Kietojo kūno transformatorius (SST), taip pat žinomas kaip galios elektroninis transformatorius, skiriasi nuo įprastų linijos dažnio transformatorių, veikiančių 50 Hz magnetiniuose laukuose. Tai valdomas galios konvertavimo įrenginys, sudarytas iš galios elektroninių keitiklių ir aukšto dažnio transformatorių. Įprasti linijos dažnio transformatoriai tik pasyviai transformuoja įtampą pagal posūkių santykį. Be galvaninės izoliacijos ir įtampos konvertavimo, SST suteikia skaitmeniniu būdu valdomų galimybių, įskaitant dvikryptį galios srautą, įtampos reguliavimą, harmonikų slopinimą ir reaktyviosios galios kompensavimą, kurie tarnauja kaip galios maršrutizatoriai išmaniuosiuose tinkluose.
Lentos sąranka
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Submodulis Bendroji architektūra
Kiekvieną submodulį sudaro dvi pagrindinės aparatinės įrangos dalys: AC-DC aukštos įtampos konvertavimo blokas ir DAB aukšto dažnio izoliuotas nuolatinės srovės įrenginys. Vidutinės įtampos tinkle, pvz., 10 kV sistemose, keli submoduliai yra nuosekliai prijungti prie jųAC pusės gnybtaipasidalyti bendra tinklo įtampa. Kiekvienam submoduliui priklauso nepriklausoma tarpinė nuolatinės srovės jungtis, galvaniškai izoliuota nuo kitų be nuolatinės srovės įtampos. Visi DAB keitiklių žemos įtampos nuolatinės srovės išėjimai yra sujungti lygiagrečiai, kad būtų sukurta vieninga žemos įtampos nuolatinės srovės magistralė.
|
Svarbi charakteristika: nesvarbu, kiek submodulių sujungta nuosekliai,kiekvieno atskiro modulio tarpinė nuolatinės srovės grandinės įtampa išlieka vardinės vertės. Serijiniu būdu sujungti kintamosios srovės gnybtai dalijasi tik tinklo dažnio kintamosios srovės įtampą. Kiekvienas submodulis įgyvendina nepriklausomą uždarojo ciklo įtampos reguliavimą, todėl jo vidinė nuolatinės srovės jungtis nepadidės kartu su visa tinklo įtampa. Šviesolaidinis ryšys pritaikytas valdymo signalams tarp didelio ir žemo potencialo domenų, kad būtų išvengta trikdžių ir gedimo rizikos, kurią sukelia kintantys aukštos įtampos potencialai. |
Blokinė diagrama
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
1 etapas: dvikryptis H tilto AC-DC konversija
Įvesties pusės vienfazis H tiltas susideda iš keturių SiC maitinimo jungiklių, stiprinimo induktorių ir nuolatinės srovės grandinės kondensatorių, įgyvendinančių dvikryptę Boost-PFC topologiją, veikiančią kilohercų lygio perjungimo dažniu. Jis palaiko ir ištaisymą, ir atvirkštinį tinkleliu susietą inversiją.
Ištaisymo režimu submodulis gauna padalinto tinklo dažnio kintamosios srovės įtampą. Didelės spartos H tilto jungiklių PWM perjungimas bendradarbiauja su padidinimo induktoriais, kad kauptų ir išlaisvintų magnetinio lauko energiją, paverčiant tinklo dažnio kintamąją srovę stabilizuota tarpine nuolatinės srovės grandinės įtampa. Šiame etape taip pat atliekama galios koeficiento korekcija, užtikrinanti sinusoidinę tinklo pusės srovę ir harmonikų slopinimą. Reikėtų pažymėti, kad nuolatinės srovės grandinės įtampa turi viršyti didžiausią įėjimo kintamosios srovės įtampos vertę, kad atitiktų padidinimo veikimo sąlygas.
Veikiant atvirkštine galia, H tiltas veikia kaip keitiklis. Jis paverčia energiją, sukauptą tarpinėje nuolatinės srovės jungtyje, į tinklo dažnio kintamąją srovę, įleidžiamą į komunalinį tinklą. Reaktyviosios galios išvestis taip pat pasiekiama reguliuojant tinklo galios kokybę.
