چار پورٹ سولڈ اسٹیٹ ٹرانسفارمر کا ڈیزائن: مائیکروگرڈز کے لئے کارآمد تکمیل کا حل

صنعت میں برقیات کا استعمال بڑھ رہا ہے، چارجرز اور LED ڈرائیورز جیسے چھوٹے سطح کے اطلاقیات سے لے کر فوٹوولٹک (PV) نظاموں اور برقی وسائل تک۔ عام طور پر، برقی نظام تین حصوں پر مشتمل ہوتا ہے: برق کی پلانٹس، نقل و حمل کے نظام، اور تقسیم کے نظام۔ روایتی طور پر، کم فریکوئنسی ترانسفورمر دو مقاصد کے لئے استعمال ہوتا ہے: برقی علاحدگی اور ولٹیج کی مطابقت۔ البتہ، 50/60-Hz ترانسفورمر بھاری اور وزنی ہوتے ہیں۔ برقی کنورٹرز نئے اور قدیم برقی نظاموں کے درمیان مطابقت کو ممکن بنانے کے لئے استعمال کیے جاتے ہیں، صلبی ریڈیو ترانسفورمرز (SST) کے مفہوم کا استفادہ کرتے ہوئے۔ بالکل یا درمیانہ فریکوئنسی کے برقی کنورژن کا استعمال کرتے ہوئے، SSTs کے ذریعے ترانسفورمر کا سائز کم کیا جاتا ہے اور روایتی ترانسفورمرز کے مقابلے میں زیادہ قدرت کی گنجائش پیدا کرتا ہے۔

مغناطیسی مواد میں ترقی—جو زیادہ فلکس گنجائش، زیادہ قدرت اور فریکوئنسی کی قابلیت، اور کم برقی نقصانات کے ساتھ خصوصیات رکھتے ہیں—نے محققین کو زیادہ قدرت کی گنجائش اور کارکردگی کے ساتھ SSTs تیار کرنے کی اجازت دی ہے۔ زیادہ تر موارد میں، تحقیق روایتی دوپیچ ترانسفورمرز پر مرکوز ہوتی ہے۔ البتہ، تقسیم شدہ تولید کی بڑھتی ہوئی تکامل، ساتھ ہی سمارٹ گرڈز اور مائیکروگرڈز کی ترقی کے ساتھ، کئی پورٹ والے صلبی ریڈیو ترانسفورمرز (MPSST) کے مفہوم کی پیداوار ہوئی ہے۔

کنورٹر کے ہر پورٹ پر، دو فعال پلیج (DAB) کنورٹر کا استعمال کیا جاتا ہے، جو ترانسفورمر کی لیکیج انڈکٹنس کو کنورٹر کے انڈکٹر کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ یہ اضافی انڈکٹرز کی ضرورت کو ختم کرتے ہوئے سائز کو کم کرتا ہے اور نقصانات کو بھی کم کرتا ہے۔ لیکیج انڈکٹنس پیچ کی جگہ، کور کی جیومیٹری، اور کپلنگ کوافیشینٹ پر منحصر ہوتا ہے، جس سے ترانسفورمر کی ڈیزائن میں پیچیدگی بڑھتی ہے۔ DAB کنورٹرز میں فیز شفٹ کنٹرول کا استعمال پورٹوں کے درمیان برقی کنٹرول کے لئے کیا جاتا ہے۔ البتہ، MPSST میں، ایک پورٹ پر فیز شفٹ دیگر پورٹوں پر برقی کنٹرول کو متاثر کرتا ہے، پورٹوں کی تعداد کے ساتھ کنٹرول کی پیچیدگی بڑھتی ہے۔ اس کے نتیجے میں، زیادہ تر MPSST تحقیق تین پورٹ نظاموں پر مرکوز ہوتی ہے۔

یہ مقالہ مائیکروگرڈ کے اطلاقیات کے لئے ایک صلبی ریڈیو ترانسفورمر کی ڈیزائن پر مرکوز ہے۔ ترانسفورمر ایک میگنیٹک کور پر چار پورٹوں کو شامل کرتا ہے۔ یہ 50 kHz کی سوئچنگ فریکوئنسی پر کام کرتا ہے، ہر پورٹ 25 kW کے لئے مقرر ہوتا ہے۔ پورٹ کی ترتیب حقیقی مائیکروگرڈ کے ماڈل کو ظاہر کرتی ہے جس میں یونٹی گرڈ، توانائی کا ذخیرہ نظام، فوٹوولٹک نظام، اور مقامی لاڈ شامل ہوتے ہیں۔ گرڈ پورٹ 4,160 VAC پر کام کرتا ہے، جبکہ باقی تین پورٹ 400 V پر کام کرتے ہیں۔

چار پورٹ SST

ترانسفورمر کی ڈیزائن

جدول 1 میں مختلف عام طور پر استعمال ہونے والے مواد ترانسفورمر کے کور کی تیاری کے لئے درج ہیں، ساتھ ہی ان کے فوائد اور نقصانات بھی۔ مقصد یہ ہے کہ 50 kHz کی کام کرنے کی فریکوئنسی پر ہر پورٹ کے لئے 25 kW کو سپورٹ کرنے کے قابل مواد کا انتخاب کیا جائے۔ تجارتی طور پر دستیاب ترانسفورمر کے کور کے مواد میں سیلیکون سٹیل، امورفوس آلائی، فیرائٹ، اور نانوکرسٹال شامل ہیں۔ مقصد کے اطلاقیات کے لئے—چار پورٹ والے ترانسفورمر کو 50 kHz کی فریکوئنسی پر ہر پورٹ کے لئے 25 kW کے ساتھ کام کرنا—سب سے مناسب کور کا مواد تلاش کیا جانا چاہئے۔ جدول کے مطالعے کے بعد، نانوکرسٹال اور فیرائٹ دونوں کو محتمل متبادل کے طور پر منتخب کیا جاتا ہے۔ البتہ، نانوکرسٹال 20 kHz سے زیادہ سوئچنگ فریکوئنسی پر زیادہ برقی نقصانات ظاہر کرتا ہے۔ اس لیے، فیرائٹ کو آخر کار ترانسفورمر کے کور کا مواد کے طور پر منتخب کیا جاتا ہے۔

