Presentazione Magnetica

Cattura l'energia del sole.

Relatori:

Ing. Stefano Fabiani

Ing. Manuele Marconi

Roberto Volpini

15 ottobre 2009

hotel il Brigantino

Porto Recanati

TECHNICAL KNWLEDGE è un marchio registrato di proprietà MAGNETICA

PREMESSA

LE INFORMAZIONI QUI CONTENUTE

SONO VOLTE A DESCRIVERE

UN PROCESSO DI VERIFICA E NON

L’ATTENDIBILITÀ DEI DATI CONTENUTI,

PERTANTO ESSE SONO DIVULGATE A SOLO

SCOPO INFORMATIVO E SOGGETTE A

POSSIBILI CAMBIAMENTI


DC-DC CONVERTER

E

DC-AC INVERTER

IN APPLICAZIONI

FOTOVOLTAICHE


SOMMARIO:

TOPOLOGIA DC-DC CONVERTER: BOOST E BOOST INTERLEAVED

TOPOLOGIA DC-DC CONVERTER PHASE SHIFT: SIMULAZIONE

TOPOLOGIA DC-DC CONVERTER PHASE SHIFT: PROVE DI

LABORATORIO SU SCHEDA 3KW GRID CONNECTED PV DELLA

STMICROELECTRONICS

TOPOLOGIA DC-AC PWM INVERTER FULL BRIDGE E FILTRO LCL: SIMULAZIONE

TOPOLOGIA DC-AC PWM INVERTER FULL BRIDGE E FILTRO LCL: PROVE DI LABORATORIO SU SCHEDA 3KW GRID CONNECTED PV DELLA STMICROELECTRONICS

CONCLUSIONI


TOPOLOGIA BOOST SCHEMATICO

CENNI SUL FUNZIONAMENTO

NELLO STATO "ON", IL COMMUTATORE Q1 È CHIUSO, PROVOCANDO UN ACCUMULO DI ENERGIA

NELL'INDUTTORE

NELLO STATO "OFF", IL COMMUTATORE È APERTO E L'UNICO PERCORSO OFFERTO ALLA CORRENTE

DELL'INDUTTORE È ATTRAVERSO IL DIODO D1 E IL CARICO. CIÒ PROVOCA IL TRASFERIMENTO

DELL'ENERGIA ACCUMULATA DURANTE LO STATO "ON" NELLA CAPACITÀ E NEL CARICO

TOPOLOGIA NON ISOLATA UTILIZZATA PER LA CARICA DELLE BATTERIE E/OFORNITURA ELETTRICA IN RETE


TOPOLOGIA BOOST INTERLEAVED SCHEMATICO

VANTAGGI:

MINORE CORRENTE PER SINGOLO SWITCH

BASSO RIPPLE DI OUTPUT

CIN E COUT DI MINORE VALORE CAPACITIVO

CIN E COUT CON BASSA RIPPLE CURRENT

SVANTAGGI

COSTO: RADDOPPIANO I COMPONENTI

TOPOLOGIA NON ISOLATA


TOPOLOGIA PHASE-SHIFT SCHEMATICO

DC-DC ConverterPhase Shift


SIMULAZIONE CON VIN=200V (STUDIO DELLE CORRENTI)



M1

M2

M5

M6

M3

M4

D2

D1


SIMULAZIONE CON VIN=200V (STUDIO DELLE TENSIONI)




M1

M2

M5

M6

M3

M4

D2

D1

TECNOLOGIA PHASE-SHIFT (PROVE DI LABORATORIO)

TRASFORMATORE DOPPIO E70 E LD INTRINSECA

LA PARTICOLARITÀ DELLA COSTRUZIONE DEL TRASFORMATORE CON 2 SLOTS

AUMENTA IL PARAMETRO PARASSITA DELL’INDUTTANZA DISPERSA CHE PUÒ

ESSERE CONTROLLATO TRAMITE LA MECCANICA DEL TRASFORMATORE STESSO.

