El uso de la electrónica de potencia está aumentando en la industria, tanto en aplicaciones a pequeña escala, como cargadores de baterías y controladores LED, como en aplicaciones a gran escala, como sistemas fotovoltaicos (PV) y vehículos eléctricos.2 Un sistema de energía generalmente tiene tres partes: la planta de energía, el sistema de transmisión y el sistema de distribución.3 Tradicionalmente, los transformadores de baja frecuencia se han utilizado tanto para fines de aislamiento eléctrico como de ajuste de voltaje, pero los transformadores de 50/60 Hz son más grandes en tamaño y peso.cuatro Los convertidores de potencia se utilizan para intercambiar sistemas de potencia antiguos y nuevos que utilizan el concepto de transformador de estado sólido (SST). Tener un convertidor de potencia de alta o media frecuencia reduce el tamaño del transformador y aumenta la densidad de potencia en comparación con los transformadores más antiguos.
Los avances en materiales magnéticos con altas densidades de flujo, alta potencia y frecuencia y bajas pérdidas de potencia han ayudado a los investigadores a desarrollar SST con altas densidades de potencia y eficiencia.5–7 La mayor parte de la investigación se centra en transformadores convencionales de dos devanados. El creciente número de fuentes de energía distribuidas y el desarrollo de redes inteligentes y microrredes han dado lugar al concepto de transformadores de estado sólido multipuerto (MPSST).
Cada puerto del convertidor utiliza un convertidor de puente activo dual (DAB) que utiliza el inductor de fuga del transformador como inductor del convertidor. Esto reduce el tamaño y las pérdidas al eliminar la necesidad de un inductor adicional. La inductancia de fuga depende de la ubicación del devanado, la geometría del núcleo y los coeficientes de acoplamiento, lo que hace que el diseño del transformador sea más complejo.1 Un convertidor DAB utiliza un cambio de fase en el flujo de energía de un puerto a otro, mientras que en MPSST el cambio de fase en un puerto afecta el flujo de energía en el otro puerto. Por lo tanto, aumentar el número de puertos aumenta la complejidad del control. Por lo tanto, MPSST se enfoca en sistemas de 3 puertos.
Este artículo se centra en el diseño de transformadores de estado sólido para aplicaciones de microrredes. El transformador tiene cuatro puertos integrados en un solo núcleo.1 El transformador opera a 50 kHz y cada puerto puede manejar una potencia nominal de 25 kW.1 Los puertos se eligieron para representar un modelo de microrred realista que consiste en la red, el sistema de almacenamiento de energía, el sistema fotovoltaico y la carga, con el puerto de red operando a 4160 VCA y los otros tres puertos operando a 400V.1
acero inoxidable de 4 puertos
Tabla de contenido
diseño de transformador
La Tabla 1 enumera varios materiales comúnmente utilizados en la fabricación de núcleos de transformadores y sus ventajas y desventajas. La idea es elegir un material que pueda soportar 25 kW/puerto a una frecuencia de 50 kHz. Los materiales de núcleo de transformador comúnmente utilizados en el comercio son acero al silicio, amorfo, ferrita y nanocristalino. La aplicación de destino dicta el uso cruzado óptimo para un transformador de 4 puertos de 25 kW/puerto que opera a una frecuencia de conmutación de 50 kHz. Analizando la tabla, podemos elegir entre nanocristales y ferritas. La ferrita fue la elección final para el material del núcleo del transformador porque los nanocristales sufren grandes pérdidas de potencia a frecuencias de conmutación superiores a 20 kHz.
Diversos materiales del núcleo y sus propiedades.
El diseño del núcleo del transformador también es importante. Esto se debe a que afecta la compacidad, la densidad de potencia y el volumen, pero lo más importante es que afecta la inductancia de fuga del transformador. Para un transformador de 2 puertos de 330 kW 50 Hz, al comparar la forma del núcleo y el tipo de carcasa, se demuestra que el tipo de carcasa tiene una inductancia de fuga más baja y un flujo de potencia más suave.8 Por lo tanto, se utiliza una configuración tipo coraza con los cuatro devanados superpuestos en la rama central del transformador para mejorar el factor de acoplamiento.1
Las dimensiones del núcleo de la coraza son 186 × 152 × 30 mm y las dimensiones de la ferrita 3C94 son 4xU93 × 76 × 0 mm.9 El cable Litz se utiliza para devanados y puertos de voltaje múltiple (MV). Las clasificaciones actuales son 3,42 A y 62,5 A. Los puertos LV utilizan cables de 16 AWG y 4 AWG. El efecto de acoplamiento también se puede mejorar enrollando los cables de BT juntos.
