עיצוב טרנספורטר מוצק בעל ארבעה יציאות: פתרון אינטגרציה יעיל עבור מיקרוגרידים
השימוש באלקטרוניקה חזקה בתעשייה מתגבר, החל מיישומים בקנה מידה קטן כגון טעינים לבריכי חשמל ונהגים ל-LED, ועד ליישומים בקנה מידה גדול כמו מערכות פוטו-וולטאיות (PV) ואוטובוסים חשמליים. בדרך כלל, מערכת חשמל מורכבת משני חלקים: תחנות כוח, מערכות העברה ומערכות הפצה. באופן מסורתי, ממרכי תדר נמוך משמשים לשני מטרות: הפרדה חשמלית והסכמה של מתח. עם זאת, ממרכי 50/60 הרץ הם גדולים וכבירים. מומרים חשמליים משמשים לאפשר תאימות בין מערכות חשמל חדשות למערכות ישנות, תוך שימוש במושג הממיר החזק הסטטי (SST). על ידי שימוש ממיר תדר גבוה או בינוני, SSTים מצמצמים את גודל הממרך ומגישים צפיפות כוח גבוהה יותר בהשוואה לממרכים קונבנציונליים.
התקדמות בחומרים מגנטיים - בעלי צפיפות זרם גבוהה, יכולת כוח ותדר גבוהה, והפסדי כוח נמוכים - אפשרה לחוקרים לפתח SSTים בעלות צפיפות כוח גבוהה ויעילות. ברוב המקרים, המחקר התמקד בממרכים דו-פתיל מסורתיים. עם זאת, האינטגרציה הגוברת של ייצור מבוזר, יחד עם פיתוח רשתות חכמות ורשתות מיקרו, הוביל לתפיסה של ממרכי SST מרובים-פתחים (MPSST).
בכל פתח של המומר, משתמשים במומר גשר פעיל כפול (DAB), המנצל את האינדוקטנס הנשף של הממרך כאינדקטור של המומר. זה מצמצם את הגודל על ידי השמירה על צורך באינדקטורים נוספים ומפחית את ההפסדים. האינדוקטנס הנשף תלוי במקומם של הפתילים, גיאומטריית הליבה ומקדם הקישור, מה שמאכזיב את תכנון הממרך. בשליטה על הזזה של פאזה בשימוש במומרי DAB כדי להסדיר את זרימת הכוח בין הפתחים. עם זאת, ב-MPSST, הזזה של פאזה בפתח אחד משפיעה על זרימת הכוח בפתחים אחרים, מה שמגדיל את מורכבות השליטה עם מספר הפתחים. כתוצאה מכך, רוב המחקרים של MPSST מתמקדים במערכות עם שלושה פתחים.
המאמר מתמקד בתכנון ממיר חזק סטטי ליישומי רשת מיקרו. הממיר משלב ארבעה פתחים על ליבה מגנטית אחת. הוא פועל בתדר קפיצות של 50 ק"הרץ, כאשר כל פתח מדורג ל-25 קילוואט. תצורת הפתחים מייצגת מודל רשת מיקרו מציאותי הכולל רשת חשמל, מערכת אחסון אנרגיה, מערכת פוטו-וולטיית וביקוש מקומי. פתח הרשת פועל ב-4,160 VAC, בעוד שלושת הפתחים האחרים פועלים ב-400 V.
ארבעה פתחים SST
עיצוב הממיר
טבלה 1 מציגה חומרים שונים בשימוש בייצור ליבות ממרכים, יחד עם היתרונות והחסרונות שלהם. המטרה היא לבחור חומר שיכול לתמוך ב-25 קילוואט לכל פתח בתדר פעולה של 50 ק"הרץ. חומרים זמינים מסחרית לליבות ממרכים כוללים פלדת סיליקון, сплав без определенной структуры, פריט וננוקריסטלי. עבור היישום המטרה - ממיר בארבעה פתחים פועל בתדר של 50 ק"הרץ עם 25 קילוואט לכל פתח - צריך לזהות את חומר הליבה המתאים ביותר. על ידי ניתוח הטבלה, שניהם ננוקריסטלי ופריט נבחרו כמועמדים פוטנציאליים. עם זאת, ננוקריסטלי מפגין הפסדי כוח גבוהים בתדרי פעולה מעל 20 ק"הרץ. לכן, פריט נבחר בסופו של דבר כחומר הליבה של הממיר.
