فیلم‌های متالیزه در SSTs: طراحی و انتخاب

در ترانسفورماتورهای حالت جامد (SSTs)، خازن پیوند مستقیم جریان (DC-link) مولفه کلیدی و ضروری است. این خازن عملکردهای اصلی خود را با ارائه پشتیبانی ولتاژ پایدار برای پیوند DC، جذب جریان‌های نوسانی با فرکانس بالا و عملکرد به عنوان بافر انرژی انجام می‌دهد. اصول طراحی و مدیریت عمر مفید آن به طور مستقیم بر کارایی و قابلیت اطمینان سیستم کلی تأثیر می‌گذارد.

I. اولویت‌های طراحی
طراحی خازن پیوند مستقیم جریان (DC-link capacitor) یک کار مهندسی سطح سیستم است که نیاز به تعادل بین عملکرد الکتریکی، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان دارد.

• محاسبه دقیق ظرفیت: مقدار ظرفیت همیشه "بیشتر بهتر" نیست. باید بر اساس ریپل ولتاژ سمت DC—به ویژه مؤلفه دوم-هارمونیک شایع در تصحیح‌کننده‌های SPWM سه‌فازی—و ضریب کاهش ولتاژ قابل قبول تعیین شود. علاوه بر این، با افزایش فرکانس‌های عملکردی ترانسفورماتورهای حالت جامد مدرن (SSTs)، جریان‌های ریپل فرکانس بالا به یک عامل حیاتی در طراحی تبدیل شده‌اند. یک مرجع مفید، روش طراحی مبتنی بر شرایط عملکرد نامتقارن است که در یک اختراع توسط مؤسسه تحقیقات برق چین پیشنهاد شده است.

• طراحی چند فیزیکی: طراحی خازن با عملکرد بالا نیازمند در نظر گرفتن مجتمع اثرات متصل الکترو-حرارتی-مغناطیسی است. به عنوان مثال، هندسه و تنظیم عناصر داخلی باید بهینه شود تا مقاومت سری معادل (ESR) و مقاومت حرارتی کاهش یابد، که این امر موجب تảnی حرارتی موثر و جلوگیری از گرم شدن محلی که سن زدن را تسریع می‌کند، می‌شود.

II. استراتژی‌های مدیریت عمر مفید
تمدید عمر مفید خازن و پیش‌بینی دقیق عمر مفید باقیمانده (RUL) برای افزایش قابلیت اطمینان کلی سیستم بسیار مهم است.

• از "جایگزینی واکنشی" به "مدیریت پیشگیرانه": پژوهشگران دانشگاه چونگ‌کینگ یک رویکرد نوآورانه را پیشنهاد کرده‌اند که تمدید عمر مفید را با نظارت بهداشتی در زمان واقعی یکپارچه می‌کند. با استفاده از حساسیت شاخص‌های سلامت خازن (مانند ESR) به جریان‌های ریپل فرکانس بالا، ارزیابی پیری در زمان واقعی ممکن می‌شود. علاوه بر این، طراحی‌های سطح مداری که اجازه می‌دهند جریان‌ها بین بانک‌های خازن موازی در پیوندهای DC هیبریدی به طور خودکار متعادل شوند، می‌تواند عمر مفید کلی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

• تحلیل عمیق مکانیسم‌های خرابی: هارمونیک‌ها عمر مفید خازن را به شدت کاهش می‌دهند. مطالعات نشان می‌دهند که محتوای هارمونیک بالا فرسایش الکتروشیمیایی فیلم‌های متالیزه (که منجر به از دست دادن سریع ظرفیت اولیه می‌شود) و ممکن است پیوندهای شیمیایی در فیلم‌های دی‌الکتریک پلی‌پروپیلن را بشکند و عملکرد عایق را کاهش دهد. بنابراین، مدل‌های پیش‌بینی عمر مفید باید اثر تسریع همزمان میدان‌های الکتریکی DC با تنش هارمونیک را در نظر بگیرند.

III. دستورالعمل‌های انتخاب
فراتر از پارامترهای استاندارد صفحه داده، جنبه‌های زیر در زمان انتخاب مولفه‌ها مورد توجه قرار می‌گیرند:

• مسیر تکنولوژی: در کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا مانند انتقال HVDC انعطاف‌پذیر، خازن‌های فیلم متالیزه به دلیل توانایی خودرویی و عمر عملکردی طولانی، انتخاب غالب شده‌اند. تولیدکنندگان چینی مانند XD Group این تکنولوژی را ایجاد کرده‌اند و محصولاتی با تحمل ولتاژ/جریان بالا و امپدانس پایین ارائه می‌دهند.

• روند محلی‌سازی: به طور قابل توجهی، جایگزینی داخلی خازن‌های پیوند DC یک جهت استراتژیک واضح است. محلی‌سازی هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و ریسک‌های زنجیره تأمین را کاهش می‌دهد—به ویژه در شرایط ژئوپلتیک یا تنش‌های تجاری، که وابستگی به مولفه‌های مهم وارداتی می‌تواند منجر به افزایش شدید قیمت یا حتی کمبود شود.

IV. نتیجه‌گیری

• طراحی مبتنی بر سیستم: هرگز خازن را به عنوان یک مولفه جداگانه در نظر نگیرید. بلکه آن را در سیستم کامل SST تعبیه کنید و شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مشترک در دامنه‌های الکتریکی، حرارتی و مغناطیسی انجام دهید.

• روش‌های پیشرفته: مرز تحقیق از طراحی خازن غیرفعال به سمت معماری‌های "فعال" با قابلیت‌های نظارت بهداشتی تعبیه شده، و روش‌های طراحی یکپارچه پیشرفته برای خازن‌های پیوند DC در SST‌های چند پورتی منتقل شده است—که به طور قابل توجهی هوش سیستم و قابلیت اطمینان آن را افزایش می‌دهد.

• اعتبارسنجی دقیق: برای کاربردهای حیاتی، تست‌های پیری تسریع شده تحت شرایط عملکردی واقعی—به ویژه تنش‌های ترکیبی ولتاژ DC و هارمونیک—باید انجام شود تا هم مدل‌های عمر مفید و هم انتخاب مولفه را اعتبارسنجی کنند.