Apa itu Transformer Berkeadaan Padat? 2025Tech Penjelasan Struktur & Prinsip

Noah

Medan: Reka Bentuk & Pemeliharaan

Australia

1. Apakah Transformer Padat (SST)?

1.1 Asas dan Keterbatasan Transformer Tradisional

Artikel ini mula-mula meninjau sejarah (contohnya, paten Stanley pada tahun 1886) dan prinsip asas transformer tradisional. Berdasarkan induksi elektromagnetik, transformer tradisional terdiri daripada inti silikon, lilitan tembaga atau aluminium, dan sistem pemisahan/pendinginan (minyak mineral atau jenis kering). Mereka beroperasi pada frekuensi tetap (50/60 Hz atau 16⅔ Hz), dengan nisbah transformasi voltan, kapabiliti penghantaran kuasa, dan ciri-ciri frekuensi yang tetap.

Kelebihan transformer tradisional:

Kos rendah
Kebolehpercayaan tinggi (kecekapan >99%)
Kemampuan untuk menghadkan arus pendek

Kekurangan termasuk:

Ukuran besar dan berat
Sensitif terhadap harmonik dan bias DC
Tiada perlindungan kelebihan beban
Risiko kebakaran dan alam sekitar

1.2 Definisi dan Asal-usul Transformer Padat

Transformer Padat (SST) adalah alternatif kepada transformer tradisional berdasarkan teknologi elektronik kuasa, dengan asal-usul yang boleh ditelusuri kembali kepada konsep "transformer elektronik" McMurray pada tahun 1968. SST mencapai transformasi voltan dan isolasi galvanik melalui tahap isolasi Frekuensi Sederhana (MF), sambil juga menyediakan pelbagai fungsi kawalan pintar.

Struktur asas SST termasuk:

Antara muka Voltan Sederhana (MV)
Tahap isolasi Frekuensi Sederhana (MF)
Pautan komunikasi dan kawalan

2. Cabaran Reka Bentuk SSTs

2.1 Cabaran: Menangani Voltan Sederhana (MV)

Aras voltan sederhana (contohnya, 10 kV) jauh melebihi penilaian voltan peranti semikonduktor yang sedia ada (Si IGBT sehingga 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Oleh itu, pendekatan sel berganda (modular) atau sel tunggal (peranti voltan tinggi) harus diambil.

Kelebihan penyelesaian sel berganda:

Reka bentuk modular dan berlebihan
Bentuk gelombang output multi-level, mengurangkan keperluan filter
Mendukung pertukaran panas dan toleransi kesalahan

Kelebihan penyelesaian sel tunggal:

Struktur lebih mudah
Sesuai untuk sistem tiga fasa

2.2 Cabaran: Pilihan Topologi

Topologi SST dapat dikategorikan sebagai:

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

2.3 Cabaran: Kebolehpercayaan

Transformer tradisional sangat boleh dipercayai, manakala SST menggabungkan banyak semikonduktor, litar kawalan, dan sistem pendinginan, menjadikan kebolehpercayaan isu penting. Makalah ini memperkenalkan Diagram Blok Kebolehpercayaan (RBD) dan model kadar kegagalan (λ dalam FIT), menunjukkan bahawa redundansi boleh meningkatkan kebolehpercayaan sistem secara signifikan.

2.4 Cabaran: Pengubah Kuasa Terisolasi Frekuensi Sederhana

Topologi umum termasuk:

Dual Active Bridge (DAB): Aliran kuasa dikawal melalui pergeseran fasa, membolehkan perubahan lembut
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Mencapai ZCS/ZVS, menunjukkan ciri "transformer DC"

2.5 Cabaran: Reka Bentuk Transformer Frekuensi Sederhana

Transformer frekuensi sederhana beroperasi pada frekuensi level kHz, menghadapi cabaran seperti:

Isi padu inti magnetik yang lebih kecil
Konflik antara pemisahan dan pengurusan haba
Penyebaran arus tidak merata dalam dawai Litz

2.6 Cabaran: Koordinasi Isolasi

Unit voltan sederhana memerlukan pemisahan tinggi ke tanah, memerlukan pertimbangan:

Tekanan medan elektrik gabungan 50 Hz dan frekuensi sederhana
Kehilangan dielektrik dan risiko pemanasan tempatan

2.7 Cabaran: Gangguan Elektromagnetik (EMI)

Arus modus biasa yang dihasilkan semasa beralih MV boleh mengalir ke tanah melalui kapasitansi parasit dan harus ditekan menggunakan choke modus biasa.

2.8 Cabaran: Perlindungan

SSTs mesti mengendalikan overvoltan, overcurrent, sambaran petir, dan pendek rangkaian. Fuses dan arrester surge tradisional masih berlaku tetapi harus digabungkan dengan strategi pembatasan arus elektronik dan penyerapan tenaga.

2.9 Cabaran: Kawalan

Sistem kawalan SST rumit dan memerlukan struktur hierarki:

Kawalan luaran: Interaksi grid, penghantaran kuasa
Kawalan dalaman: Peraturan voltan/arus, pengurusan redundansi
Kawalan unit: Modulasi dan perlindungan

2.10 Cabaran: Pembinaan Pengubah Modular

Membina sistem modular MV praktikal melibatkan:

Reka bentuk pemisahan
Sistem pendinginan
Komunikasi dan kuasa tambahan
Struktur mekanikal dan sokongan pertukaran panas

2.11 Cabaran: Ujian Pengubah MV

Fasiliti ujian MV kompleks dan memerlukan:

Sumber/beban voltan tinggi, kuasa tinggi
Perlengkapan pengukuran presisi tinggi (contohnya, probe diferensial voltan tinggi)
Strategi ujian cadangan (contohnya, ujian back-to-back)

3. Kepatuhan dan Kasus Penggunaan SSTs

3.1 Aplikasi Grid

SSTs boleh digunakan dalam grid kuasa untuk:

Regulasi voltan dan kompensasi daya reaktif
Penapisan harmonik dan peningkatan kualiti kuasa
Integrasi antara muka DC (contohnya, penyimpanan tenaga, fotovoltaik)

Namun, berbanding dengan Line Frequency Transformers (LFTs) tradisional, SSTs menghadapi "cabaran kecekapan":

Kecekapan LFT boleh mencapai 98.7%
SSTs biasanya hanya mencapai ~96.3% disebabkan oleh pengubahan multi-tahap
Pengurangan saiz dan berat yang terhad (~2.6 m³ berbanding 3.4 m³)
Kos yang jauh lebih tinggi (>52.7k USD berbanding 11.3k USD)

3.2 Aplikasi Traction

Sistem traction (contohnya, lokomotif elektrik) mempunyai syarat ketat untuk saiz, berat, dan kecekapan, di mana SSTs menawarkan kelebihan yang jelas:

Pengurangan saiz transformer yang signifikan melalui frekuensi operasi yang lebih tinggi (contohnya, 20 kHz)
Optimisasi gandaan kecekapan dan pengurangan isi padu

3.3 Aplikasi DC-DC

Dalam sistem DC (contohnya, pengumpulan tenaga angin laut, pusat data), SSTs adalah satu-satunya penyelesaian isolasi yang layak, kerana frekuensi operasinya boleh dipilih secara bebas tanpa dibatasi oleh frekuensi grid.