د ولټینې سطح ترلاسه کول څه دلایل دی؟
ترانسفورماتر جامد (SST)، که همچنین به عنوان ترانسفورماتر الکترونیک قدرت (PET) نیز شناخته میشود، از سطح ولتاژ به عنوان یک شاخص کلیدی برای بلوغ فنی و سناریوهای کاربردی خود استفاده میکند. در حال حاضر، SSTها به سطوح ولتاژ ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت در سمت توزیع ولتاژ متوسط رسیدهاند، در حالی که در سمت انتقال ولتاژ بالا هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی و اعتبارسنجی پروتوتیپ هستند. جدول زیر وضعیت فعلی سطوح ولتاژ را در سناریوهای کاربردی مختلف به طور واضح نشان میدهد:
| سناریوی کاربردی | سطح ولتاژ | وضعیت فنی | یادداشتها و موارد |
| مرکز داده / ساختمان | ۱۰ کیلوولت | کاربرد تجاری | محصولات بسیار پربازدید وجود دارد. به عنوان مثال، CGIC یک SST ۱۰ کیلوولت/۲٫۴ مگاوات برای مرکز داده "شرقی دیجیتال و غربی محاسباتی" گویآن ارائه کرده است. |
| شبکه توزیع / نمایشگاه سطح پارک | ۱۰ کیلوولت - ۳۵ کیلوولت | پروژه نمایشی | برخی از شرکتهای رهبر صنعت پروتوتیپهای ۳۵ کیلوولت را راهاندازی کرده و نمایشهای متصل به شبکه انجام دادهاند، که بالاترین سطح ولتاژ شناخته شده برای کاربرد مهندسی تا کنون است. |
| سمت انتقال سیستم برق | > ۱۱۰ کیلوولت | پروتوتیپ اصلی آزمایشگاهی | دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی (مانند دانشگاه تسینگهوآ، مؤسسه تحقیقات شبکه انرژی جهانی) پروتوتیپهایی با سطح ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و حتی بالاتر توسعه دادهاند، اما تاکنون هیچ پروژه تجاری یافت نشده است. |
۱. چرا افزایش سطح ولتاژ دشوار است؟
سطح ولتاژ یک ترانسفورماتر جامد (SST) نمیتواند به سادگی با استکاندن مولفهها افزایش یابد؛ بلکه توسط مجموعهای از چالشهای فنی بنیادی محدود میشود:
۱.۱ محدودیت تحمل ولتاژ دستگاههای نیمهرسانا قدرت
این مورد گلوگاه اصلی است. در حال حاضر، SSTهای اصلی از IGBTهای بر پایه سیلیکون یا MOSFETهای پیشرفتهتر بر پایه کربید سیلیکون (SiC) استفاده میکنند.
سطح ولتاژ یک دستگاه SiC معمولاً حدود ۱۰ کیلوولت تا ۱۵ کیلوولت است. برای مدیریت ولتاژهای سیستم بالاتر (مثلاً ۳۵ کیلوولت)، باید چندین دستگاه را به صورت سری به هم متصل کرد. با این حال، اتصال سری مشکلات پیچیده "تعادل ولتاژ" را مطرح میکند، که حتی تفاوتهای کوچک بین دستگاهها میتواند منجر به عدم تعادل ولتاژ و خرابی ماژول شود.
۱.۲ چالشهای فنی عایقبندی ترانسفورماتور با فرکانس بالا
مزیت اصلی SSTها در کاهش اندازه از طریق عملکرد با فرکانس بالا است. با این حال، در فرکانسهای بالا، عملکرد مواد عایقبندی و توزیع میدان الکتریکی بسیار پیچیده میشود. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، نیازمندیهای دقیقتر برای طراحی عایقبندی، فرآیندهای تولید و مدیریت گرمایی ترانسفورماتور با فرکانس بالا خواهد بود. دستیابی به عایقبندی با فرکانس بالا در سطح دهها کیلوولت در فضای محدود یک چالش مهم در مواد و طراحی است.
۱.۳ پیچیدگی توپولوژی سیستم و کنترل
برای مدیریت ولتاژهای بالا، SSTها معمولاً از توپولوژیهای ماژولار پلهای (مانند MMC - مبدل چندسطحی ماژولار) استفاده میکنند. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، تعداد ماژولهای مورد نیاز بیشتر خواهد بود، که منجر به ساختار سیستم بسیار پیچیده میشود. سختی کنترل به صورت نمایی افزایش مییابد و هزینه و نرخ خرابی نیز بالا میرود.
۲. نظریه آینده
با وجود چالشهای قابل توجه، پیشرفتهای فنی ادامه دارد:
پیشرفت دستگاهها: دستگاههای SiC و نیترید گالیوم (GaN) با سطح ولتاژ بالاتر در حال توسعه هستند و پایهای برای دستیابی به SSTهای با ولتاژ بالاتر هستند.
نوآوری توپولوژی: توپولوژیهای مداری جدید، مانند رویکردهای هیبرید (ترکیب ترانسفورماتورهای معمولی با مبدلهای الکترونیک قدرت)، به عنوان مسیر قابل اجرا برای پیشرفتهای سریع در کاربردهای ولتاژ بالا در نظر گرفته میشوند.
استانداردسازی: با شروع سازمانهایی مانند IEEE به ایجاد استانداردهای مرتبط با SST، این امر طراحی و تست استاندارد شده را ترویج میدهد و بلوغ فنی را تسریع میکند.
۳. نتیجهگیری
در حال حاضر، SSTهای ۱۰ کیلوولت وارد کاربرد تجاری شدهاند و سطح ۳۵ کیلوولت بالاترین سطحی است که در پروژههای نمایشی دستیابی شده است، در حالی که سطوح ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر هنوز در حوزه تحقیقات فنی پیشرو هستند. پیشرفت سطوح ولتاژ ترانسفورماترهای جامد یک فرآیند تدریجی است که به پیشرفت هماهنگ در نیمهرساناهای قدرت، علم مواد، نظریه کنترل و فناوریهای مدیریت گرما بستگی دارد.
