تبدیل برق در سیستم های قدرت مدرن: مروری بر ترانسفورماتورهای سنتی، مبدل های الکترونیک قدرت و ترانسفورماتورهای حالت جامد با تاکید بر مواد نوین و چالش های چگالی توان بالا

تبدیل برق به عنوان یکی از ارکان اساسی سیستم های قدرت مدرن، فرآیند تغییر سطح ولتاژ، جریان، فرکانس یا تعداد فازهای انرژی الکتریکی با حداقل تلفات و حداکثر راندمان است. این مقاله به بررسی جامع ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت با هسته های فولاد سیلیکونی و آمورف، مبدل های الکترونیک قدرت شامل یکسوسازها، اینورترها و مبدل های DC-DC و ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت یا حالت جامد می پردازد. داده های تجربی گردآوری شده نشان می دهد که فولاد آمورف تلفات هسته ترانسفورماتورهای توزیع را ۸۰ درصد نسبت به فولاد سیلیکونی کاهش می دهد. ترانسفورماتورهای حالت جامد ۱۳.۸ کیلوولت ۱ مگاولت آمپر حجم ۷۱ درصد و وزن ۷۱ درصد کمتر از ترانسفورماتورهای معمولی دارند اما راندمان ۱.۷ درصد پایین تر است. ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت با کاربید سیلیکون در توان ۵ مگاولت آمپر راندمان ۲.۴ درصد بالاتر از نمونه های سیلیکونی و حجم خنک کاری ۴۰ درصد کوچک تر دارند. شارژر داخلی تسلا با چگالی توان ۲.۵ کیلووات بر لیتر بیش از دو برابر میانگین رقبا است. مبدل DC-DC با ماسفت گالیم نیترید در فرکانس ۱ مگاهرتز به چگالی توان ۲۰ وات بر سانتی متر مکعب می رسد اما راندمان به ۹۴.۵ درصد کاهش می یابد. در دمای محیط ۱۰۰ درجه سانتی گراد، ماسفت اکسید گالیم راندمان ۹۴.۲ درصدی در مقابل ۹۱.۲ درصد گالیم نیترید دارد. نرخ خرابی ترانسفورماتورهای حالت جامد ۴ مورد جزئی در ۲ سال با در دسترس بودن ۹۹.۸ درصد ثبت شده است. در مجموع، مواد مغناطیسی آمورف و نانوکریستالین تلفات هسته را ۸۰ درصد کاهش داده اند و ادوات با شکاف باند وسیع چگالی توان را تا ۲۰ برابر افزایش داده اند اما هزینه، قابلیت اطمینان در دمای بالا و تداخل الکترومغناطیسی چالش های اصلی باقی مانده است.

Keywords:

تبدیل برق , ترانسفورماتور توزیع , مبدل الکترونیک قدرت , ترانسفورماتور حالت جامد , فولاد آمورف , کاربید سیلیکون , گالیم نیترید , چگالی توان