Mi az a szilárdtestes transzformátor? 2025Tech szerkezet és elv magyarázva

1. Mi az erőgépszerű átalakító (SST)?

1.1 A hagyományos átalakítók alapjai és korlátai

A cikk először áttekinti a hagyományos átalakítók történetét (pl., Stanley 1886-os szabadalmát) és alapelveit. Az elektromágneses indukció alapján működő hagyományos átalakítók kisilíc acélmagból, réz vagy alumínium tekercsek, valamint izolációs/hűtési rendszerek (minőségi olaj vagy száraz típusú) állnak. Folyamatos frekvencián (50/60 Hz vagy 16⅔ Hz) működnek, rögzített feszültség-átalakítási arányokkal, teljesítményátadási képességgel és frekvencia-jellemzőkkel.

A hagyományos átalakítók előnyei:

• Alacsony költség

• Magas megbízhatóság (hatékonyság >99%)

• Rövidzárló áram korlátozó képesség

Hátrányok:

• Nagy méret és nagy súly

• Szénharmonikusokra és DC torzításra érzékenyek

• Nincs túltöltés elleni védelem

• Tűz- és környezeti kockázatok

1.2 Az erőgépszerű átalakító (SST) definíciója és eredete

Az erőgépszerű átalakító (SST) a hagyományos átalakítók alternatívája, amely a hatáskörben lévő elektronikai technológián alapszik, és eredete McMurray 1968-as "elektronikus átalakító" fogalmához nyúlik vissza. Az SST-k közepes frekvenciás (MF) izolációs szakasz segítségével érik el a feszültség-átalakítást és a galvanikus izolációt, ugyanakkor több intelligens irányítási funkciót is biztosítanak.

Egy SST alapvető szerkezete tartalmaz:

• Középfeszültségű (MV) interfész

• Közepes frekvenciás (MF) izolációs szakasz

• Kommunikációs és irányítási csatornák

2. Az SST-k tervezési kihívásai

2.1 Kihívás: A középfeszültség (MV) kezelése

A középfeszültségi szintek (pl., 10 kV) messze meghaladják a jelenlegi szemilettek (Si IGBT-ek legfeljebb 6.5 kV, SiC MOSFET-ek ~10–15 kV) feszültség-határértékét. Ezért vagy többcellás (moduláris), vagy egyetlen cellás (magasfeszültségű eszköz) megközelítést kell alkalmazni.

A többcellás megoldások előnyei:

• Moduláris és redundáns dizájn

• Több-szintű kimeneti hullámformák, csökkentve a szűrőigényeket

• Melegcserélhetőség és hibatűrés támogatása

Az egyetlen cellás megoldások előnyei:

• Egyszerűbb szerkezet

• Háromfázis rendszerekhez alkalmas

2.2 Kihívás: Topológia kiválasztása

Az SST topológiák osztályozhatók, mint:

• Izolt előtér (IFE): Izoláció a rektifikáció előtt

• Izolt háttér (IBE): Rektifikáció az izoláció előtt

• Mátrix konverter típus: Direkt AC-AC átalakítás

• Moduláris töbszintű konverter (M2LC)

2.3 Kihívás: Megbízhatóság

A hagyományos átalakítók rendkívül megbízhatók, míg az SST-k számos szemilet, irányítási kör és hűtőrendszert tartalmaznak, ami a megbízhatóságot jelentős aggodalomforrássá teszi. A tanulmány bevezeti a megbízhatósági blokkdiagramokat (RBD) és a hibaarány (λ FIT) modelleket, amelyek azt mutatják, hogy a redundancia jelentősen javíthatja a rendszer megbízhatóságát.

