Kas ir solid-state pārveidotājs? 2025Tech, struktūra un principi izskaidroti

1. Kas ir solidstāvokļa transformators (SST)?

1.1 Parastu transformatoru pamati un ierobežojumi

Raksts sākas ar vēstures apskatīšanu (piemēram, Stenlija patents no 1886. gada) un parastu transformatoru pamatprincipiem. Parastie transformatori, kas balstīti uz elektromagnētisko indukciju, sastāv no silīcijas dzelzs magnētkārniem, vaļšsudrabas vai aluminija virpesmāju, un izolācijas/dzesēšanas sistēmām (minerālo eļļu vai sausveida). Tie darbojas fiksētajos frekvenču rādņos (50/60 Hz vai 16⅔ Hz), ar fiksētiem sprieguma pārveidošanas attiecībām, enerģijas pārnesanas spēju un frekvenču raksturlielumiem.

Parastu transformatoru priekšrocības:

• Zema cena

• Augsta uzticamība (efektivitāte >99%)

• Īsais strāvas ceļa robežēšanas spēja

Trūkumi ietver:

• Lielas dimensijas un smagums

• Jutība pret harmoniskajiem un Gājienā iegūto nelielu DC novirzi

• Nav pārmērīgas slodzes aizsardzības

• Ugunsgrēku un vides riski

1.2 Solidstāvokļa transformatoru (SST) definīcija un izcelsme

Solidstāvokļa transformators (SST) ir alternatīva parastiem transformatoriem, balstoties uz enerģijas elektronikas tehnoloģiju, ar sākotnēko ideju atgriežoties pie Makmurijs "elektroniskā transformatora" konceptes 1968. gadā. SST veic sprieguma pārveidošanu un galvanisku izolāciju, izmantojot vidējas frekvences (MF) izolācijas stadiju, kā arī piedāvā daudzas intelektuālas kontrolfunkcijas.

SST pamatstruktūra ietver:

• Vidējas sprieguma (MV) saskarni

• Vidējas frekvences (MF) izolācijas stadiju

• Komunikācijas un kontroles saites

2. SST dizaina izaicinājumi

2.1 izaicinājums: Vidēja sprieguma (MV) apstrāde

Vidējie sprieguma līmeņi (piemēram, 10 kV) pārsniedz esošo poluprovadītāju elementu (Si IGBT līdz 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV) sprieguma rādņus. Tāpēc jāpieņem vienkārša celta (modulāra) vai viena celta (augstsprieguma elementa) pieeja.

Daudzceltu risinājumu priekšrocības:

• Modulāra un rezervēta struktūra

• Daudzlīmeņu izvades formāti, samazina filtrēšanas prasības

• Atbalsta karstu maiņu un notricību toleranci

Vienas celles risinājumu priekšrocības:

• Vienkāršāka struktūra

• Piemērota trimfāzējiem sistēmām

2.2 izaicinājums: Topoloģijas atlase

SST topoloģijas var sadalīt šādi:

• Izolēts priekšgalda (IFE): Izolācija pirms rektifikācijas

• Izolēts aizgalda (IBE): Rektifikācija pirms izolācijas

• Matrica konvertera tips: Tieša AC-AC pārveidošana

• Modulārs daudzlīmeņu konvertētājs (M2LC)

2.3 izaicinājums: Uzticamība

Parastie transformatori ir ļoti uzticami, bet SST ietver daudzus poluprovadītājus, kontrolējošos shēmas un dzesēšanas sistēmas, kas padara uzticamību par kritisku aspektu. Raksts ievieš Uzticamības blokschema (RBD) un iznīcinājuma ātrumu (λ FIT) modeļus, norādot, ka rezerve var būtiski uzlabot sistēmas uzticamību.

