طراحی سیستمی بخش‌های حفاظتی یک مبدل ماتریسی kW3 و تحلیل حرارتی گرماگیر آن به روش اجزای محدود

نوع مقاله : قدرت - الکترونیک قدرت

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی مالک اشتر- مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، تهران، ایران

2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله به شبیه‌سازی مبدل ماتریسی با ساختار مستقیم و تحلیل حرارتی ادوات حفاظتی آن پرداخته می‌شود. امروزه، با توجه به پیشرفت فناوری در حوزه مبدل‌های الکترونیک قدرت، مبدل‌های ماتریسی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته‌اند. این مبدل‌ها قابلیت‌های بسیاری داشته و در کاربردهای صنعتی و نظامی گوناگون همچون صنایع فضایی، هوایی، دریایی، حمل و نقل ریلی، سایت‌های نظامی مرزی جدا از شبکه و موارد مشابه استفاده می‌شوند. هدف اصلی در این مقاله، ارائه یک روند به‌منظور طراحی زیرسامانه‌های حفاظتی شامل فیلتر ورودی، مدارهای محافظ (اسنابر) و گرماگیر می‌باشد. فیلتر ورودی موجب کاهش ورود اغتشاشات از سمت مبدل به شبکه می‌گردد. از طرفی با توجه به کلیدزنی با فرکانس بالا، استفاده از مدارهای اسنابر در مبدل‌های ماتریسی الزامی می‌باشد. همچنین، ادوات قدرت نیاز به حفاظت حرارتی و گرماگیر جهت عملکرد طولانی مدت دارند. در این مقاله، موارد مذکور با استفاده از روابط و روندنمای پیشنهادی، برای یک مبدل ماتریسی با توان kW 3 مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاکی از کاهش اعوجاجات هارمونیکی جریان ورودی در اثر استفاده از فیلتر ورودی طراحی شده و همچنین افزایش سرعت پاسخ پله سامانه به همراه کاهش خطای حالت ماندگار می‌باشد. همچنین، مدارهای اسنابر طراحی شده، توانایی کاهش 20 درصدی استرس ولتاژ بر روی کلیدها را داشته و در خصوص دفع حرارت نیز به کمک تحلیل به روش اجزای محدود، تأثیر گرماگیر طراحی شده در کاهش 60 درصدی استرس دمایی نشان داده می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  1. [1]     P. W. Wheeler, J. Rodriguez, J. C. Clare, L. Empringham, and A. Weinstein, “Matrix Converters: A Technology Review”; IEEE Trans. Ind. Electron. 2002, 49, 276-88.

    [2]     Erickson, R. W.; Al-Naseem. O. A. “A New Family of Matrix Converters”; In IECON'01. 27th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electr. Soci. IEEE (Cat. No. 37243), 2001, 1515-20.

    [3]     P.W. WheelerJ.C. ClareL. de LilloK.J. BradleyM. AtenC. WhitleyG. Towers. “A Comparison of the Reliability of a Matrix Converter and a Controlled Rectifier-Inverter”; In 2005 European Conf. on Power Electr. and App. IEEE 2005, 7.

    [4]     Kwak, S.; Toliyat H. A. “An Approach to Fault-Tolerant Three-Phase Matrix Converter Drives”; IEEE Trans. Energy Convers. 2007, 22, 855-63.

    [5]     T. F. Podlesak, D. C. Katsis, P. W. Wheeler, J. C. Clare, L. Empringham, and M. Bland. “A 150-kVA Vector-Controlled Matrix Converter Induction Motor Drive”; IEEE Trans. Ind. Appl. 2005, 41, 841-7.

    [6]     Pat WheelerJon ClareLiliana de LilloKeith BradleyMartin AtenChris WhitleyGraham Towers. “A Reliability Comparison of a Matrix Converter and an 18-Pulse Rectifier for Aerospace Applications”; In IEEE 12th Int. Power Electr. and Motion Control Conf. 2006, 496-500.

    [7]     S. L. Arevalo, P. Zanchetta, P. W. Wheeler, A. Trentin, and L. Empringham. “Control and Implementation of a Matrix-Converter-Based AC Ground Power-Supply Unit for Aircraft Servicing”; IEEE Trans. Ind. Electr. 2009, 57, 2076-84.

    [8]     M. Diaz, R. C. Dobson, E. Ibaceta, A. Mora, M. Urrutia, M. Espinoza, F. Rojas, P.Wheeler. “An Overview of Applications of the Modular Multilevel Matrix Converter”; Energies, 2020, 13, 5546.

    [9]     S. M. Ahmed, A. Iqbal, H. Abu-Rub, J. Rodriguez, C. A. Rojas, and M. Saleh. “Simple Carrier-Based PWM Technique for a Three-to-Nine Phase Direct AC–AC Converter”; IEEE Trans. Ind. Electr. 2011, 58, 5014-23.

    [10]   J. Rodriguez, M. Rivera, J. W. Kolar, and P. W. Wheeler. “A Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters”; IEEE Trans. Ind. Electr. 2011, 59, 58-70.

    [11]   J. W. Kolar, T. Friedli, J. Rodriguez, and P. W. Wheeler. “Review of Three-Phase PWM AC–AC Converter Topologies”; IEEE Trans. Ind. Electr. 2011, 58, 4988-5006.

    [12]   Wu, B.; Narimani, M. “Matrix Converter Fed MV Drives”; Wiley-IEEE Press, 2th, 393 – 416, 2017.

    [13]   S. Liu, B. Ge, X. You, X. Jiang, H. Abu‐Rub, and F. Z. Peng. “A Novel Quasi‐Z‐Source Indirect Matrix Converter”; Int. J. of Circuit Theory and App. 2015, 43, 438-54.

    [14]   Pinto, S.; Silva. J. “Input Filter Design of a Mains Connected Matrix Converter”; In IEEE, 12th ICHQP Int. Conf. on Harmonics and Quality of Power, 2006.

    [15]  Parvari, R.; Zarghani, M.; Kaboli, S. “RCD Snubber Design Based on Reliability Consideration: A Case Study for Thermal Balancing in Power Electronic Converters”; Microelectronics Reliability, 2018, 88, 1311-5.

    1. C. Dobson, E. Ibaceta, A. Mora, M. Urrutia, M. Espinoza, F. Rojas, P.Wheeler.