चार पोर्ट ठोस अवस्था ट्रान्सफार्मरको डिजाइन: माइक्रोग्रिड्सको लागि सुभएकीकरण समाधान
पावर इलेक्ट्रोनिक्सको प्रदेशमा प्रयोग बढ्दै गएको छ, जसको माध्यम से छोटो-पैमानाका अनुप्रयोगहरू र बडा-पैमानाका अनुप्रयोगहरू जस्तै बैटरी को चार्जरहरू र LED ड्रायवरहरू, फोटोवोल्टेइक (PV) प्रणालीहरू र इलेक्ट्रिक वाहनहरू। सामान्यतया, एउटा पावर प्रणाली तीन भागहरू भइरहन्छ: पावर प्लान्टहरू, प्रसारण प्रणालीहरू, र वितरण प्रणालीहरू। परम्परागत रूपमा, निम्न आवृत्तिको ट्रान्सफार्मरहरू दुई उद्देश्यहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ: विद्युतीय अलगाव र वोल्टेज मिलाउन। हाल, 50-/60-हर्ट्जको ट्रान्सफार्मरहरू ठूलो र भारी छन्। पावर कन्वर्टरहरू नयाँ र पुराना पावर प्रणालीहरूबीचको संगतता सुनिश्चित गर्न प्रयोग गरिन्छ, जसले सोलिड-स्टेट ट्रान्सफार्मर (SST) को अवधारणा लागू गर्छ। उच्च- वा मध्यम-आवृत्तिको पावर कन्वर्सन प्रयोग गरेर, SSTहरू पारम्परिक ट्रान्सफार्मरहरूभन्दा छोटो आकार र उच्च घनत्व उपलब्ध गर्छन्।
चुम्बकीय सामग्रीका विकास—जसमा उच्च फ्लक्स घनत्व, उच्च शक्ति र आवृत्ति क्षमता, र निम्न शक्ति हानी छ—अनुसन्धानकर्ताहरूलाई उच्च घनत्व र दक्षता सहित SSTहरू विकास गर्न सक्षम बनाएको छ। अधिकांश स्थितिमा, अनुसन्धान ऐतिहासिक दोहोरी विन्डिङ ट्रान्सफार्मरहरूमा केन्द्रित भएको छ। हाल, वितरित उत्पादनको बढी एकीकरण, साथै स्मार्ट ग्रिडहरू र माइक्रोग्रिडहरूको विकास, बहु-पोर्ट सोलिड-स्टेट ट्रान्सफार्मर (MPSST) को अवधारणालाई ल्याएको छ।
कन्वर्टरको प्रत्येक पोर्टमा, दोहोरी सक्रिय ब्रिज (DAB) कन्वर्टर प्रयोग गरिन्छ, जसले ट्रान्सफार्मरको लीकेज इन्डक्टन्सलाई कन्वर्टरको इन्डक्टरको रूपमा प्रयोग गर्छ। यो अतिरिक्त इन्डक्टरहरूको आवश्यकता लागेको नहुने र निम्न हानी उपलब्ध गर्छ। लीकेज इन्डक्टन्स विन्डिङ रखने स्थान, कोर ज्यामिति, र कप्लिङ गुणांकमा निर्भर छ, जसले ट्रान्सफार्मर डिझाइनलाई अधिक जटिल बनाउँछ। DAB कन्वर्टरहरूमा फेज शिफ्ट नियन्त्रण प्रयोग गरिन्छ जसले पोर्टहरूबीचको शक्ति प्रवाह नियन्त्रण गर्छ। हाल, MPSSTमा एक पोर्टमा फेज शिफ्ट अन्य पोर्टहरूमा शक्ति प्रवाहलाई प्रभाव दिन्छ, जसले पोर्टहरूको संख्याबाट नियन्त्रण जटिल बनाउँछ। त्यसैले, धेरै MPSST अनुसन्धान तीन-पोर्ट प्रणालीमा केन्द्रित छ।