IN PARTICOLARE, IN QUESTO CASO, ABBIAMO BISOGNO DI UNA LD 50uH

I PARAMETRI MISURATI DEL TRASFORMATORE SONO:

LPRI = 2.06mH LSEC = 3mH

LD = 47.4uH TR = 1.2185

CONDIZIONI DI TEST SU POWER BOARD ST:

VIN = 200VDC

VOUT = 394VDC

IOUT = 3.52ADC

PIN = 1.5 KW = 92 %

MISURA TERMOGRAFICA




VANTAGGI:

COMPATTEZZA COSTRUTTIVA

RISPARMIO NEI COSTI – NO INDUTTORE ESTERNO

SVANTAGGI:

EFFICIENZA DEL 92% @ 1.5KW

ALTA TEMPERATURA SUL RAMO DEL SECONDARIO

CAUSA: INDUTTANZA DISPERSA

INTRINSECA AL

TRASFORMATORE?

VERIFICA:ALIMENTATORE

SOTTOPOSTO A

2 DIVERSE TENSIONI

DI INGRESSO




VIN=200V

POUT=1300W

IPRMS=10.2A

IPPK=18.2A

ISRMS=8.7A

ISPK=15.6A

VIN=270V

POUT=1300W

IPRMS=7.07A

IPPK=12.14A

ISRMS=6.1A

ISPK=10.7A

SIMULAZIONI MISURE TERMICHE

T 40 C !!!



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA

IL TRASFORMATORE VIENE COSTRUITO CON UNA BASSA INDUTTANZA DISPERSA

Lpri = 2.3 mH Lsec = 3.36 mH Ld = 10uH Tr = 1.2115

RAGGIUNGIAMO UNA LD 50uH AGGIUNGENDO UNA INDUTTANZA ESTERNA

REALIZZATA TRAMITE UN NUCLEO KOOL M A TRAFERRO DISTRIBUITO DELLA

MAGNETICS 77111-A2 (AL=33nH AEFF=1.73cm2)

L = 40.25 uH Rdc = 31.52 m


VIN = 203VDC

VOUT = 407VDC

IOUT = 3.57ADC

PIN = 1.5 KW

= 96 %

MISURA TERMOGRAFICA



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA (77111-A2)

VANTAGGI:

EFFICIENZA AL 96%

SVANTAGGI:

SOLUZIONE NON UNICA (TRASF. + IND. ESTERNA)

TEMPERATURA TROPPO ELEVATA SULL’INDUTTORE ESTERNO (>100 C)

TEMPERATURA SULL’AVVOLGIMENTO DEL TRASFORMATORE > 70 C

TENIAMO FISSO IL TRASFORMATORE CON BASSA LD

REALIZZIAMO UN INDUTTORE ESTERNO

CON UN NUCLEO A PIÙ BASSE PERDITE







REALIZZATA TRAMITE UN NUCLEO IN POLVERE DI FERRO A TRAFERRO

DISTRIBUITO DELLA MICROMETALS T184-2 (AL=24nH AEFF=1.88cm2)

L = 40.91 uH Rdc = 42.5 m


VIN = 200VDC

VOUT = 408VDC

IOUT = 3.56ADC

PIN = 1.5 KW

= 96 %

MISURA TERMOGRAFICA



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA (T184-2)

VANTAGGI:

TEMPERATURA DELL’AVVOLGIMENTO DEL TRASFORMATORE < 70 C

EFFICIENZA AL 96%

TOTAL POWER LOSS (184-2) < TOTAL POWER LOSS (77111-A2)

SVANTAGGI:

SOLUZIONE NON PIÙ UNICA (TRASF. + IND. ESTERNA)

TEMPERATURA TROPPO ELEVATA SULL’INDUTTORE ESTERNO (>100 C)


