Ведущая организация
реклама
На правах рукописи ЩЕРБАКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВЫХОДНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Специальность 05.09.12 – Силовая электроника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов – 2013 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Голембиовский Юрий Мичиславович Официальные оппоненты: Степанов Сергей Федорович доктор технических наук, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Беспалов Николай Николаевич кандидат технических наук, доцент, Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, заведующий кафедрой «Электроника и наноэлектроника» Ведущая организация Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, д.77, ауд. 1/319. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». Автореферат разослан «18» ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Томашевский Юрий Болеславович 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Энергоэффективность и энергосбережение, являясь приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники, были включены в Энергетическую стратегию России на период до 2030 года, что подчеркивает важность этого направления для модернизации и технологического развития российской экономики, повышения ее конкурентоспособности. Современные процессы производства, передачи и потребления электрической энергии, без которых невозможна современная экономика, требуют многократного ее преобразования, для которого используются мощные полупроводниковые инверторы, от эффективности и надежности функционирования которых зависит эффективность и надежность функционирования всех потребителей электроэнергии. Наиболее важным этапом проектирования инвертора является выбор топологии и метода модуляции, которые обеспечат наилучшие техникоэкономические показатели проектируемого устройства. Наличие критериев и процедур выбора на данном этапе снижает вероятность ошибок и сокращает время проектирования полупроводникового прибора. Таким образом, задача обеспечения обоснованности проектных решений и формирование критериев выбора является актуальной. К настоящему моменту в области силовой электроники накоплен большой объем материалов, посвященных вопросам разработки новых и улучшения существующих схемотехнических решений с целью повышения эффективности применения автономных инверторов напряжения. В то же время вопрос сравнения принципиально разных схем и алгоритмов модуляции остается открытым. Решению этой задачи посвящена данная диссертационная работа. Целью диссертационной работы является повышение качества проектных решений при выборе схемотехнической реализации автономного инвертора напряжения, что предполагает определение режимов функционирования инверторов, в которых использование конкретной реализации инвертора является оптимальной по массогабаритным и стоимостным показателям. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Систематизация существующих схемотехнических решений и алгоритмов модуляции на основе существующих публикаций и математического моделирования. 2. Выбор из каждой группы инверторов схемы, обеспечивающей наибольшую эффективность и гибкость при использовании, с целью сокращения мощности множества выбора и исключения из анализа однотипных моделей. 3. Выбор критериев оценки схем инверторов, отражающих качество генерируемой электроэнергии и технические характеристики самого инвертора. 4 4. Разработка математической модели для оценки принятых критериев в приложении к выбранным схемам инверторов. 5. Определение закономерностей влияния параметров инвертора на значения критериев оценки, выявление областей в пространстве состояний, при которых топология обладает явными преимуществами и недостатками, определение границ областей оптимального использования инверторов. Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического и имитационного моделирования, решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, аппроксимации и интерполяции, графического решения многокритериальных задач. В качестве исходных данных при моделировании использовались паспортные данные силовых IGBT модулей, указанных производителем. В процессе выполнения работы использовались проверенные методы и алгоритмы расчета характеристик инвертора. Математическое и имитационное моделирование проводилось в средах MathCad и MATLAB\Simulink. Объектом исследования являются автономные инверторы напряжения. Предметом исследования являются мощность потерь, температура полупроводникового перехода и гармонический состав выходного напряжения автономных инверторов напряжения. Научная новизна: 1. Получены закономерности функционирования системы фильтринвертор, в частности, наличие узкой области оптимальных параметров фильтра для каждого режима работы инвертора. 