Твердотельная трансформатор технологиясы: Толығымен талдау
Жұмсартылсыз түрлендіруші технологиясы: Толығымен талдау
Бұл есептама ETH Zurich университетінің Энергетикалық электроникалық жүйелер лабораториясы тармақта опубликованные оқулықтардың негізінде жазылған. Жұмсартылсыз түрлендіруші (SST) технологиясының толық көрсеткіштері берілген. Есептамада SST-лердің құрылымы және алғашқы қадамдары, олардың қадамдық түрлендірушілерге (LFT) қарағанда революциялық артықшылықтары, негізгі технологиялары, топологиялары, салыну сценарилары, азықтың маңызды қиындықтары және болашақ жетістіктері терең талданады. SST-лер болашақ ақылды электр желілері, жаңартылған энергия интеграциясы, деректер центрлері және электр транспорттың негізгі мүмкіндіктері ретінде қарастырылады.
1. Кіріспе: SST-тің негізгі концепциялары және негізгі мотивациялары
1.1 Қадамдық түрлендірушілердің шектеулері
Қадамдық түрлендірушілер (50/60 Гц), әріптес, жоғары өнімді, иттифатты және экономикалық болса да, өзінің құбылысқа байланысты шектеулері бар:
Үлкен өлшемдер мен салмағы: Төмен сызықтық іске қосу үшін өте үлкен магниттік ядро және намыс қажет
Бір ғана функция: Активті басқару мүмкіндіктері жоқ, напряжение регулирования, реактивті күш компенсациясы немесе гармоникалық қысымдарды басқару мүмкіндігі жоқ
Жаман адаптивтілік: DC крендеріне, жүк дестандығына және гармоникалық қысымдарға ұшатын
Тұрақты интерфейстер: Адатта тек AC-AC ауыстыруға қолдау көрсетеді, DC жүйелерімен туынды интеграциясы қиын
1.2 SST-тің негізгі артықшылықтары
SST-лер жоғары дауысты энергиялық түрлендіру технологиясы арқылы энергия түрлендіруді қатынасыздандырады:
Жоғары дауысты изоляция: Орта дауысты түрлендірушілерді (MFT, адатта кГц деңгейінде) қолданады, өлшем мен салмақты (объем ∝ 1/f) өте азайтады
Толық басқару: Активті/реактивті күш басқаруы, тез напряжение регулирования, қате ағыс шектеу және басқа да жаңа функцияларды қолдайды
Универсалды интерфейстер: Эсекше AC/AC, AC/DC, DC/DC ауыстыруларын жүзеге асыратын, болашақ AC/DC гибрид желілері үшін идеалды хаб болады
Жоғары энергия құрамы: Өлшем мен салмақ шектеулері бар қолданбалар үшін (жел арналар, кемелер, деректер центрлері)
2. SST негізгі технологияларының терең талдауы
2.1 Негізгі энергиялық түрлендіру топологиялары
Двунаправленный активный мост (DAB): Ең популярлық топологиялардың бірі. Мосттардың фазалық салыстыруын басқаратын, жоғары дауысты (ZVS) арқылы жоғалтуларды азайтуға мүмкіндік береді. Кең диапазондағы күш басқаруы қажет болатын қолданбалар үшін қолайлы.
DC түрлендіруші (DCX): Резонанс үчін жұмыс істейді, айқын напряжение айырмашылықтарын қамтамасыз етеді, "traditsionnyy transformator" сияқты активті басқаруыз жоқ. Жұмыс істеу құралына қолайлы, өте жоғары ыңғайлау, әсіресе модульді сериялық енгізу үшін (мисалы, ISOP), табиғатты напряжение теңсіздігін қамтамасыз етеді.
Модульді көптеген деңгейлі конвертор (MMC): Жоғары напряжение деңгейлері үшін қолайлы, жоғары модульділік, жоғары ыңғайлау және жоғары сапатты шығыс сигналдары, бірақ басқару және конденсатор напряжение теңсіздігі алгоритмдері қиын.
Классификация: Input-Series Output-Parallel (ISOP), Изолированный фронт-енд (IFE), Изолированный бэк-енд (IBE) және т.б. түрлеріне бөлінеді, әртүрлі қолданбаларға қолайлы болу үшін.
