Što je čvrsto stanje transformatora 2025Tech objašnjava strukturu i princip rada

1. Što je čvrsto stanje transformator (SST)?

1.1 Osnove i ograničenja konvencionalnih transformatora

Članak prvo pregledava povijest (npr., Stanleyev patent iz 1886.) i osnovna načela konvencionalnih transformatora. Na temelju elektromagnetske indukcije, tradicionalni transformatori sastoje se od željeznih jezgri, bakrenih ili aluminijevih zavojnica te sustava za izolaciju/hlađenje (mineralno ulje ili suho tip). Oni rade na fiksiranim frekvencama (50/60 Hz ili 16⅔ Hz), s fiksiranim omjerima pretvorbe napona, mogućnostima prenosa snage i karakteristikama frekvencija.

Prednosti konvencionalnih transformatora:

• Niska cijena

• Visoka pouzdanost (učinkovitost >99%)

• Mogućnost ograničavanja strujnog kruga pri kratkom spoju

Nedostaci uključuju:

• Velika veličina i težina

• Osjetljivost na harmonike i DC odboj

• Nema zaštite od preopterećenja

• Rizičnost požara i okoliša

1.2 Definicija i podrijetlo čvrstostanjskih transformatora

Čvrsto-stanjski transformator (SST) je alternativa konvencionalnim transformatorima temeljen na tehnologiji elektroničkog snaga, s podrijetlom koje se vodi do McMurrayeva "elektroničkog transformatora" koncepta iz 1968. SST-i postižu pretvorbu napona i galvaniku izolaciju kroz etapu izolacije srednje frekvencije (MF), uz pružanje više inteligentnih kontrolnih funkcija.

Osnovna struktura SST-a uključuje:

• Sučelje srednjeg naponskog nivoa (MV)

• Etapu izolacije srednje frekvencije (MF)

• Komunikacijske i kontrolne veze

2. Izazovi dizajna SST-a

2.1 Izazov: Rukovanje srednjim naponom (MV)

Srednji naponski nivoi (npr., 10 kV) daleko prelaze naponske ocjene postojećih poluprovodnika (Si IGBT-ovi do 6.5 kV, SiC MOSFET-ovi ~10–15 kV). Stoga mora biti usvojen pristup s više celija (modularno) ili jedne celije (visokonaponski uređaj).

Prednosti više-celijskih rješenja:

• Modularni i redundantni dizajn

• Više-nivozni izlazni valovi, smanjujući potrebu za filtriranjem

• Podrška za hot-swapping i toleranciju grešaka

Prednosti jedno-celijskih rješenja:

• Jednostavnija struktura

• Pogodna za trofazne sustave

2.2 Izazov: Odabir topologije

Topologije SST-a mogu se kategorizirati kao:

• Izolirana front-end (IFE): Izolacija prije rektifikacije

• Izolirana back-end (IBE): Rektifikacija prije izolacije

• Tip matricnog pretvarača: Direktna AC-AC pretvorba

• Modularni multilevel converter (M2LC)

2.3 Izazov: Pouzdanost

Konvencionalni transformatori su izuzetno pouzdani, dok SST-ovi uključuju brojne poluprovodnike, kontrolne krugove i sustave hlađenja, što čini pouzdanost ključnom brigom. Članak predstavlja dijagram pouzdanosti (RBD) i modele stopa otkaza (λ u FIT), pokazujući da se redundancija može značajno poboljšati pouzdanost sustava.

2.4 Izazov: Pretvarači srednje frekvencije sa izoliranom snagom

Uobičajene topologije uključuju:

• Dvostruki aktivni most (DAB): Kontrola protoka snage putem faznog pomaka, omogućujući mekanu prekidnu radnju

• Serijalni rezonantni pretvarač s poluciklusnom diskontinuiranom modom (HC-DCM SRC): Postiže ZCS/ZVS, pokazuje karakteristike "DC transformatora"

2.5 Izazov: Dizajn transformatora srednje frekvencije

Transformatori srednje frekvencije rade na frekvencama na razini kHz, suočeni su s izazovima poput:

• Manji volumen magnetskog jezgra

• Konflikt između izolacije i termalnog upravljanja

• Neravnomjerna distribucija struje u Litz žici

2.6 Izazov: Koordinacija izolacije

Jedinice srednjeg naponskog nivoa zahtijevaju visoku izolaciju prema tlu, što zahtijeva razmatranje:

• Kombinirane 50 Hz strujne frekvencije i električnog polja srednje frekvencije

• Dielektrički gubitci i rizik lokalnog pregrejavanja

2.7 Izazov: Elektromagnetska interferencija (EMI)

Strujni tokovi zajedničkog moda generirani tijekom prekida srednjeg naponskog nivoa mogu protjecati prema tlu kroz parazitnu kapacitet i moraju se supresirati koristeći zajedničke mode šake.

2.8 Izazov: Zaštita

SST-ovi moraju obraditi previsoke napone, previsoke struje, udare bleska i kratke spojeve. Tradicionalni sigurnosni prekidi i ograničitelji nadnapona ostaju primjenjivi, ali trebaju biti kombinirani s elektroničkim ograničenjem struje i strategijama apsorpcije energije.

2.9 Izazov: Kontrola

Sustavi kontrole SST-a su složeni i zahtijevaju hijerarhijsku strukturu:

• Vanjska kontrola: Interakcija s mrežom, raspored snage

• Unutarnja kontrola: Regulacija napona/struje, upravljanje redundantnošću

• Kontrola na razini jedinice: Modulacija i zaštita

2.10 Izazov: Konstrukcija modularnih pretvarača

Izgradnja praktičnih MV modularnih sustava uključuje:

• Dizajn izolacije

• Sustavi hlađenja

• Komunikacija i pomoćni struja

• Mehanička struktura i podrška za hot-swappable

2.11 Izazov: Testiranje MV pretvarača

Testne instalacije MV su složene i zahtijevaju:

• Izvore snage/višeg naponskog nivoa

• Oprema za precizno mjerenje (npr., visokonaponski diferencijalni probe)

• Rezervne strategije testiranja (npr., back-to-back testiranje)

3. Primjenjivost i primjene SST-a

3.1 Primjene u mrežama

SST-ovi mogu se koristiti u mrežama za:

• Regulaciju napona i kompenzaciju reaktivne snage

• Filtriranje harmonika i poboljšanje kvalitete snage

• Integraciju DC sučelja (npr., pohrana energije, fotovoltaika)

Međutim, usporedbeno s konvencionalnim transformatorima linijarske frekvencije (LFT), SST-ovi suočeni su s "izazovom učinkovitosti":

• Učinkovitost LFT-a može dosegnuti 98.7%

• SST-ovi obično dosegu samo ~96.3% zbog više-etapne pretvorbe

• Ograničeno smanjenje veličine i težine (~2.6 m³ nasprot