Načelo delovanja modularnega podmodula polprevodniškega transformatorja

Polprevodniški transformator (SST), znan tudi kot močnostni elektronski transformator, se razlikuje od običajnih frekvenčnih transformatorjev, ki delujejo na magnetnih poljih 50 Hz. To je krmiljena naprava za pretvorbo moči, sestavljena iz močnostnih elektronskih pretvornikov in visokofrekvenčnih transformatorjev. Običajni omrežni frekvenčni transformatorji samo pasivno transformirajo napetost glede na razmerje obratov. Poleg galvanske izolacije in pretvorbe napetosti SST-ji zagotavljajo digitalno nadzorovane zmogljivosti, vključno z dvosmernim pretokom moči, regulacijo napetosti, dušenjem harmonikov in kompenzacijo jalove moči, ki služijo kot usmerjevalniki moči v pametnih omrežjih.

Nastavitev plošče

https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs

Podmodul Celotna arhitektura

Vsak podmodul je sestavljen iz dveh glavnih delov strojne opreme: enote za visokonapetostno pretvorbo AC-DC in visokofrekvenčne izolirane enote DC-DC DAB. Za srednjenapetostne omrežne aplikacije, kot so sistemi 10 kV, je več podmodulov zaporedno povezanih na svojihSponke na strani ACdeliti skupno napetost omrežja. Vsak podmodul ima v lasti neodvisen vmesni DC-link, ki je galvansko ločen od drugih brez zlaganja enosmerne napetosti. Vsi nizkonapetostni enosmerni izhodi pretvornikov DAB so povezani vzporedno, da tvorijo enotno nizkonapetostno enosmerno vodilo.

Blokovni diagram

https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs

1. stopnja: Dvosmerna H-mostna pretvorba AC-DC

Enofazni H-most na vhodni strani je sestavljen iz štirih močnostnih stikal SiC, ojačevalnih induktorjev in kondenzatorjev vmesnega tokokroga, ki izvajajo dvosmerno topologijo Boost-PFC, ki deluje na preklopni frekvenci na ravni kilohercev. Podpira rektifikacijo in obratno mrežno inverzijo.

V načinu usmerjanja podmodul prejme razdeljeno izmenično napetost frekvence omrežja. Hitro preklapljanje PWM stikal na mostu H sodeluje z ojačevalnimi induktorji za shranjevanje in sproščanje energije magnetnega polja ter pretvarjanje omrežne frekvence AC v stabilizirano vmesno napetost enosmernega toka. Ta stopnja izvaja tudi korekcijo faktorja moči, kar zagotavlja sinusoidni tok na strani omrežja in dušenje harmonikov. Upoštevati je treba, da mora napetost vmesnega tokokroga preseči najvišjo vrednost vhodne izmenične napetosti, da se izpolnijo pogoji za pospešeno delovanje.

Med delovanjem vzvratne moči H-most deluje kot pretvornik. Pretvarja energijo, shranjeno na vmesnem enosmernem tokokrogu, nazaj v izmenični tok omrežne frekvence, ki se vbrizga v električno omrežje. Izhodna jalova moč je prav tako dosegljiva za regulacijo kakovosti električne energije v omrežju.

AC-DC pretvorba

2. stopnja: DAB dvojna aktivna mostovna visokofrekvenčna izolirana pretvorba DC-DC

Kot izolacijsko jedro podmodula DAB obsega polni most na primarni strani, visokofrekvenčni transformator in polni most na sekundarni strani. Deluje na stotinah kilohercev z izvorno dvosmerno močjo.

Inverzija polnega mostu na primarni strani: S črpanjem energije iz predhodnega vmesnega enosmernega vmesnega tokokroga H-mosta SiC preklaplja enosmerno napetost v visokofrekvenčne izmenične kvadratne valove, katerih amplituda je enaka napetosti enosmernega vmesnega toka, ki napaja primarno navitje visokofrekvenčnega transformatorja. Transformatorji ne morejo prevajati enosmernega toka; samo izmenična pravokotna napetost vzpostavi izmenična magnetna polja znotraj jedra za prenos energije. Visokofrekvenčno delovanje omogoča manjša transformatorska jedra in dovoljuje ničelno napetostno preklapljanje (ZVS) za zmanjšanje preklopnih izgub.

Visokofrekvenčni transformator za transformacijo napetosti in galvansko ločitev: Transformator, ki ga napajajo pravokotni visokofrekvenčni valovi, spreminja amplitudo napetosti glede na razmerje obratov navitja in zagotavlja popolno galvansko izolacijo med visokonapetostno primarno in nizkonapetostno sekundarno domeno.Razmerje pretvorbe napetosti je določeno z razmerjem obratov transformatorja in ne s krmiljenjem faznega zamika. Lastna induktivnost uhajanja transformatorja se uporablja kot serijski induktor za prenos moči za DAB.

