Трансформатор в твърдо състояние (SST), известен също като силов електронен трансформатор, се различава от конвенционалните линейни честотни трансформатори, работещи на 50 Hz магнитни полета. Това е управляемо устройство за преобразуване на мощност, съставено от силови електронни преобразуватели и високочестотни трансформатори. Конвенционалните линейни честотни трансформатори само пасивно преобразуват напрежението според коефициента на завъртане. В допълнение към галваничната изолация и преобразуването на напрежението, SST осигуряват цифрово контролирани възможности, включително двупосочен поток на мощността, регулиране на напрежението, потискане на хармониците и компенсация на реактивната мощност, служейки като захранващи рутери в интелигентни мрежи.
Настройка на таблото
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Цялостна архитектура на подмодул
Всеки подмодул се състои от две основни хардуерни секции: AC-DC преобразуващ блок за високо напрежение и DAB високочестотен изолиран DC-DC блок. За мрежови приложения със средно напрежение, като например 10 kV системи, множество подмодули са свързани последователно в технитеAC-странични клемиза споделяне на общото мрежово напрежение. Всеки под-модул притежава независима междинна DC-връзка, която е галванично изолирана от другите без подреждане на DC-напрежение. Всички DC изходи за ниско напрежение на DAB преобразувателите са свързани паралелно, за да образуват унифицирана DC шина за ниско напрежение.
|
Важна характеристика: Без значение колко подмодули са свързани последователно,междинното напрежение на постоянен ток на всеки отделен подмодул остава на своята номинална стойност. Последователно свързани AC клеми разделят само променливотоковото напрежение на честотата на мрежата. Всеки подмодул реализира независимо регулиране на напрежението в затворен контур, така че неговата вътрешна DC връзка няма да се повиши заедно с общото напрежение на мрежата. Фиброоптична комуникация е приета за контролни сигнали между домейни с висок и нисък потенциал, за да се избегнат смущения и рискове от повреда, причинени от плаващи потенциали с високо напрежение. |
Блокова схема
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Етап 1: Двупосочно H-мост AC-DC преобразуване
Еднофазният H-мост от страната на входа се състои от четири превключвателя на захранване от SiC, усилващи индуктори и кондензатори за DC-свързване, прилагайки двупосочна Boost-PFC топология, работеща на честота на превключване на ниво килохерц. Той поддържа както коригиране, така и обратна решетъчна инверсия.
В режим на коригиране подмодулът получава променливотоково напрежение с разделена честота на мрежата. Високоскоростното PWM превключване на H-мостови превключватели си сътрудничи с усилващи индуктори за съхраняване и освобождаване на енергията на магнитното поле, преобразувайки променливотоковото напрежение на мрежата в стабилизирано междинно напрежение на постоянен ток. Този етап също така реализира корекция на фактора на мощността, осигурявайки синусоидален ток от страната на мрежата и потискане на хармониците. Трябва да се отбележи, че напрежението на DC-връзката трябва да надвишава пиковата стойност на входното променливотоково напрежение, за да се изпълнят условията за работа при усилване.
По време на работа с обратно захранване H-мостът работи като инвертор. Той преобразува енергията, съхранявана в междинната DC-връзка, обратно в променлив ток с честота на мрежата, инжектиран в електрическата мрежа. Изходната реактивна мощност също е постижима за регулиране на качеството на електроенергията в мрежата.
AC-DC преобразуване
|
Основни системни спецификации на DC/AC преобразувателя |
||
|
Параметри |
Спецификация |
Подробности |
|
Номинална AC мощност |
±50kVA |
± Активен ± Реактивен |
|
Номинално AC напрежение |
1000 VRMS |
|
|
Номинален променлив ток |
50 ARMS |
|
|
Номинално постоянно напрежение |
2200VDC |
|
|
Пулсации на напрежението на DC връзката |
±200V |
на 2200V |
|
Честота на превключване |
От 5kHz до 10kHz |
H-Мост еднополюсен |
|
Охлаждаща технология |
Въздушно охлаждане |
12V вентилатори |
|
Максимална околна температура |
60 градуса |
|
|
Спецификации на Power FETs |
3.3kV, 22.5mΩ |
SiC FETs |
Етап 2: DAB двойно-активно-мостово високочестотно изолирано DC-DC преобразуване
Като изолиращо ядро на подмодула, DAB се състои от пълен мост от първичната страна, високочестотен трансформатор и пълен мост от вторичната страна. Той работи на стотици килохерци с вградена двупосочна мощност.
Инверсия на пълен мост от първичната страна: Извличайки енергия от предходната междинна DC-връзка на H-мост, SiC превключва нарязване на постояннотоковото напрежение във високочестотни променливотокови правоъгълни вълни, чиято амплитуда е равна на напрежението в DC-връзката, захранвайки първичната намотка на високочестотния трансформатор. Трансформаторите не могат да провеждат постоянен ток; само променливото правоъгълно напрежение създава променливи магнитни полета вътре в сърцевината за пренос на енергия. Работата с висока честота позволява по-малки ядра на трансформатора и позволява превключване при нулево напрежение (ZVS) за намаляване на загубите при превключване.
