Расчет преобразователя частоты общего назначения

Методика расчета приведена для ПЧ с АИН (см. рис. 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:

(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}.

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

(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

(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 (6)

Потери диода в проводящем состоянии

(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 (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 (9)

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

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

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)

(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 (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, (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.