Расчет фильтра выпрямителя

Коэффициент пульсации на входе фильтра (отношении амплитуды пульсации к среднему значению напряжения):

, (2.98)

где = 6 – пульсность выпрямителя по трехфазной мостовой схеме. Параметр сглаживания фильтра (рис.2.15).

, (2.99)

где – коэффициент сглаживания, принимающий значения от 3 до 12; частота сети, Гц. Останавливаемся на значении .

Гн

Индуктивность дросселя для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя k_M = 0,95 определяется из следующих условий:

мГн

, (2.100)

где – номинальный средний ток звена постоянного тока, равный ≈ 116,37А.

мГн

Останавливаемся на стандартном значении .

Емкость конденсатора С₀₂, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора (возврат реактивной энергии в конденсатор), определяется из выражения:

, (2.101)

– амплитудное значение тока в обмотке низшего напряжения трансформатора, примерно равное максимальному значению тока через IGBT ключ инвертора (157,6А); – угол сдвига между первой гармоникой фазового напряжения и фазового тока, примерно равный ^О (т.к. ).

мкФ

– коэффициент пульсации, определяемый из выражения:

, (2.102)

– частота ШИМ, ранее принята 5000 Гц.

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

, (2.103)

мкФ

Для практической реализации фильтра используем конденсаторы с наибольшим значением емкости С₀₁, С₀₂, т.е. конденсаторы с емкостью 2106 мкФ.

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

, (2.104)

А

Далее, в зависимости от величины емкости С01 и амплитуды тока I_Com формируется батарея конденсаторов на емкость не менее 2106 мкФ, допустимым по амплитуде током более 37А и напряжением не менее (1,1…1,2)∙Ud , 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 (16 конденсаторов по 680 мкФ/500 В, включенных по два последовательно для повышения рабочего напряжения – всего 8 таких пар емкости по 340 мкФ, которые включены параллельно для получения заданной емкости С0>C01).

Возможно также применение в сглаживающем фильтре преобразователя частоты для установки УЭЦН новых силовых компактных конденсаторов серии ЗСС НЗТМ фирмы EPCOS. Эти конденсаторы специально предназначены 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 появляется возможность упростить схему сглаживающего фильтра выпрямителя, исключив из нее индуктивность L0 – элемент, имеющий значительные габариты и вес.

Расчет снаббера

Так как IGBT коммутируется с высокой скоростью, то напряжение U_CE быстро возрастает, особенно при запирании транзистора, и может достичь критического значения, способного вызвать пробой либо коллектора, либо затвора транзистора (последнее возможно, если индуктивность цепей управления IGBT велика). Чтобы минимизировать превышение напряжения (перенапряжение) и предотвратить аварию IGBT требуется установка снаббера (демпфирующей цепи). Типичные схемы снабберов и их особенности рассмотрены в таблице 2.11.

Конденсатор для указанных схем необходимо выбирать с хорошими высокочастотными характеристиками, высокими допустимыми импульсными токами и малым тангенсом угла потерь, например, К78 – 2 или Э63К.

Сопротивление резистора зависит от емкости конденсатора С и частоты коммутации IGBT f_sw. Расчетные формулы для выбора мощности резисторов цепей снабберов, указанных в таблице 2.11, схем имеют следующий вид:

Схемы 2, 3 и 5 из таблицы 2.11:

(2.105)

Схема 4 из таблицы 2.11:

, (2.106)

где U – напряжение коллектор – эмиттер в установившемся режиме, которое равно напряжению звена постоянного тока преобразователя системы АИН ШИМ, ΔU – перенапряжение (рисунок 2.17).

Рис. 2.17. Напряжение коллектор-эмиттер

на IGBT транзисторе при выключении.

Выбор величины сопротивления производится из условия минимума колебаний тока коллектора при включении IGBT

, (2.107)

где L_Sn – индуктивность цепей снаббера, которая не должна быть более 10нГн.

Ток, протекающий через диод снаббера импульсный. Он почти равен отключаемому току коллектора и длится до одной микросекунды.

Величина ΔU (рисунок 2.17) зависит от многих факторов, она не должна превышать 50-60 В. Так, для схем из табл. 5 можно отметить следующее:

– бросок напряжения ΔU (рисунок 2.17) при запирании модуля определяется как параметрами схемы, так и характеристиками IGBT, поэтому ΔU не может быть выражен математически;

– ΔU существенно зависит от индуктивности L2 цепей снаббера (L2 не должна быть более 10 нГн);

– ΔU незначительно зависит от резистора Rg на входе затвора и от температуры;

– ΔU не определяется величиной емкости снаббера. Следовательно, для ограничения ΔU важно ограничить индуктивности L1 и L2 за счет ограничения длины проводов и их бифилярного монтажа.

Табл. 2.11

Типичные схемы снабберов

№	Схема	Особенности
		1. Малое число элементов 2. Короткий провод снаббера 3. Большие пульсации тока через электролитический конденсатор

Продолжение табл. 2.11

		1. Малое число элементов 2. Более длинный провод снаббера, чем в схеме 1 3. Малые пульсации тока через электролитический конденсатор
		1. Малое число элементов 2. Низкие потери мощности 3. Подходит для средней и малой емкости конденсатора
		1. Большое число элементов 2. Большие потери 3. Перенапряжения могут быть эффективно ограничены
5.		1. Большое число элементов 2. Низкие потери 3. Подходит для большой емкости конденсатора

Емкость конденсатора снаббера определяется величиной второго броска напряжения ΔU' (рисунок 2.17), который не должен превышать 20-25 В. Учитывая, что индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT модулем равна L1, отключаемый ток равен I_С – выражение для расчета емкости представится в следующем виде:

(2.108)

Хотя емкость конденсатора снаббера определяется величиной L1 и может быть рассчитана по (75) окончательно определить С можно, фактически установив модуль и определив перенапряжение. Типичное значение емкости снаббера составляет 1 мкФ на 100 А коммутируемого транзистором IGBT тока.

Исходя из величины тока, коммутируемого транзистором IGBT, а именно I_Cmax = 157,6 A выбираем емкость снаббера C = 2 мкФ, и применяем конденсатор высокочастотный типа К78-2 (два конденсатора 1 мкФ/600В, соединенных параллельно).

Сопротивление резистора:

, (2.109)

= Ом

Мощность резистора ( схема 3 из табл. 2.10):

, (2.110)

где – задаемся равным 60В.

Вт

По величине сопротивления и мощности реализуется резистор снаббера из десяти двухваттных сопротивлений типа МЛТ 1,5 Ом ± 10%, соединенных параллельно, для получения эквивалентного сопротивления 0,15 Ом мощностью 20 Вт.