2.4 izaicinājums: Vidējas frekvences izolētie enerģijas pārveidotāji

Bieži sastopamas topoloģijas ietver:

• Divu aktīvo tiltu (DAB): Enerģijas plūsma tiek kontrolēta caur fāzes nobīdi, nodrošinot mīkstu pārslēgšanos

• Puse-cikla nepārtrauktas režīma sērijas rezonanses konvertētājs (HC-DCM SRC): Sasniedz ZCS/ZVS, parādot "DC transformatora" raksturlielumus

2.5 izaicinājums: Vidējas frekvences transformatoru dizains

Vidējas frekvences transformatori darbojas kHz līmeņa frekvencēs, saskaroties ar izaicinājumiem, piemēram:

• Mazāks magnētkārna tilpums

• Konflikts starp izolāciju un termisku pārvaldību

• Neravīgs strāvas sadalījums Litz metālā

2.6 izaicinājums: Izolācijas koordinācija

Vidēja sprieguma vienībām ir nepieciešama augsta izolācija pret zemi, kas prasa ņemt vērā:

• Kombinētu 50 Hz tālumsprieguma un vidējas frekvences elektriskā lauka stresu

• Dielektrikas zudējumus un vietēja pārsildīšanās risku

2.7 izaicinājums: Elektromagnētiskā interferenča (EMI)

MV pārslēgšanas laikā radītās kopīgās modes strāvas var plūst uz zemes caur parazitāro kapacitāciju un to jāsamazina, izmantojot kopīgās modes čokes.

2.8 izaicinājums: Aizsardzība

SST jāapstrādā pārspriegums, pārstrāva, negaidīti laika apstākļi un īsais ceļš. Parastie sprādzieni un pārsprieguma aizsargi joprojām ir piemēroti, bet tos jākombinē ar elektronisku strāvas robežēšanu un enerģijas absorbcijas stratēģijām.

2.9 izaicinājums: Kontrole

SST kontrolsistēmas ir sarežģītas un prasa hierarhisku struktūru:

• Ārēja kontrole: Tīkla interakcija, enerģijas pārvaldība

• Iekšēja kontrole: Sprieguma/strāvas regulācija, rezerves pārvaldība

• Vienības līmeņa kontrole: Modulācija un aizsardzība

2.10 izaicinājums: Modulāru konvertoru būvniecība

Praktisku MV modulāru sistēmu izveidošana ietver:

• Izolācijas dizainu

• Dzesēšanas sistēmas

• Komunikāciju un palīgspriegumu

• Mehānisko struktūru un karstu maiņas atbalstu

2.11 izaicinājums: MV konverteru testēšana

MV testēšanas iekārtas ir sarežģītas un prasa:

• Augstsprieguma, augstspēka avotus/slogus

• Augstas precizitātes mērīšanas iekārtas (piemēram, augstsprieguma diferenciālie sonderi)

• Atrisinājumus rezervēšanai (piemēram, back-to-back testēšana)

3. SST pielāgojamība un lietojuma gadījumi

3.1 Tīkla lietojums

SST var tikt izmantots tīklā:

• Sprieguma regulācija un reaktivā enerģijas kompensācija

• Harmoniskā filtrēšana un enerģijas kvalitātes uzlabošana

• DC saskarnes integrācija (piemēram, enerģijas krājēji, fotovoltaika)

Tomēr, salīdzinājumā ar parastiem Line Frequency Transformeriem (LFT), SST saskaras ar "efektivitātes izaicinājumu":

• LFT efektivitāte var sasniegt 98.7%

• SST parasti sasniedz tikai aptuveni 96.3% dēļ vairāku stadiju pārveidošanas

• Ierobežota samazināšana izmēros un svarā (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• Būtiski augstāks izmaksas (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Trakcijas lietojums

Trakcijas sistēmas (piemēram, elektrolokomotīves) ir stingri nosacītas izmēros, svarā un efektivitātē, kur SST piedāvā skaidras priekšrocības:

• Būtiski samazināts transformatora izmērs dēļ augstākas darbības frekvences (piemēram, 20 kHz)

• Dubultā optimizācija efektivitātes un tilpuma samazināšanā

3.3 DC-DC lietojums

DC sistēmās (piemēram, jūras vēja kolekcijas, datu centri), SST ir vienīgais iespējamais izolācijas risinājums, jo tā darbības frekvence var tikt brīvi izvēlēta, neietverot tīkla frekvenci.

4. Nākotnes koncepti un secinājumi

4.1 Nākotnes lietojuma scenāriji

• Jūras naftas un gāzes procesēšanas sistēmas

• Gaisa vēja dzeltenis

• Visātrunīga lidmašīna

• Flotes vidēja sprieguma DC (MVDC) sistēmas