Төрт порттың жұмысқа асырылған түрдегі трансформаторының құрылымдауы: Микротармандар үшін еңбекке қолданылатын ыңғайлы интеграциялық шешім

Электрондық энергия технологияларының өнімдеріндегі қолданысы артып жатыр, батарея зарядқыштары мен LED драйверлері сияқты кішкентай өлшемді қолданбалардан бастап, фотоэлектрлық (PV) жүйелер мен электр жүргізушілер сияқты ірі өлшемді қолданбаларға дейін. Адатта, энергиялық жүйе үш бөліктен тұрады: электр станциялары, өткізу жүйелері және тарату жүйелері. Мұнда, низкотиң есептеулері екі мақсатта қолданылады: электрдік изоляция және напряжение сәйкестендіру. Бірақ, 50/60 Гц трансформаторлар өте көп және жеңіл. Энергиялық конвертерлер тұратын және жаңа және ескі энергиялық жүйелердің сәйкестендіруін жасайтын тұрақты құрылғылар (SST) ұғымын пайдаланады. Жоғары немесе орта дауысты энергиялық айналу арқылы SST-лер әдеттегі трансформаторларға қарағанда өлшемін азайтып, және жоғары энергия тығыздығын береді.

Магниттік материалдардың өркениеттілігі - жоғары магниттық потенциал, жоғары энергия және дауыстық қабілеті, төмен энергиялық жоюлар - зерттеушілерге жоғары энергия тығыздығы және өнімділікті SST-лер құрастыруға мүмкіндік береді. Көбінесе, зерттеулер әдеттегі екі витокты трансформаторларға бағытталған. Бірақ, таратылған өндірудің өсуі, ақылды шектер және микрошектердің өркениеті SST-лердің көптеген порттары (MPSST) ұғымына әкелді.

Конвертердің әр портында, екі активті мост (DAB) конвертер қолданылады, ол трансформатордың затылдың индуктивтілігін конвертердің индукторы ретінде қолданады. Бұл затылдың индуктивтілігіне тәуелді болып, индукторлардың қосымша қажеттілігін жою арқылы өлшемді азайтуға және жоюларды азайтуға мүмкіндік береді. Затылдың индуктивтілігі витоктың орналасуына, ядроның геометриясына және көбейтінді коэффициентіне тәуелді болып, трансформатордың құрылымын қиындыртады. DAB конвертерлерінде фазалық ауытқу қозғалысын қолдану арқылы порттардың арасында энергиялық ақысын регулировать етеді. Бірақ MPSST-те, бір порттағы фазалық ауытқу басқа порттардағы энергиялық ақысына әсер етеді, порттар саны артқан сайын басқару қиындығы артады. Сондықтан, MPSST зерттеулерінің көбі үш порттық жүйелерге арналған.

Бұл мәселенің негізгі назары микрошектер қолданысы үшін тұрақты құрылғыларды құрастыруға бағытталған. Трансформатор бір магниттік ядродан тұратын төрт портты біріктіреді. Ол 50 кГц деңгейде жұмыс істейді, әр порт 25 кВт-ға құрылған. Порттардың құрылымы нақты микрошек модельді білдіреді, ол коммунальдық шек, энергия сақтау жүйесі, фотоэлектрлық жүйе және жергілікті жүктерден тұрады. Шек порты 4,160 ВАС деңгейде жұмыс істейді, ал басқа үш порт 400 В деңгейде жұмыс істейді.

Төрт Портты SST

Трансформатордың Құрылымы

1-суретте трансформатордың ядроларын өндіру үшін әртүрлі кездесетін материалдар, олардың қолайлы және қолайсыз аспекттері көрсетілген. Мақсат - әр порт үшін 25 кВт-ға 50 кГц деңгейде қолданылатын материалды таңдау. Сатылымдағы трансформатордың ядро материалдары силицид лигнит, аморфты сплав, феррит және нанокристалл болады. Мақсатты қолданба үшін - 50 кГц деңгейде жұмыс істеуі, әр порт үшін 25 кВт-ға төрт портты трансформатор - ең қолайлы ядро материалы анықталуы керек. Суретті талдап, нанокристалл және феррит потенциалды кандидаттар ретінде таңдалады. Бірақ, нанокристалл 20 кГц-тен жоғары деңгейде жоғары энергиялық жоюларды көрсетеді. Сондықтан, феррит трансформатордың ядро материалы ретінде таңдалады.

