Описание

Эта модель представляет две одинаковые схемы, моделирующие 50kW, 380V, 50Hz, трехфазный, трехуровневый инвертор. Инвертор IGBT использует метод SPWM (8kHz несущей частоты), чтобы преобразовать степень постоянного тока из источника +/-200 В постоянного тока в 220V переменного тока, 50Hz. Инвертор подает 50kW сопротивление через 75kVA 220/380V трансформатор. Фильтры L-C используются на выходе конвертера, чтобы отфильтровать гармонические частоты Fh, сгенерированные в основном вокруг кратных частот переключения 8kHz (Fh = n * 8000 +/-k * 50 Гц). 12 инверторных импульсов, требуемых инвертором, генерируются блоком PWM Generator. Система работает в разомкнутом контуре с постоянным индексом модуляции.

Схема 1 использует блок Трехуровневый Мост, чтобы смоделировать инвертор. Схема 2 использует отдельные блоки IGBT и диоды. Время отключения моделируется блоком On/Off Delay и применяется только к схеме 1.

Симуляция

Сравнение результатов симуляции с блоком Three-Level Bridge и пользовательским конвертером - без мертвого времени

1. Установите блок «Ручной переключатель» в верхнее положение, чтобы отключить эффект мертвого времени на схеме 1. 2. Запустите симуляцию и наблюдайте инвертор и напряжения нагрузки цепей 1 и 2, которые накладываются на Scope1. 3. После завершения симуляции 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 анализировать как напряжения инвертора (выбрать входное Vab_inv_1_2), так и напряжения нагрузки (выбрать входное Vab_load_1_2). Выберите Сигнал номер 1 или Сигнал номер 2, чтобы анализировать напряжения схемы 1 или схемы 2 и нажатия кнопки на Отображение, чтобы наблюдать спектр частот 0-25000 Гц.

Как ожидалось, на выходе инвертора гармоники наблюдаются вокруг кратных частот переключения (8 кГц). На терминалах нагрузки эти высокие частоты гармоники значительно уменьшаются с помощью LC-фильтров. Кроме того, обратите внимание, что LC-фильтры создают резонанс, который создает дополнительные гармоники около 4,4 кГц. Основной компонент и Total Harmonic Distortion (THD) отображаются над спектром графика. Для обеих схем THD составляет 1,27% на стороне нагрузки, и основное напряжение составляет 380 В rms (пик 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 каждый рычаг, могут быть комплементарными. Для примера, для фазы A, IGBT1 комплементарно IGBT3 и IGBT2 комплементарно IGBT4. Однако в практичных VSC отключение полупроводниковых переключателей задерживается из-за эффекта хранения. Поэтому требуется задержка в несколько микросекунд (время хранения + запас прочности), чтобы обеспечить полное исчезновение IGBT, который выключается перед включением другого IGBT. В противном случае на шине постоянного тока может возникнуть короткая схема.

5. Установите блок «Ручной переключатель» в нижнее положение. 6. Запустите симуляцию и сравните две формы напряжения нагрузки на Scope1 и их фундаментальные значения на двух блоках Display. 7. Выполните анализ БПФ с помощью блока Powergui. Вы заметите, что мертвое время уменьшает основной компонент и увеличивает искажения.

Результаты частотного анализа обобщены в таблице, показанной в модели. Эта таблица указывает, что амплитуда основных характеристических частот (около 8 кГц) незначительно увеличивается (с 0,74% до 0,82%), когда используется мертвое время. Увеличение ТГД вызвано в основном введением не характерных низкочастотных гармоник (в основном 5-й и 7-й).

Симуляция отказа диода внутри трехуровневого конвертера

8. Установите ручной переключатель в его верхнее положение, чтобы отключить время отключения и для двух инверторов, чтобы сгенерировать одинаковые формы волны. 9. Откройте подсистему трехуровневого конвертера (Detailed). Обратите внимание, что идеальный переключатель, помеченный D5 Open, соединен последовательно с нейтральным зажимным диодом D5 фазы A10. Откройте блочное меню Stair Generator и в параметре Time смените множитель 100 на 1. Теперь блок упорядочит открытие переключателя на t = 0,25 с, таким образом симулируя отказ диода в разомкнутой схеме. 11. Запустите симуляцию и сравните формы схем 1 и 2 на Scope1.

D5 тока диода и напряжения VaN инвертора 2 отображаются на Scope2. Когда D5 выходит из строя, его зажимной эффект на нейтраль отключен, и напряжение VaN колеблется между + 200В и -200 В (вместо + 200В и нуля). Эта несимметричная операция рычага инвертора фазы А вводит низкочастотные, нечетные и четные гармоники.