Solid-state muuntaja (SST), joka tunnetaan myös nimellä tehoelektroniikkamuuntaja, eroaa tavanomaisista 50 Hz:n magneettikentillä toimivista linjataajuusmuuntajista. Se on ohjattava tehonmuunnoslaite, joka koostuu tehoelektroniikkamuuntimista ja suurtaajuusmuuntajista. Perinteiset linjataajuusmuuntajat muuntavat jännitettä vain passiivisesti kierrossuhteen mukaan. Galvaanisen eristyksen ja jännitteen muuntamisen lisäksi SST:t tarjoavat digitaalisesti ohjattuja ominaisuuksia, kuten kaksisuuntaisen tehovirran, jännitteen säädön, harmonisen vaimennuksen ja loistehon kompensoinnin, ja ne toimivat tehoreitittiminä älykkäissä sähköverkoissa.
Hallituksen asetukset
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Alamoduuli Kokonaisarkkitehtuuri
Jokainen alimoduuli koostuu kahdesta suuresta laitteisto-osasta: AC-DC-suurjännitemuunnosyksiköstä ja DAB-korkeataajuisesta eristetystä DC-DC-yksiköstä. Keskijänniteverkkosovelluksissa, kuten 10 kV järjestelmissä, useita osamoduuleja on kytketty sarjaanAC-puolen liittimetjakaa verkon kokonaisjännite. Jokaisella osamoduulilla on itsenäinen DC-välipiiri, joka on galvaanisesti eristetty muista ilman tasajännitepinoamista. Kaikki DAB-muuntimien pienjännitteiset DC-lähdöt on kytketty rinnakkain yhtenäisen pienjännitteisen tasavirtaväylän muodostamiseksi.
|
Tärkeä ominaisuus: Riippumatta siitä, kuinka monta osamoduulia on kytketty sarjaan,kunkin yksittäisen alimoduulin DC-välipiirin jännite pysyy nimellisarvossaan. Sarjaan kytketyt vaihtovirtaliittimet jakavat vain verkon taajuuden vaihtovirtajännitteen. Jokainen osamoduuli toteuttaa itsenäisen suljetun silmukan jännitteen säädön, joten sen sisäinen DC-linkki ei nouse verkon kokonaisjännitteen mukana. Kuituoptista tiedonsiirtoa käytetään ohjaussignaaleihin korkea- ja matalapotentiaalisten alueiden välillä, jotta vältetään kelluvien suurjännitepotentiaalien aiheuttamat häiriö- ja rikkoutumisriskit. |
Lohkokaavio
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
Vaihe 1: Kaksisuuntainen H-silta AC-DC -muunnos
Tulopuolen yksivaiheinen H-silta koostuu neljästä SiC-virtakytkimestä, tehostuskeloista ja tasavirtapiirikondensaattoreista, jotka toteuttavat kaksisuuntaisen Boost-PFC-topologian, joka toimii kilohertsitason kytkentätaajuudella. Se tukee sekä oikaisua että käänteistä verkkoon sidottua inversiota.
Tasasuuntaustilassa alimoduuli vastaanottaa jaetun verkkotaajuuden vaihtovirtajännitteen. H-siltakytkimien nopea PWM-kytkentä toimii yhdessä tehostuskelojen kanssa magneettikentän energian varastoimiseksi ja vapauttamiseksi ja muuntaa verkon taajuuden AC stabiloiduksi välipiirin jännitteeksi. Tämä vaihe toteuttaa myös tehokertoimen korjauksen, joka varmistaa sinimuotoisen verkon puolen virran ja harmonisen vaimennuksen. On huomattava, että DC-välipiirin jännitteen on ylitettävä tulon vaihtovirtajännitteen huippuarvo, jotta se täyttää tehostuksen käyttöolosuhteet.
Käänteisen tehokäytön aikana H-silta toimii invertterina. Se muuntaa DC-välipiiriin varastoidun energian takaisin verkkotaajuiseksi vaihtovirraksi, joka syötetään sähköverkkoon. Loisteholähtö on saavutettavissa myös verkon virranlaadun säätelyyn.
