RU2810205C1 - Способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения igbt - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT, который включает в себя следующие этапы: создается эквивалентная модель основной топологии горного инвертора с паразитной индуктивностью; создается модель поведения IGBT; создается коррелятивная связь А между конструктивными параметрами собирательной шины и паразитной индуктивностью; создается коррелятивная связь B между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь С между конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT; создается коррелятивная связь между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT, потерями мощности IGBT; определяется оптимальное решение для емкости поглощения; когда сопротивление привода затвора и конструктивные параметры собирательной шины выступают в качестве решающей переменной, выполняется многоцелевая максимальная оптимизация экстремальных значений пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора и в конце определяется оптимальное решение для конструктивных параметров сопротивления привода затвора и собирательной шины. Технический результат заключается в снижении пикового напряжения IGBT, вызванного паразитной индуктивностью, снижении колебаний напряжения и повышении безопасной стабильной и надежной работы горного инвертора. 9 з.п. ф-лы, 16 ил., 2 табл.

Description

Техническая область

Это изобретение относится к технической области биполярного транзистора с изолированным затвором, в частности к способу согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT.

Уровень техники

Биполярный транзистор с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor, сокращенно IGBT) представляет собой комбинированное полностью управляемое силовое полупроводниковое устройство типа вольтажного привода, состоящее из биполярного транзистора и полевого транзистора с изолированным затвором, и совмещающее в себе как преимущества высокого входного сопротивления металлооксидных полуполевых транзисторов, так и падения напряжения при низком открытии силовых транзисторов.

Надежность IGBT играет крайне важную роль в обеспечении гарантии стабильной работы горного инвентора, повышении безопасности производства на угольных шахтах, содействии эффективному развитию угольной промышленности, энергосбережении и охране окружающей среды. Поскольку паразитная индуктивность существует в каждом компоненте горного инвентора (паразитная индуктивность обычно связана с топологической конструкцией, компоновкой основных деталей, процессом обработки и сборки), это может привести к провоцированию IGBT достаточно высокого пикового напряжения в процессе переходного состояния переключения; длительный цикл достаточно большого электро-термического стресса воздействует на IGBT, что приводит к усталости и случайному выходу из строя IGBT и даже к параличу горного инвентора и ускорению старения изоляции электродвигателя.

Способы подавления пикового напряжения включают в себя увеличение сопротивления затвора, оптимизированную структуру шины, проектирование схемы поглощения и оптимизацию параметров емкости поглощения и другое. Существующий способ подавления предназначен только для осуществления изучения одной меры среди нескольких, и он не раскрывает общее решение подавления пикового напряжения между несколькими мерами подавления. Однако между различными способами подавления существуют противоречивые и противоположные связи, и оптимального эффекта подавления можно достичь не просто слиянием. Следовательно, крайне важно представить способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT, который позволит согласовывать различные меры подавления для достижения оптимального эффекта.

Содержание изобретения

Техническая проблема, которая должна быть решена с помощью этого изобретения, заключается в следующем: паразитная индуктивность приводит к тому, что IGBT провоцирует достаточно высокое пиковое напряжение, что, в свою очередь, приводит к падению производительности IGBT. Это изобретение обеспечивает способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT, который может эффективно снижать пиковое напряжение IGBT, вызванное паразитной индуктивностью, и улучшать явление колебаний напряжения.

Техническим решением, используемым в этом изобретении для решения его технических проблем, является следующее: способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT, который включает в себя следующие этапы:

S1. Создается эквивалентная модель основной топологии горного инвертора с паразитной индуктивностью;

S2. Создается модель поведения IGBT;

S3. Создается коррелятивная сязь А между конструктивными параметрами собирательной шины и паразитной индуктивностью;

S4. Создается коррелятивная связь B между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь С между конструктивными параметрами собирательной шины и потерею мощности IGBT;

S5. Создается коррелятивная связь D между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь Е между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT;

S6. Проектируется схема поглощения, определяется оптимальное решения для емкости поглощения;

S7. В сочетании с системой водяного охлаждения горного инвентора потери мощности IGBT преобразовываются в максимальную температуру перехода и максимальную температуру поверхности радиатора;

S8. Когда сопротивление привода затвора и конструктивные параметры собирательной шины выступают в качестве решающей переменной, выполняется многоцелевая максимальная оптимизация экстремальных значений упомянутых пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора, и в конце определяется оптимальное решение для конструктивных параметров сопротивления привода затвора и собирательной шины.

Кроме того, упомянутая эквивалентная модель включает в себя: модуль конденсатора постоянного тока, положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока, положительная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока, отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока и модуль собирательной шины переменного тока, один конец упомянутого модуля конденсатора постоянного тока соединяется с упомянутой положительной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока, другой конец упомянутого модуля конденсатора постоянного тока соединяется с упомянутой отрицательной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока, упомянутая положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока соединяется с упомянутой положительной паразитной индуктивностью собирательной шины соединения переменного-постоянного тока, упомянутая отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока соединяется с упомянутой отрицательной паразитной индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока, один конец упомянутой положительной паразитной индуктивности собирательной шины соединения переменного-постоянного тока соединяется с упомянутым модулем собирательной шины переменного тока, упомянутая отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока соединяется с другим концом упомянутого модуля собирательной шины переменного тока, упомянутый модуль собирательной шины переменного тока соединяется с трёхфазным переменным током.

