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 Рном – 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; ηном – номинальный КПД двигателя; Uл – линейное напряжение двигателя, В.
Ключи IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора Ic ≥ Ic 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 Icр = Ic max/k1 – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, A; D = tр/T ≈ 0,95 – максимальная скважность; cosθ ≈ cosφ – коэффициент мощности; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Icр и Тj = 125°С (типовое значение Uce(sat) = 2,1–2,2 В).
Потери IGBT при коммутации
, (П7.5)
где tс(on), tс(off) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание tс(on) и закрывание tс(off) транзистора, с (типовое значение tс(on) = 0,3–0,4 мкс; tс(off) = 0,6–0,7 мкс); Uсс – напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ); fsw – частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15 000 Гц.
Суммарные потери IGBT
PQ = PSS + PSW. (П7.6)
Потери диода в проводящем состоянии
. (П7.7)
где Iер ≈ Icр – максимальная амплитуда тока через обратный диод, А; Uе – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при Iер, В.
Потери при восстановлении запирающих свойств диода
PDR =(Irr Ucc trr fsw)/8, (П7.8)
где Irr – амплитуда обратного тока через диод, А (Irr ≈ Iср); trr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкc). Суммарные потери диода
PD = PDS + PDR. (П7.9)
Результирующие потери в IGBT с обратным диодом
PT = PQ + PD = PSS + PSW + PDS + PDR . (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 Rth(f-a), °С/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)
, (П7.11)
где Та = 45–50°С – температура охлаждающего воздуха; Тс = 90–110°С – температура теплопроводящей пластины; РT – суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD; Rth(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
Tja = Tc + PQ Rth(j-c)q , (П7.12)
где Rth(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля, °С/Вт. При этом должно выполняться условие Tja < 125°С.
Температура кристалла обратного диода FWD, °С,
Tjd = Tc + PDRth(j-c)d , (П7.13)
где Rth(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля, °С/Вт.
Должно выполняться условие Тjd < 125°С.
Если Тjd ≥ 125°С или опасно приближается к этой максимально допустимой температуре кристалла, то нужно улучшить теплоотдачу за счет использования охладителя с меньшим значением сопротивления Rth(f-a), т.е. задавшись меньшей температурой корпуса Тс.
Расчет выпрямителя
Среднее выпрямленное напряжение
Ud = kc.н Uл, (П7.14)
где kc.н – коэффициент схемы для номинальной нагрузки; kc.н = 1,35 – для мостовой трехфазной схемы; kc.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
Iνm = kcc Idm , (П7.16)
где ксс – 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя; ксс = 1,57 – для мостовой однофазной схемы.
Максимальное обратное напряжение диода (для мостовых схем)
Uvm = kзн√2Uлkснkc + ΔUn, (П7.17)
где кс≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;
кзн > 1,15 – коэффициент запаса по напряжению; ΔUn = 100–150 В – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.
Диоды выбираются по постоянному рабочему току (не менее Ivm)и по классу напряжения (не менее Uvm/100).
Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы ЭП (Id= Idm /k1)
(П7.18)
где kcs = 0,577 – для мостовой трехфазной схемы; kcs = 0,785 – для мостовой однофазной схемы; Ron – динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом; Uj – прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + RonIdm / ki ≤ 1 В – для диода или 1,3 В – для тиристора); mv – 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 Rth(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 PDV привести к числу приборов, расположенных в одном корпусе.
Температура кристалла
, (П7.20)
где Rth(c-f)DV – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного полупроводникового прибора модуля, °С/Вт; nD – количество полупроводниковых приборов в модуле.
Необходимо, чтобы выполнялось условие TjDV < 140°С.