Расчет параметров охладителя

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

Увеличение теплового рассеяния силовых полупроводниковых модулей при одновременном уменьшении их габаритных размеров приводит к тому, что тепловой расчет изделия становится все более и более важным элементом конструирования.

Два свойства — надежность и ожидаемый ресурс работы электронного оборудования обратно пропорциональны температуре компонентов, входящих в систему. Зависимость между надежностью и рабочей температурой обычного кремниевого полупроводникового прибора показывает, что уменьшение температуры соответствует экспоненциальному увеличению его надежности и ресурса работы. Таким образом, длительное время работы и высокая надежность компонента может быть достигнута за счет эффективного сохранения его рабочей температуры в пределах, установленных разработчиками конструкции изделия.

Охладитель — это устройство, которое улучшает теплоотдачу от горячей поверхности (обычно это корпус силового модуля) к более холодной окружающей среде — воздуху. В дальнейшем, воздух — это окружающая (охлаждающая) среда. В большинстве случаев тепло передается через контакт между твердой поверхностью компонента и охлаждающим воздухом, что является большой проблемой для отвода тепла. Применение теплоотвода значительно уменьшает барьер для передачи тепла путем увеличения площади поверхности, имеющей прямой контакт с охлаждающей средой. Основная цель применения охладителя — поддерживать температуру компонента ниже максимально допустимого предела, предусмотренного производителем.

Предварительно определяется требуемое суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель - окружающая среда в расчете на суммарную выделяемую мощность всеми устанавливаемыми на данный охладитель силовыми полупроводниковыми приборами (модулями) [3].

При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов:

. (2.19)

Как правило, на один охладитель удается установить все приборы при мощностях инвертора до 55 кВт. Критерием перехода на применение двух и более охладителей служит длина требуемого профиля охладителя, которая для эффективного использования поверхности профиля не должна превышать одного метра.

Площадь охладителя (гребенки), участвующая в излучении тепла при следующей геометрии, определятся по формуле:

, (2.20)

где d, b и h –габаритные размеры профиля (рис. 15).

Рис. 15. Охладитель (гребенка)

Площадь охладителя (гребенки), участвующая в конвекции:

, (2.21)

где т - число ребер.

Переходное сопротивление излучению тепла:

, (2.22)

-температура поверхности охладителя в градусах К;

– температура окружающего воздуха в градусах К;

;

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

Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией (при м):

, (2.23)

где F_red - коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции) при расстоянии между ребрами охладителя менее 20 мм (рис. 16).

Рис. 16. График зависимости F_red от расстояния между ребрами

Переходное температурное сопротивление охладитель - окружающая среда при естественном охлаждении:

. (2.24)

Следовательно, для данного типа охладителя имеем следующую зависимость:

, (2.25)

где A, B, C - коэффициенты, получаемые при подстановке (2.22) и (2.23) в (2.24).

Температурное сопротивление является при прочих неизменных условиях нелинейной функцией длины охладителя dпри расположении ребер вертикально. Для конкретного типа охладителя требуется рассчитать зависимость и выбрать dтакой величины, чтобы температурное сопротивление было не больше расчетного значения (2.19) для всех приборов, установленных на охладителе.

Например, для преобразователя частоты на мощность двигателя 55 кВт R_th(f-a) 0, 03 ⁰C/Вт, а на мощность двигателя 2, 2 кВт - R_th₍_f_-_a₎ 0, 8 ⁰C/Вт.

Ряд фирм-производителей профилей для охладителей дают на свою продукцию зависимости или величины R_th₍_f_-_a₎ на единицу длины профилей, а также зависимости R_th₍_f_-_a₎ от скорости охлаждающего воздуха. При скорости охлаждающего воздуха 3 м/с тепловое переходное сопротивление уменьшается в среднем в 1, 7 - 2 раза. Следовательно, по сравнению с расчетной длиной профиля для естественного охлаждения, длина охладителя при принудительном воздушном охлаждении со скоростью воздуха 3 м/с может быть уменьшена также в 1, 7 - 2 раза.

Расчет фильтра

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

, (2.26)

т - пульсность схемы выпрямления (т = 6 для 3-фазной мостовой схемы, т = 2 для 1-фазной мостовой схемы).

Параметр сглаживания LС– фильтра, ГнФ:

, (2.27)

- коэффициент сглаживания по первой гармонике;

f_S - частота сети, Гц.

Параметр сглаживания С – фильтра, ГнФ:

, (2.28)

где L_s - индуктивность сети, приведенная к звену постоянного тока.

Значения коэффициента сглаживания S лежат в диапазоне от 3 до 12.

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

, (2.29)

, (2.30)

где I_d - номинальный средний ток звена постоянного тока, А.

В трехфазных инверторах с ШИМ по синусоидальному закону реактивная энергия полностью скомпенсирована по выходной частоте. Это означает, что К_М зависит преимущественно (без учета запаздывания открывания вентилей) от индуктивности фильтра L₀ и индуктивности питающей сети L_S.

Рис. 17. Зависимость К_М = f(L₀/L_0мин) для трехфазного

Мостового выпрямителя

Величина минимальной индуктивности L₀_мин фильтра определяется из (2.30). Из рис. 17 видно, что для обеспечения К_М= 0, 95 необходимо иметь индуктивность дросселя фильтра .

