يختلف محول الحالة الصلبة (SST)، المعروف أيضًا باسم محول الطاقة الإلكتروني، عن محولات التردد الخطي التقليدية التي تعمل في مجالات مغناطيسية بتردد 50 هرتز. إنه جهاز تحويل طاقة يمكن التحكم فيه ويتكون من محولات طاقة إلكترونية ومحولات عالية التردد. تقوم محولات التردد الخطية التقليدية بتحويل الجهد بشكل سلبي فقط وفقًا لنسبة اللفات. بالإضافة إلى العزل الجلفاني وتحويل الجهد، توفر أنظمة SST إمكانات يتم التحكم فيها رقميًا بما في ذلك تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، وتنظيم الجهد، والقمع التوافقي، وتعويض الطاقة التفاعلية، وتعمل بمثابة أجهزة توجيه للطاقة في الشبكات الذكية.
إعداد اللوحة
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
الوحدة الفرعية الهندسة المعمارية الشاملة
تتكون كل وحدة فرعية من قسمين رئيسيين من الأجهزة: وحدة تحويل الجهد العالي AC-DC ووحدة DC-DC المعزولة عالية التردد DAB. بالنسبة لتطبيقات الشبكات ذات الجهد المتوسط مثل أنظمة 10 كيلو فولت، يتم توصيل وحدات فرعية متعددة في سلسلة عند نقاطهامحطات جانب التيار المترددلمشاركة إجمالي جهد الشبكة. تمتلك كل وحدة فرعية وصلة تيار مستمر وسيطة مستقلة، وهي معزولة جلفانيًا عن الوحدات الأخرى بدون تكديس جهد التيار المستمر. يتم توصيل جميع مخرجات التيار المستمر ذات الجهد المنخفض لمحولات DAB بالتوازي لتشكيل ناقل تيار مستمر موحد منخفض الجهد.
|
خاصية هامة: بغض النظر عن عدد الوحدات الفرعية المتصلة في السلسلة،ويظل جهد وصلة التيار المباشر المتوسط لكل وحدة فرعية فردية عند قيمته الاسمية. تعمل أطراف التيار المتردد المتصلة بالسلسلة فقط على تقسيم جهد التيار المتردد الخاص بتردد الشبكة. تنفذ كل وحدة فرعية تنظيمًا مستقلاً لجهد الحلقة المغلقة، وبالتالي فإن وصلة التيار المستمر الداخلية الخاصة بها لن ترتفع مع إجمالي جهد الشبكة. يتم اعتماد اتصالات الألياف الضوئية لإشارات التحكم بين المجالات ذات الإمكانات العالية والمنخفضة لتجنب مخاطر التداخل والانهيار الناجمة عن إمكانات الجهد العالي العائمة. |
مخطط الكتلة
https://training-dev.ti.com/tool/TIDA-011012#tech-docs
المرحلة 1: تحويل AC-DC ثنائي الاتجاه من الجسر H
يتكون الجسر H أحادي الطور من جانب الإدخال من أربعة مفاتيح طاقة من كربيد السيليكون، ومحفزات تعزيز ومكثفات وصلة التيار المستمر، وتنفيذ طوبولوجيا Boost-PFC ثنائية الاتجاه تعمل على تردد تبديل على مستوى كيلوهرتز. وهو يدعم كلا من التصحيح والانعكاس المرتبط بالشبكة.
في وضع التصحيح، تستقبل الوحدة الفرعية جهد تيار متردد مقسم لتردد الشبكة. يتعاون تحويل PWM عالي السرعة لمفاتيح الجسر H مع المحاثات المعززة لتخزين وإطلاق طاقة المجال المغناطيسي، وتحويل التيار المتردد بتردد الشبكة إلى جهد وصلة تيار مباشر متوسط ثابت. تحقق هذه المرحلة أيضًا تصحيح عامل القدرة، مما يضمن قمع تيار جانب الشبكة الجيبية والتوافقي. وتجدر الإشارة إلى أن جهد وصلة التيار المستمر يجب أن يتجاوز القيمة القصوى لجهد التيار المتردد المدخل لتلبية شروط التشغيل المعزز.
أثناء تشغيل الطاقة العكسية، يعمل الجسر H كعاكس. إنه يحول الطاقة المخزنة على وصلة التيار المستمر الوسيطة مرة أخرى إلى تيار متردد بتردد الشبكة يتم حقنه في شبكة المرافق. يمكن أيضًا تحقيق خرج الطاقة التفاعلية لتنظيم جودة طاقة الشبكة.