AC-DC-muunnos
|
DC/AC-muuntimen keskeiset järjestelmätiedot |
||
|
Parametrit |
Erittely |
Yksityiskohdat |
|
Nimellinen vaihtovirta |
±50kVA |
± Aktiivinen ± Reaktiivinen |
|
Nimellinen AC jännite |
1000 VRMS |
|
|
Nimellinen vaihtovirta |
50 kättä |
|
|
Nimellinen tasajännite |
2200VDC |
|
|
DC-linkin jännitteen aaltoilu |
±200V |
2200V jännitteellä |
|
Vaihtotaajuus |
5kHz - 10kHz |
H-Yksinapainen silta |
|
Jäähdytystekniikka |
Ilmavoimien jäähdytys |
12V tuulettimet |
|
Max ympäristön lämpötila |
60 astetta |
|
|
Teho-FET:ien tekniset tiedot |
3,3kV, 22,5mΩ |
SiC FETit |
Vaihe 2: DAB Dual-Active Bridge High Frequency Isolated DC-DC -muunnos
Alamoduulin eristysytimenä DAB koostuu ensiöpuolen täyssillasta, suurtaajuusmuuntajasta ja toisiopuolen täyssillasta. Se toimii satojen kilohertsien taajuudella alkuperäisellä kaksisuuntaisella teholla.
Ensisijaisen puolen täyden sillan käännös: SiC, joka ottaa energiaa edellisestä H-sillan välitasavälistä, katkaisee tasajännitteen suurtaajuisiksi AC-neliöaalloiksi, joiden amplitudi on yhtä suuri kuin DC-välipiirin jännite, syöttäen korkeataajuisen muuntajan ensiökäämiä. Muuntajat eivät voi johtaa tasavirtaa; vain vaihtuva neliöaaltojännite muodostaa vuorottelevia magneettikenttiä sydämen sisällä energian siirtoa varten. Korkeataajuinen toiminta mahdollistaa pienemmät muuntajasydämet ja nollajännitekytkennän (ZVS) kytkentähäviöiden vähentämiseksi.
Korkeataajuinen muuntaja jännitteen muuntamiseen ja galvaaniseen eristykseen: Korkeataajuisten neliöaaltojen syöttämä muuntaja muuttaa jännitteen amplitudia käämityksen kierrossuhteen mukaan ja tarjoaa täydellisen galvaanisen eristyksen korkeajännitteisten ensiö- ja pienjännitteisten toisioalueiden välillä.Jännitteen muuntosuhde määräytyy muuntajan kierrossuhteen eikä vaihesiirtosäädön perusteella. Muuntajan sisäistä vuodon induktanssia käytetään DAB:n sarjatehonsiirtokelana.
Toissijaisen puolen täyden sillan aktiivinen tasasuuntaus: Toisiopuolen täysi silta käsittelee muuntajan toimittamaa suurtaajuista neliöaaltojännitettä. Toisin kuin passiivinen dioditasasuuntaus, aktiivinen täyssilta ohjaa tarkasti piikarbidin kytkentäajoitukset. Olipa neliöaalto positiivisessa tai negatiivisessa puolijaksossa, vaihtovirtaenergia muunnetaan lähtökondensaattorien latausvirraksi. Lähtökondensaattorit suodattavat korkeataajuisia värähtelyjä ja tuottavat tasaisen matalajännitteisen tasavirtalähdön.
Käänteisessä tehovirtauksessa toisiopuolen täyssilta toimii invertterina ja pilkkoo matalajännitteisen tasavirran takaisin korkeataajuisiksi neliöaaltoiksi, jotka lähetetään muuntajan toisioon. Energiaa tehostetaan muuntajalla, minkä jälkeen se rekonstruoidaan välitasajännitteeksi ensiöpuolen täyssillalla.
DAB käyttää SPS-ohjausta (Single-phase Shift). Sekä ensisijaisen että toissijaisen puolen täyssillat tuottavat 50 %:n käyttösuhteen neliöaaltoaaltomuotoja. Säädin säätää vaihekulma-eron kahden aaltomuodon välillä. Vaiheensiirron suuruus ohjaa lähetetyn tehon suuruutta, ja vaihesiirron napaisuus määrittää tehon virtauksen suunnan.Vaiheensiirto säätelee vain tehoa, sillä se ei voi saavuttaa laajaa vakaan tilan lähtöjännitteen säätöä. Lähtöjännitteen pakottaminen kauas kierrossuhteen mukaisesta nimelliskäyttöpisteestä menettää ZVS-olosuhteet, aiheuttaa voimakasta kiertovirtaa ja aiheuttaa laitteen vakavan ylikuumenemisen. Nimellislähtöjännitteen muuttamiseksi suurtaajuisen muuntajan kierrossuhde on suunniteltava uudelleen.
