Principio de funcionamiento del submódulo transformador modular de estado sólido

Un transformador de estado sólido (SST), también conocido como transformador electrónico de potencia, se diferencia de los transformadores de frecuencia de línea convencionales que funcionan con campos magnéticos de 50 Hz. Es un dispositivo de conversión de energía controlable compuesto por convertidores electrónicos de potencia y transformadores de alta frecuencia. Los transformadores de frecuencia de línea convencionales sólo transforman pasivamente el voltaje según la relación de espiras. Además del aislamiento galvánico y la conversión de voltaje, las SST brindan capacidades controladas digitalmente que incluyen flujo de energía bidireccional, regulación de voltaje, supresión de armónicos y compensación de energía reactiva, y sirven como enrutadores de energía en redes inteligentes.

Configuración del tablero

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Arquitectura general del submódulo

Cada submódulo consta de dos secciones de hardware principales: una unidad de conversión de alto voltaje CA-CC y una unidad CC-CC aislada de alta frecuencia DAB. Para aplicaciones de red de media tensión, como sistemas de 10 kV, se conectan varios submódulos en serie en susTerminales del lado de CApara compartir la tensión total de la red. Cada submódulo posee un enlace de CC intermedio independiente, que está aislado galvánicamente de los demás sin apilamiento de tensión de CC. Todas las salidas de CC de bajo voltaje de los convertidores DAB están conectadas en paralelo para formar un bus de CC de bajo voltaje unificado.

Diagrama de bloques

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Etapa 1: Conversión CA-CC de puente H bidireccional

El puente H monofásico del lado de entrada consta de cuatro interruptores de alimentación de SiC, inductores de refuerzo y condensadores de enlace de CC, que implementan una topología Boost-PFC bidireccional que funciona a una frecuencia de conmutación de nivel de kilohercios. Admite tanto la rectificación como la inversión inversa conectada a la red.

En el modo de rectificación, el submódulo recibe voltaje CA de frecuencia de red dividida. La conmutación PWM de alta velocidad de los interruptores de puente H coopera con inductores de refuerzo para almacenar y liberar energía del campo magnético, convirtiendo la CA de frecuencia de red en voltaje de enlace de CC intermedio estabilizado. Esta etapa también realiza la corrección del factor de potencia, asegurando la corriente sinusoidal del lado de la red y la supresión de armónicos. Cabe señalar que el voltaje del enlace de CC debe exceder el valor máximo del voltaje de CA de entrada para satisfacer las condiciones de operación de refuerzo.

Durante el funcionamiento con potencia inversa, el puente H funciona como un inversor. Convierte la energía almacenada en el enlace de CC intermedio en CA de frecuencia de red inyectada en la red pública. La producción de potencia reactiva también se puede lograr para la regulación de la calidad de la energía de la red.

Conversión CA-CC

Etapa 2: Conversión CC-CC aislada de alta frecuencia y puente activo dual DAB

Como núcleo de aislamiento del submódulo, el DAB consta de un puente completo del lado primario, un transformador de alta frecuencia y un puente completo del lado secundario. Opera a cientos de kilohercios con capacidad de potencia bidireccional nativa.

Inversión de puente completo del lado primario: Al extraer energía del enlace de CC intermedio del puente H anterior, los interruptores de SiC cortan el voltaje de CC en ondas cuadradas de CA de alta frecuencia cuya amplitud es igual al voltaje del enlace de CC, alimentando el devanado primario del transformador de alta frecuencia. Los transformadores no pueden conducir corriente continua; sólo el voltaje alterno de onda cuadrada establece campos magnéticos alternos dentro del núcleo para la transferencia de energía. La operación de alta frecuencia permite núcleos de transformadores más pequeños y permite la conmutación de voltaje cero (ZVS) para reducir las pérdidas de conmutación.

Transformador de alta frecuencia para transformación de tensión y aislamiento galvánico: Alimentado por ondas cuadradas de alta frecuencia, el transformador altera la amplitud del voltaje según la relación de espiras de su devanado y proporciona un aislamiento galvánico completo entre los dominios primario de alto voltaje y secundario de bajo voltaje.La relación de conversión de voltaje está determinada por la relación de vueltas del transformador en lugar del control de cambio de fase.. La inductancia de fuga intrínseca del transformador se utiliza como inductor de transferencia de potencia en serie para el DAB.

