2.6 Расчет инвертора

Исходные данные:

1) Un=220 B - выходное линейное напряжение;

2) Рн = 1 кВт - Мощность преобразователя;

) Cos _H1 - коэффициент мощности нагрузки;

) F_P=10 кГц - диапазон рабочих частот инвертора.

Ток инвертора номинальный равен:

(2.6.1)

Определим номинальное напряжение на входе инвертора:

(2.6.2)

Выбираем класс силового ключа по напряжению:

(2.6.3)

Выбираем IGBT транзистор с напряжением 600 В.

Так как в инверторе на IGBT нет вспомогательных коммутирующих ключей, нет и времени коммутации.

Определим ток через транзистор:

(2.6.4)

Выбираем транзистор на 16А, который при Т=100^оС имеет допустимый ток 9А, и с учетом запаса по току

(2.6.5)

т.е. условие I_max<I_доп выполняется.

По вычисленным параметрам выберем транзисторный IGBT-транзистор IRG4BC20F фирмы IR.

Параметры транзистора:

1) Пробивное напряжение «коллектор-эмиттер» Vces = 600 B;

2) Постоянный ток коллектора Ic = 16 A;

) Импульсный ток коллектора (длительностью 1мс) Icm = 30 A;

) Падение напряжение на транзисторе в открытом состоянии V_Cesat = 2.5 B;

) Время включения t_ON = 130 nс;

) Время задержки выключения t_S = 450 nс;

) Время спада t_f = 40 nс;

) Тепловое сопротивление переход-корпус R_th(j-c) = 0.18^oC/Вт;

) Максимально допустимая температура перехода T_jmax = 150^oC;

Рассчитаем потери в транзисторе при номинальном режиме:

(2.6.6)

где Uпод = 2,11 В - среднее модулированное падение на открытом транзисторе при протекании через него гармонического тока с амплитудой .

Рассчитаем динамические потери в транзисторе.

Р_дин = Е_у·f , (2.6.7)

где Е_у = 14 мДж определяется по графикам для тока 35А.

Р_дин = 14·10^-3·1000 = 14 (Вт). (2.6.8)

Рассчитаем общие потери.

Р_Моб = Р_СТ + Р_ДИН + Кз (Рст + Рдин) = 9,5 + 14 + 0,05·235 = 35,5 Вт (2.6.9)

Таким образом, эффективную температуру структуры в установившемся тепловом режиме можно определить из соотношения:

Т_j = T_a + P_MобR_th(j-c) = 40 + 35,5·0,18 = 75,5 ^oC (2.6.10)

Температура структуры в длительном режиме работы удовлетворяет условию Т_j < T_jm (75,5^oC < 100^oC), следовательно, транзистор выбран правильно.

2.7 Расчет выпрямителя

Пусть скважность ШИМ-модуляции инвертора  = 0,95. Таким образом, входное напряжение инвертора определяется по формуле:

(2.7.1)

где Uн_мах = - амплитуда напряжения на выходе инвертора.

На входе инвертора работает выпрямитель, следовательно, Uвых выпрямителя равно Uвх инвертора. Схема выпрямления - однофазная мостовая. Соберем ее на тиристорах. Выберем рабочий угол регулирования  = 30^о.

Определим среднее значение тока вентильного элемента:

,(2.7.2)

где Кст =0.5- коэффициент по току для однофазной схемы.

Если напряжение Ud = 220B соответствует углу регулирования  = 30^о, то максимальное напряжение на выходе выпрямителя при угле  = 0^о составит Ud_max = 247 (В).

Амплитудное значение напряжения на вентиле определяется из соотношения:

,(2.7.3)

где К_сн - коэффициент схемы по напряжению для однофазной мостовой схемы. Значение повторяющегося импульсного напряжения на вентиле определяется:

,(2.7.4)

где Кр - коэффициент запаса по напряжению.

По параметрам Iв и Urm выбираем тиристоры ТО232-25 фирмы ОАО «Электровыпрямитель».

Его основные характеристики:

1) Повторяющееся импульсное обратное напряжение Vrrm = 600-1200В;

2) Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии I_T(AV)=25A при температуре 80^оС;

) Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии I_TRMS=63A;

) Пороговое напряжение тиристора V_T(TO)=1,14B;

) Динамическое сопротивление r_T=4,7 m;

) Отпирающее постоянное напряжение управления V_GT=2,5B;

) Максимально допустимая температура перехода Tjmax=100^oC;

) Тепловое сопротивление переход-корпус R_th(j-c)=0,47^oC/Вт;

) Время выключения t_q=160мс;

Проведем тепловой расчет выбранных вентилей. Для определения средней мощности основных потерь в силовых полупроводниковых приборах используется уравнение:

(2.7.5)

где U_T(TO) и r_(T) - пороговое напряжение и динамическое сопротивление вольт-амперной характеристики прибора в открытом состоянии; К_ф=I_RMS/I_AV = 1,575 - коэффициент формы тока, определяемый расчетным путем для конкретной схемы выпрямителя и заданного угла регулирования.