HIETAKAMPELA
|
DC/DC-muuntimen keskeiset järjestelmätiedot |
||
|
Parametrit |
Erittely |
Yksityiskohdat |
|
Nimellinen tasavirta |
±50 kW |
Kaksisuuntainen tehovirta |
|
MV nimellinen tasajännite |
2,2kV |
|
|
MV nimellinen tasavirta |
23A |
|
|
LV Nimellistasajännite |
1,5kV |
|
|
LV Nimellinen tasavirta |
33.3A |
|
|
Vaihtotaajuus |
100kHz |
|
|
Max ympäristön lämpötila |
60 astetta |
|
|
Teho-FET:ien tekniset tiedot MV:llä |
3,3kV, 22,5mΩ |
SiC FETit |
|
Teho-FET:ien tekniset tiedot LV:ssä |
2,3kV, 11,5mΩ |
SiC FETit |
Järjestelmän skaalaus ja tekniset rajoitukset
Keskijännitteisissä suurtehosovelluksissa jännitteen ja tehon skaalaus toteutetaan useilla alamoduuleilla, joissa on sarjaan kytketyt AC-tulot ja rinnakkain kytketyt DC-lähdöt. Rinnakkaisten alimoduulien yhteinen pienjänniteväylän jännite on lukittu DAB-muuntajan kierrossuhteella. Kun tavoitelähtöjännite poikkeaa sisäisestä DAB-lähtöjännitteestä, on olemassa kaksi käytännön ratkaisua:
Säilytä alkuperäinen laitteisto ja lisää ylimääräinen eristämätön DC-DC-muunnin jälkisäädön vähentämistä varten;
Suunnittele suurtaajuusmuuntaja uudelleen, tarkista komponenttien jännitys ja viritä uudelleen ohjausalgoritmit syvälle DAB-muokkaukselle.
|
Eteenpäin suunnatun tehonmuuntoketjun yhteenveto: |
Miksi SST saavuttaa kompaktin koon
Perinteiset jakelumuuntajat toimivat 50 Hz:n linjataajuudella ja vaativat suuren magneettisydämen poikkipinta-alan nimellistehon tuottamiseksi. Sähkömagneettisten periaatteiden mukaan:annetulla teholla korkeampi toimintataajuus vähentää vaadittua sydämen tilavuutta ja painoa.
Sen sijaan, että SST-tehoelektroniikka ohjaisi eristysmuuntajaa suoraan 50 Hz:n verkkojännitteellä, se muuntaa verkkotaajuisen tehon satojen kHz:n suurtaajuiseksi neliöaaltojännitteeksi, joka syöttää korkeataajuista eristysmuuntajaa. Linjataajuuteen verrattuna toimintataajuus kasvaa tuhansia kertoja, joten korkeataajuisten magneettisten komponenttien tilavuutta ja painoa voidaan vähentää yli kymmenen kertaa.
N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax)
k - Maksimi päälläoloajan-suhde kytkentäjaksoon, tyypillisesti k=0.4;
U - Ensiökäämin syöttöjännite (V), suunnilleen yhtä suuri kuin DC-tulojännite;
f - Muuntajan toimintataajuus (kHz);
Ae - Magneettisydämen tehollinen poikki-pinta-ala (cm²);
Bmax - Magneettivuon tiheyden (G) suurin sallittu heilahdus.
Luontaiset haitat
Suuret puolijohdelaitteet tuovat laitteiston monimutkaisuuden ja korkeammat kustannukset perinteisiin muuntajiin verrattuna. Korkeataajuinen kytkentä tuottaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), mikä asettaa tiukat vaatimukset piirilevyjen asettelulle, magneettikomponenttien suunnittelulle ja lämmönhallinnalle. Siksi SST ei korvaa täysin linjataajuusmuuntajia, ja sitä käytetään pääasiassa uusien tehojärjestelmien skenaarioissa, joissa vaaditaan kompaktia jalanjälkeä, kaksisuuntaista tehovirtaa, tasavirtaliitäntöjä ja aktiivista virranlaadun valvontaa.
