Deklaro de Kvarporta Solidstata Transformilo: Efiĉa Integrado Solvo por Mikroretoj
La uzo de potenco-elektroniko en la industrio pligrandiĝas, etendanteĝi de malgrandaj aplikoj kiel akumulatorŝarĝiloj kaj LED-drajveroj ĝis grandaj aplikoj kiel fotovoltaikaj (PV) sistemoj kaj elektraj veturiloj. Tipe, potencsistema konsistas el tri partoj: potenckentraloj, transmetasistemoj, kaj distribuasistemoj. Tradicie, malaltfrekvencaj transformiloj estas uzataj por du celoj: elektra izolado kaj tensio-kongruigo. Tamen, 50-/60-Hz transformiloj estas voluminaj kaj pezaj. Potenckonvertiloj estas uzataj por ebligi kompatecon inter novaj kaj hereditaj potencsistemoj, ekspluatante la koncepton de solid-stataj transformiloj (SST). Per uzo de alta- aŭ meza-frekvencan potenckonverton, SST reduktas la grandon de transformiloj kaj ofertas pli altan potencdenson kompare al tradiciaj transformiloj.
Progresoj en magnetaj materialoj—kiuj havas altan fluksdensitaton, altan potenc- kaj frekvenca kapablon, kaj malaltajn potencperdojn—permesis esploristojn disvolvi SST kun alta potencdenso kaj efikeco. En plej multaj kazoj, esploro fokusas sur tradiciaj dual-vindingsaj transformiloj. Tamen, la kreskanta integriĝo de disvastiĝita generacio, kune kun la disvolvo de inteligentaj retoj kaj mikroretoj, kondukis al la koncepto de multiporta solid-stata transformilo (MPSST).
Je ĉiu porto de la konvertilo, duuma aktiva ponta (DAB) konvertilo estas uzata, kiu uzas la transformilflukson de la transformilo kiel la induktoro de la konvertilo. Tio reduktas la grandon per forigo de la bezono por aldona induktoro kaj ankaŭ malaltigas perdojn. La flukso dependas de la pozicio de vindingo, kerngeometrio, kaj kunligekvacio, farante la transformildesegnon pli kompleksa. Fazodevio-kontrolo estas uzata en DAB-konvertiloj por reguli la potenĉuron inter portoj. Tamen, en MPSST, fazodevio je unu porto afektas la potenĉuron je aliaj portoj, pligrandigante la kontrolekompleksecon kun la nombro de portoj. Pro tio, plej multaj MPSST-esploroj fokusas sur triportaj sistemoj.
Ĉi tiu artikolo fokusas sur la desegno de solid-stata transformilo por mikroret-aplikoj. La transformilo integras kvar portojn sur unu magnetkerno. Ĝi funkcias je komutada frekvenco de 50 kHz, kun ĉiu porto valorita je 25 kW. La portokonfiguro reprezentas realistan mikroretmodelon konsistantan el la utilareto, energiestoragesistemo, fotovoltaika sistemo, kaj loka ŝarĝo. La retporto funkcias je 4,160 VAC, dum la aliaj tri portoj funkcias je 400 V.
Kvarporta SST
Transformildesegno
Tablo 1 montras diversajn komunajn materialojn por la manufakturo de transformilkernoj, kune kun iliaj avantaĝoj kaj malfavoroj. La celo estas elekti materialon kapablan subteni 25 kW je porto je operacifrekvenco de 50 kHz. Komerciale disponeblaj transformilkernmaterialoj inkluzivas silikonakero, amorfaligaĵon, ferriton, kaj nanokristalinon. Por la celapliko—kvarporta transformilo funkciante je 50 kHz kun 25 kW je porto—la plej taŭga kernmaterialo devas esti identigita. Per analizo de la tablo, ambaŭ nanokristalino kaj ferrito estas selektitaj kiel potencialaj kandidatoj. Tamen, nanokristalino montras pli altajn potencperdojn je komutadfrequencoj super 20 kHz. Do, ferrito estas finfine elektita kiel la kernmaterialo por la transformilo.
Diversaj Kernmaterialoj kaj Iliaj Karakterizoj
La desegno de la transformilkerno estas ankaŭ kritika, ĉar ĝi afektas kompaktecon, potencdenson, kaj tutan grandon—sed plej grave, ĝi influas la transformilan flukson. Por 330-kW, 50-Hz duporta transformilo, kernformoj kiel kern-tipo kaj kuŝtropo estis komparitaj, demonstrante ke la kuŝtropa konfiguro ofertas pli malaltan flukson kaj pli glatan potenĉuron. Do, kuŝtropa konfiguro estos uzata, kun ĉiuj kvar vindingo centrigitaj koncentrice sur la centra membro de la transformilo, do plibonigante la kunligekvacion.
La kuŝtropa kerno mezuras 186×152×30 mm, kaj la uzata ferritomaterialo estas 3C94 en 4xU93×76×30 mm konfiguro. Litz-ligno estas uzata por vindigo de ambaŭ mezvoltaj (MV) kaj alta-kuromaj portoj, valoritaj je 3.42 A kaj 62.5 A respektive. Por la malaltvoltaj (LV) portoj, 16 AWG kaj 4 AWG lignoj estas uzitaj. Tordado de la LV-vindingoj plue plibonigas la magnetan kunligon.
Post kompletigo de la proponita MV MPSST-desegno, Maxwell-3D/Simplorer simulacioj estas faritaj. La portotensioj por la mezvoltaj reto, energiestorsistemo, ŝarĝo, kaj fotovoltaika sistemo estas agorditaj je 7.2 kVDC kaj 400 VDC respektive. Simulacioj estas faritaj sub plena ŝarĝo, kun la ŝarĝporto liveranta 25 kW je komutada frekvenco de 50 kHz kaj 50% devo-periodo. Potenccontrolo estas atingita per regado de la fazodevio inter konvertiloceluloj. Rezultoj estas prezentitaj en la tablo. Diversaj modeloj montras diversajn karakterizojn kiel kernforma, sekcian areon, perdon, kaj volumenon. Kiel montrite en la tablo, Modelo 7 montras pli malaltan flukson kaj pli altan efikecon.
Modelo kaj Simulcirezultoj
Eksperimenta Aranĝo
La kerno estas konstruita uzante kvar U-formajn kernojn asamblitajn en unu strato. La kompleta kerno konsistas el tri stratoj kun vindigoj metitaj sur la centra membro. La tri malaltvoltaj (LV) portvindigoj estas vindigitaj kune por plibonigi la kunligon. Duuma aktiva ponta (DAB) konvertilo estas desegnita por testi la proponitan transformilon. SiC MOSFEToj estas uzataj en la konvertildesegno. Por la mezvoltaj (MV) porto, rektila ponto estas realigita uzante SiC diodojn, kiuj estas ankaŭ konektitaj al rezista ŝarĝbanko valorita por trakti 7.2 kV.
Konkludo
Ĉi tiu artikolo fokusas sur la desegno de kvarporta mezvoltaj multiporta solid-stata transformilo (MV MPSST) kiu ebligas la integriĝon de kvar diversaj fontoj aŭ ŝarĝoj en mikroret-aplikoj. Unu porto de la transformilo estas mezvoltaj (MV) porto valorita je 4.16 kV AC. Diversaj transformilmodeloj kaj kernmaterialoj estis revizititaj. Krome, testaranĝoj estis disvolvitaj por ambaŭ la MV kaj LV portoj. Efikeco de 99% estis atingita en la eksperimenta validigo.
