Описание

Эта модель представляет две идентичные схемы, моделирующие 50kW, 380V, 50Hz, трехфазный, трехуровневый инвертор. Инвертор IGBT использует технику SPWM, (несущая частота на 8 кГц), чтобы преобразовать мощность постоянного тока из +/-200Vdc источник к 220-вольтовому AC, 50 Гц. Инвертор подает 50kW резистивную нагрузку через трансформатор 75kVA 220/380V. L-C фильтры используются на выходе преобразователя для фильтрации гармонических частот Fh, генерируемых в основном вокруг кратных частоты переключения 8kHz (Fh = n * 8000 +/-k * 50Гц). 12 импульсов инвертора, требуемых инвертором, генерируются блоком генератора ШИМ. Система работает в разомкнутом контуре с постоянным индексом модуляции.

Схема 1 использует блок трехуровневого моста для моделирования инвертора. В схеме 2 используются отдельные БТИЗ и диодные блоки. Мертвое время моделируется блоком задержки включения/выключения и применяется только к схеме 1.

Моделирование

Сравнение результатов моделирования с блоком трехуровневого моста и построенным пользователем преобразователем - без простоя

1. Установите блок ручного переключения в его верхнее положение, чтобы отключить влияние мертвого времени на схему 1. 2. Запустите моделирование и проверьте напряжения инвертора и нагрузки схемы 1 и схемы 2, наложенные на Scope1. 3. После завершения моделирования откройте Powergui и выберите FFT Analysis, чтобы отобразить частотный спектр сигналов, сохраненных в структуре ScopeData1. 4. БПФ будет выполняться на последнем цикле выбранного сигнала. Можно проанализировать либо напряжения инвертора (выберите входной Vab_inv_1_2), либо напряжения нагрузки (выберите входной Vab_load_1_2). Выберите Signal number 1 (номер сигнала) или Signal number 2 (номер сигнала) для анализа напряжений цепи 1 или 2 и нажмите кнопку Display (Дисплей) для наблюдения за частотным спектром 0-25000 Гц.

Как и ожидалось, на выходе инвертора гармоники наблюдаются вокруг кратных частоты переключения (8 кГц). На клеммах нагрузки эти высокочастотные гармоники значительно уменьшаются LC-фильтрами. Также следует отметить, что LC-фильтры создают резонанс, который создает дополнительные гармоники около 4,4 кГц. Фундаментальная составляющая и полное гармоническое искажение (THD) отображаются над графиком спектра. Для обеих цепей THD составляет 1,27% на стороне нагрузки, а основное напряжение 380 В среднеквадратичное (пиковое значение 537,6 В).

Влияние мертвого времени на основное напряжение и гармонические искажения

В трехуровневом преобразователе напряжения (VSC), использующем идеальные переключатели, две пары импульсов, посылаемых на каждое плечо, могут быть комплементарными. Например, для фазы А IGBT1 комплементарна IGBT3, а IGBT2 комплементарна IGBT4. Однако в практических VSC отключение полупроводниковых переключателей задерживается из-за эффекта запоминания. Следовательно, требуется задержка в несколько микросекунд (время хранения + запас прочности), чтобы обеспечить полное истечение IGBT, который выключается перед включением другого IGBT. В противном случае на шине постоянного тока может возникнуть короткое замыкание.

5. Установите блок ручного переключения в его нижнее положение. 6. Выполните моделирование и сравните два сигнала напряжения нагрузки на Scope1 и их основные значения на двух блоках дисплея. 7. Выполните анализ БПФ с помощью блока Powergui. Следует отметить, что мертвое время уменьшает основную составляющую и увеличивает искажение.

Результаты частотного анализа суммированы в таблице, показанной в модели. Эта таблица показывает, что амплитуда основных характеристических частот (около 8 кГц) немного увеличивается (с 0,74% до 0,82%) при использовании мертвого времени. Увеличение THD вызвано главным образом введением нехарактерных низкочастотных гармоник (в основном 5-й и 7-й).

Моделирование отказа диода внутри трехуровневого преобразователя

8. Установите ручной переключатель в верхнее положение, чтобы отключить время покоя и чтобы два инвертора генерировали идентичные сигналы. 9. Откройте подсистему трехуровневого преобразователя (подробно). Следует отметить, что идеальный блок переключателя, обозначенный как D5 разомкнутый, соединен последовательно с нейтральным зажимным диодом D5 фазы А. 10. Откройте меню блока «Генератор лестниц» и в параметре «Время» измените множитель 100 на 1. Теперь блок будет заказывать размыкание переключателя при t = 0,25 с, тем самым имитируя отказ диода в разомкнутой цепи. 11. Запустите моделирование и сравните сигналы схемы 1 и схемы 2 на Scope1.

На D5 отображаются диод Scope2 ток и напряжение VaN инвертора 2. Когда D5 не открывается, его зажимное воздействие на нейтраль отключается, и напряжение VaN колеблется между + 200 В и -200 В (вместо + 200 В и нуля). Эта несимметричная работа рычага инвертора фазы А вводит низкочастотные, нечетные и четные гармоники.