تحويل AC-DC
|
مواصفات النظام الرئيسية لمحول التيار المستمر/التيار المتردد |
||
|
حدود |
مواصفة |
تفاصيل |
|
طاقة التيار المتردد الاسمية |
± 50 كيلو فولت أمبير |
± نشط ± رد الفعل |
|
الجهد المتردد الاسمي |
1000 في آر إم إس |
|
|
التيار المتردد الاسمي |
50 ذراع |
|
|
الجهد المستمر الاسمي |
2200 فولت تيار مستمر |
|
|
تموج جهد وصلة التيار المستمر |
±200V |
عند 2200 فولت |
|
تبديل التردد |
من 5 كيلو هرتز إلى 10 كيلو هرتز |
ح-جسر أحادي القطب |
|
تكنولوجيا التبريد |
تبريد القوة الجوية |
مراوح 12 فولت |
|
أقصى درجة حرارة محيطة |
60 درجة |
|
|
مواصفات الطاقة FETs |
3.3 كيلو فولت، 22.5 ميجا أوم |
كربيد FETs |
المرحلة 2: تحويل DAB المزدوج النشط عالي التردد المعزول DC-DC
وباعتباره قلب العزل للوحدة الفرعية، يتألف DAB من جسر كامل من الجانب الأساسي ومحول عالي التردد وجسر كامل من الجانب الثانوي. وهي تعمل بمئات الكيلوهرتز مع قدرة طاقة محلية ثنائية الاتجاه.
انعكاس الجسر الكامل من الجانب الأساسي: سحب الطاقة من وصلة DC المتوسطة السابقة لجسر H، يقوم SiC بتحويل جهد التيار المستمر إلى موجات مربعة من التيار المتردد عالية التردد والتي تساوي سعتها جهد وصلة DC، مما يغذي الملف الأولي لمحول التردد العالي. لا تستطيع المحولات توصيل التيار المستمر؛ فقط جهد الموجة المربعة المتناوبة ينشئ مجالات مغناطيسية متناوبة داخل القلب لنقل الطاقة. يتيح التشغيل عالي التردد نوى محولات أصغر ويسمح بتبديل الجهد الصفري (ZVS) لتقليل خسائر التبديل.
محول عالي التردد لتحويل الجهد والعزل الغلفاني: يتغذى المحول بموجات مربعة عالية التردد، ويغير سعة الجهد وفقًا لنسبة دورات الملف ويوفر عزلًا كلفانيًا كاملاً بين المجالات الأولية ذات الجهد العالي والمجالات الثانوية ذات الجهد المنخفض.يتم تحديد نسبة تحويل الجهد عن طريق نسبة دوران المحول بدلاً من التحكم في تحول الطور. يتم استخدام محاثة التسرب الجوهرية للمحول كمحث نقل الطاقة المتسلسل لـ DAB.
التصحيح النشط للجسر الكامل من الجانب الثانوي: يقوم الجسر الثانوي الكامل بمعالجة جهد الموجة المربعة عالي التردد الذي يتم توصيله بواسطة المحول. على عكس تصحيح الصمام الثنائي السلبي، يتحكم الجسر الكامل النشط بدقة في توقيتات تبديل SiC. سواء كانت الموجة المربعة في نصف دورة موجبة أو سالبة، يتم تحويل طاقة التيار المتردد المتناوب إلى تيار شحن لمكثفات الخرج. تقوم مكثفات الخرج بتصفية التموجات عالية التردد وتنتج خرج تيار مستمر سلس منخفض الجهد.
بالنسبة لتدفق الطاقة العكسي، يعمل الجسر الثانوي الكامل كعاكس، حيث يقوم بتقطيع التيار المستمر ذي الجهد المنخفض مرة أخرى إلى موجات مربعة عالية التردد يتم إرسالها إلى المحول الثانوي. يتم تعزيز الطاقة بواسطة المحول، ثم يتم إعادة بنائها إلى جهد تيار مستمر متوسط بواسطة الجسر الكامل للجانب الأساسي.
يعتمد DAB التحكم أحادي الطور (SPS). تولد كل من الجسور الأولية والثانوية الكاملة أشكال موجة مربعة بنسبة واجب 50٪. تقوم وحدة التحكم بضبط فرق زاوية الطور بين مجموعتي أشكال الموجة. ويتحكم مقدار انزياح الطور في مقدار القدرة المرسلة، وتحدد قطبية انزياح الطور اتجاه تدفق القدرة.إن تحول الطور ينظم الطاقة فقط، ولا يمكنه تحقيق تعديل واسع النطاق لجهد الخرج في الحالة الثابتة. إن إجبار جهد الخرج بعيدًا عن نقطة التشغيل الاسمية المتطابقة مع نسبة الدوران سوف يفقد ظروف ZVS، ويدخل تيارًا متداولًا ثقيلًا ويسبب ارتفاعًا شديدًا في درجة حرارة الجهاز. لتغيير جهد الخرج المقنن، يجب إعادة تصميم نسبة دوران المحولات عالية التردد.
