Mikä on kiinteän aineen muuntaja? 2025Tech, Rakenne & Periaatteet Selitettynä

1. Mikä on kiinteän tilan muuntaja (SST)?

1.1 Perinteisten muuntajien perusteet ja rajoitukset

Artikkelissa tarkastellaan ensin perinteisten muuntajien historiaa (esim. Stanleyn vuoden 1886 patentti) ja perusperiaatteita. Perinteiset muuntajat perustuvat sähkömagneettiseen induktioon ja ne koostuvat silikaattiteräsytimistä, kuparista tai alumiinista tehtyistä kierroksista sekä eristys- ja jähdytysjärjestelmistä (mineraaliohjesta tai kuivatyypistä). Ne toimivat vakiofrekvensseillä (50/60 Hz tai 16⅔ Hz), vakioittain määritetyillä jännitekertaluokituksilla, tehonsiirtymiskyvyn rajoituksilla ja frekvenssiominaisuuksilla.

Perinteisten muuntajien etuja ovat:

• Alhainen hinta

• Korkea luotettavuus (tehokkuus >99%)

• Lyhytkiertosähkörajoituskyky

Haittoja ovat:

• Suuri koko ja paino

• Hermostuneisuus harmonioille ja DC-biasille

• Ei ylilataussuojaa

• Palo- ja ympäristövaarat

1.2 Kiinteän tilan muuntajan (SST) määritelmä ja alkuperä

Kiinteän tilan muuntaja (SST) on vaihtoehto perinteiselle muuntajalle, joka perustuu voimasähkötekniikkaan, jonka juuret ulottuvat McMurrayn "sähköinen muuntaja" -konseptiin vuonna 1968. SST:t saavuttavat jänniteteksi- ja galvaanisen eristyksen keskifrekvenssin (MF) eristystasolla, samalla tarjoten useita älykkäitä ohjaustoimintoja.

SST:n perusrakenne sisältää:

• Keskijännite (MV) rajapinnan

• Keskifrekvenssin (MF) eristystason

• Viestintä- ja ohjauslinkkejä

2. SST:n suunnittelun haasteet

2.1 Haaste: Keskijännitteen (MV) käsitteleminen

Keskijännitteet (esim. 10 kV) ylittävät huomattavasti olemassa olevien päästölaiteelementtien (Si IGBT:jen enintään 6.5 kV, SiC MOSFET:ien ~10–15 kV) jänniteluokituksen. Siksi joko moniosainen (modulaarinen) tai yksiosainen (korkeajänniteelementti) lähestymistapa on otettava käyttöön.

Moniosaisia ratkaisuja edistävät seuraavat edut:

• Modulaarinen ja päällekkäinen suunnittelu

• Monitasoinen signaalimuodostus, vähentää suodattimen vaatimuksia

• Tukee pikavaihtoa ja virhetoleranssia

Yksiosaisia ratkaisuja edistävät seuraavat edut:

• Yksinkertainen rakenne

• Sopii kolmifaseisiin järjestelmiin

2.2 Haaste: Topologian valinta

SST-topologiat voidaan luokitella seuraavasti:

• Erillistetty etuosa (IFE): Eristys rektifiointia ennen

• Erillistetty takaoja (IBE): Rektifiointi ennen eristystä

• Matriisikonvertoija: Suora AC-AC-muunnos

• Modulaarinen monitasoiskonverteri (M2LC)

2.3 Haaste: Luotettavuus

Perinteiset muuntajat ovat erittäin luotettavia, kun taas SST:t sisältävät lukuisia semijohtinelementtejä, ohjauskuituja ja jähdytysjärjestelmiä, mikä tekee niiden luotettavuudesta keskeisen huolenaiheen. Artikkelissa esitellään luotettavuuden lohko-kaaviot (RBD) ja epäonnistumisnopeusmallit (λ FIT), jotka viittaavat, että päällekkäisyys voi merkittävästi parantaa järjestelmän luotettavuutta.

2.4 Haaste: Keskifrekvenssin eristetty voimamuunnin

Yleisiä topologioita ovat:

• Kaksoisaktiivinen silta (DAB): Voiman virtaus ohjataan vaihe-eroon, mahdollistaen pehmeän kytkennän

• Puolikaspiirin epäjatkuvamoodin sarjaresonanssimuunnin (HC-DCM SRC): Saavuttaa ZCS/ZVS, näyttäen "DC-muuntajan" ominaisuuksia

2.5 Haaste: Keskifrekvenssin muuntajan suunnittelu

Keskifrekvenssin muuntajat toimivat kHz-tasoisilla frekvensseillä, kohtaen haasteita, kuten:

• Pienempi magneettinen ydin

• Konflikti eristys- ja lämmönhallinnan välillä

• Epätasainen sähkövirta Litz-vadon sisällä

2.6 Haaste: Eristyksen koordinointi

Keskijänniteyksiköt vaativat korkeaa maan nähden olevaa eristystä, mikä edellyttää harkintaa seuraavien aspektien osalta:

• Yhdistetty 50 Hz verkon frekvenssi- ja keskifrekvenssin sähkökenttästressi

• Dielektriset hukka-energiat ja paikallisen ylikuumenemisen riski

2.7 Haaste: Sähkömagneettinen häiriö (EMI)

Keskijännitteen kytkennässä syntyvät yhteismoduuliset sähkövirrat voivat kulkea maahan paraasiittisen kapasitanssin kautta ja niitä on hillitettävä yhteismoduulisilla solmuilla.

Tuki