2. Предложена схема инвертора с амплитудной модуляцией, состоящая из коммутатора и моста, позволяющая сократить массогабаритные показатели инвертора. Проведен сравнительный анализ данной схемы с распространенными схемами инверторов, подтверждающий высокое качество генерируемого напряжения при меньших аппаратных и стоимостных затратах на реализацию. 3. Разработана имитационная модель, позволяющая на основе паспортных данных используемых силовых элементов, получать данные о температуре полупроводниковой структуры и мощности потерь в инверторе. 4. Получены закономерности влияния частоты коммутации и тока инвертора на установленную мощность автономного инвертора напряжения и сформулированы рекомендации по выбору топологии инвертора в зависимости от частоты выходного напряжения. Теоретическая и практическая значимость исследования. Полученные результаты позволяют повысить обоснованность решений при проектировании инвертора, позволяя по предъявляемым нагрузкой требованиям, выбрать топологию инвертора, который будет обладать наименьшими стоимостными и массогабаритными показателями. Таким образом, уменьшается вероятность ошибок при проектировании и затраты на проектирование. 5 Апробация результатов исследования. Основные положения работы докладывались автором на внутривузовских и международных конференциях ММТТ-24, ММТТ-25, конкурсе У.М.Н.И.К., получен патент на полезную модель. Публикации результатов исследования. По теме диссертационной работы автором опубликовано 11 работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Еще одна работа принята к опубликованию в журнале «Известия ВУЗов. Электромеханика». Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка использованной литературы, включающего 102 наименования. Объем работы составляет 155 страниц текста, 57 рисунков и 23 таблицы. Научные положения и результаты, выносимые на защиту: 1. Разработанная имитационная модель позволяет рассчитывать мощность потерь и температуру полупроводникового перехода транзистора и диода в инверторе с учетом реальных параметров ШИМ и АИМ модуляции. 2. Динамические потери оказывают существенное влияние на температуру перехода транзистора и диода IGBT модуля при частоте коммутации более 5 кГц. 3. Схема АИН с коммутатором и мостом, состоящая из 10 IGBTмодулей, обеспечивает выходное напряжение, удовлетворяющее требования ГОСТ по суммарному коэффициенту гармоник без применения фильтра. 4. АИМ-инвертор является предпочтительным по критерию минимальной установленной мощности при обеспечении коэффициента гармоник не более 8% на частотах выходного напряжения более 800 Гц при рассмотрении реального номенклатурного ряда IGBT-модулей. При наличии непрерывного номенклатурного ряда IGBT модулей оптимальным является инвертор с многоуровневой ШИМ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, дано краткое содержание работы, а также выделены положения, выносимые на защиту. В первой главе анализируются текущее состояние преобразовательной техники в Росси и в мире, выделяются проблемы, стоящие перед отраслью в соответствии с задачами модернизации экономики. Рассматриваются основные типы преобразователей электроэнергии: автономные инверторы тока (АИТ) и автономные инверторы напряжения (АИН), указываются их области применения, а также известные преимущества и недостатки. АИН при всех преимуществах обладают серьезными недостатками: форма напряжения сильно зависит от типа нагрузки, при этом IGBT модули, на основе которых строятся современные 6 АИН, чувствительны к перегрузкам. Это заставляет проектировщиков инверторов ответственно относиться к выбору IGBT модулей и топологии инвертора на этапе проектирования устройства. К настоящему моменту разработано большое количество схемотехнических реализаций АИН, а также используемых в них алгоритмов коммутации силовых ключей – алгоритмов модуляции. Однако в литературе отсутствуют методики и результаты сравнения инверторов различных топологий. Сложность подобной задачи обусловлена ее плохой формализуемостью, поэтому в настоящее время при проектировании инвертора используют экспертный метод, что может привести к потенциальным ошибкам. Применение приведенной в диссертационной работе методики позволяет снизить вероятность ошибок проектирования и выделить области указанного пространства состояний, для которых существующих решений недостаточно и требуются их изменение либо разработка новых. При проектировании инвертора основными критериями являются качество генерируемого напряжения, ценовые и массогабаритные показатели. Несмотря на то, что ГОСТом и международными стандартами установлен целый ряд критериев качества электроэнергии, основным при проектировании источника вторичного питания является спектральный критерий – суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения