Principe de fonctionnement du sous-module de transformateur statique modulaire

Un transformateur à semi-conducteurs (SST), également appelé transformateur électronique de puissance, diffère des transformateurs de fréquence de ligne conventionnels fonctionnant sur des champs magnétiques de 50 Hz. Il s'agit d'un dispositif de conversion de puissance contrôlable composé de convertisseurs électroniques de puissance et de transformateurs haute fréquence. Les transformateurs de fréquence de ligne conventionnels transforment uniquement passivement la tension en fonction du rapport de transformation. En plus de l'isolation galvanique et de la conversion de tension, les SST offrent des capacités de contrôle numérique, notamment le flux d'énergie bidirectionnel, la régulation de tension, la suppression des harmoniques et la compensation de puissance réactive, servant de routeurs d'énergie dans les réseaux intelligents.

Configuration de la carte

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Architecture globale du sous-module

Chaque sous-module se compose de deux sections matérielles principales : une unité de conversion haute tension AC‑DC et une unité DC‑DC isolée haute fréquence DAB. Pour les applications de réseau moyenne tension telles que les systèmes 10 kV, plusieurs sous-modules sont connectés en série à leurBornes côté CApour partager la tension totale du réseau. Chaque sous-module possède une liaison CC intermédiaire indépendante, isolée galvaniquement des autres sans empilement de tension CC. Toutes les sorties CC basse tension des convertisseurs DAB sont connectées en parallèle pour former un bus CC basse tension unifié.

Schéma fonctionnel

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Étape 1 : Conversion bidirectionnelle AC‑DC en pont en H

Le pont en H monophasé côté entrée se compose de quatre commutateurs de puissance SiC, d'inductances boost et de condensateurs de liaison CC, mettant en œuvre une topologie Boost-PFC bidirectionnelle fonctionnant à une fréquence de commutation de niveau kilohertz. Il prend en charge à la fois la rectification et l'inversion inversée liée au réseau.

En mode redressement, le sous-module reçoit une tension alternative à fréquence de réseau divisée. La commutation PWM à grande vitesse des commutateurs en pont en H coopère avec des inducteurs élévateurs pour stocker et libérer l'énergie du champ magnétique, convertissant ainsi la fréquence CA du réseau en tension de liaison CC intermédiaire stabilisée. Cet étage réalise également une correction du facteur de puissance, garantissant la suppression du courant sinusoïdal côté réseau et des harmoniques. Il convient de noter que la tension du circuit intermédiaire doit dépasser la valeur maximale de la tension alternative d'entrée pour satisfaire aux conditions de fonctionnement boost.

Pendant le fonctionnement en puissance inverse, le pont en H fonctionne comme un onduleur. Il convertit l'énergie stockée sur la liaison CC intermédiaire en courant alternatif à fréquence réseau injecté dans le réseau électrique public. La production de puissance réactive est également réalisable pour la régulation de la qualité de l’énergie du réseau.

Conversion AC‑DC

Étape 2 : Conversion DC‑DC isolée haute fréquence DAB à double pont actif

En tant que noyau d'isolation du sous-module, le DAB comprend un pont complet côté primaire, un transformateur haute fréquence et un pont complet côté secondaire. Il fonctionne à des centaines de kilohertz avec une capacité de puissance bidirectionnelle native.

Inversion de pont complet côté primaire: Tirant l'énergie de la liaison CC intermédiaire du pont en H précédente, les commutateurs SiC découpent la tension continue en ondes carrées CA haute fréquence dont l'amplitude est égale à la tension de la liaison CC, alimentant l'enroulement primaire du transformateur haute fréquence. Les transformateurs ne peuvent pas conduire le courant continu ; seule une tension alternative carrée établit des champs magnétiques alternatifs à l'intérieur du noyau pour le transfert d'énergie. Le fonctionnement à haute fréquence permet d'obtenir des noyaux de transformateur plus petits et une commutation à tension nulle (ZVS) pour réduire les pertes de commutation.

Transformateur haute fréquence pour la transformation de tension et l'isolation galvanique: Alimenté par des ondes carrées haute fréquence, le transformateur modifie l'amplitude de tension en fonction de son rapport de spire d'enroulement et fournit une isolation galvanique complète entre les domaines primaire haute tension et secondaire basse tension.Le rapport de conversion de tension est déterminé par le rapport de transformation du transformateur plutôt que par le contrôle du déphasage. L'inductance de fuite intrinsèque du transformateur est utilisée comme inductance de transfert de puissance en série pour le DAB.