Aktivno popravljanje polnega mostu na sekundarni strani: Polni most na sekundarni strani obdeluje visokofrekvenčno pravokotno napetost, ki jo oddaja transformator. Za razliko od pasivnega diodnega usmerjevalnika aktivni polni most natančno nadzoruje preklopne čase SiC. Ne glede na to, ali je kvadratni val v pozitivnem ali negativnem polciklu, se izmenična izmenična energija pretvori v polnilni tok za izhodne kondenzatorje. Izhodni kondenzatorji filtrirajo visokofrekvenčno valovanje in proizvajajo gladek nizkonapetostni enosmerni izhod.

Za povratni tok moči polni most na sekundarni strani deluje kot pretvornik, ki nizkonapetostni enosmerni tok seka nazaj v visokofrekvenčne kvadratne valove, poslane v sekundar transformatorja. Energijo poveča transformator, nato pa jo rekonstruira v vmesno enosmerno napetost s polnim mostom na primarni strani.

DAB sprejme krmiljenje z enofaznim premikom (SPS). Polni mostovi na primarni in sekundarni strani ustvarjajo kvadratne valovne oblike s 50-odstotnim razmerjem obremenitve. Krmilnik prilagodi razliko faznega kota med dvema nizoma valovnih oblik. Magnituda faznega zamika nadzira velikost oddane moči, polariteta faznega zamika pa določa smer toka moči.Fazni zamik uravnava le moč, ne more doseči širokega razpona prilagoditve izhodne napetosti v stabilnem stanju. Če izhodno napetost prisilite daleč stran od nominalne delovne točke, ki je usklajena z razmerjem obratov, boste izgubili pogoje ZVS, povzročili močan krožni tok in povzročili resno pregrevanje naprave. Za spremembo nazivne izhodne napetosti je treba preoblikovati razmerje obratov visokofrekvenčnega transformatorja.

DAB

Sistemsko skaliranje in inženirske omejitve

V srednjenapetostnih visokozmogljivih aplikacijah se skaliranje napetosti in moči izvaja z več podmoduli s serijsko povezanimi vhodi za izmenični tok in vzporedno povezanimi izhodi za enosmerni tok. Skupna nizkonapetostna napetost vodila vzporednih podmodulov je zaklenjena z razmerjem obratov transformatorja DAB. Ko ciljna izhodna napetost odstopa od intrinzične izhodne napetosti DAB, obstajata dve praktični rešitvi:

Ohranite originalno strojno opremo in dodajte dodaten neizoliran pretvornik DC-DC za naknadno regulacijo stopenj navzdol;

Preoblikujte visokofrekvenčni transformator, ponovno preverite obremenitev komponente in znova nastavite krmilne algoritme za globoko modifikacijo DAB.

Zakaj SST dosega kompaktno velikost

Običajni razdelilni transformatorji delujejo pri omrežni frekvenci 50 Hz in zahtevajo veliko površino prečnega prereza magnetnega jedra za zagotavljanje nazivne moči. Po elektromagnetnih principih:pri določeni nazivni moči višja delovna frekvenca zmanjša zahtevano prostornino in težo jedra.

Namesto da bi izolacijski transformator poganjali neposredno z omrežno napetostjo 50 Hz, močnostna elektronika SST pretvori moč omrežne frekvence v visokofrekvenčno kvadratno napetost na stotine kHz, ki napaja visokofrekvenčni izolacijski transformator. V primerjavi s frekvenco omrežja se delovna frekvenca poveča za tisočkrat, zato se lahko prostornina in teža visokofrekvenčnih magnetnih komponent zmanjšata za več kot desetkrat.

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax)

k - Razmerje med največjim vklopljenim-časom in preklopnim obdobjem, običajno k=0.4;

U - Vhodna napetost primarnega navitja (V), približno enaka vhodni napetosti enosmernega toka;

f - Delovna frekvenca transformatorja (kHz);

Ae - efektivna površina-preseka magnetnega jedra (cm²);

Bmax - Največje dovoljeno nihanje gostote magnetnega pretoka (G).

Inherentne pomanjkljivosti

Polprevodniške naprave z veliko količino prinašajo visoko kompleksnost strojne opreme in višje stroške v primerjavi z običajnimi transformatorji. Visokofrekvenčno preklapljanje povzroča elektromagnetne motnje (EMI), kar postavlja stroge zahteve za postavitev tiskanega vezja, zasnovo magnetnih komponent in upravljanje toplote. Zato SST ne bo v celoti nadomestil omrežnih frekvenčnih transformatorjev in se v glavnem uporablja v scenarijih novih elektroenergetskih sistemov, ki zahtevajo kompakten odtis, dvosmerni pretok moči, vmesnike DC in aktivno kontrolo kakovosti električne energije.