и тока. С целью улучшения гармонического состава генерируемого напряжения в автономных инверторах напряжения изменяют либо силовую схему, либо алгоритм модуляции, либо и то и другое одновременно. Простейшим и самым распространенным алгоритмом модуляции является широтно-импульсная модуляции (ШИМ), которая может быть применена к мостовому инвертору. В свою очередь, ШИМ можно классифицировать по целому ряду признаков: по форме опорного сигнала, по моменту коммутации, по количеству импульсов за период опорного сигнала. Многочисленные исследования, представленные в литературе, доказывают, что лучший гармонический состав дают синусоидальная двусторонняя множественная ШИМ и ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой опорного сигнала. Достоинствами ШИМ являются простота силовой схемы и алгоритма модуляции, а основным недостатком – наличие высших гармоник в спектре генерируемого напряжения. При этом повышение частоты несущего сигнала приводит не к исключению гармонических составляющих из спектра выходного напряжения, а к их перемещению в область более высоких частот. Поскольку ГОСТ регламентирует значение суммарного коэффициента гармонических составляющих, при расчете которого учитывались только гармоники с подрядом меньше 40, то повышение частоты коммутации создает видимость улучшения гармонического состава. При этом значение полного коэффициента гармоник является 7 недопустимым для питания большинства потребителей. Наличие высших гармоник в спектре питающего напряжения приводит к ускоренному износу изоляции, нарушениям питания потребителей, что приводит к соответствующему экономическому ущербу. С целью исключения высших гармоник из спектра в ШИМ инверторах применяются выходные фильтры низких частот. Применение фильтров позволяет защитить нагрузку и получить напряжение с низким содержанием гармоник, но при этом повышает стоимость и массогабаритные показатели инвертора. Избежать использования фильтра позволяет применение ступенчатой (или амплитудной) модуляции, при которой форма напряжения является ступенчатой кривой близкой к синусоиде. При наличии 7 ступней на четверти периода и правильно подобранных углах коммутации ключей можно добиться суммарного коэффициента гармоник менее 7% с учетом всех составляющих спектра. Очевидным недостатком амплитудной модуляции является усложнение схемы по сравнению с ШИМ инвертором и увеличение количество силовых ключей, а значит и массогабаритных показателей схемы, с увеличением количества уровней выходного напряжения. Этот недостаток долгое время был принципиальным – из-за высокой стоимости силовых ключей использование ступенчатой модуляции было нерентабельным. Однако с удешевлением элементной базы разработанные ранее алгоритмы амплитудной модуляции снова стали востребованы. Многоуровневая широтно-импульсная модуляция совмещает два рассмотренных выше алгоритма. Выходное напряжение таких инверторов формируется путем суммирования ШИМ сигналов на нескольких уровнях инвертора и представляет собой ступенчатый сигнал, на каждом уровне которого дополнительно есть ШИМ сигнал. В настоящее время известны три топологии многоуровневых инверторов с ШИМ: каскадная мостовая схема, схема с плавающими конденсаторами и схема с фиксирующими диодами. Проведенные исследования показывают, что каскадная мостовая схема обладает наименьшими стоимостью и массогабаритными показателями, кроме того, она легко масштабируется, что предопределяет ее широкое распространение. Таким образом, возникает задача сравнительного анализа трех топологий инверторов с целью определения оптимальности использования каждой из них для питания нагрузки с заданными параметрами. Во второй главе дан обзор существующих методов широтноимпульсной модуляции (ШИМ), используемых в мостовых инверторах напряжения. Описан алгоритм расчета мощности потерь и температуры полупроводникового перехода IGBT-модулей инвертора, и реализующая его имитационная модель; представлены результаты исследования зависимостей температуры перехода от режима работы инвертора, определяемого параметрами нагрузки. Проанализировано влияние выходного частотного фильтра на качество генерируемого инвертором напряжения, а также на температуру перехода кристалла. 