Твердотільний трансформатор (SST), також відомий як силовий електронний трансформатор, відрізняється від звичайних трансформаторів лінійної частоти, що працюють на магнітних полях 50 Гц. Це керований пристрій перетворення електроенергії, що складається з силових електронних перетворювачів і високочастотних трансформаторів. Звичайні трансформатори лінійної частоти лише пасивно перетворюють напругу відповідно до коефіцієнта витків. На додаток до гальванічної розв’язки та перетворення напруги SST забезпечують можливості цифрового керування, включаючи двонаправлений потік електроенергії, регулювання напруги, придушення гармонік і компенсацію реактивної потужності, служачи маршрутизаторами живлення в розумних мережах.
Налаштування плати
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Загальна архітектура підмодуля
Кожен підмодуль складається з двох основних апаратних секцій: блоку перетворення високої напруги змінного струму в постійний струм і високочастотного ізольованого блоку постійного струму в постійному струмі DAB. Для мереж середньої напруги, таких як системи 10 кВ, декілька субмодулів з’єднуються послідовноКлеми зі сторони змінного струмудля розподілу загальної напруги мережі. Кожен субмодуль має незалежну проміжну ланку постійного струму, яка гальванічно ізольована від інших без напруги постійного струму. Усі виходи постійного струму низької напруги перетворювачів DAB з’єднані паралельно, щоб утворити єдину шину постійного струму низької напруги.
|
Важлива характеристика: незалежно від того, скільки підмодулів з’єднано послідовно,проміжна напруга ланцюга постійного струму кожного окремого субмодуля залишається на номінальному значенні. Послідовно з’єднані клеми змінного струму лише поділяють напругу змінного струму на частоті мережі. Кожен суб-модуль реалізує незалежне регулювання напруги в замкнутому контурі, тому його внутрішня ланка постійного струму не зростатиме разом із загальною напругою мережі. Волоконно-оптичний зв’язок використовується для сигналів керування між високопотенційними та низькопотенційними доменами, щоб уникнути перешкод і ризиків поломки, спричинених плаваючими потенціалами високої напруги. |
Блок-схема
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Етап 1: двонаправлене перетворення змінного струму в постійний H-мост
Однофазний H-міст на вхідній стороні складається з чотирьох перемикачів живлення з SiC, індукторів підвищення індуктивності та конденсаторів ланцюга постійного струму, що реалізує двонаправлену топологію Boost-PFC, що працює на частоті перемикання на рівні кілогерц. Він підтримує як виправлення, так і зворотну прив’язану до сітки інверсію.
У режимі випрямлення суб-модуль отримує розділену напругу змінного струму на частоті мережі. Високошвидкісне ШІМ-перемикання перемикачів Н-мосту взаємодіє з підсилювальними котушками індуктивності для накопичення та вивільнення енергії магнітного поля, перетворюючи частоту мережі змінного струму в стабілізовану проміжну напругу ланцюга постійного струму. Цей ступінь також реалізує корекцію коефіцієнта потужності, забезпечуючи синусоїдальний струм на стороні мережі та придушення гармонік. Слід зазначити, що напруга ланцюга постійного струму має перевищувати пікове значення вхідної напруги змінного струму, щоб задовольнити умови роботи наддуву.
Під час роботи в режимі зворотного живлення H-міст працює як інвертор. Він перетворює енергію, що зберігається в проміжному ланці постійного струму, назад у змінний струм частоти мережі, що подається в енергосистему. Вихідна реактивна потужність також можлива для регулювання якості електроенергії в мережі.
Перетворення AC-DC
|
Ключові системні характеристики перетворювача постійного/змінного струму |
||
|
Параметри |
Специфікація |
Подробиці |
|
Номінальна потужність змінного струму |
±50 кВА |
± Активний ± Реактивний |
|
Номінальна напруга змінного струму |
1000 VRMS |
|
|
Номінальний змінний струм |
50 ЗБРОЇ |
|
|
Номінальна напруга постійного струму |
2200В постійного струму |
|
|
Пульсації напруги ланцюга постійного струму |
±200V |
при 2200В |
|
Частота перемикання |
Від 5 кГц до 10 кГц |
H-Міст однополярний |
|
Технологія охолодження |
Охолодження повітряних сил |
Вентилятори 12В |
|
Максимальна температура навколишнього середовища |
60 градусів |
|
|
Характеристики польових транзисторів потужності |
3,3 кВ, 22,5 мОм |
SiC FET |
Етап 2: DAB Dual-Active-Bridge Високочастотне ізольоване перетворення постійного струму в постійний струм
Як ізоляційне ядро підмодуля, DAB містить повний міст первинної сторони, високочастотний трансформатор і повний міст вторинної сторони. Він працює на частоті сотень кілогерц із вбудованою можливістю двонаправленого живлення.
Інверсія повного моста на первинній стороні: черпаючи енергію з попереднього H-моста проміжного ланцюга постійного струму, SiC перетворює напругу постійного струму на високочастотні прямокутні хвилі змінного струму, амплітуда яких дорівнює напрузі ланцюга постійного струму, живлячи первинну обмотку високочастотного трансформатора. Трансформатори не можуть проводити постійний струм; лише змінна прямокутна напруга створює змінні магнітні поля всередині сердечника для передачі енергії. Робота на високій частоті дозволяє зменшити сердечники трансформаторів і дозволяє перемикати нульову напругу (ZVS), щоб зменшити втрати при перемиканні.
