Projeto de um Transformador de Estado Sólido de Quatro Portas: Solução de Integração Eficiente para Microredes

O uso de eletrônica de potência na indústria está aumentando, desde aplicações em pequena escala, como carregadores de baterias e drivers de LED, até aplicações em larga escala, como sistemas fotovoltaicos (PV) e veículos elétricos. Geralmente, um sistema de energia consiste em três partes: usinas de energia, sistemas de transmissão e sistemas de distribuição. Tradicionalmente, transformadores de baixa frequência são usados para dois propósitos: isolamento elétrico e correspondência de tensão. No entanto, transformadores de 50/60 Hz são volumosos e pesados. Os conversores de energia são utilizados para permitir a compatibilidade entre novos e antigos sistemas de energia, aproveitando o conceito de transformadores de estado sólido (SST). Ao empregar conversão de energia de alta ou média frequência, os SSTs reduzem o tamanho do transformador e oferecem maior densidade de potência em comparação com transformadores convencionais.

Avanços nos materiais magnéticos, que apresentam alta densidade de fluxo, alta capacidade de potência e frequência, e baixas perdas de potência, permitiram aos pesquisadores desenvolver SSTs com alta densidade de potência e eficiência. Na maioria dos casos, as pesquisas se concentraram em transformadores de dupla bobina tradicionais. No entanto, a crescente integração da geração distribuída, juntamente com o desenvolvimento de redes inteligentes e microredes, levou ao conceito de transformadores de estado sólido multiporta (MPSST).

Em cada porta do conversor, é utilizado um conversor de ponte ativa dupla (DAB), que utiliza a indutância de fuga do transformador como indutor do conversor. Isso reduz o tamanho eliminando a necessidade de indutores adicionais e também diminui as perdas. A indutância de fuga depende da disposição das bobinas, da geometria do núcleo e do coeficiente de acoplamento, tornando o projeto do transformador mais complexo. O controle de deslocamento de fase é usado em conversores DAB para regular o fluxo de energia entre as portas. No entanto, em um MPSST, o deslocamento de fase em uma porta afeta o fluxo de energia nas outras portas, aumentando a complexidade do controle com o número de portas. Como resultado, a maioria das pesquisas sobre MPSST se concentra em sistemas de três portas.

Este artigo se concentra no design de um transformador de estado sólido para aplicações em microgrid. O transformador integra quatro portas em um único núcleo magnético. Opera a uma frequência de comutação de 50 kHz, com cada porta classificada para 25 kW. A configuração das portas representa um modelo realista de microgrid composto pela rede elétrica, sistema de armazenamento de energia, sistema fotovoltaico e carga local. A porta da rede opera a 4.160 VAC, enquanto as outras três portas operam a 400 V.

Transformador de Estado Sólido de Quatro Portas

Design do Transformador

A Tabela 1 mostra diversos materiais comumente utilizados na fabricação de núcleos de transformadores, junto com suas vantagens e desvantagens. O objetivo é selecionar um material capaz de suportar 25 kW por porta a uma frequência de operação de 50 kHz. Os materiais de núcleo de transformador comercialmente disponíveis incluem aço silício, liga amorfa, ferrita e nanocristalino. Para a aplicação alvo, um transformador de quatro portas operando a 50 kHz com 25 kW por porta, o material de núcleo mais adequado deve ser identificado. Analisando a tabela, tanto o nanocristalino quanto a ferrita são pré-selecionados como candidatos potenciais. No entanto, o nanocristalino exibe maiores perdas de potência em frequências de comutação acima de 20 kHz. Portanto, a ferrita é finalmente selecionada como o material de núcleo para o transformador.

Diferentes Materiais de Núcleo e Suas Características

O design do núcleo do transformador também é crítico, pois afeta a compactação, a densidade de potência e o tamanho geral, mas, principalmente, influencia a indutância de fuga do transformador. Para um transformador de duas portas de 330 kW, 50 Hz, foram comparadas formas de núcleo como tipo-núcleo e tipo-cápsula, demonstrando que a configuração tipo-cápsula oferece menor indutância de fuga e fluxo de potência mais suave. Portanto, será usada uma configuração tipo-cápsula, com todas as quatro bobinas empilhadas concêntricamente no membro central do transformador, melhorando assim o coeficiente de acoplamento.

O núcleo tipo-cápsula mede 186×152×30 mm, e o material de ferrite usado é 3C94 em uma configuração de 4xU93×76×30 mm. Fio Litz é usado para enrolar tanto as portas de média tensão (MV) e alta corrente, classificadas para 3,42 A e 62,5 A, respectivamente. Para as portas de baixa tensão (LV), são utilizados fios de 16 AWG e 4 AWG. Torcer as bobinas de LV juntas melhora ainda mais o acoplamento magnético.

Após concluir o design proposto do MV MPSST, são realizadas simulações com Maxwell-3D/Simplorer. As tensões das portas para a rede de média tensão, sistema de armazenamento de energia, carga e sistema fotovoltaico são definidas em 7,2 kVDC e 400 VDC, respectivamente. As simulações são conduzidas sob carga total, com a porta de carga fornecendo 25 kW a uma frequência de comutação de 50 kHz e um ciclo de trabalho de 50%. O controle de potência é alcançado ajustando o deslocamento de fase entre as células do conversor. Os resultados são apresentados na tabela. Diferentes modelos exibem características variadas, como forma do núcleo, área da seção transversal, perdas e volume. Como mostrado na tabela, o Modelo 7 demonstra menor indutância de fuga e maior eficiência.

Modelo e Resultados da Simulação

Configuração Experimental

O núcleo é construído usando quatro núcleos em forma de U montados em uma camada. O núcleo completo consiste em três camadas com as bobinas colocadas no membro central. As três bobinas das portas de baixa tensão (LV) são enroladas juntas para melhorar o acoplamento. Um conversor de ponte ativa dupla (DAB) é projetado para testar o transformador proposto. São usados MOSFETs de SiC no design do conversor. Para a porta de média tensão (MV), é implementada uma ponte retificadora usando diodos de SiC, que também está conectada a um banco de carga resistiva classificado para lidar com 7,2 kV.

Conclusão

Este artigo se concentra no design de um transformador de estado sólido de quatro portas de média tensão (MV MPSST) que permite a integração de quatro fontes ou cargas diferentes em aplicações de microgrid. Uma das portas do transformador é uma porta de média tensão (MV) classificada para 4,16 kV AC. Foram revisados vários modelos de transformadores e materiais de núcleo. Além do design do transformador, foram desenvolvidas configurações de teste para as portas de MV e LV. Uma eficiência de 99% foi alcançada na validação experimental.