8 Суммарная мощность потерь IGBT модуля PСУМ состоит из четырех составляющих: PСУМ PCT PДИН PУТ PУПР , (1) где РСТ и РДИН – соответственно статические и динамические потери в IGBT модуле, РУТ – потери от тока утечки в транзисторе, PУ – потери от тока управления в транзисторе. Поскольку у современных силовых IGBT модулей ток утечки коллектор-эмиттер составляет несколько мА, а ток утечки затвор-эмиттер – десятые доли мА, то при расчете суммарных потерь ими можно пренебречь и учитывать только статическую и динамическую составляющие. Статические потери обусловливают тепловую мощность, рассеиваемую на транзисторе и обратном диоде в IGBT. Статические потери рассчитываются отдельно для транзистора и обратного диода на основании значения тока, протекающего соответственно через транзистор и диод, и величины падения напряжения на транзисторе и диоде соответственно по формулам: T PCT Tr T 1 1 iK uКЭ dt PCT Д i Д uД dt T0 T0 (2) где iK – мгновенный ток коллектора транзистора, uКЭ – падение напряжения на транзисторе, iД – мгновенный ток обратного диода, uД – падение напряжения на обратном диоде. Значения мгновенных токов транзистора и обратного диода определяются на основе данных о параметрах нагрузки инвертора напряжения. Динамические потери IGBT модуля определяются потерями включения и выключения транзистора. Как правило, для этого используют значения энергии включения Eon и выключения Eoff транзистора, указанные в паспорте IGBT модуля. Таким образом, величину динамических потерь за период модулирующего сигнала можно определить по формуле (3) PДИН (E ON EOFF ) T (3) где T – период модулирующего сигнала инвертора напряжения. Мощность потерь влияет на температуру перехода, обозначаемую TJ и не превышающую у большинства модулей 140-160°. Температура перехода определяется мощностью потерь в IGBT модуле, интенсивностью его охлаждения, температурой окружающей среды, а также конструктивными характеристиками, определяющими тепловое сопротивление, т.е. передачу тепла от модуля окружающей среде. Для расчета температуры перехода можно использовать тепловые модели транзистора и диода, представляющие собой последовательно соединенные RC-цепи, каждая из которых состоит из включенных параллельно резистора и конденсатора (рис. 1). Количество таких RC модулей приведено в паспортных данных на прибор. 9 Рис. 1. Тепловая модель модуля транзистора Величины емкости конденсаторов Ci определяются по формуле Ci thi (4) где Rthi – сопротивление соответствующего резистора, приводимое в паспортных данных, τthi – постоянная времени, приводимая в паспортных данных. Тогда тепловое сопротивление схемы ZthJC можно определить по формуле Rthi n Z thJC (t ) Rthi 1 exp( t / thi ) i 1 (5) где n – число звеньев в тепловой модели. Для реализации описанного алгоритма расчета в среде MATLAB\Simulink была разработана имитационная модель, определяющая мощность потерь и температуру перехода в зависимости от параметров модуля и нагрузки. Проведенные с ее помощью исследования позволяют сделать вывод, что при использовании ШИМ на частотах коммутации до 5 кГц динамические потери значительно меньше статических, для охлаждения модуля достаточно небольших охладителей массой до 2,5 кг с естественным обдувом. При больших частотах значительно возрастают динамические потери, что приводит к росту температуры перехода и требуемой интенсивности охлаждения. Для решения проблемы необходимо применять либо другой тип охладителя, либо более мощный тип модуля (рис. 2). а 10 б Рис. 2. Статические (а) и динамические (б) потери транзистора, диода и IGBT-модуля в ШИМ инверторе при частоте коммутации 10 кГц Спектр ШИМ сигнала содержит бесконечное число гармонических составляющих, что требует установки выходного фильтра низких частот. Наиболее распространенным типом фильтров, применяемых в АИН, являются LC фильтры. Как известно, значения индуктивности и емкости такого фильтра связаны между собой и с параметрами нагрузки, т.к. волновое сопротивление фильтра должно соответствовать волновому сопротивлению нагрузки. При увеличении индуктивности фильтра уменьшается действующее значение выходного напряжения и одновременно уменьшается содержание в нем гармонических составляющих. Проведенные исследования показывают, что параметры фильтра сильно влияют на мощность потерь и температуру перехода модуля. В частности, для каждой определенной нагрузки существует узкая область оптимальных параметров фильтра, обеспечивающих минимум мощности потерь. При увеличении или уменьшении индуктивности фильтра мощность потерь и температура перехода растут, что требует установки более мощных модулей либо увеличения интенсивности охлаждения инвертора. В третьей главе исследуется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), при которой выходное напряжение представляет собой ступенчатую функцию, приближающуюся по форме к синусоиде при увеличении количества ступеней. Преимуществом АИМ является низкое содержание гармоник в спектре выходного напряжения, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования выходного фильтра. Главным недостатком АИМ является большее по сравнению с ШИМ количество силовых элементов схемы, что увеличивает массогабаритные и стоимостные показатели инвертора. Для имитационного моделирования и последующего сравнения с другими топологиями