Progettazione di un Trasformatore a Stato Solido a Quattro Porte: Soluzione di Integrazione Efficiente per Microreti

L'uso dell'elettronica di potenza nell'industria è in aumento, andando dalle applicazioni su piccola scala come i caricabatterie e gli alimentatori per LED, alle applicazioni su larga scala come i sistemi fotovoltaici (PV) e i veicoli elettrici. Tipicamente, un sistema di potenza è composto da tre parti: centrali elettriche, sistemi di trasmissione e sistemi di distribuzione. Tradizionalmente, i trasformatori a bassa frequenza vengono utilizzati per due scopi: l'isolamento elettrico e l'adattamento della tensione. Tuttavia, i trasformatori a 50/60 Hz sono ingombranti e pesanti. I convertitori di potenza vengono utilizzati per consentire la compatibilità tra nuovi e vecchi sistemi di potenza, sfruttando il concetto di trasformatori a stato solido (SST). Utilizzando la conversione di potenza ad alta o media frequenza, gli SST riducono le dimensioni del trasformatore e offrono una densità di potenza superiore rispetto ai trasformatori tradizionali.

I progressi nei materiali magnetici, caratterizzati da alta densità di flusso, alta capacità di potenza e frequenza, e basse perdite di potenza, hanno permesso ai ricercatori di sviluppare SST con alta densità di potenza ed efficienza. In gran parte dei casi, la ricerca si è concentrata sui trasformatori tradizionali a doppio avvolgimento. Tuttavia, l'integrazione crescente delle generazioni distribuite, insieme allo sviluppo di reti intelligenti e micro-reti, ha portato al concetto di trasformatori a stato solido multi-porta (MPSST).

In ciascuna porta del convertitore viene utilizzato un convertitore a doppio ponte attivo (DAB), che sfrutta l'induttanza di fuga del trasformatore come induttore del convertitore. Ciò riduce le dimensioni eliminando la necessità di induttori aggiuntivi e riduce anche le perdite. L'induttanza di fuga dipende dal posizionamento degli avvolgimenti, dalla geometria del nucleo e dal coefficiente di accoppiamento, rendendo la progettazione del trasformatore più complessa. Il controllo dello sfasamento viene utilizzato nei convertitori DAB per regolare il flusso di potenza tra le porte. Tuttavia, in un MPSST, lo sfasamento in una porta influenza il flusso di potenza nelle altre porte, aumentando la complessità del controllo con il numero di porte. Di conseguenza, la maggior parte della ricerca sugli MPSST si concentra sui sistemi a tre porte.

Questo articolo si concentra sulla progettazione di un trasformatore a stato solido per applicazioni in micro-reti. Il trasformatore integra quattro porte su un singolo nucleo magnetico. Opera ad una frequenza di commutazione di 50 kHz, con ciascuna porta tarata per 25 kW. La configurazione delle porte rappresenta un modello realistico di micro-rete composto dalla rete di distribuzione, dal sistema di accumulo energetico, dal sistema fotovoltaico e dal carico locale. La porta della rete opera a 4.160 VAC, mentre le altre tre porte operano a 400 V.

Trasformatore a Stato Solido a Quattro Porte

Progettazione del Trasformatore

La tabella 1 mostra vari materiali comunemente utilizzati per la fabbricazione dei nuclei dei trasformatori, insieme ai loro vantaggi e svantaggi. L'obiettivo è selezionare un materiale in grado di supportare 25 kW per porta ad una frequenza di funzionamento di 50 kHz. I materiali commercialmente disponibili per i nuclei dei trasformatori includono acciaio silicio, lega amorfa, ferrite e nanocristallino. Per l'applicazione di destinazione, un trasformatore a quattro porte operante a 50 kHz con 25 kW per porta, deve essere identificato il materiale nucleo più adatto. Analizzando la tabella, sia il nanocristallino che la ferrite sono selezionati come potenziali candidati. Tuttavia, il nanocristallino presenta perdite di potenza superiori a frequenze di commutazione superiori a 20 kHz. Pertanto, la ferrite viene definitivamente selezionata come materiale del nucleo del trasformatore.

Diversi Materiali Nucleo e Le Loro Caratteristiche

La progettazione del nucleo del trasformatore è critica, in quanto influisce sulla compattezza, la densità di potenza e le dimensioni totali, ma soprattutto sulle perdite di induttanza di fuga. Per un trasformatore a due porte da 330 kW a 50 Hz, sono stati confrontati diversi tipi di nucleo, dimostrando che la configurazione a guscio offre un'induttanza di fuga inferiore e un flusso di potenza più omogeneo. Pertanto, verrà utilizzata una configurazione a guscio, con tutti e quattro gli avvolgimenti sovrapposti concentricamente sul braccio centrale del trasformatore, migliorando così il coefficiente di accoppiamento.

Il nucleo a guscio misura 186×152×30 mm, e il materiale ferrite utilizzato è 3C94 in una configurazione 4xU93×76×30 mm. Per l'avvolgimento sia delle porte a media tensione (MV) che di quelle ad alta corrente, viene utilizzato filo Litz, tarato rispettivamente a 3.42 A e 62.5 A. Per le porte a bassa tensione (LV), vengono impiegati fili AWG 16 e AWG 4. Avvolgere insieme le spire LV migliora ulteriormente l'accoppiamento magnetico.

Dopo aver completato la progettazione proposta del MV MPSST, vengono eseguiti simulazioni Maxwell-3D/Simplorer. Le tensioni alle porte per la rete a media tensione, il sistema di accumulo energetico, il carico e il sistema fotovoltaico sono impostate rispettivamente a 7.2 kVDC e 400 VDC. Le simulazioni vengono condotte a pieno carico, con la porta di carico che fornisce 25 kW ad una frequenza di commutazione di 50 kHz e un ciclo di lavoro del 50%. Il controllo del potere viene ottenuto regolando lo sfasamento tra le celle convertitrici. I risultati sono presentati nella tabella. Diversi modelli mostrano caratteristiche diverse come forma del nucleo, area sezione, perdite e volume. Come mostrato nella tabella, il Modello 7 dimostra un'induttanza di fuga inferiore e un'efficienza superiore.

Risultati dei Modelli e delle Simulazioni

Impianto Sperimentale

Il nucleo è costruito utilizzando quattro nuclei a U assemblati in un unico strato. Il nucleo completo consiste in tre strati con avvolgimenti posizionati sul braccio centrale. Gli avvolgimenti delle tre porte a bassa tensione (LV) sono avvolti insieme per migliorare l'accoppiamento. Viene progettato un convertitore a doppio ponte attivo (DAB) per testare il trasformatore proposto. Nel design del convertitore vengono utilizzati MOSFET SiC. Per la porta a media tensione (MV), viene implementato un ponte raddrizzatore utilizzando diodi SiC, collegato anche a una banca di carichi resistivi tarata per gestire 7.2 kV.

Conclusione

Questo articolo si concentra sulla progettazione di un trasformatore a stato solido a quattro porte a media tensione (MV MPSST) che consente l'integrazione di quattro diverse sorgenti o carichi in applicazioni di micro-reti. Una porta del trasformatore è una porta a media tensione (MV) tarata per 4.16 kV AC. Sono stati esaminati vari modelli di trasformatori e materiali del nucleo. Oltre alla progettazione del trasformatore, sono stati sviluppati impianti di prova per entrambe le porte MV e LV. È stata raggiunta un'efficienza del 99% nella validazione sperimentale.