AC-DC konvertavimas
|
Pagrindinės DC/AC keitiklio sistemos specifikacijos |
||
|
Parametrai |
Specifikacija |
Detalės |
|
Nominali kintamoji galia |
±50kVA |
± Aktyvus ± Reaktyvus |
|
Nominali kintamoji įtampa |
1000 VRMS |
|
|
Nominali kintamosios srovės srovė |
50 RANKŲ |
|
|
Nominali nuolatinė įtampa |
2200VDC |
|
|
Nuolatinės srovės jungties įtampos pulsacija |
±200V |
esant 2200V |
|
Perjungimo dažnis |
Nuo 5kHz iki 10kHz |
H-Vienpolis tiltas |
|
Aušinimo technologija |
Oro pajėgų aušinimas |
12V ventiliatoriai |
|
Maksimali aplinkos temperatūra |
60 laipsnių |
|
|
Galios FET specifikacijos |
3,3kV, 22,5mΩ |
SiC FET |
2 etapas: DAB dvigubo aktyvaus tilto aukšto dažnio izoliuota DC-DC konversija
Kaip submodulio izoliavimo šerdį, DAB sudaro pirminės pusės pilnas tiltas, aukšto dažnio transformatorius ir antrinės pusės viso tiltas. Jis veikia šimtais kilohercų su natūralia dvikrypčio maitinimo galia.
Pirminės pusės viso tilto inversija: Naudodamas energiją iš ankstesnės H tilto tarpinės nuolatinės srovės jungties, SiC perjungia nuolatinę įtampą į aukšto dažnio kintamosios srovės kvadratines bangas, kurių amplitudė lygi nuolatinės srovės grandinės įtampai, tiekdama aukšto dažnio transformatoriaus pirminę apviją. Transformatoriai negali pravesti nuolatinės srovės; tik kintamoji kvadratinės bangos įtampa sukuria kintamus magnetinius laukus šerdies viduje energijai perduoti. Aukšto dažnio veikimas leidžia naudoti mažesnes transformatorių šerdis ir nulinės įtampos perjungimą (ZVS), kad sumažintų perjungimo nuostolius.
Aukšto dažnio transformatorius, skirtas įtampos transformavimui ir galvaninei izoliacijai: maitinamas aukšto dažnio kvadratinėmis bangomis, transformatorius keičia įtampos amplitudę pagal savo apvijų posūkių santykį ir užtikrina visišką galvaninę izoliaciją tarp aukštos įtampos pirminės ir žemos įtampos antrinių sričių.Įtampos konversijos koeficientą lemia transformatoriaus posūkių santykis, o ne fazės poslinkio valdymas. Transformatoriaus vidinis nuotėkio induktyvumas naudojamas kaip nuoseklus DAB galios perdavimo induktorius.
Antrinės pusės viso tilto aktyvus ištaisymas: antrinės pusės visas tiltas apdoroja transformatoriaus tiekiamą aukšto dažnio kvadratinės bangos įtampą. Skirtingai nuo pasyvaus diodo ištaisymo, aktyvusis pilnas tiltas tiksliai valdo SiC perjungimo laiką. Nesvarbu, ar kvadratinė banga yra teigiamo ar neigiamo pusciklo, kintamoji kintamosios srovės energija paverčiama išėjimo kondensatorių įkrovimo srove. Išvesties kondensatoriai filtruoja aukšto dažnio virpesius ir sukuria sklandžią žemos įtampos nuolatinės srovės išvestį.
Atbulinės eigos galios srautui antrinės pusės pilnas tiltas veikia kaip keitiklis, suskaidantis žemos įtampos nuolatinę srovę atgal į aukšto dažnio kvadratines bangas, siunčiamas į transformatoriaus antrinį. Energija padidinama transformatoriumi, o tada pirminės pusės visu tiltu paverčiama tarpine nuolatine įtampa.
DAB naudoja vienfazio poslinkio (SPS) valdymą. Tiek pirminės, tiek antrinės pusės pilni tiltai sukuria 50 % apkrovos koeficiento kvadratines bangas. Valdiklis reguliuoja fazės kampų skirtumą tarp dviejų bangos formų rinkinių. Fazės poslinkio dydis valdo perduodamos galios dydį, o fazės poslinkio poliškumas – galios srauto kryptį.Fazių poslinkis reguliuoja tik galią, jis negali pasiekti plataus diapazono pastovios būsenos išėjimo įtampos reguliavimo. Priverčiant išvesties įtampą toli nuo posūkių santykiu suderinto vardinio veikimo taško, prarandamos ZVS sąlygos, atsiranda stipri cirkuliuojanti srovė ir smarkiai perkaista įrenginys. Norint pakeisti vardinę išėjimo įtampą, aukšto dažnio transformatoriaus apsisukimų santykis turi būti perprojektuotas.