Кроме того, упомянутый модуль собирательной шины переменного тока (6) включает в себя первый IGBT, второй IGBT, третий IGBT, четвертый IGBT, пятый IGBT, шестой IGBT, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность и паразитную индуктивность, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с первым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с третьим IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с пятым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется со вторым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с четвертым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность положительно и отрицательно соединяется с шестым IGBT.

Кроме того, упомянутая коррелятивная связь A следующая: упомянутая паразитная индуктивность положительно коррелирует с длиной собирательной шины, а упомянутая паразитная индуктивность отрицательно коррелирует с шириной собирательной шины.

Кроме того, упомянутая коррелятивная связь B следующая: упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины, а упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением ширины собирательной шины; упомянутая коррелятивная связь C следующая: упомянутые потери мощности IGBT уменьшаются с уменьшением длины собирательной шины, упомянутая потеря мощности IGBТ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины, кроме того, связь между упомянутой потерей мощности IGBT и изменением конструктивных параметров собирательной шины имеет линейную зависимость.

Кроме того, упомянутая коррелятивная связь D следующая: упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением упомянутого численного значения сопротивления привода затвора, а упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины; упомянутая коррелятивная связь E следующая: упомянутая потеря мощности IGBТ увеличивается с увеличением упомянутого численного значения сопротивления привода затвора, а упомянутая потеря мощности IGBТ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины.

Кроме того, при упомянутой многоцелевой оптимизации используется алгоритм генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети (с элитарной системой), что включает в себя:

S81. Использование данных моделирования решающей переменной и цели оптимизации для осуществления обучения модели нейронной сети, чтобы получить модель прогнозирования нейронной сети;

S82. Использование цели прогнозирования вывода модели прогнозирования нейронной сети для вычисления недоминирующей сортировки и загрузки;

S83. Установление числа популяций N, максимального числа итераций m, вероятности пересечения и вероятности вариации;

S84. Создание новой дочерней популяции;

S85. Осуществление объединения дочерней популяции и родительской популяции для повторного вычисления недоминирующей сортировки и загрузки;

S86. Создание новой родительской популяции;

S87. Оценка достижения текущей итерации максимального числа итераций, если достигнуто, то выполняется шаг S88; если не достигнуто, то осуществляется возвращение к шагу S84;

S88. Определение набора оптимальных решений по Парето.

Кроме того, устанавливается диапазон максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора, в пределах этого диапазона выбирается минимальное значение пикового напряжения IGBT, и оптимальные решения сопротивления привода затвора, конструктивных параметров собирательной шины определяются в соответствии с минимальным значением пикового напряжения IGBT.

Кроме того, когда максимальная температура поверхности радиатора составляет 55 °C-65°C, максимальная температура перехода составляет 74°C-80°C, минимальное значение пикового напряжения IGBT составляет 1861 V, в это время сопротивление привода затвора составляет 5 Ω, длина собирательной шины переменного тока составляет 300 mm, ширина собирательной шины переменного тока составляет 200 mm.

Кроме того, упомянутая модель нейронной сети снабжена 6 скрытыми пластами, каждый скрытый пласт содержит 200 нейронов, а количество раз обучения составляет 20000 раз.

Положительный эффект этого изобретения заключается в том, что способ согласованной оптимизации этого изобретения может эффективно снизить пиковое напряжение IGBT, вызванное паразитной индуктивностью, улучшить явление колебаний напряжения и обеспечить гарантию безопасной, стабильной и надежной работы горного инвертора, обладает характеристиками мультифизического анализа, интеллектуальной помощи в принятии решений и оптимизации общей производительности.

Описание фигур

Это изобретение описано далее посредством сопроводительных фигур и вариантов осуществления.

Фигура 1 - это технологическая схема способа согласованной оптимизации этого изобретения.

Фигура 2 - это конструктивна схема эквивалентной модели этого изобретения.

Фигура 3 - это форма сигнала напряжения коллектор-эмиттера IGBT при различных условиях нагрузки этого изобретения.

Фигура 4 - это переходная кривая переключения IGBT этого изобретения.

Фигура 5 - это схема коррелятивной связи длины, ширины собирательной шины переменного тока и LU/V/W++, LU/V/W~+ этого изобретения.

Фигура 6 - это схема коррелятивная связь длины, ширины собирательной шины переменного тока и пикового напряжения IGBT.

Фигура 7 - это схема коррелятивная связь длины, ширины собирательной шины переменного тока и потери мощности IGBT.

Фигура 8 - это схема коррелятивной связи сопротивления привода затвора, длины собирательной шины переменного ток и пикового напряжения IGBT этого изобретения.

Фигура 9 - это схема коррелятивной связи сопротивления привода затвора, длины собирательной шины переменного тока и потери мощности IGBT этого изобретения.

