politechnika Śląska w gliwicach wydział...

Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Elektryczny

Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego

i Robotyki

Energetyka Prosumencka w Wymiarach Zrównoważonego Rozwoju 2016 9 Listopada 2016 Koszęcin

Straty mocy w wybranych topologiach

przekształtnika sieciowego dla prosumenckiej

mikroinfrastruktury energetycznej

Autorzy: Marcin Zygmanowski, Jarosław Michalak

Michał Jeleń, Grzegorz Jarek

Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski

2 / 15

1. Wstęp

2. Cel badań

3. Porównanie topologii przekształtników

4. Wyniki symulacji

5. Wyniki badań eksperymentalnych

6. Wnioski

PLAN PREZENTACJI


3 / 15 1. WSTĘP

W proponowanej prosumenckiej mikroinfrastrukturze energetycznej wszystkie przekształtniki połączone są do wspólnego obwodu dc. Przekształtniki te mogą mieć budowę modułową.

Czas działania proponowanej instalacji przekształtnikowej może być dłuższy niż 20 lat.

Panel

słoneczny

Sieć ac

Wyłącznik

sieciowy

Przekształtnik

zasobnikowy

DC

ACObwód dc

Turbina

wiatrowa

DC

DCAC

DCDC

DC

DC

DC

G

Zasobnik

energii

Przekształtnik

wiatrowy

Przekształtnik

solarny (MPPT)

Przekształtnik

obdiorników dc

Odbiorniki

dc

Interfejs

energoelektroniczny PME

Odbiorniki

ac

Przekształnik sieciowy


4 / 15 2. CEL BADAŃ

Wybór topologii przekształtnika o mocy 5 kW przeznaczonego

dla przekształtnika sieciowego prosumenckiej

mikroinfrastruktury energetycznej

Rozważa się trzy rozwiązania różniące się topologią i

technologią wykonania tranzystorów.

2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami Si-IGBT,

3-poziomowy przekształtnik typu T z tranzystorami Si-IGBT,

2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami SiC-MOSFET.

Wszystkie rozwiązania analizowane są jako przekształtniki

mostkowe

Dodatkowo przedstawiono procedurę doboru dławika

wyjściowego (500 µH/ 30 A)


5 / 15 3. PORÓWNANIE TOPOLOGII

Si-IGBT 2L Si-IGBT typu T 3L SiC-MOSFET 2L

VdcVdc Vdc

T1

T2

T1

T2

T1

T2

T3

T4

io ioio

1/rT

VT0

25

30 20

Napięcie kolektor-emiter VCE, (V)

4

Prą

d k

ole

kto

ra I

C, (A

)

50

75

100

1

1/rT

25

30 20

Napięcie dren-źródło VDS, (V)

4

Prą

d d

renu I

D, (A

)

50

75

100

1

Tj = 125ºC

Si-IGBT 2-poziomowy

F4-75R12KS4

VT0|T1T2

25

30 2 4

Prą

d k

ole

kto

ra I

C, (A

)

50

75

100

T3T4 T1T2

Tj = 125ºC

Napięcie kolektor-emiter VCE, (V)

Si-IGBT typu T

12MBI75VN-120-50

Tj = 125ºC

SiC-MOSFET

C2M0080120D

VT0|T3T4

1/rT|T3T4

Napięcie blokowania wszystkich tranzystorów wynosi 1200 V


6 / 15 4. ANALIZA STRAT MOCY – SYMULACJE

Nazwa parametru Symbol Wartość Napięcie obwodu dc Vdc 380 V Moc znamionowa P 5 kW Częstotliwość podstawowa fm 50 Hz Głębokość modulacji ma 0.85 Częstotliwość przełączania fS 10 kHz (2.5 kHz - 40 kHz) Kąt przesunięcia fazowego odb. ϕ 0.9 deg Rezystancja odbiornika R 10 Ω Indukcyjność odbiornika L 0.5 mH

DELGE

FLOWpT1

pv [PT1]

FLOWpT2

pv [PT2]

FLOWpT3

pv [PT3]

FLOWpT4

pv [PT4]

FLOWpD1

pv [PD1]

FLOWpD2

pv [PD2]

FLOWpD3

pv [PD3]

FLOWpD4

pv [PD4]

SINE

r0=-1

TRI

VOLT UoU @ V

AMPIo

I [L.1]

VOLTVL

L.1

AMPIL

i [L.1]