2.2 Энергиялық полупроводник құралдары
SiC MOSFET: SST өсуінің негізгі қолдаушысы. Жоғары бұзылу мезгілі, тез коммутация және төмен омдалылығы, оларды орта напряжение, жоғары дауысты қолданбалар үшін ыңғайлы етеді. 10kV+ SiC құралдары жеке құрал немесе бірнеше сериялық құрылымдар арқылы тікелей орта напряжение интерфейстерін қолдайды, модуль санын азайтады және "модульділік шектеу" өзгерісін азайтады.
IGBT: Азықта қолданылатын ең кең таралған құрал, дамыған технология және салыстырмалы төмен бағасы, бірақ коммутация дауысы және жұмыс істеу әдетте SiC-тен артық.
2.3 Орта дауысты түрлендіруші (MFT)
MFT - SST-лердің негізгі және дизайнына қатысты қиындықтары:
Дизайн қиындықтары: Жоғары дауыстыда өте жоғары вихрілер және жақындау эффекттері; изоляция талаптары (әсіресе жарық жарық импульс BIL) дауысты азайтуға қарамастан, өлшемін шектеу факторы болып табылады; жылу айналуы және изоляция арасында компромисстар бар.
Материалдар: Силицид тері, аморфты металлургия, нанокристаллы материалы, ферриттер және т.б., дауысты және энергия деңгейлеріне байланысты таңдалады.
Структура: Шелл типі (E-ядро) структуралары көп кездеседі, жоғалту индуктасы және паразит параметрлерін басқаруды ыңғайлау.
Соңғы: Эффективті дизайндер ауа соңғы қолдануы мүмкін, ал экстремальды энергия құрамы үшін су немесе май соңғы қолданылады.
2.4 Системалық қиындықтар
Изоляциялық координация: Жоғары деңгейдегі қауіпсіздік стандарттарына (мисалы, IEC 62477-2) сәйкес болуы керек, бұл үшін жылжу аралығы мен аралықтың SST өлшемдерін анықтау үшін маңызды факторлар болып табылады.
Қорғау: Аралык электр желілеріндегі жарық және жолаушы шығысы SST-терге зиянды әсер етеді. Қорғау схемасының таңдауы, жылдамдығы және ыңғайлауын ескеру керек, қорғау талаптары SST-тердің енгізу индуктивтілігін және полупроводниктерді таңдауды ойшыктанады.
Ыңғайлау: Көптеген модульді дизайндар (мисалы, N+1 конфигурациясы) арқылы система ыңғайлауы жетістікке жетуге болады. Бірақ, басқару жүйелері және көмекші энергия қызметтері сияқты ыңғайлауы жоқ компоненттер система ыңғайлауы үшін бутылған ауызына айналуы мүмкін.
3. Өнеркәсіптік қолданыс сценарилері
3.1 Келесі поколдасындағы темір жол тартылу жүйелері
Ең алғашқы және дайындалған қолданыс аймағы. Локомотивтердегі сызықтық дауысты тартылу трансформаторларын орнатып, AC-DC айналдыруы мүмкін. Маңызды артықшылықтар: >50% массаның азайтуы, 2-4% нәтижеліліктің жақсартуы және орындың артықшылығы.
3.2 Жаңартылған энергия және жаңа электр желілері
Шамшырау/Күн энергиясы: Шамшырау турбиналары/ФВ массивтері үшін орта дауысты DC жинауы мүмкін, кабельдердің жоюын және заттарын азайту, HVDC жеткізу интеграциясын ыңғайлау.
DC микросеттер: AC/DC және DC/DC интерфейс ретінде қызмет етеді, жаңартылған энергия, сақтау және жүктердің ыңғайлауы және энергия менеджментінің мүмкіндігін береді.
Жаңау сеттер: Энергия роутері ретінде функциялайды, напряжение қолдауы, энергия сапасын қалау және екі жағынан энергия ағысу қатаңталуын ыңғайлау.
3.3 Деректер орталығы энергия қызметтері
Традиционды "LFT + сервер энергия қызметтері" архитектурасын ауыстырып, MVAC-ді туынды LVDC (мисалы, 48V) немесе одан төмен дауыстына айналдыру, айналдыру этаптарын азайту және жалпы нәтижелілікті жақсарту. Ауызша: Ағымдағы SST нәтижелілігі және энергия тығыздығының LFT+SiC ректификаторлық шешімдерінен ыңғайлауы белгілі емес, олардың тәсірділігі және қымбаттылығы жоғары.