Фигура 10 - это конструктивная схема схемы поглощения этого изобретения.

Фигура 11 - это схема формы сигнала отключения IGBT при различных емкостях поглощения этого изобретения.

Фигура 12 - это схема коррелятивная связь сопротивления привода затвора, длина собирательной шины переменного тока и пикового напряжения IGBT после применения схемы поглощения этого изобретения.

Фигура 13 - это схема коррелятивная связь сопротивления привода затвора, длина собирательной шины переменного тока и потери мощности IGBT после применения схемы поглощения этого изобретения.

Фигура 14 - это технологическая схема многоцелевой оптимизации этого изобретения.

Фигура 15 - это схематическое изображение набора оптимальных решений по Парето этого изобретения.

Фигура 16 - это экспериментальная схема формы сигнала напряжения отключения IGBT этого изобретения.

На фигурах изображено:

1. Модуль конденсатора постоянного тока;

2. положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока;

3. Отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока;

4. Положительная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока;

5. Отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока;

6. модуль собирательной шины переменного тока.

Конкретные способы применения

Далее это изобретение описано более подробно посредством сопроводительных фигур. Эти фигуры представляют собой упрощенные конструктивные схемы и описывают основную структуру этого изобретения только схематическим способом, следовательно на них показана только конструкция, относящаяся к этому изобретению.

В описании этого изобретения следует понимать, что термины “центральный”, “продольный”, “поперечный”, “длина”, “ширина”, “толщина”, “первый”, “второй”, “передний”, “задний”, “левый”, “правый”, “вертикальный”, “горизонтальный”, “верхний”, “нижний”, “внутренний”, “внешний”, “по часовой стрелке”, “против часовой стрелки”, “осевой”, “радиальный”, “периферийный” и другие указания ориентации или позиционной связи основаны на ориентации или позиционной связи, показанных на фигурах, только для того, чтобы облегчить описание этого изобретения и упростить описание, а не указывать или подразумевать, что означаемая установка или элемент должны иметь определенную ориентацию, быть сконструированы и эксплуатироваться в определенной ориентации и, следовательно, не могут пониматься как ограничение для этого изобретения. Кроме того, характеристики, определенные как “первая” и “вторая”, могут явно или скрыто включать в себя одну или несколько этих характеристик. В описании этого изобретения, если не указано иное, значение термина “несколько” равно двум или более.

В описании этого изобретения следует отметить, что, если четко не указано иное, то термины “установка”, “подключение” и “соединение” следует понимать в широком смысле, например, это может быть фиксированное соединение, разъемное соединение или интегрированное соединение; это может быть механическое соединение или электрическое соединение; это может быть прямое подключение или непрямое подключение через промежуточный медиатор, это может быть внутренней связью двух элементов. Специалисты в данной области техники исходя из конкретной ситуации могут понять более конкретные значения вышеуказанных терминов этого изобретения.

Как показано на фигуре 1 способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT этого изобретения включает в себя следующие этапы:

S1. Создается эквивалентная модель основной топологии горного инвертора с паразитной индуктивностью.

S2. Создается модель поведения IGBТ.

S3. Создается коррелятивная связь А между конструктивными параметрами собирательной шины и паразитной индуктивностью.

S4. Создается коррелятивная связь B между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь С между конструктивными параметрами собирательной шины и потерею мощности IGBT.

S5. Создается коррелятивная связь D между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь Е между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT;

S6. Проектируется схема поглощения, определяется оптимальное решения для емкости поглощения.

S7. В сочетании с системой водяного охлаждения горного инвентора потери мощности IGBT преобразовываются в максимальную температуру перехода и максимальную температуру поверхности радиатора.

S8. Когда сопротивление привода затвора и конструктивные параметры собирательной шины выступают в качестве решающей переменной, выполняется многоцелевая максимальная оптимизация экстремальных значений пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора, и в конце определяется оптимальное решение для конструктивных параметров сопротивления привода затвора и собирательной шины.

Это изобретение посредством создания коррелятивной связи между конструктивными параметрами собирательной шины, сопротивлением привода затвора и пикового напряжения IGBT, потерей мощности IGBT, посредством схемы поглощения еще сильнее подавляет пиковое напряжение IGBT; оптимальные значения конструктивных параметров собирательной шины, сопротивления привода затвора, полученные посредством алгоритма, и этот способ, объединяющий множество факторов, влияющих на пиковое напряжение IGBT, осуществляют согласованною оптимизацию, что может эффективно снизить пиковое напряжение IGBT, вызванное паразитной индуктивностью, а также улучшают явление колебаний напряжения и обеспечивают гарантию безопасной, стабильной и надежной работы горного инвертора.

