Расчет потерь в трехфазном инверторе 3-Level
В этом примере показано, как вычислить потери коммутации в трехфазном 3-уровневом инверторе, объединяющем блоки Specialized Power Systems и Simscape.
Общая информация
От источника постоянного тока +/- 1800 В, 400-kW трехфазный 3-уровневый инвертор подает переменную степень в распределительную систему степени. Выход инвертора соединяется с системой 25-kV, 40 MVA, 50-Hz через трансформатор 2200 В/25 кВ. Топология инвертора основана на модели, описанной в [1]. Каждая трехуровневая ветвь инвертора содержит три коммерческих полумостовых IGBT модуля. Импульсное преобразование IGBT модуля 3 не требуется, поскольку только антипараллельные диоды работают как нейтральные зажимные диоды. Система управления содержит два ПИ-контроллеров (один регулятор PQ и один регулятор тока), чтобы генерировать необходимые инверторные импульсы для достижения ссылки выхода степени.
Этап A реализован с использованием трех блоков IGBT с полумостом с вычислением потерь. И потери коммутации, и потери проводимости вычисляются и инжектируются в тепловую сеть. Симуляция иллюстрирует достижимую выходную степень в зависимости от частоты переключения для трехфазного 3-уровневого инвертора.
Блок вычисления потерь полумостового IGBT
Полумагистраль моделируется двумя блоками IGBT/Diode. Верхний и нижний блоки IGBT/Diode получают импульсы от внешнего импульсного генератора. Расчеты потерь основаны на спецификациях, найденных в таблицах данных производителя.
Потери IGBT рассчитываются следующим образом:
Потеря включения: Значение напряжения предварительного переключения через устройство, значение тока после переключения, протекающего в устройство, и температура соединения используются для определения потерь энергии с помощью 3-D интерполяционной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс степени, который вводится в тепловую сеть.
Потеря выключения: Значение тока, протекающего в устройство, значение напряжения через устройство после переключения и температура соединения используются для определения потерь энергии с помощью 3-D интерполяционной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс степени, который вводится в тепловую сеть.
Потеря проводимости: Значение тока (Ic), протекающего в устройстве, и его температура соединения определяют, каким будет напряжение насыщения (Vce) через IGBT с помощью 2-D интерполяционной таблицы. Затем этот Vce умножается на Ic, чтобы получить потери, которые вводятся в тепловую сеть.
Потери диода вычисляются следующим образом:
Обратная потеря восстановления: Значение предварительно переключения тока, протекающего в устройство, значение после переключения напряжения через устройство и температура соединения используются для определения потерь энергии с помощью 3-D интерполяционной таблицы. Эта энергия преобразуется в импульс степени, который вводится в тепловую сеть.
Потеря проводимости: Значение тока (Если), протекающего в устройстве, и его температура соединения определяют, каким было бы напряжение в состоянии (Vf) на диоде, используя 2-D интерполяционную таблицу. Затем этот Vf умножается на If, чтобы получить потери, которые вводятся в тепловую сеть.
Тепловая емкость соединения устройства, а также его тепловое сопротивление при соединении с корпусом представлены одноядерной сетью Кауэра, смоделированной блоком Simulink ® State-Space.
Тепловая сеть
Блоки Simscape из библиотеки тепловых фундаментов используются для создания двухэлементной сети Cauer, основанной на тепловых емкостях (корпус и теплоотвод) и сопротивлениях (корпус-к-раковине и раковина-к-окружающей среде). Для простоты двухэлементная сеть Кауэра использует произвольные значения для тепловых емкостей в порядок, чтобы уменьшить время, необходимое для моделирования тепловых явлений.
Демонстрация
Запустите симуляцию и наблюдайте следующие рабочие точки:
От t = 0 сек до t = 5 сек: инвертор выводит 372 кВт (степень = 0,85) с помощью частоты переключения 850 Гц. Суммарные потери конвертера составляют 2,7 кВт, а самая высокая температура соединения (125 C) наблюдается на IGBT1 модуля 1 (или IGBT2 модуля 2). См. блок Tj (Celsius) Scope внутри блока «Дополнительные возможности и измерения».
От t = 5 секунд до t = 12 секунд инвертор выводит 210 кВт (степень = 0,85) с помощью частоты переключения 1850 Гц. Суммарные потери конвертера составляют 2,7 кВт, а самая высокая температура соединения (125 ° С) все еще наблюдается на IGBT1 модуля 1.
Ссылка
[1] Raffael Schnell, Manager Application, ABB Switzerland, «Высоковольтные модули фазовой стойки для приводов среднего напряжения и инверторов».