طراحی و ساخت ترانسفورماتور فرکانس بالا مبتنی بر مبدل رزونانسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

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

چکیده

ترانسفورماتورهای قدرت فرکانس بالا در مبدل‌های الکترونیک قدرت وجود دارند برای بسیاری از کاربرد‌ها مانند انتقال انرژی، سیستم‌های انرژی تجدید پذیر و منابع تغذیه وجود دارد. فن آوری‌های تولید مواد مغناطیسی مانند فریت، آمورف و نانو کریستال با فرکانس بالا برای کوچک سازی ترانسفورماتور‌ها و طراحی بهینه به کار گرفته می‌شود. در این مقاله ، طراحی ترانسفورماتور فرکانس بالا مبتنی بر روش اجزای محدود (FEM ) پیشنهاد شده است، و یک ترانسفورماتور فرکانس بالای 5 کیلو ولت و توان 100 وات با هسته فریت برای کاربرد در شارژ کننده ولتاژ بالا در فناوری توان پالسی طراحی شده است. پس از مرحله محاسبات، مدل سه بعدی ترانسفورماتور با هسته غیر خطی با نرم‌افزار تحلیل اجزای محدود ماکسول ایجاد می‌شود و سپس شبیه‌سازی‌های مدل الکترومغناطیسی ترانسفورماتور با مدار مبدل الکترونیک قدرت با کمک نرم‌افزار Simplorer برای شرایط عملیاتی پیاده سازی می‌شود. همچنین بازده ترانسفورماتور، مدار معادل دقیق ترانسفورماتور و توزیع شار در هسته ترانسفورماتور بدست آمده است. علاوه بر این ، نمونه ترانسفورماتور ساخته و آزمایش شده است. داده‌های به دست آمده از روش المان محدود با روش تحلیلی و آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهد که روش المان محدود در مقایسه با روش‌های تحلیلی دقیق تر به نظر می‌رسد. با توجه به اهمیت و پیچیدگی طراحی ترانسفورماتور‌های فرکانس بالا، استفاده از این روش می‌تواند مزایا و سادگی را برای طراحان ترانسفورماتور برای محاسبات پارامتر‌ها و طراحی بهینه فراهم کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and construction of high frequency transformers based on resonance converter

نویسندگان [English]

  • Alireza Daneshmandi 1
  • aref bali 2
  • Hosein fayazi 2
1 Master's degree, Electrical and Computer University Complex, Malik Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Electrical and Computer University Complex, Malik Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

High-frequency power transformers are available in electronic power converters for many applications such as power transmission, renewable energy systems, and power supplies. Magnetic materials production technologies such as ferrite, amorphous, and high-frequency nanocrystals are used to miniaturize transformers and optimize the design. In this paper, the design of a high-frequency transformer based on the finite element method (FEM) is proposed, and a frequency transformer above 5 kV and a power of 100 watts with a ferrite core is designed for use in high voltage charges in pulse power technology. After the calculation step, the three-dimensional model of the transformer with the nonlinear core is created with Maxwell finite element analysis software and then the simulations of the electromagnetic model of the transformer with electronic power converter circuit are implemented with the help of Simplorer software for operating conditions. Also, the efficiency of the transformer, the exact equivalent circuit of the transformer, and the flux distribution in the transformer core are obtained. In addition, transformer samples have been fabricated and tested. The data obtained from the finite element method are compared with the analytical and laboratory methods. The results show that the finite element method seems more accurate compared to the analytical methods. Due to the importance and complexity of designing high-frequency transformers, using this method can provide advantages and simplicity for transformer designers for parameter calculation and optimal design.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Finite element method
  • pulse transformer
  • resonant converter
  • power electronics

