Zasada działania modułowego podmodułu transformatora półprzewodnikowego

Transformator półprzewodnikowy (SST), znany również jako transformator energoelektroniczny, różni się od konwencjonalnych transformatorów częstotliwości sieciowej pracujących w polach magnetycznych o częstotliwości 50 Hz. Jest to sterowane urządzenie do przetwarzania mocy składające się z przekształtników energoelektronicznych i transformatorów wysokiej częstotliwości. Konwencjonalne transformatory częstotliwości sieciowej tylko pasywnie przekształcają napięcie zgodnie ze współczynnikiem zwojów. Oprócz izolacji galwanicznej i konwersji napięcia, przetworniki SST zapewniają możliwości sterowane cyfrowo, w tym dwukierunkowy przepływ mocy, regulację napięcia, tłumienie harmonicznych i kompensację mocy biernej, służąc jako routery mocy w inteligentnych sieciach.

Konfiguracja tablicy

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

Podmoduł Architektura ogólna

Każdy moduł podrzędny składa się z dwóch głównych sekcji sprzętowych: wysokonapięciowej jednostki konwersji AC-DC i izolowanej jednostki DC-DC wysokiej częstotliwości DAB. W przypadku zastosowań w sieciach średniego napięcia, takich jak systemy 10 kV, wiele podmodułów łączy się szeregowoZaciski po stronie ACaby dzielić całkowite napięcie sieciowe. Każdy podmoduł posiada niezależne pośrednie łącze prądu stałego, które jest galwanicznie odizolowane od innych, bez układania napięcia stałego. Wszystkie niskonapięciowe wyjścia DC konwerterów DAB są połączone równolegle, tworząc jednolitą niskonapięciową szynę DC.

Schemat blokowy

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

Etap 1: Dwukierunkowa konwersja AC-DC z mostkiem H

Jednofazowy mostek H po stronie wejściowej składa się z czterech przełączników mocy SiC, cewek wzmacniających i kondensatorów obwodu DC, realizujących dwukierunkową topologię Boost-PFC działającą z częstotliwością przełączania na poziomie kiloherców. Obsługuje zarówno prostowanie, jak i odwrotną inwersję związaną z siecią.

W trybie prostowania submoduł otrzymuje podzielone napięcie prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej. Szybkie przełączanie PWM przełączników mostka H współpracuje z cewkami wzmacniającymi w celu magazynowania i uwalniania energii pola magnetycznego, przekształcając prąd przemienny o częstotliwości sieciowej w stabilizowane pośrednie napięcie obwodu DC. Na tym etapie przeprowadzana jest również korekcja współczynnika mocy, zapewniając sinusoidalny prąd po stronie sieci i tłumienie harmonicznych. Należy zauważyć, że napięcie obwodu prądu stałego musi przekraczać wartość szczytową wejściowego napięcia prądu przemiennego, aby spełnić warunki pracy w trybie wzmocnienia.

Podczas pracy z mocą zwrotną mostek H działa jak falownik. Przekształca energię zmagazynowaną w pośrednim obwodzie prądu stałego z powrotem w prąd przemienny o częstotliwości sieciowej wprowadzany do sieci elektroenergetycznej. Wyjściową moc bierną można także uzyskać na potrzeby regulacji jakości energii sieciowej.

Konwersja AC-DC

Etap 2: Podwójny aktywny mostek DAB z izolowaną konwersją DC-DC o wysokiej częstotliwości

Jako rdzeń izolacyjny podmodułu, DAB składa się z pełnego mostka po stronie pierwotnej, transformatora wysokiej częstotliwości i pełnego mostka po stronie wtórnej. Działa z częstotliwością setek kiloherców z natywną możliwością zasilania dwukierunkowego.

Inwersja pełnego mostka po stronie pierwotnej: Pobierając energię z poprzedzającego mostka H pośredniego łącza prądu stałego, SiC przełącza napięcie prądu stałego na fale prostokątne prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości, których amplituda jest równa napięciu obwodu prądu stałego, zasilając uzwojenie pierwotne transformatora wysokiej częstotliwości. Transformatory nie mogą przewodzić prądu stałego; tylko przemienne napięcie o fali prostokątnej wytwarza zmienne pola magnetyczne wewnątrz rdzenia w celu przenoszenia energii. Praca przy wysokiej częstotliwości umożliwia stosowanie mniejszych rdzeni transformatorów i umożliwia przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS) w celu zmniejszenia strat przełączania.

Transformator wysokiej częstotliwości do transformacji napięcia i izolacji galwanicznej: Transformator zasilany falami prostokątnymi o wysokiej częstotliwości zmienia amplitudę napięcia w zależności od współczynnika zwojów uzwojenia i zapewnia pełną izolację galwaniczną pomiędzy domeną pierwotną wysokiego napięcia i wtórną niskiego napięcia.Współczynnik konwersji napięcia jest określany przez przekładnię zwojową transformatora, a nie poprzez sterowanie przesunięciem fazowym. Własna indukcyjność rozproszenia transformatora jest wykorzystywana jako szeregowa cewka przenosząca moc dla DAB.