Високочестотен трансформатор за трансформация на напрежение и галванична изолация: Захранван от високочестотни правоъгълни вълни, трансформаторът променя амплитудата на напрежението според съотношението на намотките на намотката си и осигурява пълна галванична изолация между първичните домейни с високо напрежение и вторичните домейни с ниско напрежение.Коефициентът на преобразуване на напрежението се определя от коефициента на завъртане на трансформатора, а не от управлението на фазовото изместване. Вътрешната индуктивност на утечка на трансформатора се използва като сериен индуктор за пренос на мощност за DAB.
Активно коригиране на пълен мост от вторичната страна: Пълният мост от вторичната страна обработва високочестотно правоъгълно напрежение, доставяно от трансформатора. За разлика от пасивното диодно коригиране, активният пълен мост прецизно контролира времето за превключване на SiC. Независимо дали квадратната вълна е в положителен или отрицателен полупериод, променливата променливотокова енергия се преобразува в зареждащ ток за изходните кондензатори. Изходните кондензатори филтрират високочестотните пулсации и произвеждат плавен DC изход с ниско напрежение.
За обратен поток на мощността, пълният мост от вторичната страна действа като инвертор, разделяйки постоянен ток с ниско напрежение обратно във високочестотни правоъгълни вълни, изпратени към вторичната обвивка на трансформатора. Енергията се повишава от трансформатора, след което се преустройва в междинно постоянно напрежение от пълния мост на първичната страна.
DAB приема управление с еднофазово изместване (SPS). Както пълните мостове от първичната, така и от вторичната страна генерират правоъгълни вълнови форми с коефициент на натоварване 50%. Контролерът регулира разликата във фазовия ъгъл между двата набора от вълнови форми. Големината на фазовото отместване контролира величината на предаваната мощност, а полярността на фазовото отместване определя посоката на потока на мощността.Фазовото изместване регулира само мощността, то не може да постигне широкообхватно регулиране на изходното напрежение в стационарно състояние. Принудителното извеждане на изходното напрежение далеч от номиналната работна точка, съответстваща на коефициента на завъртане, ще загуби условията на ZVS, ще въведе силен циркулиращ ток и ще причини сериозно прегряване на устройството. За да промените номиналното изходно напрежение, коефициентът на завъртане на високочестотния трансформатор трябва да бъде преработен.
DAB
|
Основни системни спецификации на DC/DC преобразувателя |
||
|
Параметри |
Спецификация |
Подробности |
|
Номинална постоянна мощност |
±50kW |
Двупосочен поток на мощността |
|
MV номинално постоянно напрежение |
2.2kV |
|
|
MV номинален постоянен ток |
23A |
|
|
НН номинално постоянно напрежение |
1,5kV |
|
|
LV номинален постоянен ток |
33.3A |
|
|
Честота на превключване |
100kHz |
|
|
Максимална околна температура |
60 градуса |
|
|
Спецификации на FET за захранване на MV |
3.3kV, 22.5mΩ |
SiC FETs |
|
Спецификации на Power FET на LV |
2.3kV, 11.5mΩ |
SiC FETs |
Системно мащабиране и инженерни ограничения
В приложения със средно напрежение и висока мощност мащабирането на напрежението и мощността се реализира чрез множество подмодули с последователно свързани AC входове и паралелно свързани DC изходи. Общото напрежение на шината за ниско напрежение на паралелни подмодули се заключва от коефициента на завъртане на DAB трансформатора. Когато целевото изходно напрежение се отклонява от присъщото DAB изходно напрежение, съществуват две практически решения:
Запазете оригиналния хардуер и добавете допълнителен неизолиран DC-DC преобразувател за понижаване след регулиране;
Препроектирайте високочестотния трансформатор, проверете повторно напрежението на компонента и пренастройте контролните алгоритми за дълбока модификация на DAB.
|
Резюме на веригата за преобразуване на мощност в посока напред: |
Защо SST постига компактен размер
Конвенционалните разпределителни трансформатори работят при честота на мрежата от 50 Hz и изискват голямо напречно сечение на магнитната сърцевина, за да осигурят номинална мощност. Според електромагнитните принципи:за дадена мощност, по-високата работна честота намалява необходимия обем и тегло на ядрото.
Вместо да управлява изолационния трансформатор директно с мрежово напрежение от 50 Hz, силовата електроника SST преобразува честотната мощност на мрежата в стотици kHz високочестотно правоъгълно напрежение, захранващо високочестотния изолационен трансформатор. В сравнение с честотата на линията, работната честота се увеличава хиляди пъти, така че обемът и теглото на високочестотните магнитни компоненти могат да бъдат намалени повече от десет пъти.
N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax)
k - Съотношение на максималното време за включване- към периода на превключване, обикновено k=0.4;
U - Входно напрежение на първичната намотка (V), приблизително равно на DC входно напрежение;
f - Работна честота на трансформатора (kHz);
Ae - Ефективна площ на напречното-сечение на магнитната сърцевина (cm²);
Bmax - Максимално допустимо колебание на плътността на магнитния поток (G).
Присъщи недостатъци
Големите количества полупроводникови устройства носят висока хардуерна сложност и по-висока цена в сравнение с конвенционалните трансформатори. Високочестотното превключване създава електромагнитни смущения (EMI), налагайки строги изисквания към оформлението на печатни платки, дизайна на магнитните компоненти и термичното управление. Следователно SST няма да замени напълно линейните честотни трансформатори и се прилага главно в сценарии на нови енергийни системи, изискващи компактен отпечатък, двупосочен поток на мощността, DC интерфейси и активен контрол на качеството на мощността.
