Проектирование силовой части инвертора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

1 Класс напряжения - 0,4 кВ

2 Тип двигателя - 3-х фазный асинхронный

3 Мощность - 200 кВт

Типовая схема силовой части инвертора класса 0,4 кВ представлена на рисунке.

Она содержит следующий функциональные узлы:

- Силовые полупроводниковые модули

- Звено постоянного тока (DC-шина), включающая силовые выпрямительные диоды и батарею сглаживающих конденсаторов с уравнительными резисторами.

- Контактор для подачи напряжения на входной выпрямитель

- Токоограничивающие зарядные резисторы.

1. Выбор силовых полупроводниковых модулей

По условию, инвертор должен приводить ЭД мощностью в 200 кВт. Номинальный ток 3-х фазных АД не одинаков для всех двигателей этого класса мощности и напряжения. И по справочным данным, в зависимости от номинальной скорости вращения, от железа статора, воздушного зазора, материала обмоток (медь, алюминий), соединения обмоток Y/Д, и колеблется от 340 до 440 ампер на фазу.

В качестве полупроводниковых модулей в мощных инверторах применяются тиристоры либо IGBT-транзисторы. Тиристоры характеризуются высокими прямыми токами, высокими (сравнительно) обратным напряжением, но недостаток мощных тиристоров - (от нескольких сотен ампер) - низкая рабочая частота - до 1000 Гц, а «обычные» тиристоры подвержены эффекту «защелкивания», и могут выключаться только проходя через «нуль». Т.е. обыкновенные тиристоры не подойдут для инвертора с топологией AC-DC-AC, т.к. там постоянное напряжение перед силовыми модулями. Вообще, мощные инверторы, как правило, строят на основе IGBT.

Выберем производителя. Например, это будет Mitsubishi electronics. Для выбора модулей воспользуемся заводской документацией Mitsubishi IGBT modules selection, в разделе IGBT selection and application.

Для входного напряжения 0,4 кВ применяются модули на 1200 В.

Теперь подберем модули под заданную мощность и ток.

Надлежащий выбор IGBT по току коллектора включает два основополагающих пункта: первый - ток коллектора в любом рабочем режиме, включая возможные перегрузки, не должен превышать максимального тока коллектора. Другой - то, что температура модуля в рабочем режиме не должна превышать допустимой, включая перегрузочные режимы работы ЭД.

Обычно, перегрузка инвертора составляет 150-200% от номинального тока. А так же номинальный ток должен быть в пределах 50-60% от максимального тока коллектора.

Выбор модуля по рейтингу тока (100, 200, 300, 400, 600, 900, 1400 ампер) зависит от полной электрической мощности инвертора.

Найдем полную мощность инвертора:

кВА

А

Одиночного модуля на 1200 А нет в номенклатуре. Тогда придется применять параллельное соединение. Но тут есть нюанс! Подключаемые в параллель модули должны иметь одинаковое напряжения насыщения эмиттер-коллектор, для того чтобы протекающие токи в параллельных ветвях были максимально одинаковы.

Среди номенклатуры модулей (сдвоенные - верхнее и нижнее плечо), выберем на максимальный ток коллектора - 600 ампер. CM600DY-24F.

Ввиду параллельного соединения накладываются ограничения на пиковый ток коллектора, и для двух в параллель это 15%. И в нашем случае, с теоретических 1200 А, пиковый ток снижается до 1020 А.

Полученный результат - 1020А, и, согласно рекомендациям, номинальный ток нагрузки в 440А не выходит за пределы 50-60% от пикового.

2. Подбор элементов для демпфирующей (снабберной) цепи

Снабберная цепь, подключаемая параллельно эмиттер-коллектор, предназначены прежде всего для соблюдения области безопасной работы (ОБР, SOA ) - не допустить превышения максимально разрешенных значений тока, напряжения, мощности, не допустить режимы, где возможен вторичный пробой. Вторая задача снабберных цепей - снижение потерь на переключение, повышение энергетической эффективности устройства. Третья задача - уменьшение электромагнитных помех, наводимых в силовых цепях, подключаемых к преобразователю.

