Что такое твердотельный трансформатор? 2025Tech, структура и принципы объяснены

Noah

Поле: Проектирование и обслуживание

Australia

1. Что такое твердотельный трансформатор (SST)?

1.1 Основы и ограничения традиционных трансформаторов

В статье сначала рассматриваются история (например, патент Стэнли 1886 года) и основные принципы традиционных трансформаторов. На основе электромагнитной индукции традиционные трансформаторы состоят из сердечников из кремниевой стали, обмоток из меди или алюминия и систем изоляции/охлаждения (минеральное масло или сухого типа). Они работают на фиксированных частотах (50/60 Гц или 16⅔ Гц), с фиксированными коэффициентами преобразования напряжения, возможностями передачи мощности и характеристиками частоты.

Преимущества традиционных трансформаторов:

Низкая стоимость
Высокая надежность (эффективность >99%)
Способность ограничивать ток короткого замыкания

Недостатки включают:

Крупные размеры и большой вес
Чувствительность к гармоникам и постоянному току
Отсутствие защиты от перегрузки
Риски возгорания и экологические риски

1.2 Определение и происхождение твердотельных трансформаторов

Твердотельный трансформатор (SST) является альтернативой традиционным трансформаторам на основе технологии силовой электроники, с истоками, восходящими к концепции "электронного трансформатора" МакМюррея в 1968 году. SST достигает преобразования напряжения и гальванической изоляции через среднечастотную (MF) изолирующую стадию, а также предоставляет множество интеллектуальных функций управления.

Основная структура SST включает:

Интерфейс среднего напряжения (MV)
Среднечастотная (MF) изолирующая стадия
Коммуникационные и управляющие связи

2. Проектировочные вызовы для SST

2.1 Вызов: Обработка среднего напряжения (MV)

Уровни среднего напряжения (например, 10 кВ) значительно превышают допустимые напряжения существующих полупроводниковых устройств (Si IGBT до 6,5 кВ, SiC MOSFET ~10–15 кВ). Поэтому необходимо использовать либо многоячеечный (модульный), либо одноячеечный (высоковольтное устройство) подход.

Преимущества многоячеечных решений:

Модульный и резервный дизайн
Многоуровневые выходные формы сигнала, снижающие требования к фильтрам
Поддержка горячей замены и устойчивости к отказам

Преимущества одноячеечных решений:

Проще структура
Подходит для трехфазных систем

2.2 Вызов: Выбор топологии

Топологии SST можно классифицировать как:

Изолированный вход (IFE): Изоляция до выпрямления
Изолированный выход (IBE): Выпрямление до изоляции
Матричный преобразователь: Прямое преобразование AC-AC
Модульный многоуровневый преобразователь (M2LC)

2.3 Вызов: Надежность

Традиционные трансформаторы крайне надежны, тогда как SST содержат множество полупроводниковых элементов, управляющих цепей и систем охлаждения, что делает надежность ключевым вопросом. В статье представлены диаграммы блоков надежности (RBD) и модели частоты отказов (λ в FIT), указывающие, что резервирование может значительно повысить надежность системы.

2.4 Вызов: Среднечастотные изолированные преобразователи питания

Общие топологии включают:

Двойной активный мост (DAB): Управление потоком мощности через сдвиг фаз, обеспечивающий мягкий коммутационный режим
Половинно-цикловый непрерывный режим серийного резонансного преобразователя (HC-DCM SRC): Достижение ZCS/ZVS, демонстрирующее характеристики "DC трансформатора"

2.5 Вызов: Проектирование среднечастотных трансформаторов

Среднечастотные трансформаторы работают на частотах уровня кГц, сталкиваясь с такими проблемами, как:

Меньший объем магнитного сердечника
Конфликт между изоляцией и тепловым управлением
Неравномерное распределение тока в проводе Литца

2.6 Вызов: Координация изоляции

Единицы среднего напряжения требуют высокой изоляции к земле, что требует учета:

Сочетание электрического поля частоты 50 Гц и средней частоты
Диэлектрические потери и риск локального перегрева

2.7 Вызов: Электромагнитные помехи (EMI)

Общие режимные токи, возникающие при коммутации MV, могут протекать к земле через паразитную емкость и должны подавляться с помощью дросселей общего режима.

2.8 Вызов: Защита

SST должны обрабатывать перенапряжения, перегрузку по току, удары молнии и короткие замыкания. Традиционные предохранители и ограничители перенапряжений остаются применимыми, но должны сочетаться с электронными методами ограничения тока и поглощения энергии.

2.9 Вызов: Управление

Системы управления SST сложны и требуют иерархической структуры:

Внешнее управление: Взаимодействие с сетью, распределение мощности
Внутреннее управление: Регулирование напряжения и тока, управление резервированием
Управление на уровне модуля: Модуляция и защита

2.10 Вызов: Конструкция модульных преобразователей

Создание практических модульных систем среднего напряжения включает:

Проектирование изоляции
Системы охлаждения
Коммуникации и вспомогательное питание
Механическая структура и поддержка горячей замены

2.11 Вызов: Тестирование модульных преобразователей

Тестовые установки для среднего напряжения сложны и требуют:

Высоковольтные, высокомощные источники/нагрузки
Высокоточное измерительное оборудование (например, высоковольтные дифференциальные пробники)
Резервные стратегии тестирования (например, тестирование обратно-обратно)

3. Применимость и случаи использования SST

3.1 Применение в сетях

SST могут использоваться в энергосетях для:

Регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности
Фильтрации гармоник и улучшения качества электроэнергии
Интеграции DC интерфейсов (например, аккумуляторные батареи, фотоэлектрические системы)

Однако, по сравнению с традиционными трансформаторами линейной частоты (LFT), SST сталкиваются с "вызовом эффективности":

Эффективность LFT может достичь 98,7%
SST обычно достигают только ~96,3% из-за многоступенчатого преобразования
Ограниченное уменьшение размеров и веса (~2,6 м³ против 3,4 м³)
Значительно более высокая стоимость (>52,7 тыс. долларов США против 11,3 тыс. долларов США)

3.2 Применение в тяговых системах

Тяговые системы (например, электровозы) имеют строгие требования к размерам, весу и эффективности, где SST предлагают явные преимущества:

Значительное уменьшение размеров трансформатора за счет более высоких рабочих частот (например, 20 кГц)
Двойная оптимизация эффективности и уменьшения объема

3.3 Применение в DC-DC системах

В DC системах (например, сбор электроэнергии от морских ветроэнергетических установок, центры обработки данных) SST являются единственным жизнеспособным решением для изоляции, так как их рабочая частота может свободно выбираться без ограничений сетевой частоты.