CC BY
20
УДК 621.314.63
Остренко В. С.1, Критська Т. В.2
1Канд. техн. наук, 3anopi3bKa державна iH^;eHepHa академiя, УкраТна, E- mail: [email protected]
2Д-р. техн. наук, Запо^зька державна нженерна академiя, УкраТна
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ IGBT МОДУЛЯ ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЧАСТОТИ ПРИ ПУСКУ АСИНХРОНОГО ДВИГУНА
Запропонована методика виконання розрахунюв для визначення типу IGBTмодуля, значения температури структур транзисторiв та dwdie зворотного струму у перетворювачi частоти електропривода змтного струму при пуску двигуна в залежностi вiд статичного моменту та моменту терцп виконуючого мехашзму. Наведет дiаграми залежностi температури структур транзисторiв та дiодiв зворотного струму вiд трива-лостi розгону i моменту терцп системи асинхронний двигун — виконуючий мехашзм.
Ключов1 слова: асинхронний двигун, IGBT модуль, температура структури, момент терци.
ВСТУП
Найбшьш ефективним та економiчним способом плавного пуску та регулювання швидкосп обертання ротора асинхронних двигушв е змша частоти / напруги живлення. При цьому слщ брати до уваги, що для найк-ращого використання двигуна змша частоти повинна супроводжуватися змшою амплпуди напруги живлення и. Для реалiзацil номшального моменту у всьому дiапа-зош швидкостi обертання ротора необхвдно, щоб асинхронний двигун працював при номiнальному значенi магнiтного потоку ФМН. Але при пуску двигуна необхщ-но забезпечити не ильки номiнальний статичний момент виконуючого мехашзму, а i подолати динамiчний момент шерцп. При цьому, величина цього динамiчного моменту шерцп залежить вiд часу прискорення частоти обертання ротору двигуна. Для подолання динамiчного моменту на час розгону двигуна обмотки статора ство-рюють додаткове магштне поле за рахунок шдвищення струму споживання. За звичаем, бажано, щоб тривал^ь розгону двигуна була мшмальна, тобто, щоб прискорення було максимальним. Це може привести до над-мiрного збiльшення струму на виходi перетворювача частоти i вивести з ладу бiполярнi транзистори з iзольо-ваним затвором (ЮБТ), що використовуються в якостi силових ключiв.
Щоб запобiгти пошкодженню нашвпровщникових приладiв, або не обгрунтованому спрацьовуванню системи захисту, розробники електроприводав змiнного струму повиннi передбачати необхщт запаси ЮБТ та дiодiв зворотного струму вiдносно режимiв роботи i визначи-ти мiнiмально допустиму тривалiсть розгону двигуна при певних параметрах виконавчого мехашзму. За звичаем, для захисту ЮБТ модшв при пуску асинхронних двигушв застосовують обмеження струму навантаження перетворювача частоти, не зважаючи на параметри ви-конуючого мехашзму i системи охолодження, тобто не роблячи розрахунк1в перехвдних теплових режимiв. Пи-танням виконання розрахунк1в для виршення проблеми визначення режиму роботи ЮБТ модулв при пуску асин-
хронного двигуна присвячена ця стаття. Вивчення анг-ломовних, росiйськомовних укра1нськомовних джерел шформацл за ще! проблеми показало, що таш розрахун-ки робляться вперше.
РЕЖИМ МОДУЛЯ
НАВАНТАЖЕННЯ IGBT
Майже усi параметри натвпроввдникових приладiв мають значну температурну залежшсть, тому в процесi проектування перетворювачiв 1х розробники оперують такими трьома значеннями температури: максимальна температура охолоджуючого середовища - Та; максимально допустиме значення температури нашвпроввдни-ково! структури приладу в робочому режимi роботи -т](0р); максимально допустиме значення температури нашвпроввдниково! структури приладу в короткочасному режимi роботи - Т|ШаХ [1].
Теплоемнiсть ЮБТ та дюдав модулiв iнвертора вщнос-но невелика, тому при визначенш теплового режиму роботи натвпровщникових приладав необхвдна перевiрка на не перевищення максимально! температури натвпровщ-никово! структури ЮБТ та дюдав не тшьки пiсля тривалого навантаження у номшальному режимi роботи (при номшальному значеннi частоти обертання), а i в режимi пуску двигуна. Зпдно технiчного завдання на розробку елек-троприводу, в залежносп вщ характеру механiзму, визна-чаеться як початковi даннi: номiнальне значення статичного обертового моменту на валу електродвигуна - М 81, при певнш кутово! частот обертання ротору двигуна -ю^ та сумарний момент шерцп виконуючого механiзму i ротору двигуна - J.
