三电平变流器的功率损耗计算方法与流程

本技术实施例涉及变流器领域，尤其涉及一种三电平变流器的功率损耗计算方法。

背景技术：

1、工业变流产品应用领域较广，不同行业对变流器的性能指标要求不尽相同，总体呈高效、低损耗趋势，因此三电平拓扑被广泛应用于各类变流器的主电路设计中。与传统的两电平拓扑变流器相比较，三电平拓扑结构具有很多优点，比如：降低了每个功率器件承受的母线电压，因此可用低耐压器件实现高压大功率输出；电平数的增加改善了输出电压波形，减小了谐波畸变等。

2、开关器件的功率损耗是变流器主电路中的一个主要发热来源，过多开关器件损耗会导致器件温度的升高、系统性能下降甚至变频器故障。所以开关器件损耗估算十分重要，对于变流器电路、机械结构和冷却系统的设计是极其必要的。对于三电平变流器的功率损耗计算不能照搬之前两电平变流器的损耗计算方法，比如在现有技术中，开关器件损耗是通过一段较长时间内平均效应来进行估算，而这种方式的功率损耗估测不准确，给变流器整个系统的设计和优化带来困难。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中三电平变流器的功率损耗估算不准确的缺陷，提供一种三电平变流器的功率损耗计算方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、本技术提供了一种三电平变流器的功率损耗计算方法，所述三电平变流器的三相桥臂包括开关管t1、t2、t3、t4和二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6，其中d5、d6为中点钳位二极管，开关管t1与二极管d1反向并联、开关管t2与二极管d2反向并联、开关管t3与二极管d3反向并联、开关管t4与二极管d4反向并联，所述三电平变流器的功率损耗计算方法包括以下步骤：

4、获取功率因数角θ；

5、基于所述功率因数角θ，分别计算一个调制周期内开关管t1的导通角度at1、开关管t2的导通角度at2、开关管t3的导通角度at3、开关管t4的导通角度at4、钳位二极管d5的导通角度ad5、钳位二极管d6的导通角度ad6；

6、基于所述at1、at2、at3、at4、ad5、ad6，分别计算一个调制周期内开关管t1的导通占空比dct1、开关管t2的导通占空比dct2、开关管t3的导通占空比dct3、开关管t4的导通占空比dct4、钳位二极管d5的导通占空比dcd5，钳位二极管d6的导通占空比dcd6；

7、基于所述dct1、dct2、dct3、dct4、dcd5和dcd6，分别计算一个调制周期内开关管t1的导通损耗pon-t1，开关管t2的导通损耗pon-t2，开关管t3的导通损耗pon-t3，开关管t4的导通损耗pon-t4，钳位二极管d5的导通损耗pon-d5，钳位二极管d6的导通损耗pon-d6；

8、获取开关管t1的开关频率ft1、开关管t2的开关频率ft2、开关管t3的开关频率ft3、开关管t4的开关频率ft4、二极管d5的开关频率fd5和二极管d6的开关频率fd6，基于所述ft1、ft2、ft3、ft4、fd5、fd6以及所述功率因数角θ，分别计算一个调制周期内开关管t1的开关损耗psw-t1、开关管t2的开关损耗psw-t2、开关管t3的开关损耗psw-t3、开关管t4的开关损耗psw-t4、钳位二极管d5的开关损耗psw-d5、钳位二极管d6的开关损耗psw-d6；

9、所述三电平变流器一个调制周期内的总损耗p总为

10、p总＝pon-t1+psw-t1+pon-t2+psw-t2+pon-t3+psw-t3+pon-t4+psw-t4+pon-d5+psw-d5+pon-d6+psw-d6。

11、较佳地，pon-t1＝pon-t4，pon-t2＝pon-t3，pon-d5＝pon-d6，psw-t1＝psw-t4，psw-t2＝psw-t3，psw-d5＝psw-d6，则

12、p总＝2*(pon-t1+psw-t1+pon-t2+psw-t2+pon-d5+psw-d5)。

13、较佳地，所述基于所述功率因数角θ，分别计算一个调制周期内开关管t1的导通角度at1、开关管t2的导通角度at2、开关管t3的导通角度at3、开关管t4的导通角度at4、钳位二极管d5的导通角度ad5、钳位二极管d6的导通角度ad6的步骤进一步包括：

