2.1 Методика и пример расчета параметров силовой части преобразователя частоты с автономным инвертором с широтно-импульсной модуляцией и выбор охладителей

Инвертор преобразователя формирует синусоидальные по основной гармонике напряжения на выходе, сдвинутые по фазе на 120 эл. градусов. Применен классический метод центрированной синусоидальной широтно­-импульсной модуляции ключей IGBT инвертора [2].

2.1.1 Расчет инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

, (2.1)

Р_н - номинальная мощность двигателя, Вт;

k₁ - коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току (1,2 - 1,5), необходимой для обеспечения динамики электропривода;

k₂ - коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока (1,1 - 1,2);

η_н - номинальный КПД двигателя;

U_Л - номинальное напряжение двигателя, В.

Транзисторы IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора I_с I_с.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 , Вт:

, (2.2)

где - максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора;

- максимальная скважность импульса ( 0,95);

- коэффициент мощности ( );

U_ce(sat) - прямое падение напряжения на IGBT в на­сыщенном состоянии при I_ср и T_j =125⁰C (типовое значение 2,1 - 2,2 В).

Потери в IGBT при коммутации , Вт:

, (2.3)

где t_с(on) и 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 (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена посто­янного тока), В;

f_sw - частота коммутации ключей (частота ШИМ), обычно от 4 до 16 кГц.

Суммарные потери IGBT , Вт:

(2.4)

Потери диода в проводящем состоянии , Вт:

, (2.5)

I_ер I_ср - максимум амплитуды тока через обратный диод, А;

U_ec - падение напряжения на диоде в проводящем состоянии при I_{ер ,} В.

Потери восстановления запирающих свойств диода , Вт:

, (2.6)

I_rr - амплитуда обратного тока через диод ( I_ср), А;

t_rr – продолжительность импульса обратного тока (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода , Вт:

. (2.7)

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле , Вт:

. (2.8)

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 в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод) R_th(f-a), °С/Вт:

, (2.9)

где Т_а - температура охлаждающего воздуха (45-50 °С);

Т_с - температура теплопроводящей пластины (90-110 °С);

R_th(с-f) - термическое переходное сопротив­ление корпус-поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.

Температура кристалла IGBT , °C:

, (2.10)

где R_th(j-c),a - термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для IGBT-части модуля. При этом должно выполняться неравенство T_ja<125°C.

Температура кристалла обратного диода FWD , °C:

, (2.11)

где R_th(j-c),d - термическое переходное сопротивление кристал-корпус для FWD-части модуля. Должно выполняться неравенство T_jd <125 °C.

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