مختلف کور کے مواد اور ان کی خصوصیات

ترانسفورمر کے کور کی ڈیزائن بھی اہم ہے، کیونکہ یہ چھوٹا سائز، قدرت کی گنجائش، اور کل سائز کو متاثر کرتا ہے—لیکن سب سے زیادہ اہم ہے کہ یہ ترانسفورمر کی لیکیج انڈکٹنس کو متاثر کرتا ہے۔ 330-kW، 50-Hz دوپیچ ترانسفورمر کے لئے کور کی شکلیں جیسے کور-ٹائپ اور شیل-ٹائپ کا موازنہ کیا گیا ہے، جس نے ظاہر کیا ہے کہ شیل-ٹائپ کی ترتیب کم لیکیج انڈکٹنس اور مسلس برقی کنٹرول پیش کرتی ہے۔ اس لیے، شیل-ٹائپ کی ترتیب کا استعمال کیا جائے گا، جس میں ترانسفورمر کے مرکزی لیمپ پر تمام چار پیچ کو متحد کیا جائے گا، جس سے کپلنگ کوافیشینٹ میں بہتری آئے گی۔

شیل-ٹائپ کور کی لمبائی 186×152×30 mm ہے، اور استعمال کیا گیا فیرائٹ مواد 3C94 ہے جو 4xU93×76×30 mm کی ترتیب میں ہے۔ میڈیم ولٹیج (MV) اور زیادہ کرنٹ والے پورٹوں کے لئے لیتس واائر کا استعمال کیا جاتا ہے، جو 3.42 A اور 62.5 A کے لئے مقرر ہوتا ہے۔ لو ولٹیج (LV) پورٹوں کے لئے 16 AWG اور 4 AWG واائر استعمال کیے جاتے ہیں۔ LV پیچ کو مل کر ٹویسٹ کرنا مغناطیسی کپلنگ کو مزید بہتر بناتا ہے۔

پیش کردہ MV MPSST ڈیزائن کو مکمل کرنے کے بعد، Maxwell-3D/Simplorer کی سیمولیشن کی گئی ہے۔ میڈیم ولٹیج گرڈ، توانائی کا ذخیرہ، لاڈ، اور فوٹوولٹک نظام کے لئے پورٹ ولٹیج 7.2 kVDC اور 400 VDC کے لئے مقرر کیا گیا ہے۔ سیمولیشن فل لود کے تحت کی گئی ہے، لاڈ پورٹ 50 kHz کی سوئچنگ فریکوئنسی اور 50% ڈیوٹی سائیکل پر 25 kW فراہم کرتا ہے۔ برقی کنٹرول کنورٹر سیلز کے درمیان فیز شفٹ کو تبدیل کرتے ہوئے حاصل کیا جاتا ہے۔ نتائج جدول میں پیش کیے گئے ہیں۔ مختلف ماڈلز کوئی مختلف خصوصیات ظاہر کرتے ہیں جیسے کور کی شکل، کراس سیکشنل علاقہ، نقصان، اور حجم۔ جدول میں دکھایا گیا ہے، ماڈل 7 کم لیکیج انڈکٹنس اور زیادہ کارکردگی کا مظاہرہ کرتا ہے۔

ماڈل اور سیمولیشن کے نتائج

تجرباتی سیٹآپ

کور کو چار U-شکل کے کورس کو ایک لیئر میں جمع کرتے ہوئے بنایا گیا ہے۔ مکمل کور تین لیئروں پر مشتمل ہے جس میں مرکزی لیمپ پر پیچ رکھے گئے ہیں۔ تین لو ولٹیج (LV) پورٹ پیچ کو مل کر پیچا جاتا ہے تاکہ کپلنگ بہتر بنے۔ پیش کردہ ترانسفورمر کو ٹیسٹ کرنے کے لئے ایک دو فعال پلیج (DAB) کنورٹر ڈیزائن کیا گیا ہے۔ کنورٹر ڈیزائن میں SiC MOSFETs کا استعمال کیا گیا ہے۔ میڈیم ولٹیج (MV) پورٹ کے لئے، SiC ڈائود کا استعمال کرتے ہوئے ایک ریکٹیفائی برج لاگو کیا گیا ہے، جو 7.2 kV کو سنبھالنے والے ریزسٹو لاڈ بینک سے جڑا ہوا ہے۔

نتیجہ

یہ مقالہ مائیکروگرڈ کے اطلاقیات میں چار مختلف سرچیس یا لاڈ کو جوڑنے کے لئے چار پورٹ میڈیم ولٹیج ملٹی-پورٹ صلبی ریڈیو ترانسفورمر (MV MPSST) کی ڈیزائن پر مرکوز ہے۔ ترانسفورمر کا ایک پورٹ 4.16 kV AC کے لئے میڈیم ولٹیج (MV) پورٹ ہے۔ مختلف ترانسفورمر کے ماڈلز اور کور کے مواد کا مطالعہ کیا گیا ہے۔ ترانسفورمر کی ڈیزائن کے علاوہ، MV اور LV پورٹوں کے لئے ٹیسٹ سیٹآپ تیار کیے گئے ہیں۔ تجرباتی درستی میں 99٪ کارکردگی حاصل کی گئی ہے۔