Теперь, руководствуясь рекомендациями производителя, подберем снабберные элементы для модуля CM600DY-24F.

В зависимости от величины коммутируемых токов применяются разные схемотехнические решения. Их можно разделить на два основных - индивидуальные и общие.

Индивидуальные:

a) RC-снаббер

b) Зарядно-разрядный RCD-снаббер

c) Разрядно-гасительный RCD-снаббер

Общие снабберы

d) С-снаббер

e) RCD-снаббер

Для инверторов, по рекомендациям Mitsubishi подходят схемы c,d,e. Для маломощных, до 100А, подходит схема D. Например, такие применяются в Новополоцких ПЧТТ мощностью 22-30кВт. Там стоят по одному 100-амперному модулю в каждой фазе. DC-шина там простая - две алюминиевые шинки объединяют коллекторы и эмиттеры. Демпферный конденсатор стоит примерно по середине. В остальном, силовой монтаж выполнен гибким проводом, толщиной квадратов где-то в 6. Для более мощных приводов от 200 А применяется схема С. Например, такая схема применяется в инверторе OMRON 3G3HV мощностью 185кВт. Там на каждую фазу включено в параллель по 4 модуля. В фазе модули идут один над другим (в каждой фазе).

Процесс выключения с демпферной цепью:

здесь: Ioff - ток выключения, Vcc- напряжение на DC-шине, di/dt - скорость отключения. Vсе - напряжение эмиттер-коллектор

схема цепи:

здесь - L1-паразитная индуктивность DC-шины, L2 - паразитная собственная индуктивность проводников снабберной цепи.

Рассчитаем элементы для разрядно-гасящей RCD снабберной цепи (схема С).

Схема ставится под напряжение, когда напряжение эмиттер-коллектор начинает превышать напряжение DC-шины. Штриховая линия на рисунке 5.8 показывает идеальное запирание транзистора. Но в действительности, из-за паразитной индуктивности монтажа, проводников, и прямого падения напряжения на снабберном диоде вызывает выброс напряжения V_cesp на стадии запирания (рисунок 5.9).

Для расчетов необходимо сделать некоторые допущения - это паразитная индуктивность DC-шины и монтажных проводников снабберных цепей. Такие вещи (возможно) проще измерить на стадии разработки - т.е. измерить индуктивность DC-шины и монтажных проводников (как получилось сконструировать монтаж) при реальном макетном моделировании. По таблице (что сверху) индуктивность DC-шины для токов от 600А не должна превышать 50 нГн, а индуктивность проводников снабберов - 7нГн.

Поэтому примем:

Паразитная индуктивность DС-шины

L, L1 = 35 нГн,

проводник инвертор демпфирующий снаббер

Паразитная индуктивность проводников снабберов

Ls, L2 = 6,5нГн

Коммутационный ток Io примем в 510А, а не 600, т.к. уменьшили на 15% ввиду параллельного соединения:

Io=510А

Напряжение на DC-шине примем для колебаний входного напряжения до 440 В переменного тока, и при перенапряжениях на торможении ЭД, то

Ed = 800 В постоянного тока.

Вычислим выброс напряжения во время отключении IGBT по формуле:

,

E_d -напряжение на DC-шине

V_FM - падение напряжения на снабберном диоде (40-60 В)

L_S - паразитная индуктивность снаббеорных цепей ( 6,5 нГн)

dIc/dt - скорость снижения коллекторного тока (3 А/нс)

В

Вычислим емкость демпферного конденсатора:

L - индуктивность DC-шины

I₀ - ток отключения (при аварийном отключении тока не менее 2Iном), пердположим, 1500 А на модуль

V_CEP - пиковое напряжение на конденсаторе (не более, чем V_CE)

Ed - напряжение на DC-шине

мкФ

Вычислим резистор в демпферной цепи:

f - частота коммутации (примем 5кГц)