Щоб на час розгону двигуна забезпечувався максималь-ний момент двигун повинен споживати такий струм: [2]
(
Ilr =
1 +
J
M st • tT
Л
• Ii
(1)
де tr - час розгону двигуна; /1 - значення струму, що споживае двигун в номiнальному режимi роботи.
© Остренко В. С., Критська Т. В., 2013
При цьому значения струму, що споживае двигун при розгонi не повинно перевищувати максимального значения струму, на яке налаштована система захисту перетворювача частоти, тобто /1г < 1,5/1.
Для визначення типового значення напруги у блоко-ваному сташ модуля ЮБТ спочатку визначаеться необ-хвдне значення напруги ланки постшного струму за формулою [3]:
и dc =(2 -V! -и )/(m S),
(2)
де и - значення напруги живлення двигуна в номшаль-ному режимi роботи; т - коефiцiент модуляцп Ш1М.
Типове значення напруги у блокованому станi ЮБТ модуля визначаеться зпдно табл. 1 [4].
Значення номшального струму на виходi швертора / ои вибираеться з ряду номшальнпх значень струмiв:
Iout - II.
(3)
Номiнальне значення струму ЮБТ модуля бажано вибирати виходячи з умови:
Icnom - (2 - 2,5>/,
ои,
(4)
Втрати потужностi у ЮБТ складаються з двох складо-вих: втрати потужност1 при протiканнi струму у вщкрнтому станi - Р Т та втрати потужност1 при комутацп - Рsw .
Втрати потужносп в ЮБТ у ввдкрнтому станi при три-валому режимi роботи у складi дворiвневого iнвертора напруги з урахуванням синусощально! залежносп робо-чого циклу у чай в режимi Ш1М визначаються за формулою [5]:
P
condT
= 0,5 ■
и
СЕО
Т + ГСЕ Т 2
1 m т 4 1 m
+ m - cos ф'
и
СЕО
8
Т + ГСЕ Т 2
1 m т ~ 1 m
3-п
(5)
де исЕ0, гСЕ - порогова напруга та динамiчний опiр транзистора, вщповвдно, при максимально допустимш робо-
Таблиця 1. Рекомендоване значення напруги ЮБТ модуля у блокованому сташ в залежност вщ значення напруги ланки постшного струму
Номшальне значення напруги ланки постшного струму, В Рекомендоване значення напруги приладу Uces, В
620 1200
900 1700
1800 3300
2800 4500
3600 6000
4000 6500
чо1 TeMneparypi напiвпровiдниковiй CTpyKrypi Tj(op); cos ф - коефщент поryжносri навантаження iHBepropa (електродвигуна); I m - амплиудне значення струму на виходi iнвeprоpa розраховуеться за формулою:
Im = ^2- I
ои'
(6)
де /ои - д^юче значення струму навантаження iнвертора.
Втрати потужносп при комутацii ЮБТ визначаються за формулою [5]:
P = f
* sw J sw
-+2
b-Im c-I,
2 ^
4
и
dc
Un
(7)
де/ - частота комутацп, кГц; а, Ь, с - коефiцiенти пол-iному, який апроксимуе залежнiсть витрат енергп при комутацii' ЮБТ ввд значення струму колектора; и - зна-чення напруги, при якому визначаються параметри вми-кання та вимикання ЮБТ, В.
Слд зауважити, що необхвдно ретельно ввдноситися до вибору значення частоти комутацп. На основну гармошку струму статору двигуна накладаються значш ко-ливання з частотою комутацп силових клкшв, що при малому значенш частоти комутацп негативно впливае на iзоляцiю дропв обмоток статору двигуна. Окрiм цьо-го, можуть виникнути резонанснi явища в системi асин-хронний двигун - виконавчий мехашзм, як1 рекомен-дуеться усувати пiдвищенням частоти комутацп. Значне тдвищення частоти комутацп може привести до недопустимого тдвищення втрат потужностi при комутацп. Тому вибiр частоти комутацп пропонуеться робити у 2 етапи: спершу при частотi комутацп в межах 5-10 кГц та при вибраному тит модуля визначити тип охолоджу-вача i умови охолодження у тривалому режимi роботи, а попм за методикою, що наведена в робоп [6], визначити максимально допустиме значення частоти комутацп i зменшити його на 5-10 % на випадок короткочасного перевантаження. При цьому будуть найбiльш сприятливi умови для роботи електроприводу.
Загальт втрати потужностi у ЮБТ при тривалому ре-жимi роботи визначаються як сума цих двох складових;
Pt = P
cond T
+ Psw
(8)
Втрати потужносп у дiодi зворотного струму модуля ЮБТ визначаються аналопчним чином [5]:
P
condD
и
= 0,5-Im Im I-п 4
rF
-m- cos ф-
и
F0
-Im +
rF 3-п
-Im
(9)
де ир0, гр - порогова напруга та динамiчний отр дiоду зворотного струму, вiдповiдно, при максимально допустимому значенш робочо! температури нашвпровщни-ково! структури /](ор).
