اصل کار زیر ماژول ترانسفورماتور مدولار حالت جامد

یک ترانسفورماتور حالت جامد (SST)، که به عنوان ترانسفورماتور الکترونیکی قدرت نیز شناخته می شود، با ترانسفورماتورهای فرکانس خط معمولی که بر روی میدان های مغناطیسی 50 هرتز کار می کنند، متفاوت است. این یک دستگاه تبدیل توان قابل کنترل است که از مبدل های الکترونیکی قدرت و ترانسفورماتورهای فرکانس بالا تشکیل شده است. ترانسفورماتورهای فرکانس خط معمولی فقط به صورت غیرفعال ولتاژ را بر اساس نسبت چرخش تغییر می دهند. علاوه بر جداسازی گالوانیکی و تبدیل ولتاژ، SSTها قابلیت‌های کنترل‌شده دیجیتالی از جمله جریان برق دوطرفه، تنظیم ولتاژ، سرکوب هارمونیک و جبران توان راکتیو را ارائه می‌کنند که به عنوان روترهای برق در شبکه‌های هوشمند عمل می‌کنند.

راه اندازی برد

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

زیر ماژول معماری کلی

هر زیر ماژول از دو بخش سخت افزاری اصلی تشکیل شده است: یک واحد تبدیل ولتاژ بالا AC-DC و یک واحد DC-DC ایزوله با فرکانس بالا DAB. برای کاربردهای شبکه ولتاژ متوسط ​​مانند سیستم‌های 10 کیلو ولت، چندین زیر ماژول به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند.پایانه های AC-sideبرای به اشتراک گذاشتن ولتاژ کل شبکه هر زیر ماژول دارای یک پیوند DC میانی مستقل است که به صورت گالوانیکی از سایر ماژول ها جدا شده و بدون انباشته شدن ولتاژ DC است. همه خروجی های DC ولتاژ پایین مبدل های DAB به صورت موازی به هم متصل می شوند تا یک گذرگاه DC ولتاژ پایین یکپارچه را تشکیل دهند.

بلوک دیاگرام

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

مرحله 1: تبدیل دو طرفه H-Bridge AC-DC

پل H تک فاز سمت ورودی شامل چهار کلید برق SiC، سلف های تقویت کننده و خازن های DC-link است که یک توپولوژی دو طرفه Boost-PFC را اجرا می کند که در فرکانس سوئیچینگ در سطح کیلوهرتز کار می کند. هم از تصحیح و هم از وارونگی شبکه ای معکوس پشتیبانی می کند.

در حالت یکسوسازی، ماژول فرعی ولتاژ متناوب فرکانس شبکه تقسیم شده را دریافت می کند. سوئیچینگ پرسرعت PWM سوئیچ های پل H با سلف های تقویت کننده برای ذخیره و آزادسازی انرژی میدان مغناطیسی همکاری می کند و AC فرکانس شبکه را به ولتاژ DC-link میانی تثبیت شده تبدیل می کند. این مرحله همچنین تصحیح ضریب توان را انجام می دهد و جریان سینوسی سمت شبکه و سرکوب هارمونیک را تضمین می کند. باید توجه داشت که ولتاژ DC-link باید از مقدار پیک ولتاژ AC ورودی تجاوز کند تا شرایط عملیات تقویتی را برآورده کند.

در حین کار با برق معکوس، پل H به عنوان یک اینورتر کار می کند. انرژی ذخیره شده در پیوند DC میانی را به AC فرکانس شبکه که به شبکه برق تزریق می شود تبدیل می کند. خروجی توان راکتیو برای تنظیم کیفیت توان شبکه نیز قابل دستیابی است.

تبدیل AC-DC

مرحله 2: تبدیل DC-DC با فرکانس بالا با پل دوگانه فعال DAB

به عنوان هسته جداسازی ماژول فرعی، DAB شامل یک پل کامل سمت اولیه، یک ترانسفورماتور با فرکانس بالا و یک پل کامل سمت ثانویه است. این دستگاه در صدها کیلوهرتز با قابلیت توان دو جهته اصلی کار می کند.

وارونگی پل کامل سمت اولیه: سوئیچ های SiC با گرفتن انرژی از پیوند DC میانی پل H قبلی، ولتاژ DC را به امواج مربع AC با فرکانس بالا تقسیم می کنند که دامنه آن برابر ولتاژ DC-link است و سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور فرکانس بالا را تغذیه می کند. ترانسفورماتورها نمی توانند جریان DC را هدایت کنند. تنها ولتاژ موج مربعی متناوب، میدان های مغناطیسی متناوب را در داخل هسته برای انتقال انرژی ایجاد می کند. عملکرد فرکانس بالا هسته‌های ترانسفورماتور کوچک‌تر را قادر می‌سازد و امکان سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) را برای کاهش تلفات سوئیچینگ فراهم می‌کند.

ترانسفورماتور فرکانس بالا برای تبدیل ولتاژ و جداسازی گالوانیکی: ترانسفورماتور که توسط امواج مربعی با فرکانس بالا تغذیه می شود، دامنه ولتاژ را با توجه به نسبت چرخش سیم پیچ خود تغییر می دهد و ایزوله گالوانیکی کامل بین حوزه های ثانویه اولیه ولتاژ بالا و ولتاژ پایین ایجاد می کند.نسبت تبدیل ولتاژ با نسبت چرخش ترانسفورماتور به جای کنترل تغییر فاز تعیین می شود.. اندوکتانس نشتی ذاتی ترانسفورماتور به عنوان سلف سری انتقال توان برای DAB استفاده می شود.

