Αρχή εργασίας της υπομονάδας δομοστοιχειωτών μετασχηματιστών στερεάς κατάστασης

Ένας μετασχηματιστής στερεάς κατάστασης (SST), γνωστός και ως ηλεκτρονικός μετασχηματιστής ισχύος, διαφέρει από τους συμβατικούς μετασχηματιστές συχνότητας γραμμής που λειτουργούν σε μαγνητικά πεδία 50 Hz. Είναι μια ελεγχόμενη συσκευή μετατροπής ισχύος που αποτελείται από ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας. Οι συμβατικοί μετασχηματιστές γραμμής-συχνότητας μετατρέπουν μόνο παθητικά την τάση σύμφωνα με τον λόγο στροφών. Εκτός από τη γαλβανική απομόνωση και τη μετατροπή τάσης, τα SST παρέχουν ψηφιακά ελεγχόμενες δυνατότητες, όπως αμφίδρομη ροή ισχύος, ρύθμιση τάσης, καταστολή αρμονικών και αντιστάθμιση άεργου ισχύος, που χρησιμεύουν ως δρομολογητές ισχύος σε έξυπνα δίκτυα.

Ρύθμιση πίνακα

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

Υποενότητα Γενική Αρχιτεκτονική

Κάθε υπομονάδα αποτελείται από δύο κύρια τμήματα υλικού: μια μονάδα μετατροπής υψηλής τάσης AC-DC και μια μονάδα DC-DC με απομόνωση υψηλής συχνότητας DAB. Για εφαρμογές δικτύου μέσης τάσης όπως συστήματα 10 kV, πολλαπλές υπομονάδες συνδέονται σε σειρά στοΑκροδέκτες από την πλευρά ACγια κοινή χρήση της συνολικής τάσης του δικτύου. Κάθε υπομονάδα διαθέτει μια ανεξάρτητη ενδιάμεση σύνδεση DC, η οποία είναι γαλβανικά απομονωμένη από άλλες χωρίς στοίβαξη τάσης DC. Όλες οι έξοδοι DC χαμηλής τάσης των μετατροπέων DAB συνδέονται παράλληλα για να σχηματίσουν έναν ενοποιημένο δίαυλο DC χαμηλής τάσης.

Μπλοκ διάγραμμα

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

Στάδιο 1: Αμφίδρομη μετατροπή γέφυρας H AC-DC

Η μονοφασική γέφυρα H από την πλευρά εισόδου αποτελείται από τέσσερις διακόπτες ισχύος SiC, επαγωγείς ενίσχυσης και πυκνωτές DC-link, που εφαρμόζουν μια αμφίδρομη τοπολογία Boost-PFC που λειτουργεί σε συχνότητα μεταγωγής σε επίπεδο kilohertz. Υποστηρίζει τόσο διόρθωση όσο και αντίστροφη αναστροφή συνδεδεμένου με το δίκτυο.

Στη λειτουργία διόρθωσης, η υπομονάδα λαμβάνει διαιρεμένη τάση AC με συχνότητα δικτύου. Η μεταγωγή PWM υψηλής ταχύτητας των διακοπτών γέφυρας H συνεργάζεται με επαγωγείς ώθησης για την αποθήκευση και την απελευθέρωση ενέργειας μαγνητικού πεδίου, μετατρέποντας το AC συχνότητας δικτύου σε σταθεροποιημένη ενδιάμεση τάση DC-link. Αυτό το στάδιο πραγματοποιεί επίσης διόρθωση συντελεστή ισχύος, εξασφαλίζοντας ημιτονοειδές ρεύμα από την πλευρά του δικτύου και αρμονική καταστολή. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η τάση DC-link πρέπει να υπερβαίνει την τιμή κορυφής της τάσης AC εισόδου για να ικανοποιεί τις συνθήκες λειτουργίας ώθησης.

Κατά τη λειτουργία αντίστροφης ισχύος, η γέφυρα H λειτουργεί ως μετατροπέας. Μετατρέπει την ενέργεια που αποθηκεύεται στον ενδιάμεσο σύνδεσμο DC σε εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας δικτύου που εγχέεται στο δίκτυο κοινής ωφέλειας. Η άεργη ισχύς εξόδου είναι επίσης εφικτή για τη ρύθμιση της ποιότητας ισχύος του δικτύου.

