В этом примере показано, как вычислить потери переключения в трехфазном 3-уровневом инверторе, объединяющем специализированные силовые системы и блоки Simscape.
От +/-1 800-вольтовый источник постоянного тока, 400 кВт, трехфазовый 3-уровневый инвертор обеспечивает переменную мощность энергосистеме распределения. Выход инвертора подключен к системе 25-kV, 40 МВА, 50-Hz через трансформатор 2200 В/25 кВ. Топология инвертора основана на модели, описанной в [1]. Каждая трехуровневая ветвь инвертора содержит три коммерческих полумостовых модуля IGBT. Импульсы IGBT модуля 3 не требуются, так как только антипараллельные диоды работают как нейтральные зажимные диоды. Система управления содержит два контроллера PI (один регулятор PQ и один регулятор тока) для генерирования требуемых импульсов инвертора для достижения опорной выходной мощности.
Этап фазы A реализуется с использованием трех полумостовых IGBT с блоками вычисления потерь. Вычисляют и вводят в тепловую сеть потери как на переключение, так и на проводимость. Моделирование иллюстрирует достижимую выходную мощность в зависимости от частоты переключения для трехфазного трехуровневого инвертора.
Полумост моделируется двумя IGBT/диодными блоками. Верхний и нижний блоки IGBT/Diode импульсные от внешнего генератора импульсов. Расчеты потерь основаны на спецификациях, содержащихся в листах технических данных изготовителя.
Потери IGBT вычисляются следующим образом:
Потери включения: Предкоммутируемое значение напряжения на устройстве, посткоммутируемое значение тока, протекающего в устройство, и температура перехода используются для определения потерь энергии с помощью 3-D справочной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс мощности, который вводится в тепловую сеть.
Потери при отключении: Предкоммутируемое значение тока, протекающего в устройство, посткоммутируемое значение напряжения на устройстве и температура перехода используются для определения потерь энергии с помощью 3-D справочной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс мощности, который вводится в тепловую сеть.
Потеря проводимости: Значение тока (Ic), протекающего в устройстве, и температура его перехода определяют, какое напряжение насыщения (Vce) будет иметь на IGBT с помощью 2-D справочной таблицы. Затем этот Vce умножается на Ic для получения потерь, которые впрыскиваются в тепловую сеть.
Потери диода вычисляются следующим образом:
Обратные потери восстановления: Предкоммутируемое значение тока, протекающего в устройство, посткоммутируемое значение напряжения на устройстве и температура перехода используются для определения потерь энергии с помощью 3-D справочной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс мощности, который вводится в тепловую сеть.
Потеря проводимости: Значение тока (If), протекающего в устройстве, и температура его перехода определяют, какое напряжение (Vf) будет находиться в включенном состоянии на диоде с помощью 2-D справочной таблицы. Это Vf затем умножается на If для получения потерь, которые вводятся в тепловую сеть.
Тепловая емкость соединения устройства, а также его тепловое сопротивление соединения с корпусом представлены одноячеечной сетью Кауэра, смоделированной с помощью блока Simulink ® State-space.
Блоки Simscape из библиотеки тепловых фундаментов используются для построения двухклеточной сети Кауэра на основе тепловых емкостей (корпус и теплоотвод) и сопротивлений (корпус-приемник и приемник-среда). Для простоты двухэлементная сеть Кауэра использует произвольные значения тепловых емкостей, чтобы уменьшить время, необходимое для моделирования тепловых явлений.
Выполните моделирование и проверьте следующие рабочие точки:
От t = 0 с до t = 5 с: инвертор выдает 372 кВт (коэффициент мощности = 0,85) с частотой переключения 850 Гц. Общие потери преобразователя составляют 2,7 кВт, и самая высокая температура перехода (125 C) наблюдается на IGBT1 модуля 1 (или IGBT2 модуля 2). См. Блок объема Tj (по Цельсию) в блоке «Дополнительные области и измерения».
С t = 5 сек до t = 12 сек инвертор выдает 210 кВт (коэффициент мощности = 0,85) с использованием частоты переключения 1850 Гц. Общие потери преобразователя составляют 2,7 кВт, и самая высокая температура перехода (125 ° C) по-прежнему наблюдается на IGBT1 модуля 1.
[1] Раффаэль Шнелл (Raffael Schnell), менеджер по применению, ABB Switzerland, «Модули высоковольтных фазовых ответвлений для приводов и инверторов среднего напряжения».