Mis on tahkeolekustransformator? 2025Tech, struktuur ja printsiibid selgitatud

1. Mis on tahvelvahetus (SST)?

1.1 Tavaliste vahetajate põhitõed ja piirangud

Artikkel esitab esmalt tavaliste vahetajate ajaloo (nt Stanley 1886. aasta patent) ja põhiprintsiipe. Tavalised vahetajad, mis põhinevad elektromagnetilisel induktsioonil, koosnevad silitsiumterasest tuumast, vask- või alluminiumpüstitest ning eraldus-/jäähendaustest (mineraalne öli või kuivtüüp). Nad töötavad fikseeritud sagedustel (50/60 Hz või 16⅔ Hz), fikseeritud pingetransformeerimisosakorrade, energiavahetuse ja sagedussuundlikes omadustega.

Tavaliste vahetajate eelised:

• Madal hind

• Kõrge usaldusväärsus (tõhusus >99%)

• Lühikringi voolide piiramise võime

Ebasoodused hõlmavad:

• Suur mõõde ja raske kaal

• Tundlikkus harmonikutega ja DC-nihkega

• Puudub ülekoormuse kaitse

• Tule- ja keskkonnakindlustuse riskid

1.2 Tahvelvahetajate (SST) definitsioon ja päritolu

Tahvelvahetaja (SST) on tavaliste vahetajate alternatiiv, mis põhineb võimsuselektronikatehnoloogial, mille päritolu viitab McMurray "elektroonilise vahetaja" konseptsioonile 1968. aastal. SST-d saavutavad pingetransformeerimist ja galvaanilise eralduse keskmise sageduse (MF) eralduse etapi kaudu, pakkudes samas mitmeid intelligentsed juhtimisfunktsioone.

SST-i põhiline struktuur hõlmab:

• Keskpinge (MV) liides

• Keskmise sageduse (MF) eralduse etapp

• Side- ja juhtimislid

2. SST-de disainivaated

2.1 Vaat: Keskpinge (MV) töötlemine

Keskpingete tasemed (nt 10 kV) ületavad olemasolevate pooljuhtimismaterjalide (Si IGBT-id kuni 6.5 kV, SiC MOSFET-id ~10–15 kV) pingearve. Seega tuleb kasutada kas mitmekordset (modulaarset) või ühekordset (kõrgepinge seadmet) lähenemist.

Mitmekordsete lahenduste eelised:

• Modulaarne ja reserveeritud disain

• Mitmemõõtmeline väljundlaine, mis vähendab filtreerimisnõudeid

• Toetab kiirvahetust ja vigade tolerantsi

Ühekordsete lahenduste eelised:

• Lihtsam struktuur

• Sobib kolmefase süsteemideks

2.2 Vaat: Topoloogia valik

SST topoloogiad võivad luokituda järgmiselt:

• Isolatsioon enne rektifitsemist (IFE): Isolatsioon enne rektifitsemist

• Isolatsioon pärast rektifitsemist (IBE): Rektifitseerimine enne isolatsiooni

• Maatrikskonverter tüüp: Otsemine AC-AC teisendamine

• Modulaarne mitmelaste konverter (M2LC)

2.3 Vaat: Usaldusväärsus

Tavalised vahetajad on äärmiselt usaldusväärsed, samas kui SST-sid sisaldab palju pooljuhtimismaterjale, juhtimissüsteeme ja jäähendaustehnikaid, mis muudab usaldusväärsuse kriitiliseks küsimuseks. Artikkel tutvustab usaldusväärsuse blokkdiagramme (RBD) ja segamäärade (λ FIT) mudelle, näitades, et reserveeruvus võib oluliselt parandada süsteemi usaldusväärsust.

