Расчетные соотношения, необходимые для выбора полупроводниковых приборов для трехфазного мостового активного выпрямителя

Выбор транзисторов активных выпрямителей по току и напряжения производится по тем же методикам, что и для инверторов напряжения с широтно - импульсной модуляцией напряжения. Рассмотрим здесь методики расчета потерь мощности и теплового расчета полупроводниковых вентилей.

Потери в полупроводниковом коммутаторе вычисляются как сумма статических и динамических потерь диодов и транзисторов.

Расчет тепловых режимов работы полупроводниковых приборов силового коммутатора АВН проводится с целью обоснования выбора приборов конкретных типов.

Данные для расчета:

1) параметры режима работы АВН:

U_ф − действующее значение фазного напряжения сети (В);

U_d − напряжение в звене постоянного тока (В);

I_ф − действующее значение фазного сетевого тока (А);

I_{ф ср.} − среднее значение модуля фазного сетевого тока за период сети (А);

Х_L − индуктивное сопротивление сетевого реактора (Ом);

R_L − активное сопротивление сетевого реактора (Ом);

φ− фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевых напряжения и тока (рад);

φ₍₁₎ − фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора (рад);

I_в − действующее значение тока диода (А);

I_в.ср. − среднее значение модуля тока диода за период сети (А);

I_вN− номинальное значение тока диода (справочные данные) (А);

I_VT − действующее значение тока транзистора (А);

I_{VT ср.} − среднее значение тока транзистора за период сети (А);

I_VTN − номинальное значение тока транзистора (справочные данные) (А);

f_{к VT} − частота коммутации тока транзистора (Гц);

f_{к VD} − частота коммутации тока диода (Гц);

μ− глубина модуляции (о.е.);

2) параметры полупроводниковых приборов:

N  общее количество ключей (напомним, что ключ это - транзистор с обратным диодом) силового полупроводникового коммутатора;

N_п  количество ключей, работающих в одной параллели;

N₀  количество ключей, установленных на одном охладителе;

Е_VT − суммарная энергия отпирания и запирания транзистора при номинальных значения тока I_VTN и напряжения U_VTN (Дж);

ΔU_к-энас. − прямое падение напряжения на открытом транзисторе (определяется из кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики) (В);

R_{VT откр.} − активное сопротивление открытого транзистора (определяется из кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики) (Ом);

Е_VD − энергия восстановления диода (Дж);

ΔU_VDпр. − прямое падение напряжения на диоде (определяется из кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики) (В);

R_VDоткр. − активное сопротивление открытого диода (определяется из кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики) (Ом);

3) параметры теплопроводящей цепи:

T_тн − температура теплоносителя (⁰С);

T_ох. − температура охладителя (⁰С );

T_VT − температура транзистора (⁰С );

T_VD − температура диода (⁰С );

R_{т тр-к} − тепловое сопротивление транзистор- корпус (⁰С /Вт);

R_{т д-к} − тепловое сопротивление диод-корпус (⁰С /Вт);

R_{т к-о}− тепловое сопротивление корпус-охладитель (⁰С /Вт);

R_{т тр-о} − тепловое сопротивление транзистор-охладитель (⁰С /Вт);

R_{т д-о} − тепловое сопротивление диод-охладитель (⁰С /Вт);

R_{т о-тн} − тепловое сопротивление охладитель- теплоноситель (⁰С /Вт).

Тепловой расчет ведется при допущении о синусоидальности сетевых токов, что является правомочным при использовании ШИМ-алгоритмов управления силовыми ключами.

Потери в полупроводниковом коммутаторе вычисляются как сумма статических и динамических потерь диодов и транзисторов.

Расчет статических потерь транзисторов и диодов ведется на основе замещения открытого прибора источником напряжения с последовательным сопротивлением (ΔU_к-энас. и R_{VT откр}) для транзистора и (ΔU_VDпр и R_VDоткр) для диода.

Тогда статические потери транзистора:

P_cт.VT= I_VTср.ΔU_к-энас+ I²_VT R_{VT откр} , (160)

аналогично, статические потери диода:

P_ст.VD= I_в.ср.ΔU_VDпр + I²_в R_VDоткр. (161)

Действующее и среднее по модулю значения фазного сетевого тока (без учета потерь активной мощности в АВН):

I_ф=P_d/(3U_ф);

. (162)

Среднее и действующее значения тока транзистора определяются как:

;

. (163)

Среднее и действующее значения тока диода:

;

. (164)

Фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора рассчитывается как:

, (165)

коэффициент модуляции:

(166)

при синусоидальной ШИМ без амплитудной перемодуляции μ=0,…,1,0. Модифицированная синусоидальная ШИМ и векторная ШИМ позволяют получить коэффициент модуляции

.

Динамические (коммутационные) потери транзистора определяются частотой коммутации и энергиями отпирания и запирания. Эти энергии, в свою очередь, зависят от коммутируемого тока и напряжения. Достаточная точность может быть получена при линейной аппроксимации данной зависимости. В этом случае мощность коммутационных потерь транзистора может быть рассчитана как:

. (167)

Динамические (коммутационные) потери диода зависят от частоты коммутации тока диода и энергии его восстановления. Величина этой энергии является функцией тока и прикладываемого напряжения. При использовании линейной аппроксимации данной зависимости коммутационные потери диода составляют:

. (168)

Суммарные мощности потерь транзистора и диода, соответственно:

P_VD=P_ст.VD +P_{к VD},

P_VT=P_ст.VT+P_{к VT}. (169)

Мощность потерь одного ключа:

P_кл.= P_VT + P_VD. (170)

Мощность, выделяемая на охладителе:

P_о=N_оP_кл . (171)

Суммарная мощность потерь полупроводникового коммутатора:

P_пк=NP_кл. (172)

Температура охладителя определяется как:

T_o= P_о R_{т о-тн}+T_тн . (173)

Температуры полупроводниковых переходов транзисторов и диодов вычисляется по формулам:

T_VT= P_VT R_{т тр-о} +T_o, T_VD= P_VD R_{т д-о} +T_o. (174)

или

T_VT= P_VT (R_{т тр-к} + R_{т к-о} )+T_o,

T_VD= P_VD (R_{т д-к}+ R_{т д-о})+T_o. (175)

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определения понятию «активный выпрямитель».

2. Объясните различия между активным выпрямителем тока и напряжения.

3. Поясните, как следует регулировать величину выходного напряжения активного выпрямителя?

4. Поясните, почему форма кривой тока, потребляемого выпрямителем близка к синусоидальной форме?

5. Поясните, каким образом можно регулировать фазовый сдвиг тока, потребляемого выпрямителем, и напряжения питающей сети?

6. Поясните, каким образом реализуется перевод активного выпрямителя напряжения из режима выпрямления в режим инвертирования?

7. Поясните, каким образом реализуется перевод активного выпрямителя тока из режима выпрямления в режим инвертирования?