Rectification active en pont complet côté secondaire: Le pont complet côté secondaire traite la tension carrée haute fréquence délivrée par le transformateur. Contrairement au redressement passif par diode, le pont complet actif contrôle avec précision les timings de commutation SiC. Que l'onde carrée soit en demi-cycle positif ou négatif, l'énergie alternative alternative est convertie en courant de charge pour les condensateurs de sortie. Les condensateurs de sortie filtrent les ondulations haute fréquence et produisent une sortie CC basse tension fluide.

Pour le flux de puissance inverse, le pont complet côté secondaire agit comme un onduleur, découpant le courant continu basse tension en ondes carrées haute fréquence envoyées au secondaire du transformateur. L'énergie est amplifiée par le transformateur, puis reconstruite en tension continue intermédiaire par le pont complet côté primaire.

Le DAB adopte un contrôle à déphasage unique (SPS). Les ponts complets côté primaire et secondaire génèrent des formes d'onde carrées avec un rapport de service de 50 %. Le contrôleur ajuste la différence d'angle de phase entre les deux ensembles de formes d'onde. L'amplitude du déphasage contrôle l'amplitude de la puissance transmise et la polarité du déphasage détermine la direction du flux de puissance.Le déphasage régule uniquement la puissance, il ne peut pas réaliser un réglage de la tension de sortie en régime permanent sur une large plage. Forcer la tension de sortie loin du point de fonctionnement nominal adapté au rapport de spire entraînera la perte des conditions ZVS, l'introduction d'un courant de circulation important et provoquera une surchauffe grave de l'appareil. Pour modifier la tension de sortie nominale, le rapport de transformation du transformateur haute fréquence doit être repensé.

TOUCHE

Contraintes d’évolutivité et d’ingénierie du système

Dans les applications moyenne tension haute puissance, la mise à l'échelle de tension et de puissance est réalisée par plusieurs sous-modules avec des entrées CA connectées en série et des sorties CC connectées en parallèle. La tension du bus basse tension commune des sous-modules mis en parallèle est verrouillée par le rapport de transformation du transformateur DAB. Lorsque la tension de sortie cible s'écarte de la tension de sortie DAB intrinsèque, deux solutions pratiques existent :

Conservez le matériel d'origine et ajoutez un convertisseur DC-DC non isolé supplémentaire pour un abaisseur post-régulation ;

Repensez le transformateur haute fréquence, revérifiez la contrainte des composants et réajustez les algorithmes de contrôle pour une modification profonde du DAB.

Pourquoi SST atteint une taille compacte

Les transformateurs de distribution conventionnels fonctionnent à une fréquence de ligne de 50 Hz et nécessitent une grande section transversale du noyau magnétique pour fournir la puissance nominale. Selon les principes électromagnétiques :pour une puissance nominale donnée, une fréquence de fonctionnement plus élevée réduit le volume et le poids du noyau requis.

Au lieu de piloter le transformateur d'isolement directement avec une tension secteur de 50 Hz, l'électronique de puissance SST convertit la puissance à fréquence du réseau en une tension carrée haute fréquence de plusieurs centaines de kHz alimentant le transformateur d'isolement haute fréquence. Par rapport à la fréquence de ligne, la fréquence de fonctionnement augmente des milliers de fois, de sorte que le volume et le poids des composants magnétiques haute fréquence peuvent être réduits de plus de dix fois.

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

k - Rapport entre le temps d'activation-maximum et la période de commutation, généralement k=0.4 ;

U - Tension d'entrée de l'enroulement primaire (V), approximativement égale à la tension d'entrée CC ;

f - Fréquence de fonctionnement du transformateur (kHz) ;

Ae - Zone de section transversale effective-du noyau magnétique (cm²) ;

Bmax - Variation maximale autorisée de la densité de flux magnétique (G).

Inconvénients inhérents

Les dispositifs à semi-conducteurs en grande quantité entraînent une complexité matérielle élevée et un coût plus élevé par rapport aux transformateurs conventionnels. La commutation haute fréquence produit des interférences électromagnétiques (EMI), imposant des exigences strictes en matière de disposition des circuits imprimés, de conception des composants magnétiques et de gestion thermique. Par conséquent, le SST ne remplacera pas entièrement les transformateurs de fréquence de ligne et est principalement appliqué dans des scénarios de nouveaux systèmes électriques exigeant un encombrement réduit, un flux d'énergie bidirectionnel, des interfaces CC et un contrôle actif de la qualité de l'énergie.