ربت
|
مواصفات النظام الرئيسية لمحول DC/DC |
||
|
حدود |
مواصفة |
تفاصيل |
|
قوة العاصمة الاسمية |
± 50 كيلو واط |
تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه |
|
MV الجهد DC الاسمي |
2.2 كيلو فولت |
|
|
MV الاسمي DC الحالي |
23A |
|
|
الجهد المنخفض DC الاسمي |
1.5 كيلو فولت |
|
|
LV الاسمي DC الحالي |
33.3A |
|
|
تبديل التردد |
100 كيلو هرتز |
|
|
أقصى درجة حرارة محيطة |
60 درجة |
|
|
مواصفات قوة FETs على MV |
3.3 كيلو فولت، 22.5 ميجا أوم |
كربيد FETs |
|
مواصفات Power FETs على LV |
2.3 كيلو فولت، 11.5 ميجا أوم |
كربيد FETs |
تحجيم النظام والقيود الهندسية
في تطبيقات الطاقة العالية ذات الجهد المتوسط، يتم تحقيق قياس الجهد والطاقة من خلال وحدات فرعية متعددة مع مدخلات تيار متردد متصلة على التوالي ومخرجات تيار مستمر متصلة على التوازي. يتم قفل جهد ناقل الجهد المنخفض المشترك للوحدات الفرعية المتوازية بواسطة نسبة دوران محول DAB. عندما ينحرف جهد الخرج المستهدف عن جهد خرج DAB الجوهري، يوجد حلان عمليان:
احتفظ بالأجهزة الأصلية وأضف محول DC-DC إضافي غير معزول للتنحي بعد التنظيم؛
أعد تصميم المحول عالي التردد، وأعد التحقق من ضغط المكونات وأعد ضبط خوارزميات التحكم لإجراء تعديل عميق على DAB.
|
ملخص سلسلة تحويل الطاقة ذات الاتجاه الأمامي: |
لماذا تصل طائرة SST إلى الحجم الصغير؟
تعمل محولات التوزيع التقليدية بتردد خطي 50 هرتز وتتطلب مساحة مقطعية كبيرة من النواة المغناطيسية لتوصيل الطاقة المقدرة. وفقا للمبادئ الكهرومغناطيسية:بالنسبة لتصنيف طاقة معين، يؤدي تردد التشغيل الأعلى إلى تقليل الحجم والوزن الأساسيين المطلوبين.
بدلاً من تشغيل محول العزل مباشرة بجهد رئيسي 50 هرتز، تقوم إلكترونيات الطاقة SST بتحويل طاقة تردد الشبكة إلى جهد موجة مربعة عالي التردد بمئات كيلو هرتز يغذي محول العزل عالي التردد. وبالمقارنة مع تردد الخط، فإن تردد التشغيل يزيد آلاف المرات، وبالتالي يمكن تقليل حجم ووزن المكونات المغناطيسية عالية التردد بأكثر من عشرة أضعاف.
N=ك * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )
k - نسبة الحد الأقصى للوقت-لفترة التبديل، عادةً k=0.4;
U - جهد دخل الملف الأساسي (V)، يساوي تقريبًا جهد دخل التيار المستمر؛
f - تردد تشغيل المحول (كيلو هرتز)؛
Ae - مساحة المقطع العرضي الفعالة للقلب المغناطيسي (سم²)؛
Bmax - أقصى تأرجح مسموح به لكثافة التدفق المغناطيسي (G).
العيوب الكامنة
توفر أجهزة أشباه الموصلات ذات الكميات الكبيرة تعقيدًا كبيرًا للأجهزة وتكلفة أعلى مقارنة بالمحولات التقليدية. يؤدي التبديل عالي التردد إلى حدوث تداخل كهرومغناطيسي (EMI)، مما يفرض متطلبات صارمة على تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتصميم المكونات المغناطيسية، والإدارة الحرارية. لذلك لن تحل تقنية SST محل محولات تردد الخط بشكل كامل، ويتم تطبيقها بشكل أساسي في سيناريوهات أنظمة الطاقة الجديدة التي تتطلب بصمة مدمجة وتدفق طاقة ثنائي الاتجاه وواجهات DC ومراقبة نشطة لجودة الطاقة.
