طراحی سیستمی بخش‌های حفاظتی یک مبدل ماتریسی 3 کیلو واتی و تحلیل حرارتی گرماگیر آن به روش اجزای محدود

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 3 کیلو واتی 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، تاثیر گرماگیر طراحی شده در کاهش 60 درصدی استرس دمایی نشان داده می‌شود.

system design of protection subsystems of a 3 kw matrix converter and its heat sink thermal analysis by the finite element method

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.