Μετατροπή AC-DC

Στάδιο 2: DAB Dual-Active-Bridge DC-DC μετατροπή απομονωμένης υψηλής συχνότητας

Ως πυρήνας απομόνωσης της υπομονάδας, το DAB περιλαμβάνει μια πλήρη γέφυρα κύριας πλευράς, έναν μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας και μια πλήρη γέφυρα δευτερεύουσας πλευράς. Λειτουργεί σε εκατοντάδες kilohertz με εγγενή δυνατότητα αμφίδρομης ισχύος.

Αναστροφή πλήρους γέφυρας κύριας πλευράς: Αντλώντας ενέργεια από την προηγούμενη ενδιάμεση ζεύξη συνεχούς ρεύματος H-γέφυρας, οι διακόπτες SiC κόβουν την τάση συνεχούς ρεύματος σε τετράγωνα κύματα AC υψηλής συχνότητας των οποίων το πλάτος ισούται με την τάση DC-link, τροφοδοτώντας την κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας. Οι μετασχηματιστές δεν μπορούν να μεταδώσουν ρεύμα συνεχούς ρεύματος. Μόνο η εναλλασσόμενη τάση τετραγωνικού κύματος δημιουργεί εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία μέσα στον πυρήνα για μεταφορά ενέργειας. Η λειτουργία υψηλής συχνότητας επιτρέπει μικρότερους πυρήνες μετασχηματιστή και επιτρέπει τη μεταγωγή μηδενικής τάσης (ZVS) για τη μείωση των απωλειών μεταγωγής.

Μετασχηματιστής υψηλής συχνότητας για μετασχηματισμό τάσης και γαλβανική απομόνωση: Τροφοδοτείται από τετραγωνικά κύματα υψηλής συχνότητας, ο μετασχηματιστής αλλάζει το πλάτος τάσης σύμφωνα με τον λόγο στροφών περιελίξεως και παρέχει πλήρη γαλβανική απομόνωση μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τομέα χαμηλής τάσης.Ο λόγος μετατροπής τάσης καθορίζεται από τον λόγο στροφών του μετασχηματιστή και όχι από τον έλεγχο μετατόπισης φάσης. Η εγγενής αυτεπαγωγή διαρροής του μετασχηματιστή χρησιμοποιείται ως επαγωγέας μεταφοράς ισχύος σειράς για το DAB.

Ενεργή ανόρθωση πλήρους γέφυρας δευτερεύουσας πλευράς: Η πλήρης γέφυρα δευτερεύουσας πλευράς επεξεργάζεται την τάση τετραγωνικού κύματος υψηλής συχνότητας που παρέχεται από τον μετασχηματιστή. Σε αντίθεση με την παθητική διόρθωση διόδου, η ενεργή πλήρης γέφυρα ελέγχει με ακρίβεια τους χρονισμούς μεταγωγής SiC. Είτε το τετραγωνικό κύμα βρίσκεται σε θετικό είτε σε αρνητικό μισό κύκλο, η εναλλασσόμενη ενέργεια AC μετατρέπεται σε ρεύμα φόρτισης για τους πυκνωτές εξόδου. Οι πυκνωτές εξόδου φιλτράρουν τους κυματισμούς υψηλής συχνότητας και παράγουν ομαλή έξοδο DC χαμηλής τάσης.

Για ροή αντίστροφης ισχύος, η πλήρης γέφυρα δευτερεύουσας πλευράς λειτουργεί ως μετατροπέας, τεμαχίζοντας το DC χαμηλής τάσης σε τετραγωνικά κύματα υψηλής συχνότητας που αποστέλλονται στον δευτερεύοντα μετασχηματιστή. Η ενέργεια ενισχύεται από τον μετασχηματιστή και στη συνέχεια ανακατασκευάζεται σε ενδιάμεση τάση συνεχούς ρεύματος από την πλήρη γέφυρα της κύριας πλευράς.

Το DAB υιοθετεί έλεγχο μονοφασικής μετατόπισης (SPS). Τόσο οι πλήρεις γέφυρες της κύριας όσο και της δευτερεύουσας πλευράς παράγουν κυματομορφές τετραγωνικού κύματος αναλογίας 50 %. Ο ελεγκτής προσαρμόζει τη διαφορά φάσης-γωνίας μεταξύ των δύο σετ κυματομορφών. Το μέγεθος μετατόπισης φάσης ελέγχει το μέγεθος μεταδιδόμενης ισχύος και η πολικότητα μετατόπισης φάσης καθορίζει την κατεύθυνση ροής ισχύος.Η αλλαγή φάσης ρυθμίζει μόνο την ισχύ, δεν μπορεί να επιτύχει μεγάλης εμβέλειας ρύθμιση της τάσης εξόδου σε σταθερή κατάσταση. Η εξαναγκασμός της τάσης εξόδου μακριά από το ονομαστικό σημείο λειτουργίας που αντιστοιχεί στην αναλογία στροφών θα χάσει τις συνθήκες ZVS, θα εισαγάγει έντονο ρεύμα κυκλοφορίας και θα προκαλέσει σοβαρή υπερθέρμανση της συσκευής. Για να αλλάξετε την ονομαστική τάση εξόδου, πρέπει να επανασχεδιαστεί ο λόγος στροφών του μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας.