Например, взяв в качестве примера четырехквадрантный инвертор, вводятся конденсаторы постоянного тока, IGBT и паразитная индуктивность различных собирательных шин, и создается эквивалентная модель основной топологии горного инвертора с паразитной индуктивностью. Как показано на фигуре 2 эквивалентная модель включает в себя: модуль конденсатора постоянного тока 1, положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока 2, отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока 3, положительная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 4, отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 5, и модуль собирательной шины переменного тока 6, один конец модуля конденсатора постоянного тока 1 соединяется с положительной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока 2, другой конец модуля конденсатора постоянного тока 1 соединяется с отрицательной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока 3, положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока 2 соединяется с положительной паразитной индуктивностью собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 4, отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока 3 соединяется с отрицательной паразитной индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 5, один конец положительной паразитной индуктивности собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 4 соединяется с модулем собирательной шины переменного тока 6, отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока 5 соединяется с другим концом модуля собирательной шины переменного тока 6, модуль собирательной шины переменного тока 6 соединяется с трёхфазным переменным током. C - это конденсатор постоянного тока, LC - это паразитная индуктивность конденсатора постоянного тока; LDC1+, LDC2+ и LDC1-, LDC2- - это положительная и отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока; LDCU+, LUV+, LVW+ и LDCU-, LUV-, LVW- - это соответственно положительная и отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока.

Модуль собирательной шины переменного тока 6 включает в себя первый IGBT, второй IGBT, третий IGBT, четвертый IGBT, пятый IGBT, шестой IGBT, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность и паразитную индуктивность, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с первым IGBT, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с третьим IGBT, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с пятым IGBT, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется со вторым IGBT, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с четвертым IGBT, паразитная индуктивность, паразитная индуктивность положительно и отрицательно соединяется с шестым IGBT.

В эквивалентной модели внедрены различные типы паразитной индуктивности., для облегчения анализа можно использовать программное обеспечение ANSYS Q3D, чтобы извлечь собирательную шину переменного тока, собирательную шину соединения переменного-постоянного тока, паразитную индуктивность собирательной шины постоянного тока. Принимая в пример собирательную шину переменного тока, из-за скин-эффекта и эффекта близости, влияющих на распределение электромагнитных полей в коллекторном контуре, паразитная индуктивность достаточно высокая на низкой частоте и постепенно уменьшается на высокой частоте, когда частота возбуждения увеличивается до 1,5 MHz, паразитная индуктивность имеет тенденцию к стабилизации. Например, если частота возбуждения составляет 1,5 MHz, можно получить паразитную индуктивность каждой части собирательной шины переменного тока, собирательной шины соединения переменного-постоянного тока, собирательной шина постоянного тока (см. Таблицу 1).

Таблица 1
Собирательная шина переменного тока	LU/V/W++	LU/V/W+~		LU/V/W~+		LU/V/W--
Паразитная индуктивность nH	120	25		96		11
Переменный и постоянный ток Собирательная шина соединения	LDCU+	LUV+	LVW+	LDC-	LVW-		LUV+
Паразитная индуктивность nH	27	30	30	40	29		30
Собирательная шина постоянного тока	LDC1+	LDC2+		LDC1-		LDC2-
Паразитная индуктивность nH	24	3		12		19

Например, программное обеспечение ANSYS Simplorer можно использовать для создания модели поведения IGBT, а соответствующую схему моделирования можно создать в соответствии с эквивалентной моделью. Входное трехфазное переменное напряжение устанавливается 1140 V, основная частота - 50 Hz, частота переключения - 2 kHz и сопротивление привода затвора - 8 Ω. В условиях холостого хода, половинной и полной нагрузки соответственно получается форма сигнала напряжения коллектор-эмиттера (как показано на фигуре 3, на примере первого IGBT) . Как видно из фигуры 3 пиковое напряжение IGBT увеличивается с увеличением нагрузки, в условиях полной нагрузки (как показано на фигуре 3 (c)) пиковое напряжение IGBT достигает 2854 V, превышая 77 % напряжения шины постоянного тока. Как показано на фигуре 4, переходная кривая переключения IGBT основной топологической схемы горного инвертора отличается при отсутствии паразитной индуктивности и введении паразитной индуктивности, для переходной кривой переключения осуществляется интегральное исчисление и берется период одного импульса, таким образом можно получить результат вычисления потерь IGBT (см. Таблицу 2). Из таблицы 2 видно, что после внедрения основной топологии горного инвертора в паразитную индуктивность, потери при включении IGBT уменьшатся, а потери при отключении, потери при открытии и потери общей мощности увеличатся.

Таблица 2
Тип	Потери при включении	Потеря при отключении	Потери при открытии	Общая потеря мощности
Отсутствие паразитной индуктивности	467 W	449 W	687 W	1603 W
Внедрение паразитной индуктивности	387 W	694 W	820 W	1901 W

Кроме того, программное обеспечение ANSYS Icepak можно использовать для моделирования ситуации распределения температуры системы водяного охлаждения горного инвентора горного инвертора и анализа влияния паразитной индуктивности на тепловые характеристики IGBT. Например, устанавливается температура окружающей среды на 30°C, а расход воды на 18 L/min, после внедрения основной топологической схемы горного инвертора в паразитную индуктивность максимальная температура поверхности радиатора, максимальная температура перехода IGBT и температура воды на выходе составляют 72°C, 84°C и 38°C соответственно, что на 11 %, 12 % и 3 % соответственно выше, чем при отсутствии паразитной индуктивности.

