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

گلرخ جوبنی, مصطفی; دهستانی کلاگر, آرش; علیزاده پهلوانی, محمدرضا

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

20.1001.1.26762935.1401.13.2.1.6

موضوعات

قدرت- الکترونیک قدرت

عنوان مقاله [English]

System Design of Protection Subsystems of a 3 kW Matrix Converter and Its Heat sink Thermal Analysis by the Finite Element Method

نویسندگان [English]

Mostafa Golrokh Joubeni ¹
Arash Dehestani Kolagar ¹
Mohammad Reza Alizadeh Pahlavani ²

¹ Faculty of Electrical & Computer Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Iran

² Faculty of Electrical & Computer Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Iran

چکیده [English]

In this paper, the simulation of a direct matrix converter and the thermal analysis of its protection devices are performed. Nowadays, due to the technological advances in the field of power electronic converters, matrix converters are receiving more and more attention. These converters have many capabilities and are used in various industrial and military applications such as the aerospace industry, offshore platforms, rail transport, borderline military sites, apart from the power grid and similar applications. The main purpose of this paper is to provide a procedure for designing protection subsystems including input filters, protection circuits (snubbers), and heat sinks. The input filter reduces the penetration of disturbances from the converter to the network. On the other hand, due to the high switching frequency, the use of snubber circuits in matrix converters is essential. Also, power circuit devices need thermal protection for long-term operation. In this paper, the aforementioned requirements have been studied using a proposed procedure for a 3 kW matrix converter. The results show the reduction of the input current harmonic distortion due to the performance of the input filter and also the improvement of the step response of the system while reducing the steady state error. Also, the designed snubber circuits have the ability to reduce the voltage stress on the switches by 20%. Moreover, through the finite element analysis, the effect of heat sink in reducing the thermal stress by 60% is demonstrated.

کلیدواژه‌ها [English]

Matrix Converter
Harmonic Filter
Snubber Circuit
Heat sink

مراجع

[1] Wheeler, P. W.; Rodriguez, J.; Clare, J. C.; Empringham, L.; Weinstein, A. “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”; IECON'01. 27^th Annual Conf. of the IEEE Ind. Electr. Soc. (Cat. No. 37243), 2001, 1515-20.

[3] P.W. Wheeler; Clare, J. C.; de Lillo, L.; Bradley, K. J.; Aten, M.; Whitley, C.; Towers, G. “A Comparison of the Reliability of a Matrix Converter and a Controlled Rectifier-Inverter”; European Conf. Power Electr. 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] Podlesak, T. F.; Katsis, D. C.; Wheeler, P. W.; Clare, J. C.; Empringham, L.; Bland, M. “A 150-kVA Vector-Controlled Matrix Converter Induction Motor Drive”; IEEE Trans. Ind. Appl. 2005, 41, 841-7.

[6] Wheeler, P.; Clare, J.; De Lillo, L.; Bradley K.; Aten, M.; Whitley, C.; Towers, G. “A Reliability Comparison of a Matrix Converter and an 18-Pulse Rectifier for Aerospace Applications”; IEEE 12^th Int. Power Electr. Motion Control Conf. 2006, 496-500.

[7] Arevalo, S. L.; Zanchetta, P.; Wheeler, P. W.; Trentin, A.; Empringham, L. “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] Diaz, M.; Dobson, R. C.; Ibaceta, E.; Mora, A.; Urrutia, M.; Espinoza, M.; Rojas, F.; Wheeler, P. “An Overview of Applications of the Modular Multilevel Matrix Converter”; Energies, 2020, 13, 5546.

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

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

[11] Kolar, J. W.; Friedli, T.; Rodriguez, J.; Wheeler, P. W. “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, 2^th Ed., 2017, 393 – 416.

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

[14] Pinto, S.; Silva, J. “Input Filter Design of a Mains Connected Matrix Converter”; IEEE, 12^th 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.