यो लेख एक सोलिड-स्टेट ट्रान्सफार्मरको डिझाइनमा केन्द्रित छ जसको उपयोग माइक्रोग्रिड अनुप्रयोगहरूमा गरिन्छ। ट्रान्सफार्मरले एक एक्स चुम्बकीय कोरमा चार पोर्टहरू समावेश गर्छ। यो 50 किलोहर्ट्जको स्विचिङ आवृत्तिमा काम गर्छ, जसको प्रत्येक पोर्ट 25 kW रेटिंग छ। पोर्ट रचना वास्तविक माइक्रोग्रिड मॉडल जस्तै बिजली ग्रिड, ऊर्जा स्टोरेज सिस्टम, फोटोवोल्टेइक सिस्टम, र स्थानीय लोडहरू समावेश गर्छ। ग्रिड पोर्ट 4,160 VACमा काम गर्छ, र अन्य तीन पोर्टहरू 400 Vमा काम गर्छन्।
चार-पोर्ट एसएसटी
ट्रान्सफार्मर डिझाइन
टेबल 1 ट्रान्सफार्मर कोर बनाउनका लागि विभिन्न सामान्य रूपमा प्रयोग गरिने सामग्रीहरू र उनीहरूको फाइदा र हानिहरू देखाउँछ। उद्देश्य एक सामग्री चयन गर्न छ जसले 50 किलोहर्ट्जको संचालन आवृत्तिमा प्रत्येक पोर्टले 25 kW समर्थन गर्न सक्छ। व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध ट्रान्सफार्मर कोर सामग्रीहरू सिलिकन स्टील, अमोर्फस लोहालोहाँ, फेराइट, र नैनोक्रिस्टालिन छन्। लक्ष्य अनुप्रयोग—50 किलोहर्ट्जमा संचालन गर्ने चार-पोर्ट ट्रान्सफार्मर जसको प्रत्येक पोर्ट 25 kW रेटिंग छ—सबैभन्दा उपयुक्त कोर सामग्री पत्ता लगाउनुपर्छ। टेबल विश्लेषण गर्दा, नैनोक्रिस्टालिन र फेराइट दुई उम्मीदवारहरू छन्। हाल, नैनोक्रिस्टालिन 20 किलोहर्ट्जभन्दा उच्च स्विचिङ आवृत्तिमा उच्च शक्ति हानी देखाउँछ। त्यसैले, फेराइट ट्रान्सफार्मरको कोर सामग्रीको लागि अन्तिम रूपमा चयन गरिन्छ।
विभिन्न कोर सामग्रीहरू र उनीहरूको विशेषताहरू
ट्रान्सफार्मर कोर डिझाइन पनि महत्वपूर्ण छ, किनभने यो सघनता, शक्ति घनत्व, र समग्र आकारमा प्रभाव फलाउँछ—तर सबैभन्दा महत्वपूर्ण छ, यो ट्रान्सफार्मरको लीकेज इन्डक्टन्समा प्रभाव फलाउँछ। 330 kW, 50 हर्ट्जको दोहोरी-पोर्ट ट्रान्सफार्मरका लागि, कोर-टाइप र शेल-टाइप जस्ता कोर आकारहरू तुलना गरिएको छ, जसले देखाउँछ शेल-टाइप रचनाले निम्न लीकेज इन्डक्टन्स र निर्विकार शक्ति प्रवाह उपलब्ध गर्छ। त्यसैले, शेल-टाइप रचना प्रयोग गरिनेछ, जसमा ट्रान्सफार्मरको केन्द्रीय लिम्बमा सबै चार विन्डिङहरू संकेन्द्रित रूपमा रखिएका छन्, जसले कप्लिङ गुणांकलाई सुधार गर्छ।
शेल-टाइप कोरको आकार 186×152×30 mm छ, र प्रयोग गरिने फेराइट सामग्री 3C94 4xU93×76×30 mm रचनामा छ। मध्यम-वोल्टेज (MV) र उच्च-प्रवाह पोर्टहरूको लागि लिट्ज वायर प्रयोग गरिन्छ, जसको रेटिंग क्रमशः 3.42 A र 62.5 A छ। निम्न-वोल्टेज (LV) पोर्टहरूको लागि 16 AWG र 4 AWG वायर प्रयोग गरिन्छ। LV विन्डिङहरूलाई एकैसाथ ट्विस्ट गर्ने चाल चुम्बकीय कप्लिङलाई सुधार गर्छ।
प्रस्तावित MV MPSST डिझाइन पूरा गर्ने बाद, Maxwell-3D/Simplorer सिमुलेशनहरू गरिन्छ। मध्यम-वोल्टेज ग्रिड, ऊर्जा स्टोरेज, लोड, र फोटोवोल्टेइक सिस्टमको लागि पोर्ट वोल्टेजहरूलाई क्रमशः 7.2 kVDC र 400 VDC रेटिंग गरिन्छ। सिमुलेशनहरू पूर्ण लोडमा गरिन्छ, जहाँ लोड पोर्ट 50 किलोहर्ट्जको स्विचिङ आवृत्तिमा 25 kW दिन्छ र 50% ड्यूटी साइकिल छ। शक्ति नियन्त्रण कन्वर्टर सेलहरूबीचको फेज शिफ्ट बदल्दै प्राप्त गरिन्छ। नतिजाहरू टेबलमा प्रस्तुत गरिन्छ। विभिन्न मॉडलहरू विभिन्न विशेषताहरू जस्तै कोर आकार, क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र, हानी, र आयतन देखाउँछ। टेबलमा देखिन्छ, मॉडल 7 निम्न लीकेज इन्डक्टन्स र उच्च दक्षता देखाउँछ।
मॉडल र सिमुलेशन नतिजाहरू
प्रयोगात्मक व्यवस्थापन
कोर चार U-आकारको कोरहरू एक लेयरमा जोडेर बनाइन्छ। पूरा कोर तीन लेयरहरू समावेश गर्छ जसमा केन्द्रीय लिम्बमा विन्डिङहरू राखिएका छन्। तीन निम्न-वोल्टेज (LV) पोर्ट विन्डिङहरूलाई एकैसाथ राखिएका छन् जसले कप्लिङलाई सुधार गर्छ। दोहोरी सक्रिय ब्रिज (DAB) कन्वर्टर डिझाइन गरिएको छ जसले प्रस्तावित ट्रान्सफार्मरको परीक्षण गर्छ। कन्वर्टर डिझाइनमा SiC MOSFETs प्रयोग गरिन्छ। मध्यम-वोल्टेज (MV) पोर्टको लागि, SiC डायोडहरू द्वारा एक रेक्टिफायर ब्रिज लागू गरिन्छ, जसले 7.2 kV रेटिंग भएको रेजिस्टिभ लोड बँकसँग जोडिन्छ।
निष्कर्ष
यो लेख चार-पोर्ट मध्यम-वोल्टेज बहु-पोर्ट सोलिड-स्टेट ट्रान्सफार्मर (MV MPSST) को डिझाइनमा केन्द्रित छ जसले माइक्रोग्रिड अनुप्रयोगहरूमा चार भिन्न स्रोतहरू वा लोडहरूको एकीकरण सुनिश्चित गर्छ। ट्रान्सफार्मरको एक पोर्ट 4.16 kV AC रेटिंग भएको मध्यम-वोल्टेज (MV) पोर्ट हो। विभिन्न ट्रान्सफार्मर मॉडलहरू र कोर सामग्रीहरू समीक्षा गरिएका छन्। ट्रान्सफार्मर डिझाइनको अलावा, MV र LV पोर्टहरूको लागि परीक्षण व्यवस्थापनहरू विकसित गरिएका छन्। प्रयोगात्मक प्रमाणितमा 99% दक्षता प्राप्त भएको छ।
