Расчет преобразователя частоты общего назначения

Методика расчета приведена для ПЧ с АИН (см. рис. П7.17), выполненного с использованием гибридных модулей, состоящих из ключей IGВТ и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей теплоотводящей пластине.

Расчет инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения

, (П7.3)

где Р_ном – номинальная мощность двигателя, Вт; k₁ = 1,2–1,5 – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики ЭП; k₂= 1,1 –1,2 – коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; η_ном – номинальный КПД двигателя; U_л – линейное напряжение двигателя, В.

Ключи IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора I_c ≥ I_{c max}.

Продолжение прил. 7

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратного диода.

Потери в IGBT в проводящем состоянии

, (П7.4)

где I_cр = I_{c max}/k₁ – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, A; D = t_р/T ≈ 0,95 – максимальная скважность; cosθ ≈ cosφ – коэффициент мощности; U_ce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_cр и Т_j = 125°С (типовое значение U_ce(sat) = 2,1–2,2 В).

Потери IGBT при коммутации

, (П7.5)

где t_с(on), t_с(off) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание t_с(on) и закрывание t_с(off) транзистора, с (типовое значение t_с(on) = 0,3–0,4 мкс; t_с(off) = 0,6–0,7 мкс); U_сс – напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ); f_sw – частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15 000 Гц.

Суммарные потери IGBT

P_Q = P_SS + P_SW. (П7.6)

Потери диода в проводящем состоянии

. (П7.7)

где I_ер ≈ I_cр – максимальная амплитуда тока через обратный диод, А; U_е – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ер, В.

Потери при восстановлении запирающих свойств диода

P_DR =(I_rr U_cc t_rr f_sw)/8, (П7.8)

где I_rr – амплитуда обратного тока через диод, А (I_rr ≈ I_ср); t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкc). Суммарные потери диода

P_D = P_DS + P_DR. (П7.9)

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом

P_T = P_Q + P_D = P_SS + P_SW + P_DS + P_DR . (П7.10)

Продолжение прил. 7

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель–окружающая среда R_th(f-a), °С/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)

, (П7.11)

где Т_а = 45–50°С – температура охлаждающего воздуха; Т_с = 90–110°С – температура теплопроводящей пластины; Р_T – суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD; R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.

Температура кристалла IGBT, °С, определяется по формуле

T_ja = T_c + P_Q R_th(j-c)q , (П7.12)

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля, °С/Вт. При этом должно выполняться условие T_ja < 125°С.

Температура кристалла обратного диода FWD, °С,

T_jd = T_c + P_DR_th(j-c)d , (П7.13)

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля, °С/Вт.

Должно выполняться условие Т_jd < 125°С.

Если Т_jd ≥ 125°С или опасно приближается к этой максимально допустимой температуре кристалла, то нужно улучшить теплоотдачу за счет использования охладителя с меньшим значением сопротивления R_th(f-a), т.е. задавшись меньшей температурой корпуса Т_с.

Расчет выпрямителя

Среднее выпрямленное напряжение

U_d = k_c.н U_л, (П7.14)

где k_c.н – коэффициент схемы для номинальной нагрузки; k_c.н = 1,35 – для мостовой трехфазной схемы; k_c.н = 0,9 – для мостовой однофазной схемы.

Продолжение прил. 7

Максимальное значение среднего выпрямленного тока

, (П7.15)

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода

I_νm = k_cc I_dm , (П7.16)

где к_сс – 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя; к_сс = 1,57 – для мостовой однофазной схемы.

Максимальное обратное напряжение диода (для мостовых схем)

U_vm = k_зн√2U_лk_снk_c + ΔU_n, (П7.17)

где к_с≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;
к_зн > 1,15 – коэффициент запаса по напряжению; ΔU_n = 100–150 В – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.

Диоды выбираются по постоянному рабочему току (не менее I_vm)и по классу напряжения (не менее U_vm/100).

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы ЭП (I_d= I_dm /k₁)

(П7.18)

где k_cs = 0,577 – для мостовой трехфазной схемы; k_cs = 0,785 – для мостовой однофазной схемы; R_on – динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом; U_j – прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + R_onI_dm / k_i ≤ 1 В – для диода или 1,3 В – для тиристора); m_v – число полупроводниковых приборов в схеме.

Тепловой расчет параметров охладителя выпрямителя следует проводить аналогично приведенному выше расчету для инвертора.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель–окружающая среда в расчете на выпрямитель

, (П7.19)

где R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля, °С/Вт.

Продолжение прил. 7

Если не все полупроводниковые приборы моста размещены в одном модуле, то необходимо P_DV привести к числу приборов, расположенных в одном корпусе.

Температура кристалла

, (П7.20)

где R_th(c-f)DV – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного полупроводникового прибора модуля, °С/Вт; n_D – количество полупроводниковых приборов в модуле.

Необходимо, чтобы выполнялось условие T_jDV < 140°С.