Aktywny prostownik z pełnym mostkiem po stronie wtórnej: Pełny mostek po stronie wtórnej przetwarza napięcie o fali prostokątnej o wysokiej częstotliwości dostarczane przez transformator. W przeciwieństwie do pasywnego prostowania diodowego, aktywny pełny mostek precyzyjnie kontroluje czasy przełączania SiC. Niezależnie od tego, czy fala prostokątna znajduje się w dodatnim, czy ujemnym półcyklu, zmienna energia prądu przemiennego jest przekształcana w prąd ładowania kondensatorów wyjściowych. Kondensatory wyjściowe filtrują tętnienia o wysokiej częstotliwości i wytwarzają płynne napięcie wyjściowe prądu stałego o niskim napięciu.

W przypadku przepływu mocy wstecznej pełny mostek po stronie wtórnej działa jak falownik, przecinając prąd stały niskiego napięcia z powrotem na fale prostokątne o wysokiej częstotliwości wysyłane do strony wtórnej transformatora. Energia jest wzmacniana przez transformator, a następnie przetwarzana na pośrednie napięcie prądu stałego przez pełny mostek po stronie pierwotnej.

DAB wykorzystuje sterowanie z przesunięciem jednofazowym (SPS). Pełne mostki zarówno po stronie pierwotnej, jak i wtórnej generują przebiegi prostokątne o współczynniku wypełnienia 50%. Sterownik reguluje różnicę kąta fazowego pomiędzy dwoma zestawami przebiegów. Wielkość przesunięcia fazowego kontroluje wielkość transmitowanej mocy, a polaryzacja przesunięcia fazowego określa kierunek przepływu mocy.Przesunięcie fazowe reguluje jedynie moc, nie pozwala na osiągnięcie szerokiego zakresu regulacji napięcia wyjściowego w stanie ustalonym. Wymuszanie oddalania napięcia wyjściowego od nominalnego punktu pracy o dopasowanym stosunku zwojów spowoduje utratę warunków ZVS, wprowadzenie dużego prądu krążeniowego i poważne przegrzanie urządzenia. Aby zmienić znamionowe napięcie wyjściowe, należy przeprojektować przekładnię transformatora wysokiej częstotliwości.

ZIMNICA

Skalowanie systemu i ograniczenia inżynieryjne

W zastosowaniach średniego napięcia i dużej mocy skalowanie napięcia i mocy odbywa się za pomocą wielu podmodułów z połączonymi szeregowo wejściami prądu przemiennego i równolegle połączonymi wyjściami prądu stałego. Wspólne napięcie szyny niskiego napięcia połączonych równolegle submodułów jest blokowane przez współczynnik zwojów transformatora DAB. Gdy docelowe napięcie wyjściowe odbiega od wewnętrznego napięcia wyjściowego DAB, istnieją dwa praktyczne rozwiązania:

Zachowaj oryginalny sprzęt i dodaj dodatkową nieizolowaną przetwornicę DC-DC w celu obniżenia napięcia po regulacji;

Przeprojektuj transformator wysokiej częstotliwości, ponownie zweryfikuj naprężenie komponentów i algorytmy kontroli ponownego dostrojenia w celu głębokiej modyfikacji DAB.

Dlaczego SST osiąga kompaktowy rozmiar

Konwencjonalne transformatory rozdzielcze pracują przy częstotliwości sieciowej 50 Hz i do zapewnienia mocy znamionowej wymagają dużego pola przekroju poprzecznego rdzenia magnetycznego. Zgodnie z zasadami elektromagnetycznymi:dla danej mocy znamionowej wyższa częstotliwość pracy zmniejsza wymaganą objętość i wagę rdzenia.

Zamiast zasilać transformator izolujący bezpośrednio napięciem sieciowym 50 Hz, elektronika mocy SST przekształca moc o częstotliwości sieciowej na napięcie o fali prostokątnej o wysokiej częstotliwości setek kHz, zasilające transformator izolujący o wysokiej częstotliwości. W porównaniu z częstotliwością sieci częstotliwość robocza wzrasta tysiące razy, dzięki czemu objętość i ciężar elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości można zmniejszyć ponad dziesięciokrotnie.

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

k - Stosunek maksymalnego-czasu włączenia do okresu przełączania, zazwyczaj k=0.4;

U - Napięcie wejściowe uzwojenia pierwotnego (V), w przybliżeniu równe napięciu wejściowemu prądu stałego;

f - Częstotliwość robocza transformatora (kHz);

Ae - Efektywna-powierzchnia przekroju poprzecznego rdzenia magnetycznego (cm²);

Bmax - Maksymalne dopuszczalne wahania gęstości strumienia magnetycznego (G).

Wady wewnętrzne

Wielkogabarytowe urządzenia półprzewodnikowe charakteryzują się dużą złożonością sprzętu i wyższymi kosztami w porównaniu z konwencjonalnymi transformatorami. Przełączanie wysokiej częstotliwości powoduje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), co nakłada rygorystyczne wymagania na układ PCB, konstrukcję elementów magnetycznych i zarządzanie ciepłem. Dlatego SST nie zastąpi w pełni transformatorów częstotliwości sieciowej i jest stosowana głównie w scenariuszach nowych systemów elektroenergetycznych wymagających niewielkich rozmiarów, dwukierunkowego przepływu mocy, interfejsów prądu stałego i aktywnej kontroli jakości energii.