+
п
+
п
8
Втрати потужностi в дiодi при ввдновлент замикаю-40Ï спроможностi Pn визначаються за формулою, що аналопчна формулi (7):
(
Prr fsw
d e • I, — +
2 п
f • I
m + J Lm
2 ^
Ud
Un
(10)
де d, e, f - коефiцieнти полiному, який апроксимуе за-лежнiсть витрат енерги при вадновлент замикаючо1 спро-можностi дюду зворотного струму вiд значення струму колектора IGBT.
Заrальнi втрати потужносп в дiодi при тривалому ре-жимi роботи визначаються за формулою:
Pd = P
cond D + -rrr
+ Prr.
(11)
Визначення втрат потужностi при розгош двигуна у IGBT - pr та у дiодi - PDr необх1дно робити за формулами (5)—(11) при таких значеннях струму [2]:
Imr = 1m +(/' •ab • h)/(jst • tr).
(12)
ТЕПЛОВИИ РЕЖИМ РОБОТИ IGBT МОДУЛЯ
Вибiр типу IGBT модуля робиться на основi рашше визначених типових параметрiв в режимi тривалого на-вантаження за амплпудним значенням струму колектора Im зriдно формули (6), напруги у блокованому станi UCES зпдно табл. 1.
Окрiм цього, при виборi типу модуля IGBT бажано, щоб модуль мав у своему склащ якомога бiльше силових клктав для мiнiмiзацiï iцдуктивностi розсшвання конту^в комутацiï. Необх1дно також звернути увагу на специфiчнi особливостi технологи створення IGBT структур та кон -струкцп корпусу. Для циктчних режимiв роботи бажано вибирати модуль з притискними контактами (без пайки). Для iнверторiв напруги потужнiстю до 50 кВт бажано використовувати шести ключовi модуль
Щоб температура напiвпровiдникових структур тран-зисторiв та дiодiв не перевищувала максимально допустиме значення, модл завжди використовуються в комплект з охолоджувачами, як1 вiдводять тепло в охолоджу-юче середовище (повгтря, вода).
Попередне значення теплового опору охолоджувача визначаеться за формулою:
Rth(h-a
■ Tj(op)-Ta -PT • Rth(j-c)T -NSM •((T + PD)• Ahj-h/M (13)
' Nsm •(( + PD) '
де ) - тепловий отр охолоджувача; Р4Ь^-с)Т - тепло-
вий опiр транзистора структура - основа модуля; -кшьюсть силових ключiв в модулi; Я(к(с - тепловий опiр контакту основа модуля - охолоджувач.
Шсля визначення попереднього значення теплового опору охолоджувача з довщникових даних на охолоджу-вачi вибираеться його конкретний тип та режим охолод-ження (природна чи примусова конвекцiя повгтря, чи певний виток води).
Значення температури структури IGBT у тривалому режимi роботи визначаеться за формулою [7]:
TjT = pt • Rth(j-c/Т + NSM •(pT + PD^Rth(c-h/M + + NSM • (PT + PD)• Rth(h-a) + Ta . (14)
Аналоriчним чином, значення температури структури дюду зворотного струму у тривалому режимi роботи визначаеться за формулою:
TJD = PD • Rth(j-c)D + NSM • (PT + PD)• Rth(c-h)M +
+ NSM • (PT + PD > Rth(h-a) + Ta, (15)
де Rth^-c)D - тепловий отр структура дюду - основа модуля.
При цьому, температура контактно1 поверхш охолод-жувача визначаеться за формулою:
Ths = NSM •(pt + Pd )• Rthjh-a ) + Ta. (16)
Значення температури структури IGBT та дюду зворотного струму при розгош двигуна визначаеться ана-лопчно з урахуванням струму Imr за формулами:
TJTr (() = PTr • ^th((-c)T (t) + NSM • (pTr + PDr ^Rth(c-h)M +
+ Nsm •((Tr + PDr)• Zth(h-a)(()+ Ta{-=0
(17)
де 1((-с)Т (1) - перехвдний тепловий опiр ЮБТ структура -
основа модуля для моменту часу 11^(11-а)(() - перехвдний тепловий опiр охолоджувача для моменту часу /;
Т]Бг (()= РЪт • ((-с) (() + ^М -(Ргг + РЪт )-Р(Ь(с-Ь )М +
+ NSM • (pTr + PDr ) •Zth(h-a
)(( ) + Ta 1-7-70
(18)
де z th ((-c)d (t) - перехвдний тепловий отр структура дю-ду - основа модуля для моменту часу t.