Следовательно, достаточно большая паразитная индуктивность приводит к резкому увеличению пикового напряжения IGBT, что увеличивает общие потери мощности IGBT, и возникает явление перегрева, что легко вызывает усталостное разрушение.

Например, пиковое напряжение IGBT можно подавить посредством оптимизации конструктивных параметров собирательной шины, увеличения сопротивления привода затвора и проектирования схемы поглощения. Однако еще предстоит изучить, как согласовать эти три меры для достижения оптимального эффекта подавления пикового напряжения IGBT.

Согласно Таблице 1 паразитная индуктивность LU/V/W++, LU/V/W~+ собирательной шины переменного тока намного больше, чем у других паразитных индуктивностей. Следовательно, это изобретение в качестве примера для осуществления описания использует конструктивные параметры собирательной шины переменного тока.

В частности, коррелятивная связь A между конструктивными параметрами собирательной шины и паразитной индуктивности следующая: паразитная индуктивность положительно коррелирует с длиной собирательной шины, а паразитная индуктивность отрицательно коррелирует с шириной собирательной шины. Например, конструктивные параметры собирательной шины включают в себя длина, ширина собирательной шины. На фигуре 5 (а) показано связь между паразитной индуктивностью LU/V/W++ и длиной, шириной собирательной шины переменного тока, из фигуры видно, что паразитная индуктивность LU/V/W++ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины переменного тока, а паразитная индуктивность LU/V/W++ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины переменного тока. Из фигуры 5 (b) видно, что паразитная индуктивность LU/V/W~+ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины переменного тока, а паразитная индуктивность LU/V/W~+ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины переменного тока. Из этого следует, что паразитная индуктивность положительно коррелируется с длиной собирательной шины, а паразитная индуктивность отрицательно коррелируется с шириной собирательной шины. Это связано с тем, что чем короче длина собирательной шины, тем меньше площадь контура токовой связи и тем меньше соответствующая паразитная индуктивность; чем шире ширина собирательной шины, тем больше эквивалентная параллельная паразитная индуктивность, что способствует падению общей паразитной индуктивности. Другими словами, при проектировании длина собирательной шины должна быть как можно короче, а ширина - как можно шире, и тогда паразитная индуктивность будет меньше.

В частности, коррелятивная связь В между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT следующая: пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины, а упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением ширины собирательной шины. Коррелятивная связь С между конструктивными параметрами собирательной шины и потерею мощности IGBT следующая: потеря мощности IGBТ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины, потеря мощности IGBТ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины, кроме того, связь между потерей мощности IGBT и изменением конструктивных параметров собирательной шины имеет линейную зависимость. Для удобства анализа берется сопротивление привода затвора с фиксированным значением и осуществляется наблюдение за изменениями пикового напряжения IGBT, потери мощности IGBT посредством изменения конструктивных параметров собирательной шины переменного тока. На фигуре 6 показано связь между пиковым напряжением IGBT и конструктивными параметрами собирательной шины переменного тока. Из фигуры видно, что пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины переменного тока, а пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением ширины собирательной шины переменного тока. На фигуре 7 показано связь между потерей мощности IGBТ и конструктивными параметрами собирательной шины переменного тока. Из фигуры видно, что потеря мощности IGBТ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины, потеря мощности IGBТ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины, кроме того, связь между потерей мощности IGBT и изменением конструктивных параметров собирательной шины имеет линейную зависимость. Другими словами, чем короче длина собирательной шины, тем меньше пиковое напряжение IGBT и потеря мощности IGBT, а чем шире ширина собирательной шины, тем меньше пиковое напряжение IGBT и потеря мощности IGBT. Поскольку ширина собирательной шины переменного тока практически не влияет на компоновку и тепловые характеристики IGBT, следовательно, для уменьшения решающей переменной в процессе согласованной оптимизации можно оптимизировать ширину собирательной шины переменного тока до 200 mm.

В частности, как показано на фигуре 8 и Фигуре 9, коррелятивная связь D между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT, следующая: пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением численного значения сопротивления привода затвора, а пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины. Коррелятивная связь Е между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT следующая: потеря мощности IGBT увеличивается с увеличением численного значения сопротивления привода затвора, потеря мощности IGBТ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины. Следует отметить, что скорость изменения тока может уменьшаться посредством увеличения сопротивления привода затвора, тем самым снижая пиковое напряжение IGBT. Как видно из фигуры 8, пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением численного значения сопротивления привода затвора, когда численное значение сопротивления привода затвора составляет 4 Ω, пиковое напряжение IGBT составляет 3104 V, что увеличивает численное значение сопротивления привода затвора до 16 Ω, а пиковое напряжение IGBT может быть уменьшено до 2428 V. Однако, как видно из фигуры 9, при увеличении численного значения сопротивления привода затвора потеря мощности IGBT также увеличивается (когда численное значение сопротивления привода затвора составляет 16 Ω, потери мощности IGBT составляют примерно 2000W). Следовательно, необходимо найти самое оптимальное численное значение сопротивления привода затвора, чтобы сбалансировать пиковое напряжение IGBT и потерю мощности IGBT.

