Аннотация
Представленный метод компьютерного моделирования статических и динамических потерь мощности в полупроводниковых диодах и транзисторах позволит с достаточной точностью определить составляющие потерь мощности преобразователя частоты. Цель исследования заключается в разработке компьютерной модели блока расчета потерь мощности силовых ключей преобразователя частоты, которая позволила бы адекватно определить статические и динамические потери мощности в транзисторах и диодах полупроводникового преобразователя SIEMENS SINAMICS G110 мощностью 1,5 кВт. Для анализа полупроводниковых схем выпрямителя и автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией в статье применены методы имитационного моделирования в среде Matlab/Simulink. Приведены аналитические выражения, описывающие статические и динамические потери мощности в силовых полупроводниковых диодах и транзисторах. Методом полиномиальной аппроксимации силовых характеристик IGBT-транзисторов получены математические выражения, описывающие зависимости Vсе(Ic), Vf(If), Eon(Ic), Eoff(Ic), Erec(Ic). На базе полученных выражений в среде Matlab/Simulimk разработан блок расчета статических и динамических потерь мощности. Разработана компьютерная модель преобразователя частоты SIEMENS SINAMICS G110 в среде Matlab/Simulink с использованием блоков из библиотеки SimPowerSystem. С помощью разработанного блока расчета потерь мощности получены зависимости потерь мощности от частоты коммутации и тока нагрузки. Верификация результатов проведена путем сопоставления данных моделирования с данными производителя преобразователя. Представленный метод моделирования статических и динамических потерь мощности применен в инженерных и научных исследованиях при оценке потерь мощности и коэффициента полезного действия преобразователей частоты и других типов полупроводниковых преобразователей. Преимущество данного метода заключается в том, что он позволил учесть характеристики конкретных диодов и транзисторов.
Ключевые слова
Преобразователь частоты, неуправляемый выпрямитель, автономный инвертор напряжения, широтно-импульсная модуляция, статические потери, динамические потери, аппроксимация, характеристика, коэффициент полезного действия.
1. Довудов С.У., Дунаев М.П. Анализ энергетических показателей импульсных преобразователей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 345-355.
2. Yao Y., Lu D.C., Verstraete D. Power loss modelling of MOSFET inverter for low-power permanent magnet synchronous motor drive // 1st International Future Energy Electronics Conference (IFEEC). 2013. Pp. 849-854. doi: 10.1109/IFEEC.2013.6687620.
3. Nguyen H.V., Lee D. Comparison of power losses in single-phase to three-phase AC/DC/AC PWM converters // 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia). 2015. Pp. 940-945. doi: 10.1109/ICPE.2015.7167894.
4. Perutka K. MATLAB for Engineers - Applications in Control, Electrical Engineering, IT and Robotics, Edited. 2011. 512 p.
5. Control of a single-phase cascaded H-bridge multilevel inverter for grid-connected photovoltaic systems / E. Villanueva, P. Correa, J. Rodriguez, M. Pacas // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol. 56. Iss. 11. Pp. 4399-4406. doi: 10.1109/TIE.2009.2029579.
6. Wang C.M. A novel single-stage full-bridge buck-boost inverter // Eighteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2003. Pp. 51-57. doi: 10.1109/APEC.2003.1179175.
7. Modular Cascaded H-Bridge Multilevel PV Inverter With Distributed MPPT for Grid-Connected Applications / B. Xiao, L. Hang, J. Mei, C. Riley, L.M. Tolbert, B. Ozpineci // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51. Iss. 2. Pp. 1722-1731. doi: 10.1109/TIA.2014.2354396.
8. Hafezi H., Faranda R. A New Approach for Power Losses Evaluation of IGBT/Diode Module // Electronics. 2021. Vol. 10. No. 280. doi: 10.3390/electronics10030280.
9. https://mathworks.com/help/ physmod/sps/ug/loss-calculation-in-a-three-phase-3-level-inverter.html (accessed on 23 January 2021).
10. Дунаев М.П. Силовые электронные преобразователи электростанций: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2016. 116 с.
11. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи. СПб.: Электросила, 2003. 172 с.
12. Faiz J., Shahgholian G. Modeling and simulation of a three-phase inverter with rectifier-type nonlinear loads // Armenian Journal of Physics. 2009. Vol. 2. Iss. 4. Рp. 307-316.
13. Loss calculation of a frequency converter with a fixed-step circuit simulator / L. Aarniovuori, L. Laurila, M. Niemela, J. Pyrhonen // European Conference on Power Electronics and Applications. 2007. Pp. 1-9. doi: 10.1109/EPE.2007.4417355.
14. https://www.semikron.com/service-support/downloads/detail/ semikron-application-note-determining-switching-losses-of-semikron-igbt-modules-en-2014-08-19-rev-00.html (accessed on 23 January 2021).
15. Blinov A., Vinnikov D., Jalakas T. Loss Calculation Methods of Half-Bridge Square-Wave Inverters // Elektronika Ir Elektrotechnika. 2011. Vol. 113. No. 7. Pp. 9-14. doi: 10.5755/j01.eee.113.7.604.
16. Ahmed M.M.R., Putrus G.A. A method for predicting IGBT junction temperature under transient condition // 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics. 2008. Pp. 454-459. Doi: 10.1109/IECON.2008.4757996.
17. Calculation of static and dynamic losses in power IGBT transistors by polynomial approximation of basic energy characteristics / O.A. Plakhtii, V.P. Nerubatskyi, D.A. Hordiienko, H.A. Khoruzhevskyi // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020. No. 2. Pp. 82-88. doi: 10.33271/nvngu/2020-82.
18. Ivakhno V., Zamaruiev V.V., Ilina O. Estimation of Semiconductor Switching Losses under Hard Switching using Matlab/Simulink Subsystem // Electrical, Control and Communication Engineering. 2013. No. 2. Pp. 20-26. doi: 10.2478/ecce-2013-0003.
19. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab. Учебный курс. С.-Петербург; Москва; Харьков; Минск: Питер, 2000. 432 с.
20. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование схемы частотно-импульсного преобразователя // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2019. №3. С. 144-152.
21. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование схемы широтно-импульсного преобразователя // Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири: тр. Всерос. Науч.-практ. конф. Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2019. Т.1. С. 3-6.
22. Дьяконов В.П. MATLAB и Simulink для радиоинженера. М.: ДМК Пресс, 2011. 976 с.
23. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2008. 288 с.
24. Colak I., Kabalci E., Bayindir R. Review of multilevel voltage source inverter topologies and control schemes // Energy Conversion and Management. 2011. Vol. 52. Iss. 2. Pp. 1114-1128. doi: 10.1016/j.enconman.2010.09.006.