Што е трансформатор со тврдо стање? 2025Tech Објаснување на структурата и принципите

1. Што е тврдотелен трансформатор (SST)?

1.1 Основи и ограничувања на конвенционалните трансформатори

Статијата прво го ревизира историјата (на пример, Стенлиев патент од 1886 година) и основните принципи на конвенционалните трансформатори. Конвенционалните трансформатори се засноваат на електромагнетна индукција, состојат од јадра од силисиумска стал, виткања од бакар или алуминиум и системи за изолација/хлаѓање (минерално масло или сух тип). Те работат на фиксни фреквенции (50/60 Hz или 16⅔ Hz), со фиксни соодношенија на претворба на напон, капацитети за пренос на моќ и карактеристики на фреквенција.

Преимущества на конвенционалните трансформатори:

• Ниски трошоци

• Висока надежност (ефикасност >99%)

• Можности за ограничување на краткосечната стрuja

Недостатоци вклучуваат:

• Голем размер и тежина

• Осетливост на хармоници и DC пристрасност

• Без заштита од прекомерна натовареност

• Ризици од пожар и околина

1.2 Дефиниција и потекло на тврдотелните трансформатори

Тврдотелниот трансформатор (SST) е альтернатива на конвенционалните трансформатори базирана на технологија на енергетската електроника, со потекло што се врти назад до концептот на „електронски трансформатор“ на McMurray во 1968 година. SST-овите постигнуваат претворба на напон и галваничка изолација низ средно-фреквентен (MF) изолативен степен, исто така давајќи многу интелигентни контролни функции.

Основна структура на SST вклучува:

• Средно-напонска (MV) интерфејс

• Средно-фреквентен (MF) изолативен степен

• Комуникациони и контролни врски

2. Изазови во дизајнирањето на SST-овите

2.1 Изазов: Обработка на средно напонско (MV)

Средно-напонските нивоа (на пример, 10 kV) далечно надминуваат напонските класи на постојачките полупроводници (Si IGBTs до 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Затоа, мора да се прифати пристап со повеќе целести (модуларен) или едноцелест (висок напонски уред).

Преимущества на решенијата со повеќе целести:

• Модуларен и редундантен дизајн

• Многонивесни излезните форми на сигнал, намалувајќи потребата за филтрирање

• Поддршка за замена под напон и толеранција на грешки

Преимущества на едноцелестите решенија:

• Просветла структура

• Прифатливи за трифазни системи

2.2 Изазов: Избор на топологија

Топологиите на SST можат да се категоризираат како:

• Изолиран Фронтенд (IFE): Изолација пред ректификација

• Изолиран Бекенд (IBE): Ректификација пред изолација

• Матрични конвертер тип: Директна AC-AC конверзија

• Модуларен Многонивесен Конвертер (M2LC)

2.3 Изазов: Надежност

Конвенционалните трансформатори се екстремно надежни, додека SST-овите вклучуваат многу полупроводници, контролни кола и системи за хлаѓање, што прави надежноста критичен проблем. Папирот ги воведува Дијаграми на Надежни Блокови (RBD) и модели на стапка на неуспех (λ во FIT), указувајќи дека редунданцијата значително може да ја подобри надежноста на системот.

2.4 Изазов: Средно-фреквентни изолирани преобразувачи на моќ

Заеднички топологији вклучуваат:

• Дуален Активен Мост (DAB): Контрола на проток на моќ преку фазно поместување, овозможувајќи мека комутација

• Халф-Циклус Дисконтинуиран Режим Серисен Резонантен Преобразувач (HC-DCM SRC): Постигнува ZCS/ZVS, покажувајќи карактеристики на „DC трансформатор“

2.5 Изазов: Дизајн на средно-фреквентни трансформатори

Средно-фреквентните трансформатори работат на kHz-ниво фреквенции, со изазови како:

• Помал обем на магнетно јадро

• Конфликт меѓу изолација и управување со температурата

• Нееднакво распределување на струјата во Litz жица

2.6 Изазов: Координација на изолација

Средно-напонските единици бараат високу изолација до земјата, што бара размислување за:

• Комбинирано 50 Hz моќна фреквенција и средно-фреквентно електричко поле стрес

• Диелектрични загуби и ризик од локализирано прекомерно загревање

2.7 Изазов: Електромагнетна интерференција (EMI)

Общите модни струи генерираат во текот на MV комутација можат да текат до земјата низ паразитна капацитет и мора да се поднесат користејќи общи модни чоки.

2.8 Изазов: Защита

SST-овите мора да се справат со прекомерен напон, прекомерна струја, удари од молнја и краткосечни цепови. Традиционалните предохранители и уреди за апсорбиране на удари остануваат применливи, но треба да се комбинираат со електронски методи за ограничување на струја и апсорбиране на енергија.

2.9 Изазов: Контрола

Контролните системи на SST-овите се комплексни и бараат хиерархија:

• Екстерна контрола: Интеракција со мрежата, диспечерирање на моќ

• Интерна контрола: Регулирање на напон/струја, управување со редунданција

• Контрола на ниво на единица: Модулација и заштита

2.10 Изазов: Изградба на модуларни конвертери

Изградбата на практични MV модуларни системи вклучува:

• Дизајн на изолација

• Системи за хлаѓање

• Комуникации и помошна моќ

• Механичка структура и поддршка за замена под напон

2.11 Изазов: Тестирање на MV конвертери

Фасилитетите за тестирање на MV се комплексни и бараат:

• Високо-напонски, високо-моќни извори/нагласи

• Уреди за високопрецизно меренje (на пример, високо-напонски диференцијални ѕондови)

• Заменливи тест стратегии (на пример, back-to-back тестирање)

3. Применливиост и случаи на употреба на SST-овите

3.1 Мрежни применувања

SST-овите можат да се користат во електричните мрежи за:

• Регулирање на напон и компензација на реактивна моќ

• Филтрирање на хармоници и подобрување на качеството на моќта

• Интеграција на DC интерфејси (на пример, складирање на енергија, фотовалтаични системи)

Од друга страна, споредено со конвенционалните Линиски Фреквентни Трансформатори (LFTs), SST-овите се соочуваат со „изазовот на ефикасноста“:

• Ефикасноста на LFT може да достигне 98.7%

• SST-овите типично го достигнуваат само ~96.3% поради многостепенна конверзија

• Ограничена намала на големина и тежина (~2.6 m³ спроти 3.4 m³)

• Значително повисоки трошоци (>52.7k USD спроти 11.3k USD)

3.2 Применувања во тракција

Системите за тракција (на пример, електрички локомотиви) имаат строги барања за големина, тежина и ефикасност, каде SST-овите понудуваат ясни предности:

• Значително намалена големина на трансформаторот преку повисоки оперативни фреквенции (на пример, 20 kHz)

• Двоно оптимизирање на ефикасноста и намалување на големина

3.3 Применувања во DC-DC системи

Во DC системи (на пример, скупување на офшорна ветроенергија, податочни центри), SST-овите се единственото применив решение за изолација, бидејќи нивната оперативна фреквенција може да се слободно избере без да се ограничува со мрежната фреквенција.

4. Будущи концепти и заклучок

4.1 Будушни случаи на употреба

• Подморски системи за процесирање на нафта и гас

• Ветрени турбини во воздухот

• Полнэлектрични авиони

• Морски средно-напонски DC (MVDC) системи