Схема поглощения также может подавлять пиковое напряжение IGBT, схема поглощения этого варианта осуществления использует диод для подавления транзиторного напряжения, чтобы уменьшить резонанс напряжения, вызванный емкостью фильтра. Как показано на фигуре 10, схема поглощения включает в себя емкости поглощения C1, C2, диоды D1, D2, D3, D4 и индуктивности L1, L2, размер емкости поглощения по-разному влияет на подавление пикового напряжения IGBT. Например, соответственно выбирается емкость поглощения 0,5 μF, 1 μF, 2 μF, 3 μF, и индуктивность составляет 0,1 μF, чтобы осуществить анализ формы сигнала отключения IGBT различных емкостей поглощения. Как показано на фигуре 11, с увеличением емкости поглощения пиковое напряжение IGBT постепенно уменьшается, период колебаний постепенно увеличивается, и явление колебаний ослабевает, но когда емкость поглощения составляет 2 μF и 3 μF, обнаруживается, что дальнейшее увеличение емкости поглощения не приводит к очевидному улучшению эффекта подавления пикового напряжения IGBT. Следовательно, учитывая объем и стоимость, а также вычислительную нагрузку процесса оптимизации и согласования, емкость поглощения можно оптимизировать до 2μF.

Как видно из фигуры 12 и фигуры 13, после увеличения схемы поглощения упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением упомянутого численного значения сопротивления привода затвора, что увеличивает численное значение сопротивления привода затвора до 16 Ω, пиковое напряжение IGBT может уменьшиться примерно до 1660 V, а пиковое напряжение IGBT может снизиться еще больше по сравнению с отсутствием схемы поглощения (фигура 8). В то же время, после увеличения схемы поглощения, потери мощности IGBT также уменьшатся, когда численное значение сопротивления привода затвора составляет 16 Ω, потери мощности IGBT составляют примерно 1650 W. Другими словами, схема поглощения может не только подавлять пиковое напряжение IGBT, но и уменьшать потери мощности IGBT.

Получение сопротивления привода затвора, коррелятивной связи между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT, и сопротивления привода затвора, коррелятивной связи между конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT после увеличения схемы поглощения. А также в сочетании с системой водяного охлаждения горного инвентора посредством анализа-моделирования можно преобразовать потери мощности IGBT в максимальную температуру перехода, максимальную температуру поверхности радиатора, чем выше потери мощности IGBT, тем выше преобразованные максимальная температура перехода, максимальная температура поверхности радиатора. По мере уменьшения длины собирательной шины переменного тока расстояние между IGBT в продольном направлении будет уменьшаться, а максимальная температура поверхности радиатора будет увеличиваться. Следовательно, сопротивление привода затвора, конструктивные параметры собирательной шины могут выступать в качестве решающей переменной, а реализацию алгоритма генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети использовать для осуществления многоцелевой максимальной оптимизации пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора. Изменения пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора взаимно противоречивы, что проявляет тенденцию обратной взаимосвязи (то есть, когда один параметр уменьшается, другой параметр увеличивается). Следовательно, необходимо использовать алгоритм генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети (с элитарной системой), чтобы найти оптимальное решение, которое уравновешивает взаимосвязь между ними тремя.

В частности, как показано на фигуре 14, процесс многоцелевой максимальной оптимизации включает в себя:

S81. Использование данных моделирования решающей переменной и цели оптимизации для осуществления обучения модели нейронной сети, чтобы получить модель прогнозирования нейронной сети.

S82. Использование цели прогнозирования вывода модели прогнозирования нейронной сети для вычисления недоминирующей сортировки и загрузки.

S83. Установление числа популяций N, максимального числа итераций m, вероятности пересечения и вероятности вариации.

S84. Создание новой дочерней популяции.

S85. Осуществление объединения дочерней популяции и родительской популяции для повторного вычисления недоминирующей сортировки и загрузки.

S86. Создание новой родительской популяции.

S87. Оценка достижения текущей итерации максимального числа итераций, если достигнуто, то выполняется шаг S88; если не достигнуто, то осуществляется возвращение к шагу S84.

S88. Определение набора оптимальных решений по Парето.

Следует отметить, что модель нейронной сети снабжена 6 скрытыми пластами, каждый скрытый пласт содержит 200 нейронов, а количество раз обучения составляет 20000 раз. Для осуществления обучения нейронной сети используются данные моделирования решающей переменной (сопротивление привода затвора, конструктивные параметры собирательной шины) и цели оптимизации (пиковое напряжение IGBT, максимальная температура перехода, максимальная температура поверхности радиатора) так, что после обучения модель прогнозирования нейронной сети может точно предсказать выходное значение цели оптимизации (коэффициент точности модели прогнозирования нейронной сети этого варианта осуществления может достигать 99,94%). Использование цели прогнозирования вывода модели прогнозирования нейронной сети для вычисления недоминирующей сортировки и загрузки. Недоминирующая сортировка относится к процессу распада набора решений на передние края Парето разного порядка. Загрузка может быть выражена расстоянием скученности, это позволяет оценить достоинства и недостатки качества каждого решения на одном и том же переднем крае, каждому решению может быть распределено расстояние скученности, чтобы полученное оптимальное решение по Парето было максимально рассредоточено в целевом пространстве. Например, число популяции установлено равным 50, максимальное число итераций установлено равным 500, вероятность пересечения установлена равной 0,9, а вероятность вариации установлена равной 0,1. Окончательно полученный набор оптимальных решений по Парето, как показано на фигуре 15, область пунктирной линии представляет интервал отображения, соответствующий цели оптимизации проектирования. Как видно из фигуры 15, минимальное значение пикового напряжения IGBT составляет 1861 V, когда максимальная температура поверхности радиатора составляет 55°С - 65°C, а максимальная температура перехода IGBT составляет 74°C - 80°C. В это время численное значение сопротивления привода затвора оптимизированно составляет 5 Ω, а длина собирательной шины переменного тока оптимизированно составляет 300 mm, ширина - 200 mm.

