Расчет параметров охладителя.

Предварительно определяется требуемое суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель—окружающая среда в расчете на суммарную мощность, выделяемую всеми устанавливаемыми на данный охладитель силовыми полупроводниковыми приборами (модулями). При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов:

(21)

Как правило, на один охладитель удается установить все приборы при мощности инвертора до 55 кВт. Критерием перехода к применению двух и более охладителей служит длина требуемого профиля охладителя, которая для эффективного использования поверхности профиля должна быть не более 1 м.

Площадь охладителя (рис. 18), наиболее широко применяемого в рассматриваемых ПЧ, участвующая в излучении тепла, определятся по формуле:

A_rad=2d(b + h), (22)

где d,b и h — габаритные размеры профиля.

Рис. 18. Охладитель (гребенка)

Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции,

A_conv=2d(b +m(h-c)), (23)

где т — число ребер.

Переходное сопротивление излучению тепла

(24)

где Т_с — температура поверхности охладителя, К; Т_a — температура окружающего воздуха, К; ΔT = = Т_с - Т_а; Е — коэффициент излучения поверхности (Е = 0,8 для алюминия).

Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией (при d< 1 м)

(25)

где F_red — коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции) при расстоянии между ребрами охладителя 20 мм и менее. График зависимости F_red от расстояния между ребрами дан на рис. 19.

Переходное температурное сопротивление охладитель—окружающая среда при естественном охлаждении

(26)

Следовательно, для данного типа охладителя имеем следующую зависимость:

(27)

где A, В, С— коэффициенты, получаемые при подстановке (24) и (25) в (26).

Температурное сопротивление является при прочих неизменных условиях нелинейной функцией длины охладителя d при расположении ребер вертикально. Для конкретного типа охладителя требуется рассчитать зависимость R_th(f-a)=f(d) и выбрать длину охладителя d так, чтобы температурное сопротивление было не более расчетного значения (19) для всех приборов, установленных на охладителе. Например, для ПЧ на мощность двигателя 55 кВт R_th(f-a)≈0,03 °С/Вт, а на мощность двигателя 2,2 кВт — R_th(f-a)≈ 0,8 °С/Вт.

Рис. 19. Зависимость коэффициента F_red ухудшения конвекции от расстояния между ребрами охладителя

Ряд фирм, производящих профили для охладителей, дают на свою продукцию зависимости R_th(f-a)=f(d) или значения R_th(f-a) на единицу длины профилей, а также зависимости R_th(f-a) от скорости охлаждающего воздуха. При скорости охлаждающего воздуха 3 м/с тепловое переходное сопротивление уменьшается в среднем в 1,7—2 раза. Следовательно, по сравнению с расчетной длиной профиля для естественного охлаждения длина охладителя при принудительном воздушном охлаждении со скоростью воздуха 3 м/с может быть уменьшена также в 1,7—2 раза.

Расчет фильтра.

Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению)

(28)

где т — пульсность схемы выпрямления (т = 6 для трехфазной мостовой схемы, т = 2 для однофазной мостовой схемы).

Параметр сглаживания LС-фильтра

(29)

где S = q_1вх/ q_1вых— коэффициент сглаживания по первой гармонике; f_s — частота сети, Гц.

Параметр сглаживания С-фильтра

(30)

где L_s — индуктивность сети, Гн, приведенная к звену постоянного тока.

Значения коэффициента сглаживания 5 лежат в диапазоне от 3 до 12.

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя K_м =0,95 определяется по формуле

L₀≥3 L_0min (31)

(32)

где I_d — номинальный средний ток звена постоянного тока.

В трехфазных инверторах с ШИМ по синусоидальному закону реактивная энергия полностью скомпенсирована по выходной частоте. Это означает, что К_м зависит преимущественно (без учета запаздывания открывания полупроводниковых приборов) от индуктивности фильтра L₀ и индуктивности питающей сети L_s, зависимость К_м =f(L₀/L_0min) для трехфазного мостового выпрямителя приведена на рис. 20.

Значение минимальной индуктивности L_0min фильтра определяется из (31).

Из рис. 20 видно, что для обеспечения К_м = 0,95 необходимо иметь индуктивность дросселя фильтра L₀ =3 L_0min.

Емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выражения:

(33)

где I_sm1 — амплитудное значение тока в фазе двигателя, А; φ₁— угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока; q₁ — коэффициент пульсаций; f_sw — частота ШИМ, Гц.

После выбора типа фильтра (LC или С) рассчитывается емкость конденсаторов C₀₁ или С₀₂ и сравнивается с емкостью С₀₃, рассчитанной по (33). Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости С_0i; (i=1, 2 или 3).

Рис. 20. Зависимость К_м =f(L₀/L_0min) для трехфазного выпрямителя

Амплитуда тока, протекающего через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по первой гармонике)

(34)

Далее в зависимости от значения С_0i,- и амплитуды тока формируется батарея конденсаторов с емкостью С_0i и более, допустимым по амплитуде током I_C0m и более и напряжением 800 В и более для трехфазной мостовой схемы или 400 В для однофазной мостовой схемы выпрямителя. Запас по току принимается в зависимости от требуемого ресурса работы инвертора.

Некоторые фирмы, производящие электролитические конденсаторы, дают более подробную информацию по выбору конденсаторов по току. Например, для конденсаторов, изготовляемых по стандарту IEC 384-4, имеем допустимое амплитудное значение тока (при Т = 85°С и f= 100 Гц) I = 3,1 А при следующих номинальных параметрах: U= 450 В, С = 470 мкФ. В каталоге фирмы «Siemens Matsushita Components» для электролитических конденсаторов приведена зависимость поправочного коэффициента от частоты для приведения тока к частоте f = 100 Гц (табл. 5).

Например, для ПЧ на мощность двигателя 55 кВт С_0i= 5540 мкФ (32 конденсатора с номинальными параметрами: 680 мкФ, 400 В, включенных парами последовательно для повышения рабочего напряжения — всего 16 пар, которые включены параллельно для получения заданной емкости), а на мощность 2,2кВт С_0i, = 235мкФ (2 конденсатора с параметрами 470мкФ, 400В, включенных последовательно). Применяются также электролитические конденсаторы на большие емкости и большие токи, например конденсаторы Rifa (4700 мкФ, 450 В) допускают амплитудное значение переменной составляющей тока: на 100 Гц — 14,8 А и на 10 кГц — 34,9 А и классифицируются как приборы Long Life (10 лет службы). Однако по цене и удобству распределенного размещения электролитических конденсаторов в ПЧ в целях уменьшения индуктивности монтажа, по ремонтопригодности и доступности приобретения «батарея» из «мелких» конденсаторов может оказаться более предпочтительной, чем из «крупных» конденсаторов.

Таблица 5.

Зависимость поправочного коэффициента от частоты для приведения тока к частоте f_i = 100 Гц.