Rectificación activa de puente completo del lado secundario: El puente completo del lado secundario procesa el voltaje de onda cuadrada de alta frecuencia entregado por el transformador. A diferencia de la rectificación pasiva de diodos, el puente completo activo controla con precisión los tiempos de conmutación de SiC. Ya sea que la onda cuadrada esté en semiciclo positivo o negativo, la energía alterna de CA se convierte en corriente de carga para los condensadores de salida. Los condensadores de salida filtran ondulaciones de alta frecuencia y producen una salida CC suave de bajo voltaje.

Para el flujo de potencia inverso, el puente completo del lado secundario actúa como un inversor, cortando la CC de bajo voltaje en ondas cuadradas de alta frecuencia enviadas al secundario del transformador. La energía es impulsada por el transformador y luego reconstruida en voltaje CC intermedio mediante el puente completo del lado primario.

El DAB adopta control de cambio monofásico (SPS). Los puentes completos tanto del lado primario como del secundario generan formas de onda cuadradas con una relación de trabajo del 50 %. El controlador ajusta la diferencia de ángulo de fase entre los dos conjuntos de formas de onda. La magnitud del cambio de fase controla la magnitud de la potencia transmitida y la polaridad del cambio de fase determina la dirección del flujo de potencia.El cambio de fase solo regula la potencia, no puede lograr un ajuste de voltaje de salida de estado estable de amplio rango. Forzar el voltaje de salida lejos del punto de funcionamiento nominal coincidente con la relación de vueltas perderá las condiciones ZVS, introducirá una corriente circulante intensa y provocará un sobrecalentamiento grave del dispositivo. Para cambiar el voltaje de salida nominal, se debe rediseñar la relación de vueltas del transformador de alta frecuencia.

LENGUADO

Escalamiento del sistema y restricciones de ingeniería

En aplicaciones de media tensión y alta potencia, el escalado de tensión y potencia se realiza mediante múltiples submódulos con entradas de CA conectadas en serie y salidas de CC conectadas en paralelo. La tensión del bus de bajo voltaje común de los submódulos en paralelo está bloqueada por la relación de vueltas del transformador DAB. Cuando el voltaje de salida objetivo se desvía del voltaje de salida intrínseco del DAB, existen dos soluciones prácticas:

Conserve el hardware original y agregue un convertidor CC-CC adicional no aislado para una reducción posterior a la regulación;

Rediseñe el transformador de alta frecuencia, vuelva a verificar la tensión de los componentes y vuelva a sintonizar los algoritmos de control para una modificación DAB profunda.

Por qué SST logra un tamaño compacto

Los transformadores de distribución convencionales funcionan a una frecuencia de línea de 50 Hz y requieren una gran sección transversal del núcleo magnético para entregar potencia nominal. Según principios electromagnéticos:Para una potencia nominal determinada, una frecuencia de funcionamiento más alta reduce el volumen y el peso del núcleo requerido..

En lugar de accionar el transformador de aislamiento directamente con una tensión de red de 50 Hz, la electrónica de potencia SST convierte la energía de frecuencia de la red en una tensión de onda cuadrada de alta frecuencia de cientos de kHz que alimenta el transformador de aislamiento de alta frecuencia. En comparación con la frecuencia de línea, la frecuencia de funcionamiento aumenta miles de veces, por lo que el volumen y el peso de los componentes magnéticos de alta frecuencia se pueden reducir más de diez veces.

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmáx)

k - Relación entre el tiempo máximo de-conexión y el período de cambio, normalmente k=0.4;

U - Voltaje de entrada del devanado primario (V), aproximadamente igual al voltaje de entrada de CC;

f - Frecuencia de funcionamiento del transformador (kHz);

Ae - Área de sección transversal-efectiva del núcleo magnético (cm²);

Bmax - Oscilación máxima permitida de la densidad de flujo magnético (G).

Inconvenientes inherentes

Los dispositivos semiconductores de gran cantidad conllevan una gran complejidad de hardware y un mayor coste en comparación con los transformadores convencionales. La conmutación de alta frecuencia produce interferencias electromagnéticas (EMI), lo que impone requisitos estrictos en cuanto al diseño de la PCB, el diseño de los componentes magnéticos y la gestión térmica. Por lo tanto, la SST no reemplazará completamente a los transformadores de frecuencia de línea y se aplica principalmente en escenarios de sistemas de energía nuevos que exigen un tamaño compacto, flujo de energía bidireccional, interfaces de CC y control activo de la calidad de la energía.