چه چیزی ترانسفورماتور جامد است؟ 2025Tech، ساختار و اصول توضیح داده شده

Noah

ميدان: Дизайн & Техническое обслуживание

Australia

1. Solid-State Transformer (SST) чиг эсэх?

1.1 Эртний трансформерын үндсэн шинж чанарууд ба хязгаарлалтууд

Энэ нийтлэлийн эхэнд эртний трансформерын түүх (жишээ нь, Stanley-ын 1886 оны патент) болон үндсэн зарчмуудыг дүгнэлт хийхэд байна. Эртний трансформерүүд электромагнитийн индукцийн үндэслэлээр баримталж, силикон цөлмөг төв, алт эсвэл алюминий вайринг, изолаци/хүйтэлгийн систем (минерал ус эсвэл хуучирсан төрөл) гэх мэт бүтэцээр бүрдэнэ. Тэд үл өөрчлөгдөх давтамжуудад (50/60 Hz эсвэл 16⅔ Hz), үл өөрчлөгдөх хүчилтийн хувиргалтын харьцаа, хүчилтийн урсгалын чадвар, давтамжийн шинж чанартай ажилладаг.

Эртний трансформерын дээдүүд:

Зөөлөн зардал
Их итгэмжтэй (эффектив >99%)
Хурдан замын токийг хязгаарлах чадвар

Доодууд:

Их хэмжээстэй, их жинтэй
Хармоник, DC bias-д хэрэглэгдэх
Гачуурчихсан хамгаалалт байхгүй
Салхи, орчин үеийн аюулгүй байдал

1.2 Solid-State Transformer (SST) гэж юу вэ? Хэрхэн гарч ирсэн бэ?

Solid-State Transformer (SST) нь эртний трансформеруудын альтернатив, үүнийг McMurray-ын "electronic transformer" онол (1968 он) болон технологийн тулд баримталдаг. SST-үүд Medium-Frequency (MF) изолацийн түвшинд хүчилтийн хувиргалт, гальванык изолацийг хангаж, олон зорилгоор интеллектүүлэгч контролын функцуудыг өгдөг.

SST-ын үндсэн бүтэц:

Medium-Voltage (MV) интерфейс
Medium-Frequency (MF) изолацийн түвшин
Коммуникаци, контрол холбоос

2. SST-ын загварын чинээл

2.1 Чинээл: Medium Voltage (MV) -ийг зохицуулах

Medium-voltage түвшин (жишээ нь, 10 kV) нь одоогийн полупроводник техник (Si IGBTs 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV) -ийн хүчилтийн харьцааас илүү их байдаг. Иймд яг нэг модуль (модуляр) эсвэл нэг модуль (хүчилтийн техник) подходыг авах шаардлагатай.

Модуляр шийдлийн дээдүүд:

Модуляр, давхаргуу дизайнууд
Олон түвшинтэй гаралт, фильтр шаардлага буурдаг
Хот-своп, алдаа өргөн хүлээн авах

Нэг модуль шийдлийн дээдүүд:

Анхдагч структур
Трифаз системд тохиромжтой

2.2 Чинээл: Загварын сонголт

SST-ын загваруудыг категоризлах боломжтой:

Isolated Front-End (IFE): Изолаци ректификацийн өмнө
Isolated Back-End (IBE): Ректификацийн дараа изолаци
Matrix converter type: Шууд AC-AC хөрвүүлэлт
Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Чинээл: Итгэмжтэй байдал

Эртний трансформерууд маш итгэмжтэй байдаг, SST-үүд нь олон зорилгоор семикондуктор, контрол циркуит, хүйтэлгийн системийг агуулдаг, иймд итгэмжтэй байдал нь том чинээл болж байна. Нийтлэл Reliability Block Diagrams (RBD) болон алдаа үед (λ in FIT) моделийг оруулж, давхаргуу системийн итгэмжтэй байдалд ихээхэн сайжруулж болно гэж зааж байна.