Smiley face

مراجع

[1]    C. Zhang, H. Lin, and Z. Zhiguo "An overview of switching power supply technology development." Microelectronics, vol. 46, no. 2, pp. 255-260, 2016.
[2]    S. Wang, "An overview of the basic principle and technology development of switching power supply." Value Engineering, vol. 37, no. 14, pp. 269-271, 2018.
[3]    J. Afsharian, G. Bing, Z. Ning, D. X. Dewei and Y. Zhihua, "A Low Profile Stacked Transformer for High-Efficiency High-Output-Current 380 V/12 V LLC Resonant Converters." In 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 810-816. IEEE, 2019.
[4]    J. Afsharian, G. Bing, Z. Ning, D. X. Dewei and H. S. Athab, "High-frequency transformer design for DC/DC resonant converters." U.S. Patent 10,832,858, issued November 10, 2020.
[5]    S. Balci, "The analysis, design and implementation of the medium frequency power transformer with the nanocrystalline core material.", (2016).
[6]    S. Ozdemir, S. Balci, N. Altin, and I. Sefa, "Design and performance analysis of the three-level isolated DC-DC converter with the nanocyrstalline core transformer." International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, no. 28, pp. 17801-17812, 2017.
[7]    S. Zhao, Q. Li, F. C. Lee and B. Li, "High-Frequency Transformer Design for Modular Power Conversion From Medium-Voltage AC to 400 VDC," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7545-7557, Sept. 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2774440.
[8]    G. Ortiz, M. G. Leibl, J. E. Huber and J. W. Kolar, "Design and Experimental Testing of a Resonant DC–DC Converter for Solid-State Transformers," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 10, pp. 7534-7542, Oct. 2017, doi: 10.1109/TPEL.2016.26378273.
[9]    A. E. Shafei, S. Ozdemir, N. Altin, G. Jean-Pierre and A. Nasiri, "A High Power High Frequency Transformer Design for Solid State Transformer Applications," 2019 8th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Brasov, Romania, 2019, pp. 904-909, doi: 10.1109/ICRERA47325.2019.8996515.
[10] C. Liao, J. Ruan, C. Liu, W. Wen and Z. Du, "3-D Coupled Electromagnetic-Fluid-Thermal Analysis of Oil-Immersed Triangular Wound Core Transformer," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, no. 11, pp. 1-4, Nov. 2014, Art no. 8401904, doi: 10.1109/TMAG.2014.2330953.
[11] I. Villar, "Multiphysical characterization of medium-frequency power electronic transformers." Lausanne, Switzerland: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (2010).
[12] S. Balci, I. Sefa, and N. Altin. "Design and analysis of a 35 kVA medium frequency power transformer with the nanocrystalline core material." International journal of hydrogen energy, vol. 42, no. 28, pp. 17895-17909, 2017.
[13] V. S. Duppalli and S. Sudhoff, "Computationally efficient leakage inductance calculation for a high-frequency core-type transformer," 2017 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), Arlington, VA, 2017, pp. 635-642, doi: 10.1109/ESTS.2017.8069348.
[14] D. Kamran, M. Aytac Cinar, B. Alboyaci, and O. Sonmez, "Calculation of the leakage reactance in distribution transformers via numerical and analytical methods." Journal of Electrical Systems, vol. 15, no. 2, pp. 213-221, 2019.
[15] B. Zhao, Z. Ouyang, M. C. Duffy, M. A. E. Andersen and W. G. Hurley, "An Improved Partially Interleaved Transformer Structure for High-Voltage High-Frequency Multiple-Output Applications," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 4, pp. 2691-2702, April 2019, doi: 10.1109/TIE.2018.2840499.
[16] D. Kamran and G. Komurgoz, "Effect of the Tap Winding Configurations on the Leakage Reactance of the Concentric Transformer Coils," 2019 1st Global Power, Energy and Communication Conference (GPECOM), Nevsehir, Turkey, 2019, pp. 200-205, doi: 10.1109/GPECOM.2019.8778565.
[17] M. Aghaei, S. Mohsenzade and S. Kaboli, "On the Calculation of the Leakage Inductance in Transformers With Nonideal Windings," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 8, pp. 8460-8471, Aug. 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2963274.
[18] H. Tian, Z. Wei, S. Vaisambhayana, M. P. Thevar, A. Tripathi and P. C. Kjær, "Calculation and Experimental Validation on Leakage Inductance of a Medium Frequency Transformer," 2018 IEEE 4th Southern Power Electronics Conference (SPEC), Singapore, Singapore, 2018, pp. 1-6, doi: 10.1109/SPEC.2018.8635637.
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 11، شماره 1 - شماره پیاپی 26
شماره پیاپی 26، دوفصلنامه بهار و تابستان
خرداد 1402
صفحه 21-29

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 17 تیر 1400
  • تاریخ بازنگری: 15 آذر 1401
  • تاریخ پذیرش: 15 آذر 1401
  • تاریخ انتشار: 01 خرداد 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار