Регулируемый электропривод лифта по системе ПЧ-АД с короткозамкнутым ротором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема, внешний вид и  габаритные размеры модуля М2ТКИ-50-12

 

Потери  в IGBT в проводящем состоянии:

где I_ср = I_{c max} /k₁ = 46,6/1,2 = 38,83 А – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, А;

D = t_р /T ≈ 0,95 – максимальная скважность;

cos θ ≈ cos φ – коэффициент мощности;

U_ce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и T_j = 125⁰C.

Потери  в IGBT при коммутации:

где t_c(on), t_c(pff) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание t_c(on) и закрывание t_c(off) транзистора, с;

       U_ce – 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 15000 Гц (принимаем f_sw = 10⁴ Гц).

Суммарные потери IGBT:

Потери диода в проводящем состоянии:

где I_ер = I_cр – максимальная амплитуда тока через обратный диод, А;

       U_ce = U_f – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ер, В.

Потери при  восстановлении запирающих свойств  диода:

где I_rr – амплитуда обратного тока через диод, А (I_rr ≈ I_cр );

                 t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с.

Суммарные потери диода:

Результирующие  потери в IGBT с обратным диодом:

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), ⁰C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

,

где Т_а = 45 – 50 ⁰С – температура охлаждающего воздуха;

         Т_с = 90 – 110 ⁰С – температура теплопроводящей пластины;

         Р_Т – 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, ⁰С/Вт.

Температура кристалла IGBT, ⁰С, определяется по формуле:

T_ja = T_c + P_Q∙R_th(j-c)q,       

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для IGBT части модуля, ⁰C/Вт.

При этом должно выполнятся условие  T_ja < 125 ⁰С.

T_ja = 100 + 35,71∙0,3 = 110,7 ⁰С < 125 ⁰С

Температура кристалла обратного диода FWD, ⁰С:

T_jd = T_c + P_D∙R_th(j-c)d,      

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для FWD части модуля, ⁰С/Вт.

При этом должно выполнятся условие  T_jd < 125 ⁰С.

T_jd = 100 + 24,2∙0,6 = 114,5 ⁰С < 125 ⁰С

1.2.2  Расчет выпрямителя

 

Среднее выпрямленное напряжение:

U_d = k_с.н∙U_л = 1,35∙380 = 513 В   

где k_с.н – коэффициент схемы для номинальной нагрузки (k_с.н = 1,35 – для мостовой трехфазной схемы).

          Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

,  где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный  рабочий ток диода:

I_νm = k_cc∙I_dm = 1,045∙34,52 = 36,07 А, 

где k_сс = 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

Максимальное  обратное напряжение диода:

U_νm = k_з.н √2∙U_л∙k_с.н∙k_с + ΔU_n = 1,15∙1,41∙380∙1,35∙1,1 + 100 = 1018 В,

  где k_c ≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

      k_з.н ≥ 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  ) и по классу напряжения (не менее ).

Выбираем  диод типа Д122 – 40 –10 со следующими параметрами:

Таблица 4 – Параметры диода Д112-40

Прямые  параметры
1. Максимально допустимый средний ток  IF(AV)., А	40
Обратные параметры
1. Повторяющийся импульс обратного напряжения URRM, В	100-1800
2. Постоянное обратное напряжение UR., В	0,6∙ URRM
Тепловые параметры
1. Тепловое сопротивление переход-корпус, Rthjc, 0C/Вт, не более	0,75
2. Тепловое сопротивление корпус-охладитель, Rthch, 0C/Вт, не более	0,3
3. Тепловое сопротивление переход-среда (с охладителем), Rthjc, 0C/Вт, не более	7,8

 

 

Рисунок 3 – Внешний вид и конструкция диода Д122-40.

 

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

,  где k_cs = 0,577 - для мостовой трехфазной схемы;

      R_on – динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом;

      U_j – прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (U_j + R_on∙I_dm/k₁ ≤ 1 B для диода);

      m_ν – число полупроводниковых приборов в схеме.

Максимальное  допустимое переходное сопротивление  охладитель – окружающая среда в  расчете на выпрямитель:

,     

где R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля, ⁰С/Вт.

Температура кристалла определяется по формуле:

,     

где n_D – количество полупроводниковых приборов в модуле;

      R_th(c-f)DV – термическое переходное сопротивление корпус –кристалл для одного полупроводникового прибора модуля, ⁰С/Вт.

      Необходимо, чтобы выполнялось условие  T_jDV < 140 ⁰C.

< 140 ⁰C

1.2.3 Расчет параметров  охладителя

Предварительно  принимаем охладитель типа O121 с габаритными размерами профиля b = 0,6 м, h = 0,04 м, расстояние между ребрами с = 0,012 м. Количество ребер:   m = b/c = 0,6/0,012 = 50 

Рисунок 4 – Охладитель О121

Площадь охладителя, участвующая в излучении тепла:

где d, b, h –  габаритные размеры профиля, м;

 Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции:

где m – число  ребер.

Переходное  сопротивление излучению тепла:

,

где Т_с = 373 К – температура поверхности охладителя;

       Т_а = 323 К – температура окружающей среды;

       ΔТ = Т_с – Т_а = 50 К;

       Е – коэффициент излучения  поверхности (Е = 0,8 для алюминия).

Переходное  температурное сопротивление теплопередачи  конвекцией:

,

где F_red – коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции). График зависимости F_red от расстояния между ребрами дан на рис. 56.37 [2].

Переходное  температурное сопротивление охладитель – окружающая среда при естественном охлаждении:

Следовательно, имеем следующую зависимость:

,

    где  А, В, С – коэффициенты, полученные  при подстановке R_Qrad и R_Qconv в R_th(f-a).

Для различных значений d рассчитываем зависимость, результаты расчета сведены в табл. 3.

Таблица 5

d, м	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08
Rth(f-a), 0С/Вт	2,964	0,88	0,43	0,26	0,17	0,12	0,09	0,07

 

По полученным значениям строим график зависимости R_th(f-a) от d (рис. 5).

Рисунок 5 – График зависимости R_th(f-a) = f(d).

 

Выбираем  длину охладителя d так, чтобы температурное сопротивление было не более расчетного значения для всех приборов, установленных на охладителе: d = 0,05 м при R_th(f-a) = 0,17 ⁰С/Вт < R_{th(f-a) расч.} = 0,202 ⁰С/Вт.

1.2.4 Расчет фильтра

 

Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение  амплитуды напряжения к среднему значению):

,   

где m –  пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы).

Принимаем LC-фильтр.

Параметр  сглаживания LC-фильтра:

,    где S = q_1вх/q_1вых  = 10 – коэффициент сглаживания по первой гармонике (значения коэффициента сглаживания S лежат в диапазоне от 3 до 12);

      f_s – частота сети, Гц.

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения  коэффициента мощности на входе выпрямителя  К_М = 0,95 определяется из следующих условий:

L₀ ≥ 3∙L_0min = 3∙0,55∙10^-3 = 1,65∙10^-3 Гн

где I_d = I_dm/k₁ = 34,52/1,2 = 28,7 A – номинальный средний ток звена постоянного тока.

Емкость конденсаторов, необходимая для  протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выражения:

,

где I_sm1 = I_{c max} – амплитудное значение тока в фазе двигателя, А;

      φ₁ – угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока (φ₁ = g/2 = 33,1⁰/2 = 16,56⁰, где g - угол коммутации неуправляемого выпрямителя);

      q₁ – коэффициент пульсаций;

      f_sw -  частота ШИМ, Гц.

Рассчитываем  емкость конденсатора С₀₁ и сравниваем с емкостью С₀₃:

Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости  С_о1.

Амплитуда тока, протекающего через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций  выпрямленного тока (по первой гармонике):

I_{C 0m} = q_1вых∙U_d∙2∙π∙m∙f_s∙C_0,    

где q_1вых = q_1вх/S = 0,057/10 = 0,0057 - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

I_{C 0m} = 0,0057∙513∙2∙3,14∙6∙50∙734∙10^-6 = 4,054 А  

Используем  конденсаторы типа К50 – 17  с номинальными параметрами: U_ном = 400 В, С_ном = 820 мкФ.

Рисунок 6 – Конденсатор К50 – 17

1.2.5 Расчет снаббера

 

Так как IGBT коммутируются  с высокой скоростью, то напряжение быстро возрастает, особенно при запирании  транзистора, и может достигнуть критического значения, способного вызвать  пробой либо коллектора, либо затвора  транзистора. Чтобы минимизировать превышение напряжения (перенапряжение) и предотвратить аварию IGBT, требуется установка снаббера (демпфирующей цепи).

По табл. 56.29 [1] выбираем следующую схему снаббера, обладающую особенностями: а) малое число элементов, б) низкие потери мощности, в) подходит для конденсаторов средней и малой емкости.

Рисунок 7 – Схема цепи снаббера

 

Емкость конденсатора снаббера определяется напряжением второго броска ΔU΄, который не должен превышать 25 В. Выражение для расчета емкости представляется в виде:

С ≈ L₁∙(I_C /ΔU΄)≈ 50∙10^-9∙(19,345/25)² = 0,03 мкФ, 

где L₁ – индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT-модулем (значение L₁ должно быть 50 нГн или менее);

      I_C = I_{c max} = 133,5 A – отключаемый ток.

Выбираем для снаббера конденсатор с хорошими высокочастотными характеристиками, малой собственной индуктивностью, высокими импульсными токами и малым тангенсом угла потерь типа К78 – 2 емкостью С = 0,03 мкФ.

Рисунок 8 – Конденсатор К78 – 2

Выбор сопротивления  резистора производится из условия  минимума колебаний тока коллектора при включении IGBT:

    

где L_sn – индуктивность цепей снаббера, Гн (10 нГн или менее);

       С – емкость снаббера, Ф.