חומרים שונים לליבות ולמאפיינים שלהם
עיצוב ליבה של ממיר הוא גם קריטי, מאחר שהוא משפיע על קומפקטיות, צפיפות כוח וגודל כללי - אבל חשוב מכל, הוא משפיע על אינדוקטנס הנשף של הממיר. עבור ממיר דו-פתח של 330 קילוואט, 50 הרץ, השווween core-type and shell-type configurations, demonstrating that the shell-type configuration offers lower leakage inductance and smoother power flow. Therefore, a shell-type configuration will be used, with all four windings stacked concentrically on the center limb of the transformer, thereby improving the coupling coefficient.
מידות הליבה מסוג "קליפה" הן 186×152×30 מ"מ, והחומר הפריט המשמש הוא 3C94 בפורמט 4xU93×76×30 מ"מ. למתיחת הפתילים משמשים חוטי ליץ' הן עבור הפתחים במתח בינוני (MV) והן עבור הפתחים בזרם גבוה, המדורגים בהתאמה ל-3.42 אמפר ו-62.5 אמפר. עבור הפתחים במתח נמוך (LV), משמשים חוטים בגודל 16 AWG ו-4 AWG. מתיחה של הפתילים ב-LV משפרת את הקישור המגנטי.
לאחר השלמת עיצוב ה-MV MPSST המוצע, מבוצעות סימולציות באמצעות Maxwell-3D/Simplorer. מתחי הפתחים עבור הרשת הבינונית, אחסון האנרגיה, עומס ומערכות פוטו-וולטאיות מוגדרים בהתאמה ל-7.2 kVDC ו-400 VDC. הסימולציות מבוצעות תחת עומס מלא, עם פתח העומס המספק 25 קילוואט בתדר קפיצות של 50 ק"הרץ ומחזור עבודה של 50%. שליטה בכוח מושגת על ידי تعدΡυλεσις του φάσης μεταξύ των κυκλωφοριών μετατροπέα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο πίνακα. Διαφορετικά μοντέλα εμφανίζουν διαφορετικές χαρακτηριστικές, όπως μορφή πυρήνα, εμβαδόν διατομής, απώλεια και όγκος. Όπως φαίνεται στον πίνακα, το μοντέλο 7 δείχνει χαμηλότερη διαρροή αγωγιμότητας και υψηλότερη απόδοση.
Model and Simulation Results
Experimental Setup
הליבה נבנית באמצעות ארבע ליבות בצורת U שמתוכנן שכבה אחת. הליבה המלאה מורכבת משלוש שכבות עם פתילים הממוקמים על הגזע המרכזי. שלושת הפתילים של הפתחים במתח נמוך (LV) מתפתלים יחד כדי לשפר את הקישור. מומר גשר פעיל כפול (DAB) מתכנן כדי לבדוק את הממיר המוצע. בשימוש בתכנון המומר, משתמשים ב-SiC MOSFETs. עבור פתח המתח הבינוני (MV), מומש גשר מלבנים באמצעות דיודות SiC, שמחובר גם לבנק עומס 저ומני המדורג לנהל 7.2 kV.
מסקנות
המאמר מתמקד בתכנון ממיר חזק סטטי רב-פתחים בלחץ בינוני (MV MPSST) המאפשר את האינטגרציה של ארבע מקורות או עומסים שונים ביישומי רשת מיקרו. פתח אחד של הממיר הוא פתח בלחץ בינוני (MV) המדורג ל-4.16 kV AC. נבדקו מודלים שונים של ממרים וחומרים לליבה. בנוסף לתכנון הממיר, נבנו תצורות ניסוי עבור שני הפתחים MV ו-LV. השיגו יעילות של 99% בתאמת הניסוי.