simulación
Después de finalizar el diseño MV MPSST propuesto, se realizan simulaciones Maxwell-3D/Simplorer. Para la red de MT, la tensión del puerto es de 7,2 kV CC y la tensión del puerto de almacenamiento, carga y sistema FV es de 400 V CC.1 Las simulaciones se realizaron a plena carga para entregar 25 kW en el puerto de carga, a una frecuencia de 50 kHz y un ciclo de trabajo del 50 %, con el control de potencia obtenido mediante el cambio de fase entre convertidores. Los resultados se muestran en la tabla. Se muestran diferentes modelos con diferentes atributos, como la geometría del núcleo, el área de la sección transversal y el volumen de pérdida. La tabla muestra que el Modelo 7 exhibe una inductancia de fuga más baja y una eficiencia más alta.
Resultados del modelo y la simulación
dispositivo experimental
Un nivel de núcleos se genera a partir de cuatro núcleos U. El núcleo consta de 3 capas, sobre las cuales se aplican los devanados. Los tres devanados del puerto de bajo voltaje están envueltos juntos.1 Un convertidor DAB está diseñado para probar el transformador propuesto. Los MOSFET de SiC se utilizan en diseños de convertidores. Para el puerto MV, el puente rectificador está diseñado a partir de diodos SiC y también tiene un banco de resistencias para soportar 7,2 kV.1
prototipo
Conclusión
Este artículo se centra en el diseño de un transformador MPSST de media tensión de 4 puertos. Esto permite la conexión de cuatro cargas o fuentes diferentes para aplicaciones de microrred. Un puerto del transformador es un puerto MV que admite 4,16 kV CA. Se revisan varios modelos y materiales de transformadores. Además del diseño del transformador, también se diseñan configuraciones de prueba de puertos de MT y BT. La eficiencia obtenida es del 99%.
Referencias
1Diseño e implementación de transformadores de cuatro puertos de media tensión, alta potencia y alta frecuencia Ahmad El Shafei,[1] Saban Özdemir[2] Nekumi Altin[3] Garry Jean-Pierre[1] y Adele Nasiri.[1] [1]Centro de Sistemas de Energía Eléctrica Sostenible, Universidad de Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee, EE. UU. [2]Turquía, Ankara, Universidad Gazi, Facultad de Ciencias Técnicas, Departamento de Potencia y Energía. [3]Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Gazi, Facultad de Tecnología, Ankara, Turquía
2Y. Wei, Q. Luo, Z. Wang, L. Wang, J. Wang, J. Chen, “Diseño de un convertidor resonante LLC controlado magnéticamente para aplicaciones LEV”, 10º Simposio internacional IEEE 2019 sobre electrónica de potencia para sistemas de generación distribuida. (PEDG), Xi’an, China, 2019, págs. 857-862.
3X. Ella y A. Huang, “Solid State Transformer in the future smart electric system”, Reunión general de la Sociedad de Energía y Energía de IEEE de 2013, Vancouver, Columbia Británica, 2013, págs. 1 a 5.
cuatroN. Kimura y T. Morizane, “Investigación de transformadores de frecuencia media para transformadores de estado sólido”, Conferencia internacional sobre redes inteligentes de 2018 (icSmartGrid), Nagasaki, Japón, 2018, págs. 107–112.
CincoW. Shen, F. Wang, D. Boroyevich y CW Tipton, “Caracterización y cálculo de pérdidas de núcleos nanocristalinos para aplicaciones magnéticas de alta frecuencia”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 1, 475-484. , enero de 2008.
6WA Reass et al., “Regulación de potencia resonante multifase multimegavatio de alta frecuencia”, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 33.
7MK Das et al., “10 kV, 120 A SiC Half H-Bridge Power MOSFET Module for High-Frequency, Medium-Voltage Applications”, IEEE Energy Conv. Congress and Expo., Phoenix, AZ, 2011, págs. 2689- 2692.
8Akacia System www.akacia.com.tw, ”Cores & Accessories”, diseñado por Ferroxcube. https://www.ferroxcube.com/englobal/products_ferroxcube/stepTwo/shape_cores_accessories?s_sel=161&series_sel=2658&material_sel=3C94&material=&part= Consultado el 24 de julio de 2019.
9A. El Shafei, S. Ozdemir, N. Altin, G. Jean-Pierre, A. Nasiri, “Diseño de transformadores de alta potencia y alta frecuencia para aplicaciones de transformadores de estado sólido”, Conferencia internacional sobre investigación y aplicaciones de energía renovable (ICRERA 2019)) ), Brasov, Rumanía, 2019, págs. 1-6.