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;

N ₀ - 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);

Δ U _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);

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

R_{VD откр.} − 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 (Δ U _к-энас. и R_{VT откр}) для транзистора и (Δ U _VDпр и R_{VD откр}) для диода.

Тогда статические потери транзистора:

P _cт.VT= I_{VT ср.}Δ U _к-энас+ I²_VT R_{VT откр}, (160)

аналогично, статические потери диода:

P _ст.VD= I _в.ср.Δ U _VDпр + I ²_в R_{VD откр}. (161)

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

I _ф= P_d /(3 U _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_о P _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?