corrientes de modo común generadas durante la conmutación de MV pueden fluir a tierra a través de la capacitancia parásita y deben suprimirse utilizando chokes de modo común.

2.8 Desafío: Protección

Los SSTs deben manejar sobretensiones, sobrecorrientes, rayos y cortocircuitos. Las fusibles y pararrayos tradicionales siguen siendo aplicables, pero deben combinarse con estrategias de limitación de corriente y absorción de energía electrónica.

2.9 Desafío: Control

Los sistemas de control de SST son complejos y requieren una estructura jerárquica:

Control externo: Interacción con la red, despacho de potencia
Control interno: Regulación de voltaje/corriente, gestión de redundancia
Control a nivel de unidad: Modulación y protección

2.10 Desafío: Construcción de Convertidores Modulares

Construir sistemas modulares prácticos de MV implica:

Diseño de aislamiento
Sistemas de enfriamiento
Comunicación y alimentación auxiliar
Estructura mecánica y soporte para intercambio en caliente

2.11 Desafío: Pruebas de Convertidores de MV

Las instalaciones de prueba de MV son complejas y requieren:

Fuentes/cargas de alta tensión y alta potencia
Equipos de medición de alta precisión (por ejemplo, sondas diferenciales de alta tensión)
Estrategias de prueba de respaldo (por ejemplo, pruebas back-to-back)

3. Aplicabilidad y Casos de Uso de los SSTs

3.1 Aplicaciones en Redes Eléctricas

Los SSTs pueden utilizarse en redes eléctricas para:

Regulación de voltaje y compensación de potencia reactiva
Filtrado de armónicos y mejora de la calidad de potencia
Integración de interfaz DC (por ejemplo, almacenamiento de energía, fotovoltaicas)

Sin embargo, en comparación con los transformadores de frecuencia de línea convencionales (LFTs), los SSTs enfrentan un "desafío de eficiencia":

La eficiencia de los LFTs puede alcanzar el 98.7%
Los SSTs típicamente logran solo ~96.3% debido a la conversión multietapa
Reducción limitada en tamaño y peso (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Costo significativamente mayor (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Aplicaciones de Tracción

Los sistemas de tracción (por ejemplo, locomotoras eléctricas) tienen requisitos estrictos de tamaño, peso y eficiencia, donde los SSTs ofrecen claras ventajas:

Reducción significativa del tamaño del transformador a través de frecuencias de operación más altas (por ejemplo, 20 kHz)
Doble optimización de eficiencia y reducción de volumen

3.3 Aplicaciones DC-DC

En sistemas DC (por ejemplo, recolección de energía eólica offshore, centros de datos), los SSTs son la única solución viable de aislamiento, ya que su frecuencia de operación puede elegirse libremente sin estar restringida por la frecuencia de la red.