VOLTpo

R.1

AMP

i [R.1]

Loss

PT1

Loss

PT2

Loss

PT3

Loss

PT4

Loss

PD1

Loss

PD2

Loss

PD3

Loss

PD4

DT

TREF

0

ANDGATE

GATE

GATE

GATEOR

AND

OR>> T4

>> T3

>> T2

>> T1

NOT

NOT

DELGE

P

T=200e-9

T=200e-9

I_sin=860e-3

Tri-Type

I=1

f=10e3

offset=0

phase=0

duty=500e-3

pl

pl pl

U U

T1

G1>>

F4-75R12KS4.scl

D1

F4-75R12KS4D.scl

U U

T2

G2>>

F4-75R12KS4.scl

D2

F4-75R12KS4D.scl

mn mn

U.2

U

L.1 R.1

pl pl

V V

T3

G3>>

F4-75R12KS4.scl

V V

T4

G4>>

F4-75R12KS4.scl mn mn

U.2

V

D3

F4-75R12KS4D.scl

D4

F4-75R12KS4D.scl

MUL

pD1

pD2

pD3

pD4

pT1

pT2

pT3

pT4

VL

IL

Uo

Io

ploss

ADD

ADD

pT1

pT2

pT3

pT4

ADD

pD1

pD2

pD3

pD4

ploss

0

a) b) 400

-400

0

40

-40

Napięcie wyjściowe, (V)

Prąd wyjściowy, (A)

czas, (ms)0 5.0 15.0 20.010.0

5.0 15.0 20.010.00

Model symulacyjny w programie GeckoCIRCUIT (mostek H 2-L Si-IGBT)


7 / 15

200

150

250

0200 16

Cał

kow

ite

stra

ty m

ocy

Pto

t, (W

)

Częstotliwość przełączania fS, (kHz)

1284

100

50

Ptot

Straty mocy na przewodzenie Pcon

Straty mocy na przełączanie Psw

200

150

0200 16

Cał

kow

ite

stra

ty m

ocy

Pto

t, (W

)


1284

100

50

symulacja

Ptot


symulacja


200

150

250

0200 16

Cał

kow

ite

stra

ty m

ocy

Pto

t, (W

)


1284

100

50



Ptot

symulacja

250

Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT NPC typu T 3-poziomowy

SiC-MOSFET 2-poziomowy

pomiary

4. ANALIZA STRAT MOCY – SYMULACJE


8 / 15

0

0,2

0,4

1,0

Ko

szt

uży

tkow

ania

prz

eksz

tałt

nik

a, (

k€

)

Częstotliwość przełączania, fS (kHz)2040 12 16

0,6

1,0

4,0

2,0

3,0

80

0,8

Działanie z 10% mocy znamionowej przez 20 lat

Częstotliwość przełączania, fS (kHz)2040 12 168

Działanie z 50% mocy znamionowej przez 20 lat

Si-IGBT 2L

SiC-MOSFET 2L

Si-IGBT typu T 3L

Si-IGBT typu T 3L

SiC-MOSFET 2LSi-IGBT 2L

Ko

szt

uży

tkow

ania

prz

eksz

tałt

nik

a, (

k€

)

4. KOSZT UŻYTKOWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA


9 / 15 5. WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW

Si-IGBT 2-poziomowy

Vdc = 250 V, fS = 2,5 kHz

ma = 0,85, R = 9 Ω

Vdc = 250 V, fS = 37,5 kHz

ma = 0,85, R = 9 Ω

Vdc = 250 V, fS = 37,5 kHz

ma = 0,85, R = 9 Ω

Si-IGBT typu T 3-poziomowy

SiC-MOSFET 2-poziomowy


10 / 15

120

90

150

0200 16

Cał

kow

ite

stra

ty m

ocy

Pto

t, (W

)


1284

60

30

0200 16


1284

120

90

150

0200 16


1284

60

30

pomiary

Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT typu T SiC-MOSFET 2-poziomowy

120

90

150

60

30

analiza

pomiary

analiza

pomiary

analiza

5. WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW

Napięcie obwodu dc Vdc = 250 V,

Brak kontroli temperatury złącz tranzystorów (w analizie Tj = 125oC),

Głębokość modulacji ma = 0,85,

Wpływ składowej zmiennej prądu przy niskich fS i czasu martwego przy dużych fS

120

90

150

0200 16

Cał

ko

wit

e st

raty

mo

cy P

tot,

(W)


