تاریخچه ترانس حالت جامد

---

---

ترانسفورماتورهای سنتی فرکانس پایین از زمان معرفی سیستم‌های AC برای تبدیل ولتاژ و ایزوله‌سازی مورد استفاده قرار­گرفته‌اند. با وجود استفاده فراگیر، این تجهیزات دارای معایبی هستند:

·        اندازه بزرگ و وزن سنگین

·        مضر بودن روغن ترانسفورماتور برای محیط‌زیست

·        تولید هارمونیک به دلیل اشباع هسته

·        جریان هجومی بزرگ

·        تغییرات ناخواسته در طرف ورودی، مانند افت ولتاژ، شکل موج خروجی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

·        هارمونیک‌های جریان خروجی بر­ روی ورودی تأثیر دارند. بسته به نوع اتصال ترانسفورماتور هارمونیک می‌تواند در شبکه منتشر شود و منجر به افزایش تلفات در سیم‌پیچ اولیه گردد.

·        تلفات نسبی بالای آن‌ها در متوسط بار نامی ترانسفورماتورها معمولاً طوری طراحی می‌شوند که در نزدیکی بار کامل بالاترین راندمان را داشته باشند. این در حالی است که ترانسفورماتورهای توزیع دارای متوسط بار نامی در حدود 30 درصد هستند.

·        تمام ترانسفورماتورهای فرکانس پایین مشکل عدم تنظیم ولتاژ کامل دارند. قابلیت تنظیم ولتاژ یک ترانسفورماتور رابطه معکوس با درجه‌بندی آن‌ها دارد. ترانسفورماتورهای توزیع معمولاً کوچک هستند و تنظیم ولتاژ آن‌ها خوب نیست.

·        تلفات بی باری

·        حساس به آفست DC بارهای نامتقارن

·        بدون حفاظت اضافه بار

·        احتمال آتش سوزی

و مزایای ترانسفورماتورهای سنتی شامل موارد زیر است:

·        نسبتاً ارزان

·        بسیار مقاوم و قابل اطمینان

·        راندمان بسیار بالا در حدود %5/98 تا %5/99.

در سال‌های اخیر با توجه به افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و سایر انواع تولیدات پراکنده، پیچیدگی شبکه­های الکتریکی افزایش یافته­است. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها وجود منابع متعدد با خروجی در سطوح مختلف ولتاژ DC و یا AC با فرکانس های متنوع، می­باشد. در برخورد با این پیچیدگی، استفاده از فناوری‌های جدید در راستای کنترل و بهبود قابلیت اطمینان شبکه‌ها اجتناب ناپذیر است. بر همین اساس همان­طور که در شکل ‏1‑1 نشان داده شده است، چهار ساختار برای ترانسفورماتورها پیشنهاد شده­است.

a)     ترانسفورماتور غیر فعال: این ترانسفورماتور که به ترانسفورماتور فرکانس پایین[1](LFT) نیز مشهور است ساده ترین و پرکاربردترین ساختار است. فرکانس ورودی و خروجی برابر است و دامنه ولتاژ خروجی وابسته به نسبت تبدیل ترانسفورماتور و دامنه ولتاژ ورودی است.

b)     ترانسفورماتور با جبرانسازی ولتاژ سری: از یک مبدل AC-AC که به صورت سری در ثانویه ترانسفورماتور قرارگرفته است برای کنترل دامنه ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. در این ساختار، فرکانس ثانویه همواره برابر فرکانس اولیه است، اما دامنه ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از مبدل سری کنترل کرد.

c)      برشگر AC[2] سری: از یک برشگر AC برای تغییر فرکانس ولتاژ ثانویه استفاده شده است. در این ساختار دامنه ولتاژ ثانویه نیز تا حدودی (با توجه به دامنه ولتاژ ورودی) قابل کنترل است.

d)     طبقه فعال ورودی و خروجی: در این ساختار اولیه و ثانویه یک ترانسفورماتور فرکانس بالا[3](HFT) به دو مبدل الکترونیک قدرت فعال متصل است. فرکانس ولتاژ ثانویه به صورت مستقل از فرکانس اولیه کنترل می‌شود. اما دامنه ولتاژ ثانویه در بازه­های کاری خاص مستقل از دامنه ولتاژ ورودی (اولیه) است.

