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

Поле: Дизајн и одржуване

Australia

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.