DAB
|
Pagrindinės DC/DC keitiklio sistemos specifikacijos |
||
|
Parametrai |
Specifikacija |
Detalės |
|
Nominali nuolatinės srovės galia |
±50 kW |
Dvikryptis galios srautas |
|
MV vardinė nuolatinė įtampa |
2,2kV |
|
|
MV nominali nuolatinė srovė |
23A |
|
|
LV nominali nuolatinė įtampa |
1,5kV |
|
|
LV nominali nuolatinė srovė |
33.3A |
|
|
Perjungimo dažnis |
100 kHz |
|
|
Maksimali aplinkos temperatūra |
60 laipsnių |
|
|
Galios FET specifikacijos MV |
3,3kV, 22,5mΩ |
SiC FET |
|
Galios FET specifikacijos LV |
2,3kV, 11,5mΩ |
SiC FET |
Sistemos mastelio keitimas ir inžineriniai apribojimai
Vidutinės įtampos didelės galios įrenginiuose įtampą ir galią reguliuoja keli antriniai moduliai su nuosekliai sujungtais kintamosios srovės įėjimais ir lygiagrečiai sujungtais nuolatinės srovės išėjimais. Įprasta lygiagrečių submodulių žemos įtampos magistralės įtampa yra užfiksuota DAB transformatoriaus apsisukimų santykiu. Kai tikslinė išėjimo įtampa skiriasi nuo vidinės DAB išėjimo įtampos, yra du praktiniai sprendimai:
Išsaugokite originalią aparatinę įrangą ir pridėkite papildomą neizoliuotą DC-DC keitiklį, kad sumažintumėte reguliavimą po reguliavimo;
Perkurkite aukšto dažnio transformatorių, iš naujo patikrinkite komponentų įtempimą ir iš naujo sureguliuokite valdymo algoritmus, kad būtų galima giliai modifikuoti DAB.
|
Į priekį nukreiptos galios konversijos grandinės santrauka: |
Kodėl SST pasiekia kompaktišką dydį
Įprasti paskirstymo transformatoriai veikia 50 Hz linijos dažniu ir reikalauja didelio magnetinės šerdies skerspjūvio ploto, kad būtų tiekiama vardinė galia. Pagal elektromagnetinius principus:esant tam tikrai galiai, didesnis veikimo dažnis sumažina reikiamą šerdies tūrį ir svorį.
Užuot valdę izoliacinį transformatorių tiesiogiai naudodami 50 Hz tinklo įtampą, SST galios elektronika paverčia tinklo dažnio energiją į šimtų kHz aukšto dažnio kvadratinės bangos įtampą, tiekiančią aukšto dažnio izoliacinį transformatorių. Palyginti su linijos dažniu, veikimo dažnis padidėja tūkstančius kartų, todėl aukšto dažnio magnetinių komponentų tūrį ir svorį galima sumažinti daugiau nei dešimt kartų.
N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )
k - Maksimalaus įjungimo-laiko ir perjungimo laikotarpio santykis, paprastai k=0.4;
U - Pirminės apvijos įėjimo įtampa (V), maždaug lygi nuolatinės srovės įėjimo įtampai;
f - Transformatoriaus veikimo dažnis (kHz);
Ae - Magnetinės šerdies efektyvusis skerspjūvio plotas- (cm²);
Bmax - Didžiausias leistinas magnetinio srauto tankio svyravimas (G).
Būdingi trūkumai
Didelio kiekio puslaidininkiniai įrenginiai yra labai sudėtingi ir brangesni, palyginti su įprastais transformatoriais. Aukšto dažnio perjungimas sukelia elektromagnetinius trukdžius (EMI), todėl nustatomi griežti PCB išdėstymo, magnetinio komponento dizaino ir šilumos valdymo reikalavimai. Todėl SST visiškai nepakeis linijos dažnio transformatorių ir daugiausia taikomas naujose maitinimo sistemose, kuriose reikia kompaktiško ploto, dvikrypčio galios srauto, nuolatinės srovės sąsajų ir aktyviosios galios kokybės kontrolės.