ΕΠΑΛΕΙΨΗ

Κλιμάκωση Συστήματος και Περιορισμοί Μηχανικής

Σε εφαρμογές υψηλής ισχύος μέσης τάσης, η κλιμάκωση τάσης και ισχύος πραγματοποιείται από πολλαπλές υπομονάδες με εισόδους AC συνδεδεμένες σε σειρά και εξόδους DC με παράλληλη σύνδεση. Η κοινή τάση διαύλου χαμηλής τάσης των παράλληλων υπομονάδων κλειδώνεται από το λόγο στροφών του μετασχηματιστή DAB. Όταν η τάση εξόδου στόχος αποκλίνει από την εγγενή τάση εξόδου DAB, υπάρχουν δύο πρακτικές λύσεις:

Διατηρήστε το αρχικό υλικό και προσθέστε έναν επιπλέον μη απομονωμένο μετατροπέα DC-DC για υποβάθμιση μετά τη ρύθμιση.

Επανασχεδιάστε τον μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, επαληθεύστε ξανά την τάση των εξαρτημάτων και επαναρυθμίστε τους αλγόριθμους ελέγχου για βαθιά τροποποίηση DAB.

Γιατί το SST επιτυγχάνει συμπαγές μέγεθος

Οι συμβατικοί μετασχηματιστές διανομής λειτουργούν σε συχνότητα γραμμής 50 Hz και απαιτούν μεγάλη περιοχή διατομής μαγνητικού πυρήνα για την παροχή ονομαστικής ισχύος. Σύμφωνα με τις ηλεκτρομαγνητικές αρχές:Για μια δεδομένη ονομαστική ισχύ, η υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας μειώνει τον απαιτούμενο όγκο και βάρος πυρήνα.

Αντί να οδηγεί τον μετασχηματιστή απομόνωσης απευθείας με τάση δικτύου 50 Hz, τα ηλεκτρονικά ισχύος SST μετατρέπουν την ισχύ συχνότητας δικτύου σε τάση τετραγωνικών κυμάτων υψηλής συχνότητας εκατοντάδων kHz που τροφοδοτούν τον μετασχηματιστή απομόνωσης υψηλής συχνότητας. Σε σύγκριση με τη συχνότητα γραμμής, η συχνότητα λειτουργίας αυξάνεται κατά χιλιάδες φορές, επομένως ο όγκος και το βάρος των μαγνητικών στοιχείων υψηλής συχνότητας μπορούν να μειωθούν κατά περισσότερο από δέκα φορές.

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

k - Λόγος μέγιστου χρόνου ενεργοποίησης- προς την περίοδο μεταγωγής, συνήθως k=0.4.

U - Τάση εισόδου κύριας περιέλιξης (V), περίπου ίση με την τάση εισόδου DC.

f - Συχνότητα λειτουργίας μετασχηματιστή (kHz);

Ae - Πραγματική περιοχή διατομής-του μαγνητικού πυρήνα (cm²);

Bmax - Μέγιστη επιτρεπόμενη αιώρηση της πυκνότητας μαγνητικής ροής (G).

Εγγενή μειονεκτήματα

Οι συσκευές ημιαγωγών μεγάλης ποσότητας προσφέρουν υψηλή πολυπλοκότητα υλικού και υψηλότερο κόστος σε σύγκριση με τους συμβατικούς μετασχηματιστές. Η μεταγωγή υψηλής συχνότητας παράγει ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI), επιβάλλοντας αυστηρές απαιτήσεις για τη διάταξη PCB, το σχεδιασμό μαγνητικού εξαρτήματος και τη θερμική διαχείριση. Επομένως, το SST δεν θα αντικαταστήσει πλήρως τους μετασχηματιστές συχνότητας γραμμής και εφαρμόζεται κυρίως σε σενάρια νέων συστημάτων ισχύος που απαιτούν συμπαγές αποτύπωμα, αμφίδρομη ροή ισχύος, διεπαφές DC και έλεγχο ποιότητας ενεργού ισχύος.