ساختار (d) معمولا با نام ترانسفورماتور حالت جامد[4] (SST) خوانده می‌شود. این تجهیز علاوه بر SST با نام‌های زیر نیز شناخته می‌شود [4]:

·        سال 1968: ترانسفورماتور الکترونیکی توسط McMurray

·        سال 1980: ترانسفورماتور حالت جامد توسط Brooks

·        شرکت EPRI: ترانسفورماتور یونیورسال هوشمند

·        شرکت ABB: ترانسفورماتور الکترونیک قدرت

·        Borojevic: مرکز کنترل انرژی

·        Wang: روتر انرژی

 

شکل ‏1‑1 انواع ساختارهای ترانسفورماتورها (a) غیرفعال، (b) جبرانساز ولتاژ سری، (c) برشگر AC سری و (d) طبقه فعال ورودی و خروجی

 

1-1          کارکردها، فواید و محدودیت‌هایSST

در مقایسه با ترانسفورماتور معمولی که یک تجهیز با عملکرد متوسط و قیمت پایین می­باشد، ترانسفورماتور حالت جامد یک تجهیز گران قیمت با توانایی‌های عملکردی گسترده است (شکل ‏1‑2). ترانسفورماتور SST کنترل مسیر شارش توان الکتریکی و اتصال انعطاف پذیر منابع تولید پراکنده به شبکه را امکان­پذیر می‌سازد. همچنین پخش توان که در بهره­برداری امن و پایدار شبکه حائز اهمیت است به وسیله این تجهیز قابل کنترل می‌باشد. البته این قابلیت‌ها طبیعتاً با هزینه و پیچیدگی بیشتری نسبت به سیستم‌های متداول همراه خواهد ­بود. به طور کلی می‌توان گفت ترانسفورماتور حالت جامد دارای کارکردها و مزایای زیر است:

·        کنترل سطح ولتاژ

·        کاهش حجم و وزن

·        رگولاسیون آنی و لحظه­ای ولتاژ

·        جداسازی خطا

·        اصلاح ضریب توان 

·        کنترل پخش توان‌های اکتیو و راکتیو

·        کنترل جریان خطا در سمت فشار قوی و فشار ضعیف

·        قابلیت بالای رگولاسیون ولتاژ

·        امکان متفاوت بودن فرکانس و تعداد فازهای خروجی با ورودی

·        امکان داشتن ورودی یا خروجی DC

·        رفع مشکلات افت ولتاژ (در صورت دارا بودن ذخیره ساز)

·        کاهش یا حذف مشکلات عدم توازن بار و جریان سیم نول و تلفات ناشی از این مساله

برخی محدودیت‌های ترانسفورماتور حالت‌ جامد عبارت‌اند از:

·        طراحی پیچیده

·        هزینه بالای پیاده‌سازی

·        عدم اطمینان در مورد بهره‌وری مناسب در مقایسه با ترانسفورماتور فرکانس پایین سنتی

در سال‌های اخیر هزینه تجهیزات الکترونیک قدرت کاهش یافته و قطعاتِ با قابلیت اطمینان بالاتر، تلفات کم، توان بالا و فرکانس بالاتر تولید شده‌اند. کاهش قیمت‌ها و این حقیقت که SST می‌تواند جایگزین برخی تجهیزات شبکه از قبیل ترانسفورماتورهای متداول شود، مقبولیت بالقوه استفاده از SST را از نظر اقتصادی افزایش داده است.

 

شکل ‏1‑2 وضعیت SST از لحاظ عملکرد و قیمت

نویسنده: مهندس مهدی زارعی، کارشناس شرکت ابزارآزما