выбрана схема инвертора, состоящая из коммутатора и моста, позволяющая сократить количество силовых элементов при сохранении количества уровней выходного напряжения и, следовательно, 11 гармонического состава (рис. 3). Для минимизации коэффициента гармоник рассчитываются оптимальные углы коммутации на основе модификации известных методов: исключения отдельных гармонических составляющих; минимизации суммарного коэффициента гармоник. Для применения существующих алгоритмов к схеме инвертора с коммутатором и мостом предложено рассчитать углы коммутации одного силового ключа в цепи с источником питания, имеющим наименьшую амплитуду напряжения и наибольшую частоту коммутации (источник 4 на рис. 3, 1). Тогда углы коммутации модулей j-го контура можно найти из углов j-1 контура (углы коммутации транзисторов 14 и 11 из углов коммутации транзисторов 13 и 10, а углы коммутации транзисторов 15 и 12 из углов коммутации транзисторов 14 и 11 на рис. 3, 1) по формуле (6). i j 2ji1 (6) В результате оптимизации углов коммутации и высоты ступеней для 7-уровенвого выходного напряжения был получен коэффициент гармоник, равный 6,9%. При дальнейшем увеличении количества ступеней коэффициент гармоник уменьшается незначительно, а массогабаритные показатели схемы продолжают расти. Рис. 3. Схема инвертора напряжения со ступенчатым 7-уровневым выходным напряжением 12 Для определения мощности потерь и температуры перехода использовалась та же модель, которая применялась для исследования ШИМ. В результате моделирования установлено, что для анализа влияния частоты коммутации на суммарную мощность потерь в инверторе данной топологии достаточно данных об одном IGBT модуле коммутатора. Мощность потерь остальных модулей оказывается практически равной, за счет того, что увеличение статической составляющей мощности потерь, вызванной увеличением амплитуды прикладываемого напряжения, компенсируется снижением частоты коммутации и, следовательно, мощности динамических потерь. Исследование зависимости стоимости инвертора от частоты коммутации при различных параметрах охлаждения позволяет сделать вывод, что для решения задачи питания более мощного потребителя выгоднее повысить интенсивность системы охлаждения, чем устанавливать более мощные силовые модули. Эта зависимость остается верной для случаев естественного охлаждения модулей. Если возможностей естественного охлаждения оказывается недостаточно, то требуется установка принудительного охлаждения, что требует дополнительных затрат на эту систему. Таким образом, установка более мощного модуля является предпочтительной только в тех случаях, когда это позволяет избежать установки системы принудительного охлаждения, либо при жестких требованиях к массогабаритным показателям схемы, т.к. массогабаритные показатели охладителей являются определяющими при общей оценке массогабаритных показателей инвертора напряжения. Сформулированные выше выводы справедливы для инверторов, работающих на нагрузку с разным коэффициентом мощности. В четвертой главе описаны типы многоуровневой широтноимпульсной модуляции, а также методы получения управляющих сигналов для силовых ключей инвертора. Проанализирована зависимость гармонического состава выходного напряжения инвертора от количества уровней и частоты коммутации ключей каждого уровня. Путем моделирования определены зависимости температуры перехода транзистора от количества уровней напряжения, частоты коммутации и мощности нагрузки. Основным преимуществом многоуровневых инверторов напряжения является высокое качество выходного напряжения, о чем свидетельствует низкий уровень THD. Из множества алгоритмов модуляции, применяемых в многоуровневых инверторах, для сравнения была выбрана ШИМ на основе несущего сигнала с распределением несущих сигналов по фазе, обеспечивающая равномерную загрузку силовых модулей. Двумя основными характеристиками, влияющими на гармонический состав напряжения, генерируемого многоуровневыми ШИМ инверторами, являются число модулей инвертора M (при рассмотрении топологии каскадного мостового инвертора – число последовательно соединенных 13 мостовых схем) и отношение частоты несущего сигнала к частоте модулирующего Kf. При этом повышение частоты несущего сигнала приводит лишь к смещению гармоник в область высоких частот, а увеличение числа модулей приводит к уменьшению их амплитуд, что является предпочтительным. Спектр выходного напряжения многоуровневого ШИМ инвертора представляет собой набор гармонических групп по 5-9 гармоник, центры которых кратны произведению частоты несущего сигнала на число модулей инвертора. Амплитуда групп убывает с ростом порядка группы, а ширина увеличивается. Таким образом, каждая группа оказывает примерно равный вклад в суммарный коэффициент гармоник выходного