Што е трансформатор со тврдо стање? Како се разликува од традиционалниот трансформатор?

Тврдотелен трансформатор (SST)

Тврдотелен трансформатор (SST) е уред за превртување на енергија кој користи современа технологија на електрониката и полупроводници за постигнување на трансформација на напон и пренос на енергија.

Клучни разлики од конвенционалните трансформатори

• Различни принципи на работа

• Конвенционален трансформатор: Базиран на електромагнетна индукција. Менува напон преку електромагнетна спојба помеѓу основна и второстепена намотка преку језgren core. Ова е суштински директна „магнетна-магнетна“ конверзија на нискочестотна (50/60 Hz) AC енергија.

• Тврдотелен трансформатор: Базиран на конверзија на моќност. Прво правоугулува входната AC во DC (AC-DC), потоа извршува високочестотна изолација (обично со користење на високочестотен трансформатор или капацитивна изолација) за трансформација на напон (преку DC-AC-DC или DC-DC фази), и на крај инвертира излезот до бараниот AC или DC напон. Овој процес вклучува конверзија на енергија од електрична → високочестотна електрична → електрична.

• Различни материјали за језгрото

• Конвенционален трансформатор: Компонентите на језгрото се ламинирани језгра од силициумска стал и медни/алуминиеви намотки.

• Тврдотелен трансформатор: Компонентите вклучуваат полупроводнички превключители на моќност (на пример, IGBTs, SiC MOSFETs, GaN HEMTs), високочестотни магнетни елементи (трансформатори или индуктори за високочестотна изолација), капацитори и напредни контролни кола.

Основна структура на SST (Поедноставено)

Типичен SST обично се состои од три главни фази на превртување на моќност:

• Фаза на правоугулање на вход: Конвертира входниот линијски-честотен AC напон (на пример, 50 Hz или 60 Hz) во среден DC автобус напон.

• Фаза на изолација / DC-DC конверзија: Јадрото на системот. Средниот DC напон се инвертира во високочестотен AC (од неколку kHz до неколку стотици kHz), што го дрижи високочестотниот изолационен трансформатор (многу помал и лесен од линијски-честотен трансформатор). Секундарната страна потоа правоугулува високочестотниот AC назад во DC. Оваа фаза постигнува како трансформација на напон, така и критична галваничка изолација. Некои топологији користат високочестотни изолирани DC-DC конвертери за оваа цел.

• Фаза на инверзија на излез: Конвертира изолираниот DC напон во бараниот линијски-честотен (или друга честота) AC напон за опремата. За примените со DC излез, оваа фаза може да се поедностави или да се изостави.

Главни карактеристики и предности на SST-овите

• Компактен размер и лесен: Високочестотните трансформатори бараат многу помалку материјал за језгрото, елиминирајќи го дебелиот железен језгро. Вolumenot и тежината типички се 30%–50% (или помалку) од еквивалентните конвенционални трансформатори.

• Висока енергетска густина: Постигната поради миниатюризација.

• Висока моќна густина: Способен да обработува повисока моќ по единица волумен.

• Широк дијапазон на вход/излез на напон: Флексибилни контролни стратегии овозможуваат прилагодување на факторот на моќ на вход и напон/стрuja на излез, што прави SST-овите идеални за интеграција на флуктуирачки возобновљиви извори (на пример, фотолејки, ветер) или DC распределбени мрежи. Тие можат да достават високо-качествен, слабо-искажан AC излез или стабилен DC излез.

• Контролируема електрична изолација: Поради основна изолација, SST-овите можат да ограничат токовите на грешка и да дадат подобренa заштита на мрежата.

• Двосмерен ток на моќ: Инхерентно способен на двосмерен пренос на енергија, идеален за примените како EV V2G (возило-до-мрежа) и системи за складирање на енергија.

• Интелигентен и контролируем: Оборудуван со напредни контролери што овозможуваат:

• Корекција на факторот на моќ

• Регулација на активна/реактивна моќ

• Стабилизација на напон и фреквенција

• Зголемување на хармонији

• Реално време мониторинг и заштита

• Далечинско комуникација и координирана контрола (идеално за умни мрежи)

• Без масло и еколошки прифатлив: Без изолационно масло, елиминирајќи загадување и опасност од пожар.

• Зголемени загуби на мед и железо: Високо-ефикасни високочестотни магнетни елементи вкупно со високо-ефикасни полупроводници (особено SiC/GaN) овозможуваат системска ефикасност компаративна или подобра од високи-класни конвенционални трансформатори.

Претставување и недостатоци на SST-овите

• Висока цена: Полупроводници, високочестотни магнетни елементи и контролни системи се моментално многу подразбрани од железото и медта користени во конвенционалните трансформатори. Ова е најголемата пречка за широка применливост.

• Забризувања за надежност: Полупроводници се потенцијални точки на грешка (според робустноста на намотките на трансформаторот), што бара комплексни редунданти, термални управувања и протекциони схеми. Високочестотно превклучување исто така може да внесе електромагнетна интерференција (EMI).

• Предизвици во управувањето со температурата: Висока моќна густина создава значителни барања за отстранување на топлина, што бара ефикасни решенија за хлађење.

• Висока техничка комплексност: Дизајнот и производството вклучуваат многу дисциплини - електроника на моќност, електромагнетизам, науката за материјалите, теоријата на контрола и управување со температурата - што резултира со високи бариери за влез.

• Ниска стандардизација: Технологијата все още се развива, и релевантните стандарди и спецификации не се сè уште зрелости или унифицирани.

Сценарији на применување на SST-овите (тековни и бидни)

• Бидни умни мрежи: Распределбени мрежи (замена на трансформатори на столбови), микромрежи (омогување на хибридна микромрежа AC/DC), енергетски маршрутизери.

• Електрифицирана транспортна инфраструктура: Уltra-bрз заредување на EV станции, електрифицирана железничка тракција (особено во средно-низки напони).

• Интеграција на возобновљиви извори: Како ефикасен, интелигентен интерфејс за поврзување на ветар и сончева моќ со мрежата (особено пригоден за средно-визок напон).

• Центри за податоци: Како компактен, ефикасен и интелигентен чвор за превртување на моќ замена на традиционалните UPS префронтални трансформатори.

• Специјални индустријски применувања: Сценарији кои бараат висока контрола, високо-качествена моќ, ограничени простори или често превртување на моќ.

Сума

Тврдотелниот трансформатор (SST) претставува револуционарна насока во технологијата на трансформаторите. Кроз користење на електроника на моќност и високочестотна изолација, SST-овите надминуваат физичките ограничувања на конвенционалните трансформатори, постигнувајќи миниатюризација, лесен дизајн, интелигенција и многуфункционалност. Иако високата цена, забризувањата за надежност и техничката комплексност моментално ограничуваат голема применливост, непрекинати напредоци во технологии на полупроводници (особено широкопасници како SiC и GaN), магнетни материјали и алгоритми за контрола го водат прогресот. SST-овите се подготвени да играат критична улога во изградбата на подвижни, ефикасни и интелигентни бидни енергетски системи, постепено заменувајќи конвенционалните трансформатори во високи-вредности, специјализирани применувања.