Hva er en fasttilstandstransformator? 2025Tech Forklaring av struktur og prinsipper

1. Hva er en fasttilstandstransformator (SST)?

1.1 Grunnleggende prinsipper og begrensninger ved konvensjonelle transformatorer

Artikkelen reviderer først historien (f.eks. Stanleys patent fra 1886) og de grunnleggende prinsippene for konvensjonelle transformatorer. Basert på elektromagnetisk induksjon, består tradisjonelle transformatorer av silisjernkjerner, kobber eller aluminiumsvikling, samt isolering/kjølesystemer (mineralolje eller tørretypen). De opererer med faste frekvenser (50/60 Hz eller 16⅔ Hz), med faste spenningsforhold, effektoverføringskapasiteter og frekvenskarakteristika.

Fordeler med konvensjonelle transformatorer:

• Lav kostnad

• Høy pålitelighet (effektivitet >99%)

• Kapasitet til å begrense kortslutningsstrøm

Ulemper inkluderer:

• Stor størrelse og tung vekt

• Følsomhet overfor harmoniske og DC-bias

• Ingen overlastbeskyttelse

• Brann- og miljørisiko

1.2 Definisjon og opprinnelse av fasttilstandstransformatorer

En Fasttilstandstransformator (SST) er et alternativ til konvensjonelle transformatorer basert på strømforkjedesteknologi, med opprinnelse som sporer tilbake til McMurrays "elektroniske transformator" konsept i 1968. SST-er oppnår spenningsforvandling og galvanisk isolasjon gjennom en mellomfrekvensisoleringsetappe, samtidig som de gir flere intelligente kontrollfunksjoner.

Grunnleggende struktur av en SST inkluderer:

• Mellomspenningsgrensesnitt (MV)

• Mellomfrekvensisoleringsetappe (MF)

• Kommunikasjons- og kontrolllenker

2. Designutfordringer for SST-er

2.1 Utkast: Behandling av mellomspenning (MV)

Mellomspenningsnivåer (f.eks. 10 kV) overstiger langt spenningskarakteristikken til eksisterende halvlederenheter (Si IGBT-er opp til 6.5 kV, SiC MOSFET-er ~10–15 kV). Derfor må enten en flerceller (modulær) eller enenkeller (høyspenningsenhet) tilnærming benyttes.

Fordeler med flercellerløsninger:

• Modulært og redundant design

• Flernivåutdataformer, reduserer filtreringsbehov

• Støtte for varmlastering og feiltoleranse

Fordeler med enenkellerløsninger:

• Enklere struktur

• Egnede for tre-fase systemer

2.2 Utkast: Topologivalg

SST-topologier kan kategoriseres som:

• Isolert foran-endring (IFE): Isolasjon før rettifikasi

• Isolert bak-endring (IBE): Rettifikasi før isolasjon

• Matrixkonvertertype: Direkte AC-AC-konvertering

• Modulær multinittekonverter (M2LC)

2.3 Utkast: Pålitelighet

Konvensjonelle transformatorer er ekstremt pålitelige, mens SST-er inkluderer mange halvledere, kontrollkretser og kjølesystemer, noe som gjør pålitelighet til en kritisk bekymring. Artikkelen introduserer Pålidelighetsblokkdiagrammer (RBD) og feilrate (λ i FIT) modeller, som indikerer at redundans kan betydelig forbedre systemets pålitelighet.

2.4 Utkast: Mellomfrekvensisolerte strømkonverterere

Vanlige topologier inkluderer:

• Dual Active Bridge (DAB): Strømflyt kontrollert via faseskift, muliggjør myk skiving

• Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Oppnår ZCS/ZVS, viser "DC-transformator" egenskaper

2.5 Utkast: Design av mellomfrekvenstransformatorer

Mellomfrekvenstransformatorer opererer på kHz-nivå frekvenser, og står overfor utfordringer som:

• Mindre magnetisk kjernestørrelse

• Konflikt mellom isolasjon og termisk forvaltning

• Ujevn strømdistribusjon i Litz-tråd

2.6 Utkast: Koordinering av isolasjon

Mellomspenningsenheter krever høy isolasjon mot jord, noe som krever betraktning av:

• Kombinert 50 Hz nettfrekvens og mellomfrekvens elektrisk feltstress

• Dielektriske tap og risiko for lokal overoppvarming

2.7 Utkast: Elektromagnetisk støy (EMI)

Genererte fellesmodestrømmer under MV-skiving kan flyte til jord gjennom parasittkapasitans og må undertrykkes ved hjelp av fellesmodessvinger.

2.8 Utkast: Beskyttelse

SST-er må håndtere overspenning, overstrøm, lynnedslag og kortslutning. Tradisjonelle sikringer og overvoltagebeskyttere er fortsatt anvendbare, men bør kombineres med elektroniske strømbegrensning og energiabsorpsjonsstrategier.

2.9 Utkast: Kontroll

SST-kontrollsystemer er komplekse og krever en hierarkisk struktur:

• Ekstern kontroll: Nettinteraksjon, effektdisponering

• Intern kontroll: Spennings/strømregulering, redundancyforvaltning

• Enhetskontroll: Modulasjon og beskyttelse

2.10 Utkast: Konstruksjon av modulære konvertere

Bygging av praktiske MV-modulære systemer involverer:

• Isolasjonsdesign

• Kjølesystemer

• Kommunikasjon og hjelpestrøm

• Mekanisk struktur og støtte for varmlastering

2.11 Utkast: Testing av MV-konvertere

MV-testfasiliteter er komplekse og krever:

• Høyspennings, høyeffekts kilde/belastning

• Høypræcis måleutstyr (f.eks. høyspenningsdifferenssonder)

• Reserves teststrategier (f.eks. back-to-back-testing)

3. Anvendelighetsområder og bruksområder for SST-er

3.1 Nettbruk

SST-er kan brukes i kraftnett for:

• Spenningsregulering og reaktiv effektkompensasjon

• Harmonisk filtrering og forbedring av strømkvalitet

• Integrering av DC-grensesnitt (f.eks. energilager, solenergi)

Sammenlignet med konvensjonelle Linjefrekvenstransformatorer (LFT-er), står SST-er imidlertid overfor en "effektivitetsutfordring":

• LFT-effektivitet kan nå 98,7%

• SST-er oppnår typisk bare ~96,3% på grunn av fleretapssystem

• Begrenset reduksjon i størrelse og vekt (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)

• Signifikant høyere kostnad (>52 700 USD vs. 11 300 USD)

3.2 Togdragsapplikasjoner

Togdragsystemer (f.eks. elektriske lokomotiver) har streng krav til størrelse, vekt og effektivitet, der SST-er tilbyr klare fordeler:

• Betydelig redusert transformatorstørrelse gjennom høyere driftsfrekvenser (f.eks. 20 kHz)

• Dobbel optimalisering av effektivitet og volumredusering

3.3 DC-DC-applikasjoner

I DC-systemer (f.eks. havbasert vindkraftsamling, datacentre) er SST-er den eneste mulige isolasjonsløsningen, da deres driftsfrekvens kan fritt velges uten å være bundet av nettetters frekvens.

4. Fremtidige konsepter og konklusjon

4.1 Fremtidige bruksområder

• Undervanns olje- og gassbehandlingsystemer

• Luftbårne vindturbiner

• Fullt elektriske fly

• Marine mellomspennings-DC (MVDC)-systemer