Трансформатор високої частоти для перетворення напруги та гальванічної розв'язки: Живлячись високочастотними прямокутними хвилями, трансформатор змінює амплітуду напруги відповідно до коефіцієнта витків обмотки та забезпечує повну гальванічну ізоляцію між високовольтною первинною та низьковольтною вторинною обмотками.Коефіцієнт перетворення напруги визначається коефіцієнтом витків трансформатора, а не регулюванням фазового зсуву. Власна індуктивність витоку трансформатора використовується як послідовний індуктор передачі потужності для DAB.
Повний міст активного випрямлення вторинної сторони: повний міст вторинної обмотки обробляє високочастотну прямокутну напругу, що надходить від трансформатора. На відміну від пасивного діодного випрямлення, активний повний міст точно контролює моменти перемикання SiC. Незалежно від того, чи є прямокутний сигнал у позитивному чи негативному півперіоді, змінна енергія змінного струму перетворюється на зарядний струм для вихідних конденсаторів. Вихідні конденсатори фільтрують високочастотні пульсації та створюють плавний вихід постійного струму низької напруги.
Для зворотного потоку потужності повний міст вторинної обмотки діє як інвертор, перерізаючи низьку напругу постійного струму назад у високочастотні прямокутні хвилі, що надсилаються до вторинної обмотки трансформатора. Енергія підвищується трансформатором, а потім перебудовується в проміжну напругу постійного струму за допомогою повного моста первинної сторони.
DAB використовує однофазне керування (SPS). Повні мости як первинної, так і вторинної сторони генерують прямокутні хвилі з коефіцієнтом навантаження 50%. Контролер регулює різницю фазового кута між двома наборами сигналів. Величина фазового зсуву контролює величину переданої потужності, а полярність фазового зсуву визначає напрямок потоку потужності.Фазовий зсув регулює лише потужність, він не може досягти широкого діапазону регулювання вихідної напруги в стабільному стані. Форсування вихідної напруги далеко від номінальної робочої точки, що відповідає коефіцієнту витків, призведе до втрати умов ZVS, появи сильного циркулюючого струму та спричинить серйозний перегрів пристрою. Щоб змінити номінальну вихідну напругу, необхідно переробити коефіцієнт витків високочастотного трансформатора.
DAB
|
Ключові системні характеристики DC/DC перетворювача |
||
|
Параметри |
Специфікація |
Подробиці |
|
Номінальна потужність постійного струму |
±50 кВт |
Двонаправлений потік потужності |
|
MV Номінальна постійна напруга |
2,2 кВ |
|
|
Номінальний постійний струм MV |
23A |
|
|
НН номінальна напруга постійного струму |
1,5 кВ |
|
|
LV номінальний постійний струм |
33.3A |
|
|
Частота перемикання |
100 кГц |
|
|
Максимальна температура навколишнього середовища |
60 градусів |
|
|
Характеристики польових транзисторів потужності на MV |
3,3 кВ, 22,5 мОм |
SiC FET |
|
Специфікації польових транзисторів потужності на LV |
2,3 кВ, 11,5 мОм |
SiC FET |
Масштабування системи та інженерні обмеження
У системах із високою потужністю середньої напруги масштабування напруги та потужності реалізується кількома суб-модулями з послідовно з’єднаними входами змінного струму та паралельно з’єднаними виходами постійного струму. Загальна напруга шини низької напруги паралельних підмодулів блокується коефіцієнтом трансформації трансформатора DAB. Коли цільова вихідна напруга відхиляється від власної вихідної напруги DAB, існує два практичних рішення:
Збережіть оригінальне апаратне забезпечення та додайте додатковий неізольований перетворювач постійного струму в постійний струм для понижувального регулювання;
Переконструюйте високочастотний трансформатор, повторно перевірте напругу компонентів і переналаштуйте алгоритми керування для глибокої модифікації DAB.
|
Підсумок ланцюга перетворення потужності в прямому напрямку: |
Чому SST досягає компактних розмірів
Звичайні розподільні трансформатори працюють на частоті мережі 50 Гц і потребують великої площі поперечного перерізу магнітного сердечника для забезпечення номінальної потужності. Відповідно до електромагнітних принципів:для даної номінальної потужності більш висока робоча частота зменшує необхідний об'єм і вагу сердечника.
Замість того, щоб керувати ізоляційним трансформатором безпосередньо мережевою напругою 50 Гц, силова електроніка SST перетворює потужність частоти мережі в прямокутну напругу високої частоти сотень кГц, яка живить високочастотний ізоляційний трансформатор. У порівнянні з частотою мережі робоча частота збільшується в тисячі разів, тому об’єм і вага високочастотних магнітних компонентів можна зменшити більш ніж у десять разів.
N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax)
k - Співвідношення максимального часу ввімкнення-до періоду перемикання, зазвичай k=0.4;
U - Вхідна напруга первинної обмотки (В), приблизно дорівнює вхідній напрузі постійного струму;
f - Робоча частота трансформатора (кГц);
Ae - Ефективна площа поперечного-перерізу магнітного сердечника (см²);
Bmax - Максимально допустиме коливання щільності магнітного потоку (G).
Внутрішні недоліки
Велика кількість напівпровідникових пристроїв забезпечує високу апаратну складність і вищу вартість порівняно зі звичайними трансформаторами. Високочастотне перемикання створює електромагнітні перешкоди (EMI), встановлюючи суворі вимоги до компонування друкованої плати, конструкції магнітних компонентів і управління температурою. Тому SST не повністю замінить трансформатори лінійної частоти, і в основному застосовується в сценаріях нових систем живлення, які вимагають компактних розмірів, двонаправленого потоку електроенергії, інтерфейсів постійного струму та активного контролю якості електроенергії.