C_S - Есмкость снабберного конденсатора

Ом

Выберем снабберный диод Ds. Выбирают исходя из того, что он должен обладать малым прямим падением напряжения, которое является одним из основных факторов, влияющих на выброс напряжения во время выключения IGBT. Если время обратного восстановления будет слишком большим, в нём будут расти потери с ростом частоты коммутации. Если обратное восстановление диода будет происходить слишком жестко, это приведет к генерации напряжения V_CE. Поэтому снабберный диод должен иметь малое падение напряжения, малое время обратного восстановления и мягкое переключение.

Производитель рекомендует применять диод для RCD - цепей RM50HG-12S.

3. Драйверы

В качестве ИМС для драйвера рекомендуется для выбранных силовых модулей применять драйвер M57962AL. На рисунке приведена схема включения драйвера для управления несколькоми модулями параллельно, с контролем напряжения насыщения.

4. Звено постоянного тока

Выберем конденсаторы для входного выпрямителя. Поизводитель - к прмеру - EPCOS.

Емкость конденсаторов выберем исходя из отдавемой мощности и допустимой величины пульсаций

Эквивалентное сопротивление:

Ом

Ф

Теперь по каталогу EPCOS выберем батарею конденсаторов. Среди электролитических конденсаторов для преобразователей, наибольший номинал напряяжения - 450 В. Значит придется соединять конденсаторы последовательно. Но вввиду различий в ёмкости, токах утечки необходимо применить уравнительные резистры, чтобы напряддения на конденсаторах были симметричны.

Конденсаторы серии B435, повышенной надежности, +105С⁰, 450 В

Емкость распределим следующим образом. Сразу за выпрямителем разместим 50% требуемой емкости. Остальные 50 % разделими на три части, по одной на каждую фазу. Схемотичное размещение в корпусе инвертора приведено на рисунке (силовые шины не показаны):

Общая батарея (за выпрямителем). 50% емкости = 33,5 мФ. Используем конденсаторы 8200мкФ. Их потребуется 8 штук, включив по 2 последовательно в параллель, получим общую емкость в 32,8 мФ.

Теперь батареи конденсаторов в каждой фазе. разделим оставшуюся есмкость на 3, получим, что в каждой фазе по 11,2 мФ. По габаритным соображениям используем конденсаторы емкостью по 6700мкФ. В каждую фазу их потребуется 4 штуки - т.е. 2 последовательные пары.

Вычислим уравнительные резисторы.

Для конденсаторов серии B435 ток утечки вычисляется по формуле

С_R - емкость, мкФ

V_R - номинальное напряжение

Для конденсаторов по 8200 мкФ I_ут = 12,1мА

Для конденсаторов по 6700 мкФ I_УТ = 10,2мА

ток через уравнивающие резисторы должен быть в 20 раз выше тока утечки - 242мА и 204мА соответственно.

Тогда для конденсаторов по 8200 мкФ 450 В при напряжении на конденсаторе 300В (рабочее),

R_SYM=300/0,242 = 1239 Ом = 1,2кОм

Для конденсаторов по 6700 мкФ 450 В при напряжении на конденсаторе 300В (рабочее),

R_SYM=300/0,204=1470 Ом = 1,5 кОм

5. Выпрямительные диоды

Диоды подберем исходя из максимально расчетного фазного тока в 1020 А.

Схема выпрямителя - трехфазная мостовая (Илларионова).

Прямой ток диода в трехфазном выпрямителе вычислим по формуле

Отсюда, при токе нагрузки 1020 А на фазу, получим 550 А через диод. Диод выберем RM500DZ с прямым током в 500 А и 10000 А в течение одного периода при 50 Гц.

Литература

1 Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника, Техносфера. 2005г.

2 Muhammed Rashid. Power electronics handbook, USA. 2007.

3 Mitsubishi IGBT application manual.

4 Fujitsu IGBT application manual.

Размещено на Allbest.ru