3. Расчет охладителя

Тепловое сопротивление структуры охладитель – окружающая среда:

(2.55)

где R_th(f-a) – тепловое сопротивление, используемое по аналогии с понятием электрическое сопротивление для проведения тепловых расчетов;

Т_С = 90 ÷ 110 ºС – рекомендуемая температура охлаждающей пластины;

Т_А = 45 ÷ 50 ºС – температура воздуха внутри корпуса ПЧ.

Температура кристалла обратного диода должна соответствовать условию:

(2.56)

123,3 ≤ 125º С – условие выполняется.

Температура кристалла транзистора должна соответствовать этому же условию:

(2.57)

117,3 ≤ 125ºС – условие выполняется.

4. Расчет выпрямителя

Максимальное значение выпрямленного тока I_dm:

(2.58)

где n – количество IGBT транзисторов.

(2.59)

Максимальный ток диода:

(2.60)

где К_СС = 1,045 – коэффициент для мостовой трехфазной схемы при опти-мальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

Обратное максимальное напряжение на диоде (2.61):

где К_ЗН ≥ 1,15 – коэффициент запаса по напряжению;

К_С ≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

К_СН = 1,35 – схемный коэффициент неуправляемого выпрямителя;

∆U_П = (100 ÷ 150) В – запас на коммутационные выбросы в звене посто-янного тока.

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу на-пряжения. Выбираем диодный модуль RM250DZ-24 со средним прямым током I_FAV = 250 А и импульсным повторяющимся обратным напряжением U_RRM = 1200 В (двенадцатый класс). Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя.

Расчет потерь мощности в выпрямителе:

(2.62)

где К_СS = 0,577 – коэффициент для мостовой трехфазной схемы;

m – число диодов;

R_on – динамическое сопротивление диода в проводящем состоянии;

U_j – прямое падение напряжения на полупроводниковом приборе при токе 50 мА. Для диода .

Тепловое сопротивление охладителя:

(2.63)

где Т_с = 100ºС – температура теплопроводящей пластины модуля охладителя;

Т_а = 45ºС – температура охлаждающего воздуха;

R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля. При установке модулей (выпря-митель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при парал-лельном включении резисторов

(2.64)

5. Расчет фильтра

Для расчета фильтра принимаем коэффициент сглаживания пульсаций S = (3 ÷ 12). Чем больше S, тем больше габариты фильтра, поэтому выбираем S = 3.

Коэффициент пульсации на входе фильтра:

(2.65)

Определяем произведение:

(2.66)

где f_S = 30 Гц – минимальная частота полупроводникового ПЧ;

L₀ – индуктивность дросселя для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя К_М ≈ 0,95, определяется из следующих условий:

(2.67)

Выбираем стандартное значение L₀ = 0,45 мГн

С₀ выбирается из двух условий:

• во-первых, из условия реализации LC-фильтра, как

(2.68)

• во-вторых, должна обеспечивать возврат реактивной энергии электро-двигателя в конденсатор через обратные диоды инвертора:

(2.69)

где I_SM – амплитудное значение тока в обмотке низшего напряжения транс-форматора, примерно равное максимальному значению тока через IGBT ключ инвертора (306,2А);

φ₁ – угол сдвига между первой гармоникой фазового напряжения и фазо-вого тока, примерно равный arccosφ_УЭЦН ≈ 28,36º (cosφ_УЭЦН = 0,88);

q₁ – коэффициент пульсации, определяемый из выражения:

(2.70)

f_SW – частота ШИМ, ранее принята 5000 Гц.

Определяем емкость конденсатора С₀₂, необходимого для реализации LC-фильтра:

Для практической реализации фильтра используем конденсаторы с наибольшим значением емкости С₀₁, С₀₂, т.е. конденсаторы с емкостью 1504 мкФ.

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

В зависимости от величины емкости С₀₁ и амплитуды тока I_C0m форми-руем батарею конденсаторов емкостью не менее 1504 мкФ, допустимым по амплитуде током более 12,28 А и напряжением не менее (1,1…1,2)∙U_d, т.е. (1,1…1,2)∙513 ≥ 615,6 В. Запас по напряжению и току берется в зависимости от требуемого ресурса работы инвертора.

Из соображений приемлемой стоимости, удобства распределенного размещения электролитических конденсаторов в преобразователе частоты для уменьшения индуктивности монтажа, ремонтопригодности, доступности приобретения отдаем предпочтение батарее из “мелких” конденсаторов фирмы Siemens Matsushita Componens (10 конденсаторов по 680 мкФ/500 В, включенных по два последовательно для повышения рабочего напряжения – всего 5 таких пар емкости по 340 мкФ, которые включены параллельно для получения заданной емкости С₀ > C₀₁).

Возможно также применение в сглаживающем фильтре преобразовате-ля частоты для установки УЭЦН новых силовых компактных конденсаторов серии ЗСС НЗТМ фирмы EPCOS. Эти конденсаторы специально предназна-чены для монтажа непосредственно на выходные зажимы IGBT модулей. Специальный соединитель между IGBT и РСС НРТМ обеспечивает номинальную емкость и низкую индуктивность схемы. Основные параметры конденсаторов серии РСС НРТМ: номинальное напряжение 900…6000 В (выбираем напряжение 2000 В); номинальная емкость более 10000 мкФ; номинальный ток свыше 300 А; предельный импульсный ток до 200 кА; индуктивности 15… 40 нГн; гарантийный срок службы 15 лет; компактный

корпус из нержавеющей стали. За счет большой емкости конденсатора появ-ляется возможность упростить схему сглаживающего фильтра выпрямителя, исключив из нее индуктивность L₀ – элемент, имеющий значительные габа-риты и вес.