Apa itu Transformer Padat? 2025Tech Struktur & Prinsip Diuraikan

Noah

Bidang: Desain & Pemeliharaan

Australia

1. Apa itu Transformer Padat (SST)?

1.1 Dasar-dasar dan Keterbatasan Transformer Konvensional

Artikel ini pertama-tama meninjau sejarah (misalnya, paten Stanley tahun 1886) dan prinsip dasar transformer konvensional. Berdasarkan induksi elektromagnetik, transformer tradisional terdiri dari inti baja silikon, lilitan tembaga atau aluminium, dan sistem isolasi/pendinginan (minyak mineral atau tipe kering). Mereka beroperasi pada frekuensi tetap (50/60 Hz atau 16⅔ Hz), dengan rasio transformasi tegangan tetap, kemampuan transfer daya, dan karakteristik frekuensi.

Keunggulan transformer konvensional:

Biaya rendah
Tingkat keandalan tinggi (efisiensi >99%)
Kemampuan membatasi arus hubungan pendek

Kekurangan termasuk:

Ukuran besar dan berat
Sensitif terhadap harmonisa dan bias DC
Tidak ada perlindungan beban berlebih
Risiko kebakaran dan lingkungan

1.2 Definisi dan Asal-usul Transformer Padat (SST)

Transformer Padat (SST) adalah alternatif untuk transformer konvensional yang didasarkan pada teknologi elektronika daya, dengan asal-usul yang dapat ditelusuri kembali ke konsep "transformer elektronik" oleh McMurray pada tahun 1968. SST mencapai transformasi tegangan dan isolasi galvanik melalui tahap isolasi Frekuensi Menengah (MF), sambil juga menyediakan berbagai fungsi kontrol cerdas.

Struktur dasar SST meliputi:

Antarmuka Tegangan Menengah (MV)
Tahap Isolasi Frekuensi Menengah (MF)
Tautan komunikasi dan kontrol

2. Tantangan Desain SST

2.1 Tantangan: Penanganan Tegangan Menengah (MV)

Tegangan menengah (misalnya, 10 kV) jauh melebihi peringkat tegangan perangkat semikonduktor yang ada (Si IGBT hingga 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Oleh karena itu, harus diadopsi pendekatan multi-sel (modular) atau single-sel (perangkat tegangan tinggi).

Keunggulan solusi multi-sel:

Desain modular dan redundan
Gelombang output multi-level, mengurangi kebutuhan filter
Dukungan untuk hot-swapping dan toleransi kesalahan

Keunggulan solusi single-sel:

Struktur lebih sederhana
Cocok untuk sistem tiga fasa

2.2 Tantangan: Pemilihan Topologi

Topologi SST dapat dikategorikan sebagai:

Front-End Terisolasi (IFE): Isolasi sebelum rektifikasi
Back-End Terisolasi (IBE): Rektifikasi sebelum isolasi
Jenis konverter matriks: Konversi AC-AC langsung
Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Tantangan: Keandalan

Transformer konvensional sangat andal, sedangkan SST mengintegrasikan banyak semikonduktor, rangkaian kontrol, dan sistem pendingin, sehingga keandalan menjadi masalah kritis. Makalah ini memperkenalkan Diagram Blok Keandalan (RBD) dan model laju kegagalan (λ dalam FIT), menunjukkan bahwa redundansi dapat secara signifikan meningkatkan keandalan sistem.

2.4 Tantangan: Konverter Daya Terisolasi Frekuensi Menengah

Topologi umum meliputi:

Dual Active Bridge (DAB): Aliran daya dikontrol melalui pergeseran fase, memungkinkan switching lembut
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Mencapai ZCS/ZVS, menunjukkan karakteristik "transformer DC"

2.5 Tantangan: Desain Transformer Frekuensi Menengah

Transformer frekuensi menengah beroperasi pada frekuensi level kHz, menghadapi tantangan seperti:

Volume inti magnetik lebih kecil
Konflik antara isolasi dan manajemen termal
Distribusi arus tidak merata dalam kawat Litz

2.6 Tantangan: Koordinasi Isolasi

Unit tegangan menengah memerlukan isolasi tinggi ke tanah, sehingga perlu mempertimbangkan:

Stres medan listrik kombinasi 50 Hz dan frekuensi menengah
Kehilangan dielektrik dan risiko pemanasan lokal

2.7 Tantangan: Gangguan Elektromagnetik (EMI)

Arus mode umum yang dihasilkan selama beralih MV dapat mengalir ke tanah melalui kapasitansi parasit dan harus ditekan menggunakan choke mode umum.

2.8 Tantangan: Perlindungan

SST harus menangani tegangan berlebih, arus berlebih, sambaran petir, dan hubungan pendek. Fuses dan penyerap lonjakan tradisional masih berlaku tetapi harus dikombinasikan dengan strategi pembatasan arus elektronik dan penyerapan energi.

2.9 Tantangan: Kontrol

Sistem kontrol SST kompleks dan memerlukan struktur hierarkis:

Kontrol eksternal: Interaksi grid, pengaturan daya
Kontrol internal: Regulasi tegangan/arus, manajemen redundansi
Kontrol tingkat unit: Modulasi dan perlindungan

2.10 Tantangan: Pembangunan Konverter Modular

Membangun sistem modular MV praktis melibatkan:

Desain isolasi
Sistem pendingin
Komunikasi dan daya bantu
Struktur mekanis dan dukungan hot-swappable

2.11 Tantangan: Pengujian Konverter MV

Fasilitas pengujian MV kompleks dan memerlukan:

Sumber/beban tegangan tinggi, daya tinggi
Peralatan pengukuran presisi tinggi (misalnya, probe diferensial tegangan tinggi)
Strategi cadangan pengujian (misalnya, pengujian back-to-back)

3. Aplikabilitas dan Kasus Penggunaan SST

3.1 Aplikasi Jaringan

SST dapat digunakan dalam jaringan listrik untuk:

Regulasi tegangan dan kompensasi daya reaktif
Filter harmonisa dan peningkatan kualitas daya
Integrasi antarmuka DC (misalnya, penyimpanan energi, fotovoltaik)

Namun, dibandingkan dengan Line Frequency Transformers (LFT) konvensional, SST menghadapi "tantangan efisiensi":

Efisiensi LFT dapat mencapai 98,7%
SST biasanya hanya mencapai ~96,3% karena konversi multi-tahap
Reduksi ukuran dan berat terbatas (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)
Biaya jauh lebih tinggi (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Aplikasi Traction

Sistem traksi (misalnya, lokomotif listrik) memiliki persyaratan ketat untuk ukuran, berat, dan efisiensi, di mana SST menawarkan keunggulan yang jelas:

Penurunan ukuran transformer yang signifikan melalui frekuensi operasi yang lebih tinggi (misalnya, 20 kHz)
Optimasi ganda efisiensi dan pengurangan volume

3.3 Aplikasi DC-DC

Dalam sistem DC (misalnya, pengumpulan tenaga angin lepas pantai, pusat data), SST adalah satu-satunya solusi isolasi yang layak, karena frekuensi operasinya dapat dipilih bebas tanpa dibatasi oleh frekuensi jaringan.