Арнайы Ядро Материалдары және Олардың Қасиеттері

Трансформатордың ядро құрылымы да маңызды, себебі ол компакттылыққа, энергия тығыздығына және жалпы өлшемге әсер етеді - бірақ ең маңыздысы, трансформатордың затылдың индуктивтілігіне әсер етеді. 330 кВт, 50 Гц екі портты трансформатор үшін, ядро типтерінің, мүшелерінің салыстырылған, олардың ішінде шелекті құрылымы затылдың индуктивтілігін азайту және энергиялық ақысын жақсарту үшін ыңғайлы. Сондықтан, шелекті құрылым қолданылады, трансформатордың орталық мүшесінде төрт виток концентрикалық түрде жабыстырылады, сонымен қосылғыш коэффициент қалыптасады.

Шелекті ядро өлшемі 186×152×30 мм, феррит материалы 3C94 қолданылады, 4xU93×76×30 мм құрылымында. Литц қатынасы орта напряжение (MV) және жоғары ақым порттары үшін қолданылады, олар 3.42 А және 62.5 А өлшемдерінде құрылған. Төмен напряжение (LV) порттары үшін 16 AWG және 4 AWG проводтар қолданылады. LV витоктарын бір-бірімен айналыстыру магниттік қосылғышты жақсартады.

Өнімді MV MPSST құрылымы аяқталғаннан кейін, Maxwell-3D/Simplorer моделилеулер жүргізіледі. Орта напряжение шектері, энергия сақтау, жүк және фотоэлектрлық жүйелердің порт напряжениелері 7.2 кВДЦ және 400 ВДЦ деңгейлеріне қойылады. Моделилеулер толық жүкте, 50 кГц деңгейде, 50% duty cycle үшін жүк порты 25 кВт береді. Энергиялық ақысты қолдану үшін конвертер модулдерінің фазалық ауытқуы арқылы қозғалыс беріледі. Нәтижелер суретте көрсетіледі. Арнайы моделдер өзара әртүрлі қасиеттері бар, мысалы, ядро құрылымы, кескіндік ауданы, жоюлар және көлем. Суретте көрсетілгендей, 7-модель төмен затылдың индуктивтілігі және жоғары өнімділікке ие.

Модель және Моделилеу Нәтижелері

Эксперименттік Ұйымдастыру

Ядро төрт U-формасындағы ядролардан тұратын бір катманнан құрылған. Толық ядро үш катманнан тұрады, оның орталық мүшесінде витоктар қойылады. Үш төмен напряжение (LV) порт витоктары бір-бірімен айналыстырылып, қосылғышты жақсарту үшін қойылады. Двухактивный мост (DAB) конвертер ұсынылған трансформаторды тексеру үшін құрылған. Конвертердің дизайнінде SiC MOSFET-тер қолданылады. Орта напряжение (MV) порт үшін, SiC диоддары арқылы ректификаторлық мост қолданылады, ол 7.2 кВ напряжениеға қабылтайтын реактивті жүк банкіне байланысады.

Жалпылау

Бұл мәселенің негізгі назары төрт портты орта напряжение MPSST-нің құрылымына арналған, ол микрошектер қолданбаларында төрт әртүрлі барлық немесе жүктерді біріктіру үшін қолданылады. Трансформатордың бір порты 4.16 кВ АС деңгейде орналасқан орта напряжение (MV) порты. Арнайы трансформатор моделдері мен ядро материалдары қарастырылды. Трансформатордың құрылымына қоса, MV және LV порттары үшін тексеру құрылымдары құрылды. Эксперименттік тексеру арқылы 99% өнімділік жетілдірілді.