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中性点クランプ インバーターとむだ時間

この例では、3 レベル PWM コンバーター内のむだ時間と半導体の故障の影響を説明します。

説明

このモデルは、50 kW、380 V、50 Hz、三相の 3 レベル インバーターをモデル化する、2 つの同一な回路を表します。IGBT インバーターは SPWM 手法 (8 kHz 搬送周波数) を使用して、DC 電力を +/-200 Vdc の電源から 220 V AC、50 Hz に変換します。インバーターは 75 kVA 220/380 V 変圧器を介して 50 kW の抵抗負荷に電力を供給します。L-C フィルターはコンバーターの出力で使用され、主に 8 kHz のスイッチング周波数の倍数近くで生成された高調波周波数 Fh (Fh = n*8000 +/- k*50 Hz) を除去します。インバーターで必要となる 12 個のインバーター パルスは、PWM Generator ブロックで生成されます。システムは一定の変調指数の開ループで動作します。

回路 1 は Three-Level Bridge ブロックを使用して、インバーターをモデル化します。回路 2 は個々の IGBT ブロックとダイオード ブロックを使用します。むだ時間は、On/Off Delay ブロックを使用してシミュレートされ、回路 1 のみに適用されます。

シミュレーション

シミュレーション結果を Three-Level Bridge ブロックおよびユーザー作成のコンバーターと比較 - むだ時間なし

1. Manual Switch ブロックを上の位置に設定し、回路 1 へのむだ時間の影響を無効にします。2. シミュレーションを開始し、Scope1 で重ね合わせた回路 1 と回路 2 のインバーターおよび負荷電圧を確認します。3. シミュレーションが完了したら、Powergui を開き、[FFT Analysis] を選択して、ScopeData1 構造体に保存された信号の周波数スペクトルを表示します。4. FFT は選択した信号の最後のサイクルで実行されます。インバーター電圧 (入力 Vab_inv_1_2 を選択) または負荷電圧 (入力 Vab_load_1_2 を選択) のいずれかを解析できます。信号番号 1 または信号番号 2 を選択して回路 1 または回路 2 の電圧を解析し、[表示] をクリックして 0 ～ 25000 Hz の周波数スペクトルを観察します。

予想どおり、インバーター出力では、スイッチング周波数 (8 kHz) の倍数の近くで高調波が観察されます。負荷端子では、このような高次数の高調波は LC フィルターによって大幅に減少します。また、LC フィルターは、追加の高調波を 4.4 kHz 付近で生成する共振を発生させることに注意してください。基本成分および THD (全高調波歪み) はスペクトル グラフの上に表示されます。両方の回路について、THD は負荷側で 1.27% であり、基本電圧は 380 V rms (537.6 V ピーク) です。

基本電圧および高調波歪みに対するむだ時間の影響

理想的なスイッチを使用する 3 レベル電圧源コンバーター (VSC) では、各アームに送信された 2 組のパルスが相補的になる場合があります。たとえば、A 相の場合、IGBT1 は IGBT3 と相補的であり、IGBT2 は IGBT4 と相補的です。しかし、実際の VSC では、蓄積効果のために半導体スイッチがオフになるのが遅れます。したがって、その他の IGBT のスイッチをオンにする前にオフになる IGBT を完全に消去するには、数マイクロ秒の遅延 (蓄積時間 + 安全余裕) が必要です。そうしないと、DC 母線で短絡が発生することがあります。

5. Manual Switch ブロックを下の位置に設定します。6. シミュレーションを実行し、Scope1 で 2 つの負荷電圧波形を、また 2 つの Display ブロックでそれらの基本値を比較します。7.Powergui ブロックを使用して FFT 解析を実行します。むだ時間は基本成分を減少させ、歪みを増加させることに注意してください。

周波数解析の結果は、モデルに表示される表形式でまとめられます。この表は、むだ時間を使用すると、メイン周波数特性の振幅 (8 kHz 付近) がわずかに増加する (0.74% から 0.82%) ことを示します。THD の増加は、特性のない低周波数高調波 (主に 5 次と 7 次) の導入がその主な原因です。

3 レベル コンバーター内でのダイオード故障のシミュレート

8. 手動スイッチを上の位置に設定してむだ時間を無効にし、2 つのインバーターが同じ波形を生成するようにします。9. Three-Level Converter (Detailed) サブシステムを開きます。D5 Open というラベルの理想的なスイッチ ブロックは、A 相の中性点クランプ形ダイオード D5 と直列に接続されることに注意してください。10. Stair Generator ブロックのメニューを開き、[時間] パラメーターで乗数 100 を 1 に変更します。ブロックは t = 0.25 秒でスイッチの開路を指示します。したがって、開回路でのダイオード故障がシミュレートされます。11. シミュレーションを開始し、Scope1 で回路 1 と回路 2 の波形を比較します。

インバーター 2 のダイオード D5 電流と VaN 電圧が Scope2 に表示されます。D5 を開けないと、中性点に対するそのクランプの効果が無効になり、VaN 電圧が +200V ～ -200 V (+200V およびゼロ以外) の間で振動します。A 相インバーター アームのこの非対称操作により、低周波の奇数次および偶数次の高調波が生じます。