Следует отметить, что алгоритм генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети (с элитарной системой) представляет собой слияние двух алгоритмов, использующее мощную способность нелинейной интерполяции и способность самообучения нейронной сети (BP) для обучения выборочных данных модели в сочетании с глобальной оптимизацией и способностью решения многоцелевой оптимизации генетического алгоритма недоминирующей сортировки с элитарной системой (NSGAII). По сравнению с традиционным алгоритмом NSGA, алгоритм NSGAII внедрил способ быстрой сортировки для построения недоминирующего набора решений и стратегию удержания элиты, избегая определения и динамических настроек и модификаций общих параметров и используя загрузку вместо общих параметров для поддержания распределения и разнообразия групп решений, что способствует повышению эффективности алгоритма оптимизации и снижению вычислительной временной сложности алгоритма.

Посредством способа согласованной оптимизации этого изобретения на основе мультифизического анализа-моделирования, интеллектуальная помощь алгоритма генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети (с элитарной системой) используется для реализации комплексной оптимизации пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора. При подавлении пикового напряжения IGBT в тоже время потери мощности IGBT максимально снижаются, так что производительность IGBT оптимизируется, и тем самым обеспечивается стабильная работа горного инвертора.

Ниже, чтобы проверить эффективность способа согласованной оптимизации этого изобретения для подавления пикового напряжения IGBT, осуществляется эксперимент посредством создания платформы для испытания нагрузки горного инвертора. Как показано на фигуре 16, экспериментальная форма сигнала напряжения отключения IGBT получается при условии полной нагрузки. Если не было предпринято мер подавления, пиковое напряжение IGBT горного инвертора достигает 2856 V, а пиковое напряжение IGBT после применения способа согласованной оптимизации составляет 1856 V, что ниже на 53,9%, а надежность работы IGBT и горного инвертора значительно повышается.

Обобщая вышесказанное, способ согласованной оптимизации этого изобретения анализирует влияние конструктивных параметров собирательной шины, сопротивления привода затвора на пиковое напряжение IGBT, потери мощности IGBT, и из этого стает известно, что достаточно большая паразитная индуктивность приводит к резкому увеличению пикового напряжения IGBT, что увеличивает общие потери мощности IGBT, тем самым возникает явление перегрева, которое может легко вызвать усталостное разрушение IGBT; проектируются и оптимизируются схемы поглощения и получаются коррелятивные связи конструктивных параметров собирательной шины, сопротивления привода затвора и пикового напряжения IGBT, потерь мощности IGBT после применения этой схемы поглощения; и наконец, в соответствии с коррелятивной связью выбирается решающая переменная, и алгоритм слияния используется для реализации комплексной оптимизации пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора. Этот способ может не только эффективно снизить пиковое напряжение IGBT, вызванное паразитной индуктивностью, улучшить явление колебаний напряжения, а также может максимально понизить потери мощности IGBT и обеспечить гарантию безопасной, стабильной и надежной работы горного инвертора.

Взяв за основу вышеупомянутый идеальный вариант осуществления согласно этому изобретению, посредством вышеупомянутого описания соответствующие работники могут вносить различные изменения и модификации, не отступая от рамок технической идеи этого изобретения. Техническая область применения данного изобретения не ограничивается содержанием руководства, его техническая область применения должна определяться в соответствии с объемом правового требования.

Claims (26)

1. Способ согласованной оптимизации подавления пикового напряжения IGBT, характеризующийся тем, что он включает в себя следующие этапы:

S1 - создают эквивалентную модель основной топологии горного инвертора с паразитной индуктивностью;

S2 - создают модель поведения IGBT;

S3 - создают коррелятивную связь А между конструктивными параметрами собирательной шины и паразитной индуктивностью;

S4 - создают коррелятивную связь B между конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь С между конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT;

S5 - создают коррелятивную связь D между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и пиковым напряжением IGBT; создается коррелятивная связь Е между сопротивлением привода затвора, конструктивными параметрами собирательной шины и потерями мощности IGBT;

S6 - проектируют схему поглощения, определяется оптимальное решение для емкости поглощения;

S7 - в сочетании с системой водяного охлаждения горного инвентора потери мощности IGBT преобразовываются в максимальную температуру перехода и максимальную температуру поверхности радиатора;