REALIZZIAMO UN INDUTTORE ESTERNO

CON UN NUCLEO A PIÙ BASSE PERDITE







REALIZZATA TRAMITE UN NUCLEO MOLYPERMALLOY POWDER A TRAFERRO

DISTRIBUITO DELLA MAGNETICS 55111-A2 (AL=33nH AEFF=1.73cm2)

L = 40 uH Rdc = 31.52 m


VIN = 196VDC

VOUT = 401VDC

IOUT = 3.53ADC

PIN = 1.5 KW

= 96 %

MISURA TERMOGRAFICA



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA (55111-A2)

VANTAGGI:

EFFICIENZA SEMPRE AL 96%

SVANTAGGI:

SOLUZIONE NON UNICA (TRASF. + IND. ESTERNA)

TEMPERATURA ANCORA ELEVATA SULL’INDUTTORE ESTERNO ( 90 C)

TOTAL POWER LOSS (55111) TOTAL POWER LOSS (184-2)


REALIZZIAMO UN INDUTTORE ESTERNO COMPOSTO

DA 2 TOROIDI DELLO STESSO NUCLEO (2X55111-A2)







REALIZZATA ATTRAVERSO 2 NUCLEI MOLYPERMALLOY POWDER A TRAFERRO

DISTRIBUITO DELLA MAGNETICS 55111-A2 (AL=66nH AEFF=3.46cm2)

L = 39.96 uH Rdc = 33.83 m

cONDIZIONI DI TEST SU POWER BOARD ST:

VIN = 199VDC

VOUT = 405VDC

IOUT = 3.56ADC

PIN = 1.5 KW

= 96 %

MISURA TERMOGRAFICA



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA (2X55111-A2)

VANTAGGI:

BILANCIAMENTO DELLA TEMPERATURA TRA INDUTTORE E TRASFORMATORE

MISURA TERMOGRAFICA DOPO 40’



TRASFORMATORE SINGOLO E70 E LD ESTERNA (2X55111-A2)

VANTAGGI:

STABILITÀ DELLA TEMPERATURA ANCHE DOPO UN FUNZIONAMENTO PROLUNGATO

MISURA TERMOGRAFICA DOPO 60’


TOPOLOGIA INVERTER PWM FULL BRIDGE

SCHEMATICO

Inverter DC-AC+ Filtro LCL


SIMULAZIONE CON VIN=400V


SIMULAZIONE CON VIN=400V C=10uF L=1.5mH (STUDIO DELL’INVILUPPO)

PER MINIMIZZARE LA DISTORSIONE

NEL VALORE PROSSIMO A 0 È

SUFFICIENTE MODULARE SIA IL

RAMO BASSO CHE IL RAMO ALTO


SIMULAZIONE CON VIN=400V C=1uF L=1.5mH (STUDIO DELLA FFT)

-33 dB

-43.2 dB


SIMULAZIONE CON VIN=400V C=1uF L=2mH (STUDIO DELLA FFT)

-35.6 dB

-45.8 dB


SIMULAZIONE CON VIN=400V C=5uF L=1.5mH (STUDIO DELLA FFT)

-32.8 dB

-57 dB



-35.9 dB

-59.5 dB



-35.9 dB

-66 dB


ATTENUAZIONE CORRENTE

F

dB


ATTENUAZIONE TENSIONE

F

dB


TOPOLOGIA INVERTER PWM FULL BRIDGE (LABORATORIO)

HYPERCOIL DOPPIO E70 (COD. 2006.0004) PARAMETRI INDUTTORI:

L1 = 1.08 mH L2 = 1.08 mH

R1 = 37.29 mΩ R2 = 37.4 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 389VDC

IIN = 0.98ADC

VOUT = 229VRMS

IOUT = 1.51ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

1 A/div

1 A/div

100 V/div



NANOCRYSTAL

PARAMETRI INDUTTORI:

L1 = 1.14 mH L2 = 1.22 mH

R1 = 28.3 mΩ R2 = 28.6 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 389VDC

