Czym jest transformator półprzewodnikowy 2025Tech Wyjaśnienie struktury i zasad działania

Noah

Pole: Projektowanie i konserwacja

Australia

1. Co to jest transformator półprzewodnikowy (SST)?

1.1 Podstawy i ograniczenia konwencjonalnych transformatorów

Artykuł rozpoczyna się przeglądem historii (np. patenty Stanleya z 1886 roku) i podstawowych zasad konwencjonalnych transformatorów. Bazując na elektromagnetycznej indukcji, tradycyjne transformatory składają się z rdzeni z krzemu, cewek miedzianych lub aluminium oraz systemów izolacji/chłodzenia (olej mineralny lub suchy typ). Działają one przy stałych częstotliwościach (50/60 Hz lub 16⅔ Hz), z stałymi stosunkami przekształcania napięcia, zdolnościami do przesyłania mocy i charakterystykami częstotliwościowymi.

Zalety konwencjonalnych transformatorów:

Niskie koszty
Wysoka niezawodność (wydajność >99%)
Możliwość ograniczania prądu zwarciowego

Wady obejmują:

Duże rozmiary i ciężar
Czułość na harmoniczne i obciążenie stałe
Brak ochrony przed przeciążeniem
Ryzyko pożarowe i środowiskowe

1.2 Definicja i pochodzenie transformatorów półprzewodnikowych

Transformator półprzewodnikowy (SST) to alternatywa dla konwencjonalnych transformatorów oparta na technologii elektroniki mocy, której początki sięgają koncepcji „transformatora elektronicznego” McMurraya z 1968 roku. SST osiąga przekształcenie napięcia i galwaniczną izolację poprzez etap izolacji o średniej częstotliwości (MF), jednocześnie zapewniając wiele inteligentnych funkcji sterowania.

Podstawowa struktura SST obejmuje:

Interfejs średniego napięcia (MV)
Etap izolacji o średniej częstotliwości (MF)
Łączności i łącza sterujące

2. Wyzwania projektowe SST

2.1 Wyzwanie: Obsługa średniego napięcia (MV)

Poziomy średniego napięcia (np. 10 kV) znacznie przekraczają klasyfikacje napięciowe istniejących półprzewodników (Si IGBT do 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Dlatego należy zastosować podejście wielokomórkowe (modularne) lub jednokomórkowe (urządzenie wysokiego napięcia).

Zalety rozwiązań wielokomórkowych:

Modułowe i redundantne projekty
Wielopoziomowe wyjściowe formy fal, zmniejszające wymagania filtrujące
Wsparcie dla wymiany w locie i odporności na awarie

Zalety rozwiązań jednokomórkowych:

Prostsza struktura
Odpowiednie dla systemów trójfazowych

2.2 Wyzwanie: Wybór topologii

Topologie SST można sklasyfikować jako:

Izolowany Front-End (IFE): Izolacja przed prostowaniem
Izolowany Back-End (IBE): Prostowanie przed izolacją
Typ konwertera macierzowego: Bezpośrednie przekształcenie AC-AC
Modularny Konwerter Wielopoziomowy (M2LC)

2.3 Wyzwanie: Niezawodność

Konwencjonalne transformatory są niezwykle niezawodne, podczas gdy SST zawierają wiele półprzewodników, obwodów sterujących i systemów chłodzących, co czyni niezawodność kluczowym problemem. Artykuł wprowadza diagramy blokowe niezawodności (RBD) i modele stopeń awarii (λ w FIT), wskazując, że redundancja może znacznie poprawić niezawodność systemu.