напряжения инвертора (рис. 4). Рис. 4. Распределение гармоник в спектре выходного напряжения пятиуровневого ШИМ инвертора при частотном коэффициенте Kf=60 Для анализа мощности потерь и температуры перехода силовых модулей многоуровневого ШИМ инвертора применялась та же Simulinkмодель, что и для анализа одноуровневых ШИМ-инверторов и АИМинверторов. Отличия заключаются в моделях самого инвертора и системы управления. В результате моделирования были проанализированы зависимости температуры перехода в IGBT модулях каскадных ШИМ инверторов от частоты коммутации и мощности нагрузки, определяющей величину тока коллектора при различном количестве уровней выходного напряжения инвертора. Динамическая составляющая потерь мала и мало влияет на общие потери в модуле. Однако при частотах 8-16 кГц динамические потери начинают оказывать влияние на общую мощность потерь и, следовательно, 14 Tj, °C температуру перехода (рис. 5). Полученные зависимости справедливы для различных IGBT-модулей и не зависит от количества уровней инвертора. Т.е. температура увеличивается с ростом частоты коммутации, но остается неизменной при различных уровнях питающего напряжения. Это объясняется тем, что суммарное напряжение, а вместе с ним и ток коллектора, остаются неизменными, следовательно, неизменными остаются и величины статической и динамической мощности потерь. 140 130 120 110 100 1 кГц 90 8 кГц 16 кГц 80 70 60 50 I, A 40 96 120 160 240 Рис. 5. Зависимость температуры перехода от тока ключей для 5-уровневого ШИМ инвертора на основе IGBT модулей М2ТКИ-300-12К В пятой главе проведен сравнительный анализ работы мостового ШИМ инвертора, АИМ инвертора и многоуровневого ШИМ инвертора при работе на одинаковую нагрузку с целью определения оптимальных областей использования каждой из топологий. Наиболее сложной и важной частью исследования является установление зависимостей между различными параметрами схемной реализации, модуляции инвертора, его массогабаритными показателями и показателями качества генерируемой электрической энергии. Одним из основных критериев оценки преобразователей частоты является качество выходного напряжения. Однако при выборе оптимального варианта из, по крайней мере, двух преобразователей с двумя различными силовыми схемами учитывалось не только качество выходного напряжения, но также стоимость и массогабаритные показатели схемы. Таким образом, для решения задачи необходимо получить следующие зависимости: THD = f(FКОММ, IK) (7) PУСТ = f (FКОММ, IK) (8) При этом THD является фильтрующей функцией, а Pуст – целевой. Такую задачу можно формулировать в виде: необходимо выбрать 15 оптимальную с точки зрения массогабаритных и стоимостных показателей схему, удовлетворяющую заданному требованию по содержанию гармонических составляющих в спектре выходного напряжения. Температура перехода модуля растет с ростом тока коллектора, т.о. при установке более мощного модуля, обладающего меньшим тепловым и электрическим сопротивлением, температура перехода снижается. Таким образом, температура перехода зависит от отношения выходной мощности модуля к его установленной мощности. Назовем это отношение коэффициентом загрузки силового модуля (9). P К ЗАГР ВЫХ . (9) PУСТ Анализ коэффициентов загрузки различных модулей и сопоставление их с результатами моделирования позволяют сделать вывод, что такой дискретный показатель как установленная мощность модуля не позволяет получить гладкие зависимости величины статических и динамических потерь. Так, мощность модулей М2ТКИ-100-12К, М2ТКИ-200-12К и М2ТКИ-300-12К составляет соответственно 120, 240 и 360 кВт, но разница в температуре перехода между парами модулей М2ТКИ-100-12К и М2ТКИ200-12К, а также М2ТКИ-200-12К, М2ТКИ-300-12К различна. Для получения гладких зависимостей предложено при расчете коэффициента загрузки вместо установленной мощности использовать ее нормализованное значение. Нормализация всех IGBT-модулей проводится по одному модулю, принятому за базу. Нормализованное значение установленной мощности можно рассчитать по формуле P' УСТ PУСТ.ЕД. , ЕД (10) где PУСТ.