IIN = 0.98ADC

VOUT = 229VRMS

IOUT = 1.51ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

1 A/div

1 A/div

100 V/div



AMORPHOUS


L1 = 1.12 mH L2 = 1.1 mH

R1 = 28.2 mΩ R2 = 28.9 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 390VDC

IIN = 0.98ADC

VOUT = 230VRMS

IOUT = 1.51ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

1 A/div

1 A/div

100 V/div



HYPERCOIL DOPPIO E70 (COD. 2006.0004) PARAMETRI INDUTTORI:

L1 = 1.08 mH L2 = 1.08 mH

R1 = 37.29 mΩ R2 = 37.4 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 348 VDC

PIN = 2530 W

VOUT = 215 VRMS

IOUT = 11.61 ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

2.5 A/div

5 A/div

100 V/div



HYPERCOIL DOPPIO E70 (COD. 2006.0004)

MISURA TERMOGRAFICA DOPO 30’ CON PRERISCALDO @ 100 C



NANOCRYSTAL


L1 = 1.14 mH L2 = 1.22 mH

R1 = 28.3 mΩ R2 = 28.6 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 350 VDC

PIN = 2530 W

VOUT = 216 VRMS

IOUT = 11.62 ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

2.5 A/div

5 A/div

100 V/div



NANOCRYSTAL




AMORPHOUS


L1 = 1.12 mH L2 = 1.1 mH

R1 = 28.2 mΩ R2 = 28.9 mΩ

CAPACITÀ CF:

C = 2.2 uF


VIN = 350 VDC

PIN = 2530 ADC

VOUT = 215VRMS

IOUT = 11.66 ARMS

FORME D’ONDA

(INGRESSO INVERTER)

(USCITA INVERTER)

2.5 A/div

5 A/div

100 V/div



AMORPHOUS



SIMULAZIONE SPICE

ANDAMENTO DELLA PERMEABILITÀ AL VARIARE DELLACORRENTE IN UN INDUTTORE A GAP DISTRIBUITO


SIMULAZIONE SPICE

ANDAMENTO DELLA CORRENTE: INDUTTORE IDEALE EINDUTTORE A GAP DISTRIBUITO CON DUTY=30%

IL2(LINEARE)

IL1(GAP

DISTRIBUITO)


SIMULAZIONE SPICE


IL2(LINEARE)

IL1(GAP

DISTRIBUITO)


COMPARAZIONE DEI MATERIALI UTILIZZATI

Ferrite Amorfo Nanocristallino

Linearità valore

induttivo

Costo specifico

Stabilità in temperatura

Possibilità di

suddividere il GAP

senza dispersione

esterna di flusso

Basse perdite AC

Tollera forti induzioni

Adatto a frequenze nei

~kHz


COMPARAZIONE DEI MATERIALI UTILIZZATI


SVILUPPI FUTURI

Nuovo materiale Metal Powder per applicazioni solari, sviluppato da TDK, arricchito e pressato a caldo.

Il materiale, comparato con gli attuali custom per la stessa applicazione, permette una sostanziale riduzione delle perdite unite ad un costo competitivo dovuto alla raffinazione del processo produttivo


CONCLUSIONI

DC-DC PHASE-SHIFT CONVERTER: SOLUZIONE TRASFORMATORE CON INDUTTORE ESTERNO

STUDIO DI INDUTTORI CON MATERIALI NANOCRISTALLINI

OTTIMIZZAZIONE DELLA TECNOLOGIA COSTRUTTIVA DEL

TRASFORMATORE

ANALISI RIDUZIONE COSTI

TEST NUOVI MATERIALI TDK

INDUTTORI STADIO LCL: INDUSTRIALIZZAZIONE DEGLI INDUTTORI

ANALISI RIDUZIONE COSTI

TEST NUOVI MATERIALI TDK


Presentazione Magnetica

Education

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