2.4 Wyzwanie: Izolowane konwertery mocy o średniej częstotliwości

Powszechne topologie obejmują:

Podwójny aktywny most (DAB): Przepływ mocy kontrolowany poprzez przesunięcie fazowe, umożliwiający miękkie przełączanie
Konwerter rezonansowy szeregowy w trybie półcyklu nieciągłym (HC-DCM SRC): Osiągający ZCS/ZVS, prezentujący cechy „transformatora DC”

2.5 Wyzwanie: Projekt transformatora o średniej częstotliwości

Transformatory o średniej częstotliwości działają na częstotliwościach na poziomie kHz, stając przed wyzwaniami takimi jak:

Mniejszy objętościowy rdzeń magnetyczny
Konflikt między izolacją a zarządzaniem termicznym
Niejednorodne rozłożenie prądu w przewodzie Litz

2.6 Wyzwanie: Koordynacja izolacji

Jednostki średniego napięcia wymagają wysokiej izolacji do ziemi, co wymaga uwzględnienia:

Połączone naprężenie pola elektrycznego częstotliwości 50 Hz i średniej częstotliwości
Straty dielektryczne i ryzyko lokalnego nagrzewania

2.7 Wyzwanie: Elektromagnetyczne zakłócenia (EMI)

Prądy trybu wspólnego generowane podczas przełączania MV mogą przepływać do ziemi przez pojemność pasożytniczą i muszą być tłumione za pomocą dławików trybu wspólnego.

2.8 Wyzwanie: Ochrona

SST muszą radzić sobie z nadnapięciami, nadprądami, uderzeniami piorunów i zwarciami. Tradycyjne bezpieczniki i ograniczniki przepięć pozostają stosowne, ale powinny być połączone ze strategiami elektronicznego ograniczania prądu i absorpcji energii.

2.9 Wyzwanie: Sterowanie

Systemy sterowania SST są skomplikowane i wymagają hierarchicznej struktury:

Zewnętrzne sterowanie: Interakcja z siecią, dysponowanie mocy
Wewnętrzne sterowanie: Regulacja napięcia/prądu, zarządzanie redundancją
Sterowanie na poziomie jednostki: Modulacja i ochrona

2.10 Wyzwanie: Budowa modułowych konwerterów

Budowa praktycznych modułowych systemów MV obejmuje:

Projekt izolacji
Systemy chłodzenia
Komunikacja i pomocnicza energia
Konstrukcja mechaniczna i wsparcie dla wymiany w locie

2.11 Wyzwanie: Testowanie konwerterów MV

Obiekty testowe MV są złożone i wymagają:

Źródła/wczyty o wysokim napięciu i dużej mocy
Wyposażenie pomiarowe o wysokiej precyzji (np. sondy różnicowe wysokiego napięcia)
Strategie zapasowe (np. testy back-to-back)

3. Zastosowania i przypadki użycia SST

3.1 Zastosowania w sieciach

SST mogą być używane w sieciach energetycznych do:

Regulacji napięcia i kompensacji mocy reaktywnej
Filtrowania harmonicznych i poprawy jakości energii
Integracji interfejsów DC (np. magazyny energii, fotowoltaika)

Jednak w porównaniu z konwencjonalnymi transformatorami częstotliwości sieciowej (LFT), SST stoją przed „wyzwaniem efektywności”:

Efektywność LFT może osiągnąć 98.7%
SST zwykle osiągają tylko ~96.3% ze względu na wielostopniowe przekształcanie
Ograniczona redukcja rozmiaru i wagi (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Zdecydowanie wyższe koszty (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Zastosowania w systemach trakcyjnych

Systemy trakcyjne (np. lokomotywy elektryczne) mają surowe wymagania dotyczące rozmiaru, wagi i efektywności, gdzie SST oferują jasne korzyści:

Znaczna redukcja rozmiaru transformatora dzięki wyższym częstotliwościom pracy (np. 20 kHz)
Podwójna optymalizacja efektywności i redukcji objętości

3.3 Zastosowania DC-DC

W systemach DC (np. zbieranie energii z wiatraków morskich, centra danych), SST są jedynym realnym rozwiązaniem izolacji, ponieważ ich częstotliwość pracy może być swobodnie wybierana, nie będąc ograniczona częstotliwością sieci.