S8 - когда сопротивление привода затвора и конструктивные параметры собирательной шины выступают в качестве решающей переменной, выполняется многоцелевая максимальная оптимизация экстремальных значений упомянутых пикового напряжения IGBT, максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора и в конце определяется оптимальное решение для конструктивных параметров сопротивления привода затвора и собирательной шины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая эквивалентная модель включает в себя: модуль конденсатора постоянного тока (1), положительную паразитную индуктивность собирательной шины постоянного тока (2), отрицательную паразитную индуктивность собирательной шины постоянного тока (3), положительную паразитную индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (4), отрицательную паразитную индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (5) и модуль собирательной шины переменного тока (6), один конец упомянутого модуля конденсатора постоянного тока (1) соединяется с упомянутой положительной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока (2), другой конец упомянутого модуля конденсатора постоянного тока (1) соединяется с упомянутой отрицательной паразитной индуктивностью собирательной шины постоянного тока (3), упомянутая положительная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока (2) соединяется с упомянутой положительной паразитной индуктивностью собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (4), упомянутая отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины постоянного тока (3) соединяется с упомянутой отрицательной паразитной индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (5), один конец упомянутой положительной паразитной индуктивности собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (4) соединяется с упомянутым модулем собирательной шины переменного тока (6), упомянутая отрицательная паразитная индуктивность собирательной шины соединения переменного-постоянного тока (5) соединяется с другим концом упомянутого модуля собирательной шины переменного тока (6), упомянутый модуль собирательной шины переменного тока (6) соединяется с трёхфазным переменным током.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упомянутый модуль собирательной шины переменного тока (6) включает в себя первый IGBT, второй IGBT, третий IGBT, четвертый IGBT, пятый IGBT, шестой IGBT, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность, паразитную индуктивность и паразитную индуктивность, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с первым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с третьим IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с пятым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется со вторым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность соответственно положительно и отрицательно соединяется с четвертым IGBT, упомянутая паразитная индуктивность, паразитная индуктивность положительно и отрицательно соединяется с шестым IGBT.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая коррелятивная связь A следующая: упомянутая паразитная индуктивность положительно коррелирует с длиной собирательной шины, а упомянутая паразитная индуктивность отрицательно коррелирует с шириной собирательной шины.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутая коррелятивная связь B следующая: упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины, а упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением ширины собирательной шины; упомянутая коррелятивная связь C следующая: упомянутые потери мощности IGBT уменьшаются с уменьшением длины собирательной шины, упомянутая потеря мощности IGBТ уменьшается с увеличением ширины собирательной шины, кроме того, связь между упомянутой потерей мощности IGBT и изменением конструктивных параметров собирательной шины имеет линейную зависимость.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что упомянутая коррелятивная связь D следующая: упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с увеличением упомянутого численного значения сопротивления привода затвора, а упомянутое пиковое напряжение IGBT уменьшается с уменьшением длины собирательной шины; упомянутая коррелятивная связь E следующая: упомянутая потеря мощности IGBТ увеличивается с увеличением упомянутого численного значения сопротивления привода затвора, а упомянутая потеря мощности IGBТ уменьшается с уменьшением длины собирательной шины.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при упомянутой многоцелевой оптимизации используют алгоритм генетического слияния недоминирующей сортировки нейронной сети (с элитарной системой), при котором:

S81 - используют данные моделирования решающей переменной и цели оптимизации для осуществления обучения модели нейронной сети, чтобы получить модель прогнозирования нейронной сети;

S82 - используют цели прогнозирования вывода модели прогнозирования нейронной сети для вычисления недоминирующей сортировки и загрузки;

S83 - устанавливают число популяций N, максимального числа итераций m, вероятности пересечения и вероятности вариации;

S84 - создают новую дочернюю популяцию;

S85 - осуществляют объединения дочерней популяции и родительской популяции для повторного вычисления недоминирующей сортировки и загрузки;

S86 - создают новую родительскую популяцию;

S87 - оценивают достижения текущей итерации максимального числа итераций, если достигнуто, то выполняют шаг S88; если не достигнуто, то осуществляют возвращение к шагу S84;

S88 - определяют набор оптимальных решений по Парето.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что устанавливают диапазон максимальной температуры перехода и максимальной температуры поверхности радиатора, в пределах этого диапазона выбирают минимальное значение пикового напряжения IGBT, и оптимальные решения сопротивления привода затвора, конструктивных параметров собирательной шины определяют в соответствии с минимальным значением пикового напряжения IGBT.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что когда максимальная температура поверхности радиатора составляет 55–65°C, максимальная температура перехода составляет 74–80°C, минимальное значение пикового напряжения IGBT составляет 1861 V, в это время сопротивление привода затвора составляет 5 Ω, длина собирательной шины переменного тока составляет 300 mm, ширина собирательной шины переменного тока составляет 200 mm.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что упомянутая модель нейронной сети снабжена 6 скрытыми пластами, каждый скрытый пласт содержит 200 нейронов, а количество раз обучения составляет 20000 раз.