یکسوسازی فعال پل کامل سمت ثانویه: پل کامل سمت ثانویه ولتاژ موج مربعی فرکانس بالا را پردازش می کند که توسط ترانسفورماتور تحویل داده می شود. برخلاف تصحیح دیود غیرفعال، پل کامل فعال دقیقاً زمان‌بندی سوئیچینگ SiC را کنترل می‌کند. چه موج مربعی در نیم سیکل مثبت یا منفی باشد، انرژی متناوب AC به جریان شارژ برای خازن های خروجی تبدیل می شود. خازن های خروجی موج های فرکانس بالا را فیلتر می کنند و خروجی DC ولتاژ پایین صاف تولید می کنند.

برای جریان برق معکوس، پل کامل سمت ثانویه به عنوان یک اینورتر عمل می کند و DC ولتاژ پایین را به امواج مربعی با فرکانس بالا که به ترانسفورماتور ثانویه ارسال می شود، برمی گرداند. انرژی توسط ترانسفورماتور افزایش می یابد، سپس توسط پل کامل سمت اولیه به ولتاژ DC میانی بازسازی می شود.

DAB کنترل تک فازی (SPS) را به کار می گیرد. پل های کامل سمت اولیه و ثانویه هر دو شکل موج مربعی با نسبت وظیفه 50 درصد تولید می کنند. کنترل کننده اختلاف زاویه فاز بین دو مجموعه شکل موج را تنظیم می کند. مقدار تغییر فاز، مقدار توان ارسالی را کنترل می‌کند و قطبیت تغییر فاز، جهت جریان توان را تعیین می‌کند.تغییر فاز فقط توان را تنظیم می‌کند، نمی‌تواند به تنظیم ولتاژ خروجی در حالت پایدار با برد وسیع دست یابد.. وادار کردن ولتاژ خروجی به دور از نقطه کار اسمی منطبق با نسبت دور، شرایط ZVS را از دست می دهد، جریان در گردش سنگین ایجاد می کند و باعث گرمای بیش از حد دستگاه می شود. برای تغییر ولتاژ نامی خروجی، نسبت چرخش ترانسفورماتور فرکانس بالا باید دوباره طراحی شود.

دب

مقیاس بندی سیستم و محدودیت های مهندسی

در کاربردهای پرقدرت ولتاژ متوسط، مقیاس ولتاژ و توان توسط چندین زیر ماژول با ورودی‌های AC متصل به سری و خروجی‌های DC متصل موازی انجام می‌شود. ولتاژ معمولی باس ولتاژ پایین زیر ماژول های موازی با نسبت چرخش ترانسفورماتور DAB قفل می شود. هنگامی که ولتاژ خروجی هدف از ولتاژ خروجی DAB ذاتی منحرف می شود، دو راه حل عملی وجود دارد:

سخت‌افزار اصلی را حفظ کنید و یک مبدل DC-DC غیر ایزوله اضافی برای کاهش پس از تنظیم اضافه کنید.

ترانسفورماتور فرکانس بالا را دوباره طراحی کنید، تنش مولفه را دوباره تأیید کنید و الگوریتم‌های کنترل را برای اصلاح عمیق DAB تنظیم کنید.

چرا SST به اندازه فشرده دست می یابد؟

ترانسفورماتورهای توزیع معمولی در فرکانس خط 50 هرتز کار می کنند و برای ارائه توان نامی به سطح مقطع هسته مغناطیسی بزرگی نیاز دارند. طبق اصول الکترومغناطیسی:برای یک رتبه قدرت معین، فرکانس عملیاتی بالاتر حجم و وزن هسته مورد نیاز را کاهش می دهد.

به جای هدایت مستقیم ترانسفورماتور ایزوله با ولتاژ اصلی 50 هرتز، الکترونیک برق SST توان فرکانس شبکه را به ولتاژ موج مربعی با فرکانس بالا صدها کیلوهرتز تبدیل می کند که ترانسفورماتور ایزوله فرکانس بالا را تغذیه می کند. در مقایسه با فرکانس خط، فرکانس کاری هزاران بار افزایش می‌یابد، بنابراین حجم و وزن اجزای مغناطیسی فرکانس بالا را می‌توان بیش از ده برابر کاهش داد.

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

k - نسبت حداکثر روشن-زمان به دوره تعویض، معمولاً k=0.4;

U - ولتاژ ورودی سیم پیچ اولیه (V)، تقریباً برابر با ولتاژ ورودی DC.

f - فرکانس کاری ترانسفورماتور (کیلوهرتز);

Ae - سطح مقطع مؤثر- هسته مغناطیسی (cm²);

Bmax - حداکثر نوسان مجاز چگالی شار مغناطیسی (G).

معایب ذاتی

دستگاه های نیمه هادی با مقادیر زیاد پیچیدگی سخت افزاری و هزینه بالاتر را در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی به همراه دارند. سوئیچینگ فرکانس بالا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می کند، که الزامات سختگیرانه ای را در طرح PCB، طراحی اجزای مغناطیسی و مدیریت حرارتی اعمال می کند. بنابراین SST به طور کامل جایگزین ترانسفورماتورهای فرکانس خط نخواهد شد و عمدتاً در سناریوهای سیستم قدرت جدید که نیاز به ردپای فشرده، جریان برق دو طرفه، رابط های DC و کنترل کیفیت توان فعال دارند، استفاده می شود.