Zer da Solid-State Transformer-a? 2025Tech, Estructura eta Printzipioak Azalduak

1. Zer da Solid-State Transformer (SST)?

1.1 Konbinatuak diren transformagaien oinarrizko elementuak eta murrizketak

Artikulua lehenengo konbinatuak diren transformagaien historia (adibidez, Stanleyren 1886ko patentea) eta oinarrizko printzipioak biraxola egiten ditu. Elektromagnetikoaren induzioaren gainean oinarritzen dira transformagai tradizionalak, siliko-lerroko nukleoak, kobreko edo aluminoko biraka eta isolamendu/zerbitzuan (mineraloil edo sekula). Ertainen maiztasunetan (50/60 Hz edo 16⅔ Hz) egiten dute lan, erdinketa tensiorako erlazio finkoak, indar-osagaitasunekiko hedapen-mugak eta maiztasun-enparrak.

Konbinatuak diren transformagaien abantailak:

• Kostu txikiak

• Fiabletasuna handia (efizientzia >99%)

• Kortzeko korronte-mugatze-kontzeptua

Desabantailak hurrengoak dira:

• Tamaina handia eta pisua

• Armonikoetara eta DC-biasera jasankorra

• Ez dago sobregordailurako babesa

• Suhiltasuna eta ingurumen-arriskuak

1.2 Solid-State Transformer (SST)ren definizioa eta jatorria

Solid-State Transformer (SST) bat konbinatuak diren transformagaien alternatiba da elektronika-industriaren teknologiapean oinarrituta, McMurrayren "elektronikoa den transformagai" kontzeptuan hasi izan ondoren 1968an. SSTek tensiorako erditzea eta galvanikoki isoleatzeko funtzio anitz eskaintzen dituzte MF (Maiztasun Ertaina) isoletsi-tarte baten bidez.

SSTren egoera osoa hurrengoak ditu barne:

• MV (Tensio Ertaina) interfasea

• MF (Maiztasun Ertaina) isoletsi-tarteak

• Komunikazio eta kontrol-eskarpenak

2. SSTen diseinuko arazoak

2.1 Arazoa: MV (Tensio Ertaina) kudeatzeko

Tensio ertainak (adibidez, 10 kV) gaur egungo semikonduktoreen (Si IGBTs 6.5 kVra, SiC MOSFETs ~10–15 kVra) tensio maila osatzen dituzte. Beraz, multizelularre (modularra) edo zelularre bakarra (tentsio altuena duten gailua) hartu behar da.

Multizelularre soluzioen abantailak:

• Modular eta redundante diseinua

• Aldaketarako filtroen eskerrak gutxitzen dituen multilaukotako irteera-formak

• Hot-swapping eta fault tolerance-ren laguntza

Zelularre bakarraren soluzioen abantailak:

• Estruktura sinpleagoa

• Hiru faseko sistemak egokiak

2.2 Arazoa: Topologia-hautapena

SST topologiak hurrengo motak dira:

• Isolated Front-End (IFE): Isolamendua ordezkatu aurretik

• Isolated Back-End (IBE): Ordezkatu isolamendua ondoren

• Matrix converter mota: AC-AC aldaketa zuzena

• Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Arazoa: Fiabletasuna

Transformagai konbinatuak oso fiableak dira, baina SSTek asko semikonduktore, kontrol-zirkuitu eta zerbitzuan dituzte, fiabletasuna arazo nagusia bihurtuz. Artikuluan Reliability Block Diagrams (RBD) eta akats-tasa (λ in FIT) modelok aurkeztzen dira, redundantzia sisteman fiabletasuna hobetu dezakeela adierazten dutenak.

