چیست ترانس حالت جامد؟ 2025Tech، ساختار و اصول توضیح داده شده

1. ترانسفورماتور حالت جامد (SST) چیست؟

1.1 مبانی و محدودیت‌های ترانسفورماتورهای سنتی

مقاله ابتدا به تاریخ (مانند پتنت استنلی در سال 1886) و اصول اساسی ترانسفورماتورهای سنتی می‌پردازد. بر اساس القای الکترومغناطیسی، ترانسفورماتورهای سنتی شامل هسته‌های فولاد سیلیسیوم، پیچش‌های مس یا آلومینیوم و سیستم‌های عایق‌بندی/خنک‌سازی (روغن معدنی یا خشک) هستند. آنها با فرکانس‌های ثابت (50/60 هرتز یا 16⅔ هرتز)، نسبت تبدیل ولتاژ ثابت، قابلیت انتقال توان و مشخصات فرکانسی عمل می‌کنند.

مزایای ترانسفورماتورهای سنتی:

• هزینه کم

• قابلیت اطمینان بالا (کارایی >99%)

• قابلیت محدود کردن جریان کوتاه‌مداری

معایب شامل:

• حجم بزرگ و وزن سنگین

• حساسیت به هارمونیک‌ها و بایاس دی‌سی

• عدم وجود محافظ بیش‌باری

• ریسک‌های آتش‌سوزی و محیطی

1.2 تعریف و منشأ ترانسفورماتورهای حالت جامد

ترانسفورماتور حالت جامد (SST) یک جایگزین برای ترانسفورماتورهای سنتی بر اساس فناوری الکترونیک قدرت است که ریشه‌های آن به مفهوم "ترانسفورماتور الکترونیکی" مک‌مری در سال 1968 برمی‌گردد. SST‌ها از طریق مرحله جداشدگی با فرکانس متوسط (MF) تبدیل ولتاژ و جداشدگی گالوانیک را انجام می‌دهند و همچنین توابع کنترل هوشمند متعددی را ارائه می‌دهند.

ساختار اصلی یک SST شامل:

• رابط ولتاژ متوسط (MV)

• مرحله جداشدگی با فرکانس متوسط (MF)

• لینک‌های ارتباطی و کنترل

2. چالش‌های طراحی SST‌ها

2.1 چالش: مدیریت ولتاژ متوسط (MV)

سطح ولتاژ متوسط (مانند 10 کیلوولت) بسیار بیشتر از حد تحمل دستگاه‌های نیمه‌رسانا موجود (IGBT‌های Si تا 6.5 کیلوولت، MOSFET‌های SiC حدود 10-15 کیلوولت) است. بنابراین، باید از رویکرد چندسلولی (ماジュولار) یا تک‌سلولی (دستگاه با ولتاژ بالا) استفاده شود.

مزایای راه‌حل‌های چندسلولی:

• طراحی ماژولار و مازاد

• فرم‌های موج خروجی چندسطحی، کاهش نیاز به فیلتر

<

• پشتیبانی از تعویض ساختمانی و مقاومت در برابر خطا

مزایای راه‌حل‌های تک‌سلولی:

• ساختار ساده‌تر

• مناسب برای سیستم‌های سه‌فازی

2.2 چالش: انتخاب توپولوژی

توپولوژی‌های SST می‌توانند به صورت زیر طبقه‌بندی شوند:

• پیش‌سری جداشدگی (IFE): جداشدگی قبل از مستقیم‌سازی

• پس‌سری جداشدگی (IBE): مستقیم‌سازی قبل از جداشدگی

• نوع مبدل ماتریسی: تبدیل مستقیم AC-AC

• مبدل چندسطحی ماژولار (M2LC)

2.3 چالش: قابلیت اطمینان

ترانسفورماتورهای سنتی بسیار قابل اعتماد هستند، در حالی که SST‌ها شامل نیمه‌رساناهای متعدد، مدارهای کنترل و سیستم‌های خنک‌سازی هستند که قابلیت اطمینان یک نگرانی حیاتی است. مقاله دیاگرام‌های بلوکی قابلیت اطمینان (RBD) و مدل‌های نرخ خرابی (λ در FIT) را معرفی می‌کند که نشان می‌دهد مازاد می‌تواند قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

2.4 چالش: تبدیل‌گرهای قدرت جداشدگی با فرکانس متوسط

توپولوژی‌های رایج شامل:

• پل فعال دوگانه (DAB): کنترل جریان قدرت از طریق تغییر فاز، امکان سوئیچ‌زنی نرم

• مبدل سری‌رزنانی نیمه‌دوره‌ای مختل (HC-DCM SRC): دستیابی به ZCS/ZVS، نشان‌دهنده ویژگی‌های "ترانسفورماتور دی‌سی"

