Que é un Transformador de Estado Sólido 2025Tech Explicación da Estructura e Principios

Noah

Campo: Deseño e Mantemento

Australia

1. Que é un Transformador de Estado Sólido (SST)?

1.1 Fundamentos e Limitacións dos Transformadores Convencionais

O artigo revisa primeiro a historia (por exemplo, a patente de Stanley de 1886) e os principios básicos dos transformadores convencionais. Baséndose na indución electromagnética, os transformadores tradicionais constan de núcleos de acero silicio, bobinas de cobre ou aluminio, e sistemas de aislamento/refrigeración (aceite mineral ou seco). Funcionan a frecuencias fixas (50/60 Hz ou 16⅔ Hz), con relacións de transformación de voltaxe fixas, capacidades de transferencia de potencia, e características de frecuencia.

Ventajas dos transformadores convencionais:

Baixo custo
Alta fiabilidade (eficiencia >99%)
Capacidade de limitación de corrente de curto circuito

Desvantaxes inclúen:

Tamaño grande e peso elevado
Sensibilidade a harmónicos e sesgo DC
Falta de protección contra sobrecarga
Riscos de incendio e ambientais

1.2 Definición e Orixe dos Transformadores de Estado Sólido

Un Transformador de Estado Sólido (SST) é unha alternativa aos transformadores convencionais baseada na tecnoloxía de electrónica de potencia, coa orixe que remonta ao concepto de "transformador electrónico" de McMurray en 1968. Os SST logran a transformación de voltaxe e o aislamento gálico a través dunha etapa de aislamento de frecuencia media (MF), mentres proporcionan múltiples funcións de control intelixente.

Estructura básica dun SST inclúe:

Interfaz de tensión media (MV)
Etapa de aislamento de frecuencia media (MF)
Enlaces de comunicación e control

2. Desafíos de Diseño dos SSTs

2.1 Desafío: Xestión da Tensión Media (MV)

Os niveis de tensión media (por exemplo, 10 kV) superan con creces as clasificacións de voltaxe dos dispositivos semiconductores existentes (IGBTs de Si até 6.5 kV, MOSFETs de SiC ~10–15 kV). Polo tanto, debe adoptarse un enfoque multicelular (modular) ou unicelular (dispositivo de alta tensión).

Ventajas das solucións multicelulares:

Deseño modular e redundante
Formas de onda de saída de nivel múltiple, reducindo os requisitos de filtro
Compatibilidade con intercambio en caliente e tolerancia a fallos

Ventajas das solucións unicelulares:

Estrutura máis simple
Apta para sistemas trifásicos

2.2 Desafío: Selección de Topoloxía

As topoloxías de SST poden categorizarse como:

Front-End Aislado (IFE): Aislamento antes da rectificación
Back-End Aislado (IBE): Rectificación antes do aislamento
Tipo conversor matricial: Conversión directa AC-AC
Conversor Multinivel Modular (M2LC)

2.3 Desafío: Fiabilidade

Os transformadores convencionais son extremadamente fiables, mentres que os SSTs incorporan numerosos semiconductores, circuitos de control e sistemas de refrigeración, facendo que a fiabilidade sexa unha preocupación crítica. O artigo introduce diagramas de bloques de fiabilidade (RBD) e modelos de taxa de falla (λ en FIT), indicando que a redundancia pode mellorar significativamente a fiabilidade do sistema.

2.4 Desafío: Convertidores de Potencia Aislados de Frecuencia Media

Topoloxías comúns inclúen:

Puente Activo Dual (DAB): Flujo de potencia controlado mediante desprazamento de fase, permitindo a conmutación suave
Conversor Resonante en Serie Modo Discontinuo de Meia Cicle (HC-DCM SRC): Logra ZCS/ZVS, exhibindo características de "transformador DC"

2.5 Desafío: Diseño de Transformadores de Frecuencia Media

Os transformadores de frecuencia media funcionan a frecuencias de nivel kHz, enfrentándose a desafíos como:

Volume menor do núcleo magnético
Conflito entre aislamento e xestión térmica
Distribución desigual da corrente no fío Litz

2.6 Desafío: Coordinación de Aislamento

As unidades de tensión media requiren alto aislamento a terra, necesitando considerar:

Tensión combinada de frecuencia de rede de 50 Hz e campo eléctrico de frecuencia media
Pérdidas dieléctricas e risco de sobrexuste localizado

2.7 Desafío: Interferencia Electromagnética (EMI)

As correntes de modo común xeradas durante a conmutación de MV poden fluir a terra a través da capacitancia parasita e deben suprimirse usando chokes de modo común.

2.8 Desafío: Protección

Os SSTs deben xestionar sobretensión, sobrecorrente, impactos de raio e cortocircuitos. As fusibles e pararrayos tradicionais seguen sendo aplicables pero deben combinarse con estratexias de limitación de corrente electrónica e absorción de enerxía.

2.9 Desafío: Control

Os sistemas de control de SST son complexos e requiren unha estrutura jerárquica:

Control externo: Interacción con a rede, despacho de potencia
Control interno: Regulación de voltaxe/corrente, xestión de redundancia
Control a nivel de unidade: Modulación e protección

2.10 Desafío: Construción de Conversores Modulares

A construción de sistemas modulares de MV prácticos implica:

Deseño de aislamento
Sistemas de refrigeración
Comunicación e potencia auxiliar
Estructura mecánica e compatibilidade con intercambio en caliente

2.11 Desafío: Probas de Conversores de MV

As instalacións de proba de MV son complexas e requiren:

Fontes/cargas de alta tensión e alta potencia
Equipamento de medida de alta precisión (por exemplo, sondas diferenciais de alta tensión)
Estratexias de proba de respaldo (por exemplo, proba cara a cara)

3. Aplicabilidade e Casos de Uso dos SSTs

3.1 Aplicacións na Rede

Os SSTs poden utilizarse nas redes eléctricas para:

Regulación de voltaxe e compensación de potencia reactiva
Filtrado de harmónicos e mellora da calidade da enerxía
Integración de interfaz DC (por exemplo, almacenamento de enerxía, fotovoltaica)

No entanto, comparados cos Transformadores de Frecuencia de Rede (LFTs) convencionais, os SSTs encaran un "desafío de eficiencia":

A eficiencia dos LFTs pode chegar ao 98.7%
Os SSTs típicamente logran só ~96.3% debido á conversión de múltiples etapas
Reducción limitada no tamaño e peso (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Costo significativamente maior (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Aplicacións de Tração

Os sistemas de tracción (por exemplo, locomotoras eléctricas) teñen requisitos estritos en tamaño, peso e eficiencia, onde os SSTs ofrecen claras vantaxes:

Reducción significativa do tamaño do transformador a través de frecuencias de operación máis altas (por exemplo, 20 kHz)
Optimización dual da eficiencia e a redución de volume

3.3 Aplicacións DC-DC

Nos sistemas DC (por exemplo, recolección de enerxía eólica offshore, centros de datos), os SSTs son a única solución viable de aislamento, xa que a súa frecuencia de operación pode escollerse libremente sen estar restrinxida pola frecuencia da rede.