ЕД. – установленная мощность принятого за базу IGBT-модуля, Ω – внутреннее сопротивление модуля, ΩЕД, – внутреннее сопротивление принятого за базу IGBT-модуля. Поскольку величины внутренних сопротивлений модулей и энергии включения/выключения модуля не зависят от напряжения питания, то удобнее перейти к рассмотрению коэффициентов загрузки модуля по току К I ЗАГР I ВЫХ I 'УСТ , (11) где I’УСТ – отношение нормализованной установленной мощности P’УСТ к указанному в паспортных данных модуля допустимому напряжению. Аппроксимированные квадратичным полиномом зависимости температуры перехода от нормализованного коэффициента загрузки модуля представлены на рис. 6. Из представленных графиков можно найти максимальный коэффициент загрузки для заданной частоты коммутации при ограничении температуры перехода на уровне 150 °C. Используя зависимость коэффициента загрузки модуля от частоты коммутации, можно 16 определить минимальную установленную мощность схемы как сумму выходных мощностей IGBT модулей схемы. Такая зависимость представлена на рис. 7. Из графика видно, что граничной частотой является 800 Гц. При больших значениях установленная мощность ШИМ-инвертора выше, чем у АИМ инвертора. При этом граница не зависит от тока коллектора. Представленные выше зависимости справедливы при рассмотрении непрерывного номенклатурного ряда IGBT-модулей. Однако на практике большинство серий модулей содержат дискретный ряд напряжений и различаются допустимым током коллектора. В таком случае при расчете установленной мощности инвертора необходимо использовать паспортные значения допустимого напряжения модуля. Это кардинальным образом меняет соотношение эффективности инверторов различных топологий (рис. 8). Установленная мощность МШИМ инверторов возрастает пропорционально увеличению количество уровней в связи с увеличением модулей в схеме. Оптимальной на частотах до 1400 Гц является мостовой инвертор с ШИМ за счет наименьшего количества силовых ключей. Однако при высоких частотах генерируемого напряжения динамические потери резко возрастают, что требует установки более мощных модулей. Это приводит к тому, что в диапазоне свыше 1400 оптимальным по установленной мощности становится инвертор с АИМ. При частотах выше 1700 Гц установленная мощность ШИМ инвертора превышает аналогичный показатель 3-уровневого каскадного мостового ШИМ инвертора; при частотах выше 1800 Гц – 5-уровневого ШИМ инвертора; и при частотах выше 1950 Гц – 7-уровневого ШИМ инвертора. Рис. 6. Аппроксимация зависимости температуры перехода от нормализованного коэффициента загрузки модуля при различных частотах коммутации F 17 Рис. 7. Зависимость установленной мощности ШИМ, АИМ и МШИМ инвертора от частоты выходного напряжения и тока коллектора при наличии непрерывного номенклатурного ряда IGBT-модулей Рис. 8. Зависимость установленной мощности ШИМ, АИМ и МШИМ инвертора от частоты выходного напряжения и тока коллектора при реальном номенклатурном ряде IGBT-модулей 18 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана имитационная модель, позволяющая рассчитывать мощности потерь и температуру перехода транзистора и диода при реальной ШИМ, учитывая скважность сигнала и зависимости энергии включения/выключения и внутреннего сопротивления транзистора и диода от протекающего через них тока. Схема легко адаптируется и позволяет рассчитывать мощность потерь для АИМ инверторов и многоуровневых ШИМ инверторов, а также позволяет учитывать влияние энергии потерь двух либо четырех IGBT на температуру перехода транзистора при использовании полумостовых или мостовых схем в одном корпусе. 2. Впервые установлено, что динамические потери начинают оказывать существенное влияние на температуру перехода (и, следовательно, установленную мощность ключей) при частоте ШИМ 5 кГц и выше. Таким образом, при частоте выходного напряжения инвертора менее 400 Гц динамическими потерями можно пренебрегать, а при питании высокочастотных потребителей именно динамические потери становятся основным критерием допустимости использования IGBT-модуля. 3. Впервые установлено влияние параметров фильтра на потери в АИН с ШИМ и температуру перехода. Показано, что для каждой нагрузки существуют оптимальные индуктивность и емкость фильтра, при которых температура перехода транзисторов инвертора остается минимальной. При изменении индуктивности фильтра как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, температура перехода резко возрастает из-за больших динамических потерь. При этом суммарный коэффициент гармоник уменьшается с увеличением индуктивности фильтра. Таким образом, при расчете выходного фильтра ШИМ инвертора необходимо учитывать не только критерии обеспечения необходимого коэффициента гармоник и равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки, но и степень его влияния на температуру перехода. 4. Предложена схема АИН с коммутатором и инверторным мостом с оптимизированными углами коммутации и высотами ступеней, позволяющая генерировать ступенчатое напряжение, суммарный коэффициент гармоник которого менее 7%. Проведен анализ зависимости коэффициента гармоник от количества ступеней выходного напряжения и показано, что для схемы с коммутатором и мостом оптимальными по содержанию гармоник и массогабаритным показателям являются схемы, генерирующие 7 и 15 уровней на четверти периода. При дальнейшем увеличении количества уровней, коэффициент гармоник практически не уменьшатся, а массогабаритные показатели инвертора растут за счет увеличения количества схемотехнических элементов в схеме. 