Diseño de un Transformador de Estado Sólido de Cuatro Puertos: Solución de Integración Eficiente para Microredes

El uso de la electrónica de potencia en la industria está aumentando, desde aplicaciones a pequeña escala como cargadores de baterías y controladores LED, hasta aplicaciones a gran escala como sistemas fotovoltaicos (PV) y vehículos eléctricos. Típicamente, un sistema de potencia consta de tres partes: centrales eléctricas, sistemas de transmisión y sistemas de distribución. Tradicionalmente, los transformadores de baja frecuencia se utilizan para dos propósitos: aislamiento eléctrico y adaptación de voltaje. Sin embargo, los transformadores de 50/60 Hz son voluminosos y pesados. Los convertidores de potencia se utilizan para permitir la compatibilidad entre nuevos y antiguos sistemas de potencia, aprovechando el concepto de transformadores de estado sólido (SST). Al emplear la conversión de potencia de alta o media frecuencia, los SST reducen el tamaño del transformador y ofrecen una mayor densidad de potencia en comparación con los transformadores convencionales.

Los avances en materiales magnéticos, que presentan alta densidad de flujo, alta capacidad de potencia y frecuencia, y bajas pérdidas de potencia, han permitido a los investigadores desarrollar SST con alta densidad de potencia y eficiencia. En la mayoría de los casos, la investigación se ha centrado en transformadores de doble bobinado tradicionales. Sin embargo, la creciente integración de la generación distribuida, junto con el desarrollo de redes inteligentes y microredes, ha llevado al concepto de transformadores de estado sólido multi-puerto (MPSST).

En cada puerto del convertidor, se utiliza un convertidor de puente activo dual (DAB), que utiliza la inductancia de fuga del transformador como inductor del convertidor. Esto reduce el tamaño al eliminar la necesidad de inductores adicionales y también disminuye las pérdidas. La inductancia de fuga depende de la colocación de las bobinas, la geometría del núcleo y el coeficiente de acoplamiento, lo que hace que el diseño del transformador sea más complejo. El control por desplazamiento de fase se utiliza en los convertidores DAB para regular el flujo de potencia entre los puertos. Sin embargo, en un MPSST, el desplazamiento de fase en un puerto afecta el flujo de potencia en otros puertos, aumentando la complejidad del control con el número de puertos. Como resultado, la mayoría de la investigación en MPSST se centra en sistemas de tres puertos.

Este artículo se centra en el diseño de un transformador de estado sólido para aplicaciones de microred. El transformador integra cuatro puertos en un solo núcleo magnético. Opera a una frecuencia de conmutación de 50 kHz, con cada puerto calificado para 25 kW. La configuración de los puertos representa un modelo realista de microred que comprende la red eléctrica, el sistema de almacenamiento de energía, el sistema fotovoltaico y la carga local. El puerto de la red opera a 4,160 VAC, mientras que los otros tres puertos operan a 400 V.

Transformador de Estado Sólido de Cuatro Puertos

Diseño del Transformador

La tabla 1 muestra diversos materiales comúnmente utilizados para la fabricación de núcleos de transformadores, junto con sus ventajas y desventajas. El objetivo es seleccionar un material capaz de soportar 25 kW por puerto a una frecuencia de operación de 50 kHz. Los materiales de núcleo de transformador comercialmente disponibles incluyen acero silicio, aleación amorfa, ferrita y nanocristalino. Para la aplicación objetivo, un transformador de cuatro puertos operando a 50 kHz con 25 kW por puerto, se debe identificar el material de núcleo más adecuado. Analizando la tabla, tanto el nanocristalino como la ferrita se seleccionan como candidatos potenciales. Sin embargo, el nanocristalino presenta mayores pérdidas de potencia a frecuencias de conmutación superiores a 20 kHz. Por lo tanto, se selecciona la ferrita como el material de núcleo para el transformador.

Diferentes Materiales de Núcleo y Sus Características

El diseño del núcleo del transformador también es crítico, ya que afecta la compacidad, la densidad de potencia y el tamaño general, pero lo más importante, influye en la inductancia de fuga del transformador. Para un transformador de dos puertos de 330 kW y 50 Hz, se han comparado formas de núcleo como tipo núcleo y tipo carcasa, demostrando que la configuración de tipo carcasa ofrece menor inductancia de fuga y un flujo de potencia más suave. Por lo tanto, se utilizará una configuración de tipo carcasa, con todas las cuatro bobinas apiladas concéntricamente en el brazo central del transformador, mejorando así el coeficiente de acoplamiento.

El núcleo de tipo carcasa mide 186×152×30 mm, y el material de ferrita utilizado es 3C94 en una configuración de 4xU93×76×30 mm. Se utiliza cable Litz para enrollar tanto los puertos de media tensión (MV) como de alta corriente, calificados para 3.42 A y 62.5 A, respectivamente. Para los puertos de baja tensión (LV), se emplean cables de 16 AWG y 4 AWG. Entrelazar las bobinas de LV juntas mejora aún más el acoplamiento magnético.

Después de completar el diseño propuesto del MPSST de media tensión, se realizan simulaciones con Maxwell-3D/Simplorer. Las tensiones de los puertos para la red de media tensión, el sistema de almacenamiento de energía, la carga y el sistema fotovoltaico se establecen en 7.2 kVDC y 400 VDC, respectivamente. Las simulaciones se realizan bajo carga completa, con el puerto de carga entregando 25 kW a una frecuencia de conmutación de 50 kHz y un ciclo de trabajo del 50%. El control de potencia se logra ajustando el desplazamiento de fase entre las celdas del convertidor. Los resultados se presentan en la tabla. Diferentes modelos exhiben características variadas como forma de núcleo, área de sección transversal, pérdida y volumen. Como se muestra en la tabla, el Modelo 7 demuestra menor inductancia de fuga y mayor eficiencia.

Modelo y Resultados de Simulación

Configuración Experimental

El núcleo se construye utilizando cuatro núcleos en forma de U ensamblados en una sola capa. El núcleo completo consta de tres capas con bobinas colocadas en el brazo central. Las tres bobinas de los puertos de baja tensión (LV) se enrollan juntas para mejorar el acoplamiento. Se diseña un convertidor de puente activo dual (DAB) para probar el transformador propuesto. En el diseño del convertidor se utilizan MOSFETs de SiC. Para el puerto de media tensión (MV), se implementa un puente rectificador utilizando diodos de SiC, que también está conectado a un banco de carga resistiva calificado para manejar 7.2 kV.

Conclusión

Este artículo se centra en el diseño de un transformador de estado sólido multi-puerto de media tensión (MV MPSST) de cuatro puertos que permite la integración de cuatro fuentes o cargas diferentes en aplicaciones de microred. Un puerto del transformador es un puerto de media tensión (MV) calificado para 4.16 kV AC. Se revisaron varios modelos de transformadores y materiales de núcleo. Además del diseño del transformador, se desarrollaron configuraciones de prueba para los puertos MV y LV. Se logró una eficiencia del 99% en la validación experimental.