Disseny d'un transformador d'estat sòlid de quatre ports: solució d'integració eficient per a microxarxes

L'ús de l'electrònica de potència a l'indústria està augmentant, des d'aplicacions a petita escala com carregadors de bateries i drivers LED, fins a aplicacions a gran escala com sistemes fotovoltaics (PV) i vehicles elèctrics. Típicament, un sistema de potència consta de tres parts: centrals elèctriques, sistemes de transmissió i sistemes de distribució. Tradicionalment, els transformadors de baixa freqüència es fan servir per dos propòsits: aïllament elèctric i adaptació de tensió. No obstant això, els transformadors de 50/60 Hz són voluminosis i pesants. Els convertidors de potència es fan servir per permetre la compatibilitat entre nous i vells sistemes de potència, utilitzant el concepte de transformadors d'estat sòlid (SST). Emprant la conversió de potència a alta o mitja freqüència, els SST reduïxen la mida dels transformadors i oferen una densitat de potència superior en comparació amb els transformadors convencionals.

Els avanços en materials magnètics, que presenten una densitat de flux elevada, capacitat de potència i freqüència altes, i pèrdues de potència baixes, han permès als investigadors desenvolupar SST amb una densitat de potència i eficiència elevades. En la majoria dels casos, la recerca s'ha centrat en transformadors dual bobina tradicionals. No obstant això, la creixent integració de generació distribuïda, juntament amb el desenvolupament de xarxes intel·ligents i microxarxes, ha portat al concepte de transformadors d'estat sòlid multiport (MPSST).

A cada port del convertidor, es fa servir un convertidor de pont actiu doble (DAB), que utilitza la inductància de fuga del transformador com a inductor del convertidor. Això redueix la mida eliminant la necessitat d'inductors addicionals i també minora les pèrdues. La inductància de fuga depèn de la disposició de les bobines, la geometria del nucli i el coeficient de couplage, fent que el disseny del transformador sigui més complex. Es fa servir el control de desplaçament de fase en els convertidors DAB per regular el flux de potència entre els ports. No obstant això, en un MPSST, el desplaçament de fase en un port afecta el flux de potència en altres ports, incrementant la complexitat del control amb el nombre de ports. Com a resultat, la major part de la recerca en MPSST es centra en sistemes de tres ports.

Aquest article es centra en el disseny d'un transformador d'estat sòlid per a aplicacions de microxarxa. El transformador integra quatre ports en un sol nucli magnètic. Opera a una freqüència de commutació de 50 kHz, amb cada port amb una potència de 25 kW. La configuració dels ports representa un model de microxarxa realista que comprendeix la xarxa elèctrica, un sistema d'emmagatzemament d'energia, un sistema fotovoltaic i una càrrega local. El port de la xarxa opera a 4.160 VAC, mentre que els altres tres ports operen a 400 V.

Transformador SST de quatre ports

Disseny del transformador

La taula 1 mostra diversos materials comunament utilitzats per fabricar nucs de transformador, juntament amb les seves avantatges i desavantatges. L'objectiu és seleccionar un material capaç de suportar 25 kW per port a una freqüència d'operació de 50 kHz. Els materials comercials disponibles per a nucs de transformador inclouen acer siliciós, alli de amorf, ferrita i nanocristallin. Per a l'aplicació objectiu, un transformador de quatre ports operant a 50 kHz amb 25 kW per port, s'ha d'identificar el material de nucli més adequat. Analitzant la taula, tant el nanocristallin com la ferrita són seleccionats com a candidats potencials. No obstant això, el nanocristallin presenta pèrdues de potència més altes a freqüències de commutació superiors a 20 kHz. Per tant, finalment s'escull la ferrita com a material de nucli per al transformador.

Diferents materials de nucli i les seves característiques

El disseny del nucli del transformador també és crític, ja que afecta la compacitat, la densitat de potència i la mida total, però, sobretot, influeix en la inductància de fuga del transformador. Per a un transformador de dos ports de 330 kW a 50 Hz, s'han comparat formes de nucli com el tipus núcleu i el tipus carcassa, demostrant que la configuració de tipus carcassa ofereix una inductància de fuga més baixa i un flux de potència més suau. Per tant, es farà servir una configuració de tipus carcassa, amb totes quatre bobines apilades concèntricament al llarg del braç central del transformador, millorant així el coeficient de couplage.

El nucli de tipus carcassa mesura 186×152×30 mm, i el material de ferrita utilitzat és 3C94 en una configuració de 4xU93×76×30 mm. Es fa servir fil Litz per fer les bobines tant dels ports de mitja tensió (MV) com dels ports d'alta corrent, amb una potència nominal de 3,42 A i 62,5 A, respectivament. Per als ports de baixa tensió (LV), es fan servir fils de 16 AWG i 4 AWG. Enrotllar junts els LV millora el couplage magnètic.

Després de completar el disseny proposat del MV MPSST, es realitzen simulacions amb Maxwell-3D/Simplorer. Les tensions dels ports per a la xarxa de mitja tensió, el sistema d'emmagatzemament d'energia, la càrrega i el sistema fotovoltaic s'estableixen a 7,2 kVDC i 400 VDC, respectivament. Les simulacions es duen a terme sota càrrega completa, amb el port de càrrega que proporciona 25 kW a una freqüència de commutació de 50 kHz i un cicle de treball del 50%. El control de potència s'aconsegueix ajustant el desplaçament de fase entre les cel·les del convertidor. Els resultats es presenten en la taula. Diferents models mostren característiques variables com la forma del nucli, l'àrea transversal, les pèrdues i el volum. Com es mostra en la taula, el Model 7 demostra una inductància de fuga més baixa i una eficiència més alta.

Model i resultats de la simulació

Montatge experimental

El nucli es construeix utilitzant quatre nucs en forma de U assemblats en una sola capa. El nucli complet consta de tres capes amb les bobines col·locades al llarg del braç central. Les tres bobines dels ports de baixa tensió (LV) s'enrotllen juntes per millorar el couplage. S'ha dissenyat un convertidor de pont actiu doble (DAB) per provar el transformador proposat. Es fan servir MOSFET de SiC en el disseny del convertidor. Per al port de mitja tensió (MV), s'implementa un pont rectificador utilitzant diodes de SiC, que també està connectat a un banc de càrrega resistiva capaç de gestionar 7,2 kV.

Conclusió

Aquest article es centra en el disseny d'un transformador d'estat sòlid de quatre ports de mitja tensió (MV MPSST) que permet la integració de quatre fonts o càrregues diferents en aplicacions de microxarxa. Un port del transformador és un port de mitja tensió (MV) amb una potència de 4,16 kV AC. S'han revisat diversos models de transformador i materials de nucli. A més del disseny del transformador, s'han desenvolupat montatges de prova per als ports de MV i LV. S'ha aconseguit una eficiència del 99% en la validació experimental.