3.4 Электр автомобильдері үшін жылдам тартылу (XFC)
Орта дауысты сеттерге (10kV немесе 35kV) тікелей қосылу MW деңгейдегі тартылу энергиясын береді, "бензин станциясы сияқты" тәжірибе. Энергия хабтары локалды сақтау және ФВ-ді пиктен азайту және сет қызметтері үшін (V2G) қолданылады.
3.5 Басқа специалдуу қолданыстар
Деніз жүзіндегі электр тартылу: Орта дауысты DC тарату жүйелерінде генераторлардың жүк таратуын оптимизациялау және энергия сақтауын интеграциялау үшін қолданылады.
Авиация энергия жүйелері: Көбірек электрден/барлық электрлі ұшақтар үшін жеңіл, жоғары энергия тығыздығынан энергия тарату шешімдерін ұсынады.
Порт "Cold Ironing": Достағы кемелерге орта дауысты берілген жүрегінің энергиясын ұсынады, көмекші двигательлерді өту үшін өту үшін, ығыс және шуы қысқартылады.
4. Кешірімдер және болашақ зерттеу бағыттары
4.1 Ағымдағы негізгі кешірімдер
Басылған төлем: Ағымдағы SST капиталдық шығындары (CAPEX) традиционды LFT шешімдерінен өте жоғары.
Модульдік шығын: Модуль санының артуы системаның өлшемі, массасы және тəсірділігінің сызықты емес өсуіне әкеледі, MFT-тердің жоғары энергия тығыздығының ыңғайлауларын жоюы мүмкін.
Нәтижелілік бұзылуы: Көптеген этаптардағы айналдыру (AC-DC + DC-DC + DC-AC) өте нәтижелі LFT (>99%) + өте нәтижелі ректификатор (>99%) комбинацияларынан өту қиын.
Стандарттау және ыңғайлау: Біріктірілген стандарттар және узақ мезгілді өңдеу деректерінің жетіспесі; ыңғайлау тексеру және өмір мерзімін болжау өнеркәсіптік қолданыста маңызды.
4.2 Болашақ зерттеу бағыттары
Құрылғылар және материалдар: Жоғары дауысты (>15kV) SiC құрылғыларын әзірлеу; жаңа төмен жою, жоғары термалдық өткізгіш, жоғары изоляция күшінің материалдарын қалыптастыру.
Топология және интеграция: Топологияларды оптимизациялау, қозғалтшылар санын азайту; MMC сияқты жаңа қысқа структураларды зерттеу; системалық деңгейдегі интеграция техникаларын қалыптастыру, қосымша жүйелер мен қорғау өлшемдерін азайту үшін.
Демонстрациялық проекттер: Толық өлшемді (толық дауыс, толық энергия, толық стандарттар) демонстрациялық проекттерді қалыптастыру, объективті бағалау үшін.
Системалық зерттеулер: SST-тердің нақты өнімділік ұсынысын анықтау үшін толық өнім өмірі бойынша мөлшерлер (TCO) және өмір циклі бағыттау (LCA) зерттеулерін іске асыру.
Бекітілетін өнімдер: Дизайн фазасынан бастап, электрондық ақырсыз заттардың кедергілерін шешу үшін өнімді түзіту, қайта өңдеу, қайта өңдеу және экономикалық цикл қарастырылуы керек.
5. Салыстыру және болашақ көзі
Солид-стейт трансформер (SST) - бұл традиционды трансформерлердің қайта ауыстырушысынан көп екен, ол - функционалдылығы артық, басқарылатын және интеллектуалды электр желісінің узагы. Азықтық мүмкіндіктер мен даму деңгейі SST-тің традиционды шешімдермен толық салыстырылуына бола алмайды, бірақ оның функционалдылық артықшылығы, басқарылатындығы және DC желілерінің табигатты қолдауының революциялық артықшылығы сомданбайтын. Болашақ даму интердисциплинарлық ынталас (электр энергетикасы, материалдар, жоғары вольтты ізоляция, термодинамикалық басқару, басқару) және түсіндірілетін қолданбалы пішінге байланысты. Көліктік системалар, деңіздік қолданбалар және DC жинау сыныптарында SST-терде өзара алмастырылып отырған бағыттары бар. SiC технологиясындағы, топологиялық жаңартуларда және жүйелік оптимизациядағы ұзақтықты әрекеттермен SST-тер келесі онжылдықта жалпы рынок қолданбаларына қадам-қадамымен қатысады, әрі нәтижесінде қажетті, ыңғайлаулы және денсаулыққа ыңғайлы болатын болашақ энергиялық жүйелердің негізгі технологиясына айналады.