На низких частотах до 400 Гц основные потери являются определяющими, а дополнительные потери могут быть учтены поправочным коэффициентом К_доп = 1,05. Таким образом, полная мощность потерь в вентиле на низких частотах определяется выражением:

(2.7.6)

Эффективная температура структуры вентиля в установившемся тепловом режиме может быть определена с достаточной для инженерных расчетов точностью по формуле:

T_j = T_a + P_totR_th(j-c) =40 + 5,56·0,47 = 42,6^оС,(2.7.7)

где Т_а - температура окружающей среды.

Поскольку Т_j < T_jm, то выбранный тиристор подходит для работы в данной схеме выпрямителя, и запас по температуре довольно велик. Однако, за неимением другого подходящего номинала вентиля остановимся на этом, хотя он будет и недоиспользоваться.

Для охлаждения тиристора применим стандартный охладитель ДЖИЦ.648474.001, рекомендуемый фирмой-производителем тиристоров. Данный охладитель имеет следующие параметры:

1) Тип - ДЖИЦ.648474.001;

2) Габаритные размеры (ширина х длина х высота), мм - 170х250х170;

) Масса, кг - 8,5;

) Диаметр контактной поверхности, мм - 76;

) Тепловое сопротивление, ^оС/Вт (при скорости воздуха 6м/с) - 0,043;

) Перепад давления, Па - 35;

Из всего многообразия вентиляторов выберем импортный вентилятор фирмы Jamicon, Kaimei Electronic Corp. JA-0825S22H. Его электрические и конструктивные параметры:

1) JA - вентилятор переменного тока;

2) Размер рамы, мм - 80х80;

) Толщина корпуса (В, мм) - 25;

) Тип подшипника - шариковый;

) Номинальное напряжение - 220В/50Гц;

) Потребляемый ток, А - 0,05;

) Частота вращения - 2300об./мин.;

) Производительность - 0,74 м³/мин.;

) Шум - 29дБ/м

) Установочный размер - 71,5мм;

Для защиты вентилятора применяем защитную решетку SM7240E фирмы Jamicon.

Для упрощения сборки преобразователя и для улучшения аэродинамических свойств воздушного охлаждения каждый охладитель заключаем в отдельную четырехгранную коробку, выполненную из изоляционного материала. А уже эта коробка специальными креплениями крепится к стойкам преобразовательного шкафа. Конструктивный чертеж блока охладителя выпрямительного вентиля представлен в Приложении Ж.

Рассчитаем мощность, которую способен рассеять данный охладительный блок. Для упрощения примем, что тепло распространяется от охладителя в окружающую среду только методом конвекции. Математический конвективный теплообмен подчиняется закону:

(2.7.8)

где P_n - тепловая мощность, которую радиатор должен рассеять в окружающем пространстве;_S - площадь поверхности радиатора;

Т_S - температура радиатора;

Та - температура окружающей среды;

_к - коэффициент конвективного теплообмена между радиатором и средой.

Тепловое сопротивление - величина, обратная произведению площади поверхности радиатора на коэффициент теплообмена:

(2.7.9)

Эта величина известна по справочным данным, то мощность рассеяния мы можем вычислить по формуле:

(2.7.10)

Таким образом, выбранного блока охлаждения вполне достаточно для отвода от тиристора мощности, выделяемой на нем.

В инверторе все шесть силовых IGBT модулей расположим на одном охладителе. Конфигурация его профиля представлена на рисунке 2.7.1

Рисунок 2.7.1 - Конфигурация профиля охладителя блока инвертора.

Каждый IGBT модуль выделяет в виде тепла до 35,5 Вт. Таким образом, общие тепловые потери всего вентильного блока определяются соотношением:

Р_ = 4·Р_Моб =4·35,5 = 140 Вт. (2.7.11)

Тепловое сопротивление охладителя равно:

(2.7.12)

Возьмем охладитель с профилем O56 размерами (260х250х80)мм фирмы ОАО “Электровыпрямитель”. Для создания воздушного потока используем вентилятор JF-1225S1H фирмы Jamicon. Как и для охладителей выпрямителя охладитель инвертора сделаем закрытым блоком