2.4 Чинээл: Medium-Frequency Изолацитай Цахилгаан хөрвүүлэгчүүд

Үндсэн загварууд:

Dual Active Bridge (DAB): Фазийн хөрвүүлэлтээр хүчилтийг контроллоход, зөөлөн хөрвүүлэлт
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): ZCS/ZVS-ийг хангаж, "DC transformer" шинж чанартай

2.5 Чинээл: Medium-Frequency Трансформерын загвар

Medium-frequency трансформерууд kHz-тэй давтамжид ажилладаг, эндхийн чинээлүүд:

Бага магнит төвийн эзэлхүүн
Изолаци, хүйтэлгийн хоорондох төгсгөлдөх
Litz wire-д токийн тархалт

2.6 Чинээл: Изолацийн хамтран ажиллагаа

Medium-voltage бүтэцүүд гадаад хүрээлэнд өндөр изолаци шаарддаг, эндхийн чинээлүүд:

50 Hz хүчилтийн давтамж, medium-frequency электрийн талбай
Dielectric алсрах, локализацын гадаад хүрээлэн

2.7 Чинээл: Электромагнитийн интерференс (EMI)

MV switching үед үүссэн common-mode currents нь паразит capacitance-д хүрээлэнгээс урсдаг, эдгээрийг common-mode chokes-аар бууруулах шаардлагатай.

2.8 Чинээл: Хамгаалалт

SST-үүд нь хүчилтийн өндөр, хүчилтийн доод, шатах, хурдан замын хүрээлэнгээс хамгаалалт хийх шаардлагатай. Эртний fuses, surge arresters зорилгоор хэрэглэгдэх боловч, электроник current limiting, energy absorption стратегийг холболтод нь авах шаардлагатай.

2.9 Чинээл: Контрол

SST-ын контрол системүүд нь нарийвчилсан, хамтран ажиллах структуртай:

Гадаад контрол: Цахилгаан талбар, хүчилтийн тархалт
Дотор контрол: Хүчилтийн регуляция, давхаргуу менежмент
Единица контрол: Модуляция, хамгаалалт

2.10 Чинээл: Модуляр хөрвүүлгүүдийн барилга

Практика MV модуляр системийг барихад:

Изолаци дизайнууд
Хүйтэлгийн системүүд
Коммуникаци, туслах хүчилт
Механик структурын, хот-своп хамгаалалт

2.11 Чинээл: MV хөрвүүлгүүдийн шалгалт

MV шалгалтын системүүд нь нарийвчилсан, шаардлагатай:

Өндөр хүчилт, өндөр хүчилтийн хүрээлэн, хүчилт
Өндөр нарийвчлалт хэмжээний систем (жишээ нь, өндөр хүчилтийн differential probes)
Бакап шалгалтын стратеги (жишээ нь, back-to-back шалгалт)

3. SST-ын хэрэглээ, тохирох үед

3.1 Цахилгаан талбарын хэрэглээ

SST-үүд цахилгаан талбард:

Хүчилтийн регуляция, реактив хүчилтийн компенсация
Хармоник фильтр, хүчилтийн чанарын сайжруулга
DC интерфейсийн интеграция (жишээ нь, энергийн хадгалах, фотовольтаика)

Харин, эртний Line Frequency Transformers (LFTs)-тэй харьцуулахад, SST-үүд нь "эффективийн чинээл"-д хүрдэг:

LFT эффективийн хүрээ 98.7%
SST-үүд нь multi-stage conversion-ын улмаас ~96.3% хүрдэг
Хэмжээ, жин хязгаарлагддаг (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Шаардлагатай зардлын өндөр (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Тягийн хэрэглээ

Тягийн системүүд (жишээ нь, электрийн тэрэг) нь хэмжээ, жин, эффективийн хязгаарлагддаг, SST-үүд нь анхаарах хэрэгтэй:

Өндөр ажиллаж буй давтамж (жишээ нь, 20 kHz) нь трансформерийн хэмжээг багасгадаг
Эффектив, хэмжээний хоёр хүрээг оптимизох

3.3 DC-DC хэрэглээ

DC системүүд (жишээ нь, далайн суурийн салхи, data centers) дээр SST-үүд нь гадаад хүрээлэнгээс гадуур ажиллах бөгөөд, хүчилтийн давтамжийг grid frequency-д хязгаарлах шаардлагагүй.