2.5 چالش: طراحی ترانسفورماتور با فرکانس متوسط

ترانسفورماتورهای با فرکانس متوسط با فرکانس‌های سطح کیلوهرتز عمل می‌کنند و با چالش‌هایی مانند:

• حجم کوچک‌تر هسته مغناطیسی

• تضاد بین عایق‌بندی و مدیریت حرارتی

• توزیع نامساوی جریان در سیم لیتز

2.6 چالش: هماهنگی جداشدگی

واحد‌های ولتاژ متوسط نیاز به عایق‌بندی بالا به زمین دارند که نیازمند در نظر گرفتن:

• stress ترکیبی فرکانس قدرت 50 هرتز و میدان الکتریکی با فرکانس متوسط

• زیان‌های دی‌الکتریک و ریسک گرم شدن محلی

<تداخل الکترومغناطیسی (EMI)

جریان‌های مود مشترک تولید شده در زمان سوئیچ‌زنی MV می‌توانند از طریق ظرفیت‌های پارازیتی به زمین جریان یابند و باید با استفاده از خفه‌کننده‌های مود مشترک سرکوب شوند.

2.8 چالش: محافظت

SST‌ها باید با ولتاژ بیش از حد، جریان بیش از حد، ضربه‌های رعد و برق و کوتاه‌مداری مقابله کنند. فیوز‌های سنتی و مسدودکننده‌های سرعتی همچنان قابل استفاده هستند اما باید با استراتژی‌های محدودکننده جریان الکترونیکی و جذب انرژی ترکیب شوند.

2.9 چالش: کنترل

سیستم‌های کنترل SST پیچیده هستند و نیاز به ساختار سلسله‌مراتبی دارند:

• کنترل خارجی: تعامل با شبکه، توزیع توان

• کنترل داخلی: تنظیم ولتاژ/جریان، مدیریت مازاد

• کنترل سطح واحد: مدولاسیون و محافظت

2.10 چالش: ساخت مبدل‌های ماژولار

ساخت سیستم‌های ماژولار MV عملی شامل:

• طراحی عایق‌بندی

• سیستم‌های خنک‌سازی

• ارتباط و توان کمکی

• ساختار مکانیکی و پشتیبانی از تعویض ساختمانی

2.11 چالش: تست مبدل‌های MV

تسهیلات تست MV پیچیده هستند و نیاز به:

• منابع/بارهای با ولتاژ و توان بالا

• تجهیزات سنجش با دقت بالا (مانند سوندهای دیفرانسیل با ولتاژ بالا)

• استراتژی‌های تست پشتیبان (مانند تست پشت به پشت)

3. قابلیت اعمال و موارد استفاده SST‌ها

3.1 کاربردهای شبکه

SST‌ها می‌توانند در شبکه‌های توان برای:

• تنظیم ولتاژ و جبران توان واکنشی

• فیلترینگ هارمونیک و بهبود کیفیت توان

• یکپارچه‌سازی رابط DC (مانند ذخیره‌سازی انرژی، فتوولتائیک)

با این حال، در مقایسه با ترانسفورماتورهای فرکانس خطی (LFTs) معمولی، SST‌ها با چالش "کارایی" مواجه هستند:

• کارایی LFT می‌تواند به 98.7% برسد

• SST‌ها معمولاً فقط ~96.3% به دلیل تبدیل چندمرحله‌ای می‌رسند

• کاهش محدود در حجم و وزن (~2.6 متر مکعب در مقابل 3.4 متر مکعب)

• هزینه بسیار بالاتر (>52.7k دلار در مقابل 11.3k دلار)

3.2 کاربردهای تحریک

سیستم‌های تحریک (مانند لوکوموتیوهای برقی) نیازهای دقیقی برای حجم، وزن و کارایی دارند که SST‌ها مزایای واضحی ارائه می‌دهند:

• کاهش قابل توجه اندازه ترانسفورماتور از طریق فرکانس‌های عملیاتی بالاتر (مانند 20 کیلوهرتز)

• بهینه‌سازی دوگانه کارایی و کاهش حجم

3.3 کاربردهای DC-DC

در سیستم‌های DC (مانند جمع‌آوری انرژی بادی دریایی، مراکز داده)، SST‌ها تنها راه‌حل جداشدگی قابل قبول هستند، زیرا فرکانس عملیاتی آنها می‌تواند بدون محدودیت فرکانس شبکه انتخاب شود.

4. مفاهیم آینده و نتیجه‌گیری

4.1 سناریوهای کاربرد آینده

• سیستم‌های پردازش نفت و گاز زیردریایی

• توربین‌های بادی هوایی

• هواپیماهای کاملاً برقی

• سیستم‌های DC ولتاژ متوسط نیروی دریایی (MVDC)