5. Доказано, что спектр выходного напряжения многоуровневого ШИМ-инвертора состоит из гармонических групп, центры которых расположены на частотах, пропорциональных произведению частоты коммутации на количество уровней инвертора. С ростом порядка группы 19 амплитуды гармоник уменьшаются, а ширина групп увеличивается. Таким образом, гармонические группы разных порядков оказывают примерно одинаковое влияние на суммарный коэффициент гармоник. 6. Определены области допустимой работы ШИМ, АИМ и МШИМ инверторов и показано влияние тока инвертора и частоты коммутации на границы этих областей. 7. Установлено, что при частоте генерируемого напряжения более 800 Гц с коэффициентом гармоник не более 8% оптимальным с точки зрения массогабаритных показателей является инвертор со ступенчатой модуляцией. При меньших частотах – инвертор с ШИМ модуляцией. 8. Установлено, что при наличии непрерывного номенклатурного ряда IGBT модулей оптимальным с точки зрения массогабаритных показателей является инвертор с многоуровневой ШИМ; при реальном номенклатурном ряде модулей на частотах выходного напряжения до 1400 Гц оптимальным является ШИМ инвертор, а на более высоких частотах – АИМ инвертор. Список опубликованных работ по теме диссертации: В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ 1. Щербаков, А.А. К вопросу о выборе оптимальных параметров многоуровневого автономного инвертора напряжения [Текст] / Ю.М. Голембиовский, А.А. Щербаков // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 4 (59). – Вып. 2. – С. 194-199. 2. Щербаков, А.А. Анализ аппаратных и стоимостных затрат при реализации автономного инвертора напряжения с амплитудной модуляцией [Текст] / А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2013. – № 2(70). – Вып. 1. – С. 64-72. Патенты 3. Патент на полезную модель 130159 Российская Федерация, МПК H 02 M7/48 (2007.01). Однофазный инвертор со ступенчатым выходным напряжением [Текст] / Щербаков А.А., Голембиовский Ю.М.; заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.. – № 2013100721/07; заявл. 09.01.13; опубл. 10.07.13 Публикации в других изданиях 4. Щербаков, А.А. Динамические модели автономных инверторов [Текст] / Н.П. Митяшин, Э.К. Нугаев, Е.Е. Миргородская, А.А. Щербаков // Интернет и инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности : материалы Междунар. науч.практ. конф., г. Саратов, 19-20 нояб. 2008 г. / СГТУ. – Саратов, 2008. – С. 250-251. 5. Щербаков, А.А. Дискретные динамические модели структурно симметричных инверторов [Текст] / Д.А. Авдеев, Н.П. Митяшин, 20 Э.К. Нугаев, А.А. Щербаков // Управление сложными системами: сб. науч. ст. по материалам Всерос. науч. конф. – Саратов, 2009. – С. 3-9. 6. Щербаков, А.А. Использование структурной симметрии вентильного преобразователя при его моделировании [Текст] / Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Э.К. Нугаев, А.А, Щербаков // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т. – Псков: ПГПИ, 2009. – Т. 8. – С. 234-236. 7. Щербаков, А.А. Задача управления качеством электрической энергии, генерируемой преобразователями частоты / А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский, А.В. Денисов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24: доп. сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. – Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т, 2011. – С.154-158. 8. Щербаков, А.А. Спектральное моделирование многоуровневых инверторов напряжения [Текст] / А.А. Щербаков // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. – Саратов, 2011. – С. 141-145. 9. Щербаков, А.А. Зависимость спектра напряжения от параметров модуляции многоуровневого инвертора [Текст] / А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 9. – Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Национ. техн. ун-т «ХПИ», 2012. – С. 199-201. 10. Щербаков, А.А. Оптимизация выбора схем и способов модуляции автономных инверторов напряжения [Текст] / А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский // Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. / под общ. ред. А.А. Большакова. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. – С. 198-201. 11. Scherbakov, A. Selecting the type of frequency converter to provide the power quality [Текст] / A. Scherbakov // Молодые ученые за инновации: создавая будущее: материалы Международной научно-практической Интернет-конференции в рамках Международного Интернет-фестиваля молодых ученых, г.Саратов, 27-29 апреля 2011 г. / СГТУ. – Саратов, 2011. – С. 195-199. Подписано в печать 15.11.13 Формат 6084 1/16 Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 186 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: [email protected]