14、根据输出电压与输出电流的方向关系，将一个调制周期划分为四个工作象限a、b、c和d，其中a＝[0,π-θ]、b＝[π-θ,π]、c＝[π,2π-θ]、d＝[2π-θ，2π]；

15、对工作象限a、b、c、d的换流过程进行分析，分别建立每个工作象限与在该象限导通的开关管和钳位二极管的对应关系集；

16、基于所述功率因数角θ和所述对应关系集，分别计算一个调制周期内开关管t1的导通角度at1、开关管t2的导通角度at2、钳位二极管d5的导通角度ad5；

17、较佳地，工作象限a的对应关系集为[a,(t1,t2,d5)]，工作象限b的对应关系集[b,(t3,d6)]，工作象限c的对应关系集[c,(t3,t4,d6)],工作象限d的对应关系集[d,(t2,t4,d5)]，其中

18、所述开关管t1的导通角度at1为[0,π-θ]；

19、所述开关管t2的导通角度at2为[0,π-θ]和[-θ，0]；

20、所述钳位二极管d5的导通角度ad5为[0,π-θ]和[-θ，0]。

21、较佳地，设m为调制度，

22、所述开关管t1的导通角度为[0,π-θ]时，所述开关管t1的导通占空比dc t1为msin(wt+θ)；

23、所述开关管t2的导通角度为[0,π-θ]时，所述开关管t2的导通占空比dc t2-[0,π-θ]为1；

24、所述开关管t2的导通角度为[-θ，0]时，所述开关管t2的导通占空比dc t2-[-θ，0]为1+m sin(wt+θ)；

25、所述钳位二极管d5的导通角度为[0,π-θ]时，所述钳位二极管d5的导通占空比dcd5-[0,π-θ]为1-m sin(wt+θ)；

26、所述钳位二极管d5的导通角度为[-θ，0]时，所述钳位二极管d5的导通占空比dcd5-[-θ，0]为1+m sin(wt+θ)。

27、较佳地，所述开关管t1的导通损耗为

28、

29、其中vt0为初始饱和压降，imsin(wt)为负载电流，rt为导通内阻。

30、较佳地，所述开关管t2的导通损耗为

31、

32、其中vt0为初始饱和压降，imsin(wt)为负载电流，rt为导通内阻。

33、较佳地，所述钳位管d5的导通损耗为

34、

35、其中vt0为初始饱和压降，imsin(wt)为负载电流，rt为导通内阻。

36、较佳地，所述开关管t1的开关损耗为

37、

38、其中vdc为母线电压，vce为igbt的ce极之间的电压，im为电流峰值，ic为集电极电流，fs-t1为开关管t1的开关频率，eon和eoff为开关管参数所给定的在一定的vce和im下开关管的开通损耗和关断损耗；

39、所述开关管t2的开关损耗为

40、

41、其中vdc为母线电压，vce为igbt的ce极之间的电压，im为电流峰值，ic为集电极电流，fs-t2为开关管t2的开关频率，eon和eoff为开关管参数所给定的在一定的vce和im下开关管的开通损耗和关断损耗；

42、所述开关管d5的开关损耗为

43、

44、其中vdc为母线电压，vce为igbt的ce极之间的电压，im为电流峰值，ic为集电极电流，fs-d5为钳位管d5的开关频率，err为钳位管d5的开关损耗。

45、较佳地，二极管d1的反向导通损耗为pon-d1，二极管d2的反向导通损耗为pon-d2，二极管d3的反向导通损耗为pon-d3，二极管d4的反向导通损耗为pon-d4，

46、p总＝2*(pon-t1+psw-t1+pon-t2+psw-t2+pon-d5+psw-d5)+pon-d1+pon-d2+pon-d3+pon-d4。

47、本技术的积极进步效果在于：本技术的三电平变流器的功率损耗计算方法，将三电平变流器的功率损耗分为导通损耗和开关损耗，根据功率因数角θ分别计算每个开关管和钳位二极管的导通角度，并根据导通角度分别计算每个开关管和钳位二极管的导通占空比，基于导通占空比即可计算得出每个开关管和钳位二极管的导通损耗；基于开关管和钳位二极管各自的开关频率和功率因数角θ，分别计算每个开关管和钳位二极管的开关损耗，将每个开关管和钳位二极管的导通损耗和开关损耗相加，即可精确计算出三电平变流器单相的总的功率损耗。