2.4 Vaat: Keskmise sagedusega eraldatud võimsusvahetajad

Levinud topoloogiad hõlmavad:

• Topeltaktiivne sill (DAB): Võimsusvool kontrollitakse faasisegamise kaudu, lubades peenendatud lülitumist

• Pooltsükliga diskontinuaarse režiimi sarirezonantskonverter (HC-DCM SRC): Saavutab ZCS/ZVS, näitades "DC-vahetaja" omadusi

2.5 Vaat: Keskmise sagedusega vahetaja disain

Keskmise sagedusega vahetajad töötavad kHz tasemel, silmitsedes väljakutseid nagu:

• Väiksem magnetiline tuumakogus

• Konflikt eralduse ja soojendamise vahel

• Ebavõrdne voolijaka Litz draapil

2.6 Vaat: Eralduse koordineerimine

Keskpinge üksused nõuavad kõrget maapinna eraldust, milleks on vaja arvestada:

• Kombineeritud 50 Hz võrkusageduse ja keskmise sageduse elektrivälja stressiga

• Dielektrilised kaotused ja lokaliseeritud ülekuuma riskiga

2.7 Vaat: Elektromagnetiline häirimine (EMI)

MV-lüliti käigus tekkinud ühispoolne vool võib jooksuda maapinna suunas parasitaarsete kapatsiitide kaudu ja seda tuleb takistada ühispoolsete korgide abil.

2.8 Vaat: Kaitse

SST-sid tuleb suhelda ülepinge, ülevool, uksekiskede ja lühikringidega. Tavalised katked ja ülepingsukaitseid saab kasutada, kuid neid tuleb kombinida elektroniliste voolide limiteerimise ja energiaabsorbeerimise strateegiatega.

2.9 Vaat: Juhtimine

SST juhtimissüsteemid on keerukad ja nõuavad hierarhilist struktuuri:

• Väline juhtimine: Võrkuvõtmine, energiakomplekteerimine

• Sisene juhtimine: Ping- ja vooliregulatsioon, reserveerimise haldus

• Üksuse tasandil juhtimine: Modulatsioon ja kaitse

2.10 Vaat: Modulaarsete vahetajate ehitamine

Praktika MV modulaarse süsteemi ehitamine hõlmab:

• Eralduse disaini

• Jäähendaustehnikaid

• Side- ja abivooli

• Mehaanilist struktuuri ja kiirvahetuse toetust

2.11 Vaat: MV vahetajate testimine

MV testimisvõimalused on keerukad ja nõuavad:

• Kõrgepinge, kõrvalevoogude allikaid/laste

• Kõrge täpsusega mõõtevahendeid (nt kõrgepinge diferentsiaalproovid)

• Varundtestide strateegiaid (nt tagasi-tagasi testimine)

3. SST-de rakenduvus ja kasutusalad

3.1 Võrkurakendused

SST-sid saab kasutada võrkudes:

• Pingeregulatsioon ja reageeriva võimu kompenseerimine

• Harmonikafiltrimine ja võrgulaadu parandamine

• DC-liidese integreerimine (nt energiasäilitus, fotogaania)

Kuid võrreldes tavaliste režiimivahetajatega (LFT) on SST-sidel "tõhususe väljakutse":

• LFT tõhusus võib jõuda 98.7%

• SST-sid saavutavad tavaliselt ainult ~96.3% mitmesastmelise teisendamise tõttu

• Piiratud vähendamine suurus- ja kaalu poolest (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• Oluliselt kõrgem hind (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Vedeliku rakendused

Vedelikute süsteemid (nt elektrirongid) nõuavad rangeid nõudeid suuruse, kaalu ja tõhususe osas, kus SST-sid pakuvad selget eelist:

• Omaduslikult vähendatud vahetaja suurus kõrgemate töötabasustega (nt 20 kHz)

• Kahepoolne optimeerimine tõhususe ja ruumala vähendamise osas

3.3 DC-DC rakendused

DC süsteemides (nt mereeestikuline tuuleenergia kogumine, andmekeskused) on SST-sid ainuke viis eralduseks, kuna nende töötasust saab vabalt valida ilma võrgutasust piirata.

4. Tulevased mõtted ja järeldus

4.1 Tulevased rakendusalad

• Meretasude nafta ja gaasi töötlemisesüsteemid

• Ökosüsteemipõhised tuuleturbined

• Põhiline elektrilised lennukid

• Mereväe keskpinge DC (MVDC) süsteemid