2.4 Kihívás: Közepes frekvenciás izolt átalakítók

Gyakori topológiák:

• Dupla aktív híd (DAB): Az áramerősség irányítása fáziselmozdulással, lehetővé téve a lágy kapcsolást

• Fél ciklus folytonos-diszkontinuális mód soros rezonáns átalakító (HC-DCM SRC): ZCS/ZVS elérése, "DC átalakító" jellemzők mutatása

2.5 Kihívás: Közepes frekvenciás átalakítók tervezése

A közepes frekvenciás átalakítók kilohertz-es frekvencián működnek, így a következő kihívásokkal néznek szembe:

• Kisebb mágneses mag térfogat

• Izoláció és hőmérséklet-kezelés konfliktusa

• Litz dróton belüli egyenletes áramerősség-eloszlás hiánya

2.6 Kihívás: Izoláció koordinációja

A középfeszültségű egységek magas izolációt igényelnek a földre, ezért figyelembe kell venni:

• 50 Hz hálózati frekvencia és közepes frekvenciás elektromos mező stressz kombinációja

• Dielektrikus veszteségek és helyi felmelegedés kockázata

2.7 Kihívás: Elektromágneses zavar (EMI)

A MV kapcsolás során generált közös módusú áramok áthúzhatják a paraszitikus kapacitancián keresztül a földre, és közös módusú szűrőkkel kell lecsillapítani őket.

2.8 Kihívás: Védelem

Az SST-k kezelniük kell a túlfeszültséget, túlterhelést, villámcsapást és rövidzárlást. A hagyományos védőelemek, például a bimbes és a villámárvizek továbbra is alkalmazhatók, de kombinálni kell őket elektronikus áramerősségkorlátozó és energiaabszorbáló stratégiákkal.

2.9 Kihívás: Irányítás

Az SST irányítási rendszerei összetettek, és hierarchikus szerkezetet igényelnek:

• Külső irányítás: Hálózattal való interakció, teljesítmény-diszpécser

• Belső irányítás: Feszültség/áramerősség szabályzás, redundancia kezelése

• Egység-szintű irányítás: Moduláció és védelem

2.10 Kihívás: Moduláris átalakítók építése

A gyakorlati MV moduláris rendszerek építése a következőket igényli:

• Izolációs dizájn

• Hűtőrendszerek

• Kommunikáció és segédenergia

• Mechanikai szerkezet és melegcserélhetőség támogatása

2.11 Kihívás: MV átalakítók tesztelése

A MV tesztelési berendezések összetettek, és a következőket igénylik:

• Magasfeszültségű, nagy teljesítményű források/terhelések

• Magas pontosságú mérőberendezések (pl., magasfeszültségű differenciális sondek)

• Ellenőrző tesztstratégiák (pl., visszafelé tesztelés)

3. Az SST-k alkalmazhatósága és használati esetei

3.1 Hálózati alkalmazások

Az SST-k a hálózatokban a következőkre használhatók:

• Feszültség-szabályzás és reaktív teljesítmény kompenzáció

• Harmonikus szűrés és minőségi energiaszolgáltatás javítása

• DC interfész integráció (pl., energia-tároló, fotovoltaikus rendszerek)

Ugyanakkor, a hagyományos vonal-frekvenciás átalakítók (LFT) képest, az SST-k az "hatékonysági kihívást" jelentenek:

• LFT hatékonysága elérheti a 98,7%-ot

• Az SST-k általában csak ~96,3%-ot érnek el a többszintű átalakítás miatt

• Korlátozott méret és súly-csökkentés (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)

• Signifikánsan magasabb költség (>52,7 ezer USD vs. 11,3 ezer USD)

3.2 Hajtóerő alkalmazások

A hajtóerő rendszerek (pl., villamos vasút járművek) szigorúan megkövetelik a méret, a súly és a hatékonyság, ahol az SST-k nyilvánvaló előnyökkel rendelkeznek:

• Signifikánsan csökkentett átalakító méret magasabb működési frekvenciákkal (pl., 20 kHz)

• Hatékonyság és térfogat-csökkentés kettős optimalizálása

3.3 DC-DC alkalmazások

A DC rendszerekben (pl., tengeri szélerő gyűjtő, adatközpontok) az SST-k az egyetlen lehetséges izolációs megoldás, mivel működési frekvenciájuk szabadon választható, anélkül, hogy a hálózati frekvencia korlátozná őket.

4. Jövőbeli fogalmak és következtetés

4.1 Jövőbeli alkalmazási forgatókönyvek

• Tengeri olaj- és gázfeldolgozó rendszerek

• Légialatt működő szélkötők

• Teljesen elektrikus repülőgépek

• Haditengeri középfeszültségű DC (MVDC) rendszerek