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

, (2.31)

I_sm₁ - амплитудное значение тока в фазе двигателя, A;

- угол сдвига между 1-ой гармоникой фазного напряжения и фазного тока;

q_1вых - коэффициент пульсаций;

f_sw - частота ШИМ, Гц.

После выбора типа фильтра LC или С рассчитывается емкость конденсаторов С₀₁ или С₀₂ и сравнивается с емкостью С₀₃, рассчитанной по (2.31). Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости С₀, _i (i = 1, 2 или 3).

Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по 1-ой гармонике):

(A). (2.32)

Далее, в зависимости от величины С_0,_i и амплитуды тока формируется батарея конденсаторов на емкость не менее С_0,_i и допустимым по амплитуде током более напряжением не менее 800 В для 3-фазной мостовой схемы или 400 В для 1-фазной мостовой схемы выпрямителя. Запас по току берется в зависимости от требуемого ресурса работы инвертора.

Например, для преобразователя частоты на мощность двигателя 55 кВт С_0,_i= 5540 мкФ (32 конденсатора по 680 мкФ/400 В, включенных парами последовательно для повышения рабочего напряжения - всего 16 пар), а на мощность 2, 2 кВт - С_0,_i = 235 мкФ (2 конденсатора 470 мкФ/400 В, включенных последовательно). Однако по цене, удобству распределенного размещения электролитических конденсаторов в преобразователе для уменьшения индуктивности монтажа, ремонтопригодности, доступности приобретения «батарея» из «мелких» конденсаторов может оказаться более предпочтительной, чем применение «крупных» конденсаторов.

Расчет снаббера

Так как IGBT коммутируется с высокой скоростью, то напряжение U_ce быстро возрастает, особенно при запирании транзистора, и может достичь критического значения, способного вызвать пробой либо коллектора, либо затвора транзистора (последнее возможно, если индуктивность цепей управления IGBT велика). Чтобы минимизировать превышение напряжения (перенапряжение) и предотвратить аварию IGBT требуется установка снаббера (демпфирующей цепи). Типичные схемы снабберов и их особенности рассмотрены в табл. 3.

Конденсатор для указанных схем необходимо выбирать с хорошими высокочастотными характеристиками, высокими допустимыми импульсными токами и малым тангенсом угла потерь.

Сопротивление резистора зависит от емкости конденсатора С и частоты коммутации IGBT f_sw. Расчетные формулы для выбора мощности резисторов цепей снабберов, указанных в табл. 3. схем, имеют следующий вид P, Вт:

Схема 2, 3 и 5:

, (2.33)

Схема 4:

, (2.34)

где U -напряжение коллектор-эмиттер в установившемся режиме, которое равно напряжению звена постоянного тока преобразователя системы АИН ШИМ (определяется в главе 2.1.2).

Δ U -перенапряжение (рис. 18).

Рис. 18. Напряжение на коллекторе IGBT при его запирании

Отношение максимума тока через диод снаббера к среднему около (20 50): 1. Диод должен быть высокочастотным и со временем восстановления запирающих свойств t_rr не более 0, 3 мкс.

Величина Δ U зависит от многих факторов, но она не должна превышать 50-60 В. Так, для схем из табл. 3 можно отметить следующее:

- бросок напряжения Δ U (рис. 18) при запирании модуля определяется как параметрами схемы, так и характеристиками IGBT, поэтому Δ U не может быть выражен математически;

- Δ U зависит от индуктивности L₁ проводов между электролитическим конденсатором и снаббером (L₁не должна быть более 50 нГн);

- Δ U существенно зависит от индуктивности L₂цепей снаббера (L₂не должна быть более 10 нГн);

- Δ U незначительно зависит от резистора R_g на входе затвора и от температуры;

- Δ U не определяется величиной емкости снаббера.

Следовательно, для ограничения Δ U важно ограничить индуктивности L₁и L₂ за счет ограничения длины проводов и их бифилярного монтажа.

Емкость конденсатора снаббера определяется величиной второго броска напряжения (рис. 18), который не должен превышать 20-25 В. Учитывая, что индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT модулем L₁, отключаемый ток I_С, то выражение для расчета емкости представляется в виде С, Ф:

. (2.35)

Хотя емкость конденсатора снаббера определяется величиной L₁ и может быть рассчитана по (2.35), окончательно определить С можно, фактически установив модуль и определив перенапряжение. Типичное значение емкости снаббера составляет 1 мкФ на 100 А коммутируемого транзистором IGBT тока.

Таблица 3

	Схема	Особенности
		1. Малое число элементов. 2. Короткий провод снаббера. 3. Большие пульсации тока через электролитический конденсатор.
	1. Малое число элементов. 2. Более длинный провод снаббера, чем в схеме 1. 3. Малые пульсации тока через электролитический конденсатор.
	1. Малое число элементов. 2. Низкие потери мощности. 3. Подходит для малой и средней емкости конденсатора.
	1. Большое число элементов. 2. Большие потери мощности. 3. Перенапряжения могут быть эффективно ограничены.
	1. Большое число элементов. 2. Низкие потери мощности. 3. Подходит для большой емкости конденсатора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование электротехнических устройств. Учебное пособие / В.А. Анисимов, А.О. Горнов, В.В. Москаленко, В.Н. Остриров, А.А. Фролов. - М.: Изд-во МЭИ, 2001 – 128 с.

2. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии / Под общей редакцией профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. – 8-е изд., испр. и доп. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 696 с.

⇐ Предыдущая 1 2 34