ฟิล์มโลหะใน SSTs: การออกแบบและการเลือก

ในทรานส์ฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตต (SSTs) คาปาซิเตอร์ DC-link เป็นส่วนประกอบสำคัญที่ขาดไม่ได้ หน้าที่หลักของมันคือการให้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรสำหรับลิงก์ DC ดูดซับกระแสริบเบิลความถี่สูง และทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์พลังงาน การออกแบบหลักและบริหารจัดการอายุการใช้งานของมันมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม

I. ลำดับความสำคัญในการออกแบบ
การออกแบบตัวเก็บประจุ DC-link เป็นงานวิศวกรรมระดับระบบที่ต้องการการปรับสมดุลระหว่างประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การจัดการความร้อน และความน่าเชื่อถือ

• การคำนวณค่าความจุอย่างแม่นยำ: ค่าความจุไม่ได้หมายความว่า "ยิ่งใหญ่ยิ่งดี" มันต้องกำหนดตามแรงดันริบบิ้งที่ยอมให้ได้ในส่วนของ DC-side—โดยเฉพาะองค์ประกอบของฮาร์โมนิกที่สองซึ่งพบได้ทั่วไปในเรกทิไฟเออร์ SPWM สามเฟส—และค่าสัมประสิทธิ์การลดลงของแรงดันที่ยอมรับได้ นอกจากนี้ด้วยความถี่การทำงานที่เพิ่มขึ้นของทรานส์ฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตต (SSTs) กระแสริบบิ้งความถี่สูงได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบ อ้างอิงที่มีประโยชน์คือวิธีการออกแบบที่ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานที่ไม่สมมาตรที่เสนอไว้ในสิทธิบัตรโดยสถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้าแห่งประเทศจีน

• การออกแบบร่วมหลายสาขา: การออกแบบตัวเก็บประจุประสิทธิภาพสูงต้องพิจารณาอย่างครบวงจรจากผลกระทบทางไฟฟ้า ความร้อน และแม่เหล็ก เช่น ควรปรับปรุงเรขาคณิตและการวางตำแหน่งภายในเพื่อลดความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) และความต้านทานความร้อน เพื่อให้สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันการเกิดความร้อนสะสมที่ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง

II. กลยุทธ์การจัดการอายุการใช้งาน
การขยายอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุและการคาดการณ์อายุการใช้งานที่เหลืออย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม

• จากการเปลี่ยนทดแทนแบบตอบสนองไปสู่การจัดการแบบป้องกัน: นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฉงชิ่งได้เสนอแนวทางใหม่ที่ผสานการขยายอายุการใช้งานเข้ากับการตรวจสอบสุขภาพแบบเรียลไทม์ โดยอาศัยความไวของตัวบ่งชี้สุขภาพของตัวเก็บประจุ (เช่น ESR) ต่อกระแสริบบิ้งความถี่สูง การประเมินการเสื่อมสภาพแบบเรียลไทม์จึงเป็นไปได้ นอกจากนี้การออกแบบในระดับวงจรที่ทำให้เกิดการแบ่งกระแสอย่างอัตโนมัติระหว่างธนาคารตัวเก็บประจุขนานในลิงค์ DC ไฮบริดสามารถขยายอายุการใช้งานทั้งหมดได้อย่างมาก

• การวิเคราะห์กลไกการชำรุดอย่างลึกซึ้ง: ฮาร์โมนิกทำให้อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุลดลงอย่างมาก การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเนื้อหาฮาร์โมนิกสูงเร่งการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีของฟิล์มที่เคลือบโลหะ (ทำให้เกิดการสูญเสียความจุเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว) และอาจทำลายพันธะเคมีในฟิล์มไดอิเล็กทริกโพลีโพรพิลีน ทำให้ประสิทธิภาพการฉนวนเสื่อมลง ดังนั้น โมเดลการคาดการณ์อายุการใช้งานต้องรวมผลกระทบของการเร่งความเร็วอย่างร่วมกันของสนามไฟฟ้า DC กับความเครียดจากฮาร์โมนิก

III. แนวทางการเลือก
นอกเหนือจากพารามิเตอร์มาตรฐานในแผ่นข้อมูลแล้ว ด้านต่อไปนี้ควรได้รับความสนใจในการเลือกส่วนประกอบ:

• ทางเทคโนโลยี: ในแอปพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงเช่น การส่งผ่าน HVDC ที่ยืดหยุ่น ตัวเก็บประจุที่เคลือบฟิล์มได้กลายเป็นตัวเลือกหลักเนื่องจากความสามารถในการฟื้นฟูตัวเองและอายุการใช้งานยาวนาน ผู้ผลิตชาวจีนเช่น XD Group ได้พัฒนาเทคโนโลยีนี้ นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่ทนทานต่อแรงดัน/กระแสสูงและมีความต้านทานต่ำ

• แนวโน้มการท้องถิ่น: อย่างน่าสังเกต เทรนด์การทดแทนตัวเก็บประจุ DC-link ภายในประเทศเป็นทิศทางเชิงยุทธศาสตร์ที่ชัดเจน การท้องถิ่นช่วยลดต้นทุนและลดความเสี่ยงของห่วงโซ่อุปทาน—โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้ความตึงเครียดทางภูมิการเมืองหรือการค้า ความพึ่งพาส่วนประกอบสำคัญที่นำเข้าอาจนำไปสู่การเพิ่มราคาอย่างรุนแรงหรือขาดแคลน

IV. สรุป

• การออกแบบที่มุ่งเน้นระบบ: ไม่ควรมองตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบที่แยกออกมา แต่ควรมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของระบบ SST ทั้งหมดและทำการจำลองและปรับปรุงร่วมกันในโดเมนไฟฟ้า ความร้อน และแม่เหล็ก

• แนวทางที่ทันสมัย: แนวหน้าของการวิจัยกำลังเปลี่ยนจากการออกแบบตัวเก็บประจุแบบพาสซีฟไปสู่โครงสร้าง "แอคทีฟ" ที่มีความสามารถในการตรวจสอบสุขภาพที่ฝังอยู่ ตลอดจนวิธีการออกแบบที่รวมกันอย่างล้ำหน้าสำหรับตัวเก็บประจุ DC-link ใน SST หลายพอร์ต—ปรับปรุงความฉลาดและความน่าเชื่อถือของระบบอย่างมาก

• การตรวจสอบอย่างเข้มงวด: สำหรับแอปพลิเคชันที่สำคัญ การทดสอบการเสื่อมสภาพแบบเร่งด่วนภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่จริง—โดยเฉพาะแรงดัน DC และความเครียดจากฮาร์โมนิก—ต้องดำเนินการเพื่อยืนยันทั้งโมเดลการคาดการณ์อายุการใช้งานและการเลือกส่วนประกอบ