2.4 Arazoa: MF (Maiztasun Ertaina) isoletsi-indarreko konbertagarriak

Topologiak arruntak dira:

• Dual Active Bridge (DAB): Indar-fluxua phase shift-en bidez kontrolatzen da, soft switching-a ahalbidetuz

• Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): ZCS/ZVS lortzen ditu, "DC transformer" ezaugarriak erakusten ditu

2.5 Arazoa: MF (Maiztasun Ertaina) transformagaien diseinua

MF transformagaiak kHz-mailako maiztasunean egiten dute lan, hurrengo arazoak aurkitzen dituzte:

• Magnetikoaren nukleoa txikiagoa

• Isolamenduaren eta termikoki kudeatzeko arteko konfliktoak

• Litz wire-n agertzen diren korrontearen banaketaren desberdintasuna

2.6 Arazoa: Isolamenduaren koordinaketa

Tensio ertaineko unitateak goi-isolamendu handia behar dute, beraz, hurrengoei buruzko kontuan hartu behar zaie:

• 50 Hzko indar-fluxu eta maiztasun ertaineko elektrikoaren estresgaiak

• Dielektrikoaren galderak eta lokalizatutako suhiltasun-arriskuak

2.7 Arazoa: Electromagnetic Interference (EMI)

MV aldaketaren bitartez sortzen diren common-mode currents parazitarren kapasitatearen bidez lurraldera igotzen dira eta common-mode chokes-en bidez supresion egin behar dira.

2.8 Arazoa: Babeslea

SSTek korronte-altuak, korronte-altuak, ozta-eguzkiak eta kortzeko korronteak kudeatu behar dituzte. Fusio tradizionalak eta surge arresters gehienetan aplikagarriak dira, baina elektronikoaren korronte-mugatze eta energia-absorbentziako estrategiak batera erabili behar dira.

2.9 Arazoa: Kontrola

SST kontrol-sistemak konplexuak dira eta hierarkiko egitura bat behar dute:

• Kontrol kanporrak: Indar-fluxuarekin elkartzea, indar-fluxuaren dispatch

• Barneko kontrola: Tensio/korrontearen regulazioa, redundantzia-kudeaketa

• Unitateko kontrola: Modulazioa eta babeslea

2.10 Arazoa: Modular Converters-en eraikuntza

Praktikoak diren MV modular sistema eraikitzeko hurrengoak behar dira:

• Isolamenduaren diseinua

• Zerbitzuan

• Komunikazioa eta laguntza-indarrekoa

• Mekanikoaren egitura eta hot-swappable laguntza

2.11 Arazoa: MV Converters-en probaketa

MV probaketa instalazioak konplexuak dira eta hurrengoak behar dituzte:

• Indar-altuak, indar-altuak iturriak/kargak

• Neurketa-gailu zehatzak (adibidez, indar-altu diferentzial probeak)

• Probaketa-laguntza estrategiak (adibidez, back-to-back testing)

3. SSTen aplikagarritasuna eta kasu-esparruak

3.1 Indar-fluxuari aplikatuak

SSTek indar-fluxuetan erabil daitezke:

• Tensio-regulazioa eta reaktibo-indarreko kompentsazioa

• Armoniko-filtraketa eta indar-fluxuaren kalitatea hobetu

• DC interface integrazioa (adibidez, energy storage, fotovoltaika)

Baina, konbinatuak diren Line Frequency Transformers (LFTs)ek konparatuta, SSTek "efizientzia-arazo" bat duzue:

• LFT efizientzia 98.7%era iritsi daiteke

• SSTek multistage conversion dela eta, ~96.3% bakarrik lortzen dute

• Tamaina eta pisuaren murrizketa mugatua (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• Kostu altuagoa (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Traktion aplikazioak

Traktion sistemek (adibidez, tren elektrikoak) tamaina, pisua eta efizientzia altuak behar dituzte, non SSTek avantail garbiak eskaintzen dituzte:

• Maiztasun altuagoen bidez (adibidez, 20 kHz) transformagaien tamaina askoz txikiagoa

• Efizientzia eta bolumen-murrizketa dual optimizatzea

3.3 DC-DC aplikazioak

DC sistemetan (adibidez, itsasoko ehurgintza kolektiboa, datu-kendelak), SSTek bakarrik dira isolamendu-soluzio posiblea, beren lanmaiztasuna indar-fluxuaren maiztasuna ezartzen ez duelako.

4. Futuruaren kontzeptuak eta irtenbidea

4.1 Futuruaren aplikazio-eskemak

• Itsasoko petrola eta gasaren prozesamendu-sistemak

• Airborne wind turbines

• Electric aircraft guztiak

• Armada-indarrak MVDC (Medium-Voltage DC) sistemak