Šta je čvrsto stanje transformatora 2025Tech objašnjena struktura i principi

Noah

Polje: Dizajn i održavanje

Australia

1. Šta je čvrsto stanje transformator (SST)?

1.1 Osnove i ograničenja konvencionalnih transformatora

Članak prvo pregledava istoriju (npr., Stanleyev patent iz 1886. godine) i osnovne principe konvencionalnih transformatora. Na osnovu elektromagnetske indukcije, tradicionalni transformatori sastoje se od željeznih jezgara, bakrenih ili aluminijumskih zavojnica i sistema izolacije/hladjenja (mineralno ulje ili suho tip). Oni rade na fiksiranim frekvencama (50/60 Hz ili 16⅔ Hz), sa fiksiranim omjerima transformacije napona, mogućnostima prenosa snage i karakteristikama frekvencija.

Prednosti konvencionalnih transformatora:

Niska cena
Visoka pouzdanost (efikasnost >99%)
Mogućnost ograničavanja strujnog kruga pri kratkom spoju

Nedostaci uključuju:

Veliki obim i težina
Osetljivost na harmonike i DC bias
Nema zaštite od pretjerane opterećenosti
Rizici od požara i okoliša

1.2 Definicija i poreklo čvrstog stanja transformatora

Čvrsto stanje transformator (SST) je alternativa konvencionalnim transformatorima bazirana na tehnologiji elektronike snage, sa poreklom koje se može pratiti do McMurrayevog "elektronskog transformatora" koncepta iz 1968. SST-ovi postižu transformaciju napona i galvaničku izolaciju kroz srednje-frekventni (MF) izolacioni etap, istovremeno pružajući mnogo inteligentnih kontrolnih funkcija.

Osnovna struktura SST-a uključuje:

Sučelje srednjeg naponskog nivoa (MV)
Srednje-frekventni (MF) izolacioni etap
Komunikacijske i kontrolne veze

2. Izazovi dizajna SST-ova

2.1 Izazov: Rukovanje srednjim naponom (MV)

Srednji naponski nivoi (npr., 10 kV) daleko prelaze naponske karakteristike postojećih poluprovodnika (Si IGBT-ovi do 6.5 kV, SiC MOSFET-i ~10–15 kV). Stoga mora biti usvojen multi-celularni (modularni) ili jednocelularni (visokonaponski uređaj) pristup.

Prednosti višecelularnih rešenja:

Modularni i redundantni dizajn
Više-nivozni izlazni valni oblici, smanjujući potrebu za filterima
Podrška za hot-swapping i toleranciju grešaka

Prednosti jednocelularnih rešenja:

Jednostavnija struktura
Pogodna za trofazne sisteme

2.2 Izazov: Selekcija topologije

Topologije SST-ova mogu biti kategorisane kao:

Izolovani front-end (IFE): Izolacija pre pravougaonog
Izolovani back-end (IBE): Pravougaono pre izolacije
Tip matricnog konvertera: Direktna AC-AC konverzija
Modularni multilevelni konverter (M2LC)

2.3 Izazov: Pouzdanost

Konvencionalni transformatori su izuzetno pouzdani, dok SST-ovi uključuju mnogo poluprovodnika, kontrolnih sklopova i sistema hladjenja, što čini pouzdanost ključnom brigom. Članak predstavlja dijagram pouzdanosti (RBD) i modele stopa otkaza (λ u FIT), ukazujući da može značajno poboljšati pouzdanost sistema.

2.4 Izazov: Srednje-frekventni izolovani pretvarači snage

Zajedničke topologije uključuju:

Dvostrani aktivni most (DAB): Kontrola toka snage putem faznog pomaka, omogućavajući mekanu komutaciju
Polovicni ciklus diskontinuiranog rezonantnog pretvarača (HC-DCM SRC): Postiže ZCS/ZVS, pokazuje "DC transformator" karakteristike

2.5 Izazov: Dizajn srednje-frekventnog transformatora

Srednje-frekventni transformatori rade na frekvencama na razini kHz, suočeni su sa izazovima poput:

Manji zapremina magnetskog jezgra
Konflikt između izolacije i termalnog upravljanja
Nejednaki raspored struje u Litz žici

2.6 Izazov: Koordinacija izolacije

Srednje-naponske jedinice zahtevaju visoku izolaciju prema zemlji, što zahteva razmatranje:

Kombinovani 50 Hz naponski frekvencijski i srednje-frekventni električni polje stres
Dielektričke gubitke i rizik od lokalnog pregrejanja

2.7 Izazov: Elektromagnetska interferencija (EMI)

Zajednički modni tokovi generisani tokom MV komutacije mogu teći prema zemlji kroz parazitnu kapacitet i moraju biti supresirani korišćenjem zajedničkih modnih šareva.

2.8 Izazov: Zaštita

SST-ovi moraju rukovati previsokim naponima, previsokim strujama, udarcima munje i kratkim spojevima. Tradicionalni prekidnici i zaustavni aparat ostaju primenljivi, ali treba kombinirati sa elektronskim ograničenjem struje i strategijama apsorpcije energije.

2.9 Izazov: Kontrola

SST kontrolesistem su složeni i zahtevaju hijerarhijsku strukturu:

Spoljnja kontrola: Interakcija mreže, raspodela snage
Unutrašnja kontrola: Regulacija napona/struje, upravljanje redundancijom
Kontrola na nivou jedinice: Modulacija i zaštita

2.10 Izazov: Izgradnja modularnih pretvarača

Izgradnja praktičnih MV modularnih sistema uključuje:

Dizajn izolacije
Sistemi hladjenja
Komunikacija i pomoćni snabdevanje
Mehanička struktura i podrška za hot-swappable

2.11 Izazov: Testiranje MV pretvarača

MV testne instalacije su složene i zahtevaju:

Visokonaponske, visokosnopne izvore/opterećenja
Visoko precizna merila oprema (npr., visokonaponski diferencijalni probe)
Rezervne testne strategije (npr., back-to-back testiranje)

3. Primjenjivost i slučajevi korišćenja SST-ova

3.1 Mrežne primene

SST-ovi mogu se koristiti u mrežama za:

Regulaciju napona i kompenzaciju reaktivne snage
Filterisanje harmonika i poboljšanje kvaliteta snage
Integraciju DC sučelja (npr., energetski skladišta, fotovoltaika)

Međutim, u usporedbi sa konvencionalnim transformatorima linijarnih frekvencija (LFT), SST-ovi su suočeni sa "izazovom efikasnosti":

Efikasnost LFT-ova može doseći 98.7%
SST-ovi obično dostižu samo ~96.3% zbog višestruke konverzije
Ograničeno smanjenje veličine i težine (~2.6 m³ u odnosu na 3.4 m³)
Značajno veća cena (>52.7k USD u odnosu na 11.3k USD)

3.2 Trenirne primene

Trenirni sistemi (npr., električni lokomotive) imaju stroge zahteve za veličinu, težinu i efikasnost, gdje SST-ovi nude jasne prednosti:

Značajno smanjena veličina transformatora kroz više radne frekvencije (npr., 20 kHz)
Dualna optimizacija efikasnosti i smanjenja zapremine

3.3 DC-DC primene

U DC sistemima (npr., prikupljanje snage iz podmorskih vetroelektrana, data centri), SST-ovi predstavljaju jedino isplativu rešenje izolacije, jer se njihova radna frekvencija može slobodno birati bez ograničenja mrežne frekvencije.