Расчет выпрямителя.
Среднее выпрямленное напряжение
Ud=kc.н Uл, (14)
где kc.н— коэффициент схемы для номинальной нагрузки; kc.н = 1,35 для мостовой трехфазной схемы; kc.н = 0,9 для мостовой однофазной схемы
Максимальное значение среднего выпрямленного тока
(15)
где n — количество пар IGBT/FWD в инверторе.
Максимальный рабочий ток диода
Iνm=kcc Idm (16)
где ксс — 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя; ксс = 1,57 для мостовой однофазной схемы.
Максимальное обратное напряжение диода (для мостовых схем)
Uvm = kзн√2Uлkснkc + ΔUn (17)
где кс≥ 1,1 — коэффициент допустимого повышения напряжения сети; кзн > 1,15 — коэффициент запаса по напряжению; ΔUn = 100—150 В — запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.
Диоды выбираются по постоянному рабочему току (не менее Ivm) и по классу напряжения (не менее Uvm/100).
Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы ЭП (Id= Idm /k1):
(18)
где kcs = 0,577 для мостовой трехфазной схемы; kcs = 0,785 для мостовой однофазной схемы; Ron — динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом; Uj — прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + RonIdm / ki ≤ 1 В для диода или 1,3 В для тиристора); mv — число полупроводниковых приборов в схеме.
Тепловой расчет параметров охладителя выпрямителя следует проводить аналогично приведенному выше расчету для инвертора.
Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель—окружающая среда в расчете на выпрямитель
(19)
где Rth(c-f)— термическое переходное сопротивление корпус—поверхность теплопроводящей пластины модуля, °С/Вт.
Если не все полупроводниковые приборы моста размещены в одном модуле, то необходимо PDV привести к числу приборов, расположенных в одном корпусе.
Температура кристалла
(20)
где Rth(c-f)DV — термическое переходное сопротивление кристалл—корпус для одного полупроводникового прибора модуля, °С/Вт; nD — количество полупроводниковых приборов в модуле.
Необходимо, чтобы выполнялось условие: TjDV < 140 °С.
Расчет параметров охладителя.
Предварительно определяется требуемое суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель—окружающая среда в расчете на суммарную мощность, выделяемую всеми устанавливаемыми на данный охладитель силовыми полупроводниковыми приборами (модулями). При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов:
(21)
Как правило, на один охладитель удается установить все приборы при мощности инвертора до 55 кВт. Критерием перехода к применению двух и более охладителей служит длина требуемого профиля охладителя, которая для эффективного использования поверхности профиля должна быть не более 1 м.
Площадь охладителя (рис. 18), наиболее широко применяемого в рассматриваемых ПЧ, участвующая в излучении тепла, определятся по формуле:
Arad=2d(b + h), (22)
где d,b и h — габаритные размеры профиля.
Рис. 18. Охладитель (гребенка)
Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции,
Aconv=2d(b +m(h-c)), (23)
где т — число ребер.
Переходное сопротивление излучению тепла
(24)
где Тс — температура поверхности охладителя, К; Тa — температура окружающего воздуха, К; ΔT = = Тс - Та; Е — коэффициент излучения поверхности (Е = 0,8 для алюминия).
Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией (при d< 1 м)
(25)
где Fred — коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции) при расстоянии между ребрами охладителя 20 мм и менее. График зависимости Fred от расстояния между ребрами дан на рис. 19.
Переходное температурное сопротивление охладитель—окружающая среда при естественном охлаждении
(26)
Следовательно, для данного типа охладителя имеем следующую зависимость:
(27)
где A, В, С— коэффициенты, получаемые при подстановке (24) и (25) в (26).
Температурное сопротивление является при прочих неизменных условиях нелинейной функцией длины охладителя d при расположении ребер вертикально. Для конкретного типа охладителя требуется рассчитать зависимость Rth(f-a)=f(d) и выбрать длину охладителя d так, чтобы температурное сопротивление было не более расчетного значения (19) для всех приборов, установленных на охладителе. Например, для ПЧ на мощность двигателя 55 кВт Rth(f-a)≈0,03 °С/Вт, а на мощность двигателя 2,2 кВт — Rth(f-a)≈ 0,8 °С/Вт.
Рис. 19. Зависимость коэффициента Fred ухудшения конвекции от расстояния между ребрами охладителя
Ряд фирм, производящих профили для охладителей, дают на свою продукцию зависимости Rth(f-a)=f(d) или значения Rth(f-a) на единицу длины профилей, а также зависимости Rth(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.