1284

60

30

120

90

150

0200 16


1284

60

30

Vdc = 250 V; Vdc = 150 V,2.5kWP 1.5kWP


11 / 15 6. DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA

Straty w dławiku L = 500 μH Isat > 35 A otrzymano za pomocą

oprogramowania GeckoMAGNETICS

Analiza obejmuje:

• wybór materiału rdzenia

• wybór rozmiaru rdzenia (EE)

• dobór szczeliny powietrznej lg i liczby zwojów N

w = 65 mm

wm

20 mm

l = 2

7,4

mm

lg

h =

32,8

mm

#1

#2

#3

#4 Nstack = 44xE65

Materiał rdzenia

Liczba rdzeni, Nstack

Stal elektro.

M165-35S

Ferryt

3C90

Proszek

-26

--- 4

Liczba zwojów, N 29 23

Szczelina powiet., lg (mm) 4,2

Grubość rdzenia (mm) 313x0,35 4x27,4

1,95

Straty w uzwojeniu, Pw (W)

Straty w rdzeniu, Pc (W)

20,9

29,2

Indukcja maks. Bmax (T) 0,275 0,35

Straty całkowite, Ptot (W) 50,1

11,0

1,0

12,0

4x27,4

4

---

Typ licy

19

200x0,2

0,30

11,0

40,1

51,1

Indukcyjność, L (µH) 495,9 530,6 480,9

630x0,1 200x0,2

Awlg = 1 l’g


12 / 15 6. DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA

Bazując na Prawie Ampera dla obwodów magnetycznych:

gmax c c

g max

max 0 c c c g

''

4 ' ln 1 2

lB A lN l N

I A A ll

L = 500 µH

N(lg)

0

Lic

zba

zwo

jów

, N

10

40

20

30

Szczelina pow., l’g (mm)2,5 5,0

E65 E71 E80 E100

Szczelina pow., l’g (mm) Szczelina pow., l’g (mm) Szczelina pow., l’g (mm)2,5 5,0 2,5 5,0 7,5 2,5 5,0 7,5

Nmax = 27

07,5 07,5 0

Nstack = 8Nstack = 7Nstack = 6

L = 500 µH|Nstack = 5 Nstack = 4Nstack = 3

Nstack = 6Nstack = 5


Nmax = 29

L = 500 µH



L = 500 µH|Nstack = 2

L > 500 µH

L < 500 µH

Liczba zwojów N dla danego Bmax/Imax jest funkcją szczeliny powietrznej l’g. Indukcyjność jest funkcją N i l’g.

2 2

g g 0 c

stack stack

gcc g

c g c

' ',

1 4 ' ln 1 2

N l N l AL N N N

llR R

ll A


13 / 15 6. KOSZT UŻYTKOWANIA DŁAWIKA

x4

x20

Względny koszt dławika (materiałowy)

7,0

8,0

12,0

Straty mocy w dławiku (W)

Objętość dławika, Vind (dm3)1,00,60,5 0,8 0,9

9,0

10,0

1,0

4,0

4

E65

2,0

3,0

x6

x8

x7

x6

x7

x5

x5

x6

x5

x3

x4x4

E71 E80

5 6 7 8 3 4 5 6 4 5 6 7 2

E100

Liczba rdzeni w stosie, Nstack

Koszt licy

Koszt rdzenia 3C90

0

Szacunkowy koszt użytkowania dławika, (€)

40

160

4

E65

80

120

E71 E80

5 6 7 8 3 4 5 6 4 5 6 7 2

E100

Liczba rdzeni w stosie, Nstack

Działanie z 50%

mocy znamionowej

przez 20 lat

Działanie z 10%

mocy znamionowej

przez 20 lat

0,7

E71

E100E80

E65

6,0

11,0


14 / 15

1. Wykonano porównanie strat mocy w trzech

topologiach przekształtników przewidzianych do

zastosowania w przekształtniku sieciowym PME.

2. Straty w przekształtnikach typu T i 2-poziomowym SiC

MOSFET są mniejsze niż w przekształtniku 2-

poziomowym Si-IGBT powodując, że całkowity koszt

użytkowania tych przekształtników może być niższy.

3. Dla dławików rdzenie ferrytowe są znacznie lepsze niż

rdzenie wykonane ze stali elektrotechnicznej czy

rdzenie proszkowe.

7. WNIOSKI


15 / 15

Dziękuję za uwagę

politechnika Śląska w gliwicach wydział...

Documents