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФЩ1€НТ1В ДО ФОРМУЛ ВТРАТ ЕНЕРГП I ПОТУЖНОСТ1 ПРИ КОМУТАЦП IGBT ТА Д1ОДУ ЗВОРТНОГО СТРУМУ
Виконання розрахуншв для визначення коефщенпв до формул втрат енерги при комутаци IGBT та при вщнов-леннi замикаючо! властивосп дiоду зворотного струму
4
виконуеться з використанням дiаграм залежност Esw = (Eon + Eoff) = f (Iс) та Err = f (Iс) при максимально допустимому значенш робочо! температурi на-швпровщниково! структури T. op , що наведенi у доввдни-кових даних на IGBT модуль, наприклад рис. 1.
Аналггичт вирази кривих, що наведенi на рис. 1, мож-на представити у вигляд таких формул:
(а
Esw = Eon + Eoff = \а + b-Ir + c-I,
Err =(d + e-I с + f-I C \
(19)
(20)
Значення коефiцiеитiв а, Ь, с та ё, в,/можна визначи-ти за наступним алгоритмом:
1) На осi абсцис (рис. 1) вибираються два значення струму, що вщповщають початку (Х1) та шнию дiаграм (Х3), значення струму (Х2) вибираеться бiльшим шж
номiнальне значення струму модуля ЮБТ - / спот та, що ствпадае з найближчим значенням координатно! сiтки (рис. 1 i 2). Причому, значення струму - , для якого в таблицi довщникових даних наведено значення втрат енергл, брати не бажано. Його треба залишити для контролю правильности визначення коефiцiеитiв.
2) Для вибраних значень струму по дiаграмам , (рис. 1) визначаемо ввдповвдт значення втрат енерги - У1, У2, У3. Значення втрат при комутацп ЮБТ визначаеться як сума ввдповвдних значень i .
3) В зв'язку з тим, що уй значення втрат енерги , яш визначенi у пуиктi 2) належать одше! кривiй, то рiвняння (19) можна записати для кожного значення енергл:
Y1sw = а + b-X1 + c -(Xl)2; Y2sw = а + b -X2 + c-(X2)2; Y3sw = а + b-X3 + c-(X3)2;
(21)
Виршуючи сумiсно цi три рiвняння, отримуемо фор-мули для визначення допомiжних коефiцiентiв А та В:
A = ((Х3)2 - (Х1)2) - (Х2 + Х1) - (Х3 - Х1); (22)
B = (Y3sw - Y1sw) - (Y2sw - Y1sw) • (X3 - X1)/(X2 - X1). (23)
80
7Q
60
50 H
140
3>
s 30
120 x,
10
0
Tj = 1S0°C Ucc = 600 UGE = ±13 ь
□11
Б
: iff
P ——
Err [ —г-1
0
50
250
300
100 150 200 Струм килектора, A Рис. 1. Залежнють втрат енерги при комутаци модуля SKiiP 39AC12T4V1 [9]
Основт коефщенти визначаються за такими формулами:
c = В/ A;
(24)
, Y2sw - Y1sw „ч b =--c-(X2 + X1); (25)
X2 - X1 ! = Y1sw - b-X1 - c-(X1)2.
(26)
4) Аналогiчним чином визначаються значення ко-ефiцiентiв для дюду зворотного струму:
Br = (Y3r - Y1r) - (Y2r - Y1r)-(X3—X1); (27)
(X2 - X1)
f = Br/A;
e = -
(Y2r - Y1r) (X2 - X1)
- f -(X2 + X1);
(28)
(29)
(30)
d = Y1r - e-X1 - f -(X1)2.
5) Пepeвipкy пpaвильносri визначення коефщенпв треба виконати пiдсraвивши !х у формули (19), (20) при значенш струму I nom, для якого втрати енерги наведено в довщникових даних на прилад. Значення втрат потуж-носri визначаеться множенням частоти комутаци на втрати енерги в приладь
Треба в^значити, що, якщо кpивi
Esw = (Eon + Eoff) = f(IC), Err = f(Ic) визначають втрати енерги у мДж (значення Y1, Y2, Y3 у мДж), то i в результат piшeння за формулами (19), (20) теж буде у мДж. Виконання розрахунк1в за вищенаведеними формулами значно спрощуеться за допомогою електронно! тaблицi Excel, рис. 2.
ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ РЕЖИМУ РОБОТИ IGBT МОДУЛЯ
За вищенаведеним алгоритмом було виконано ряд розрахунюв при таких початкових даних: статичний обер-товий момент навантаження M st = 180 H - м; частота обертання магттного поля двигуна и0=1500 об/хв.; момент шерцп виконуючого мeхaнiзмy JwM = 3 кг-м2; напруга живлення двигуна U1 = 380 В; розпн двигуна ввдбуваеться при кальках значеннях часу tr в iнтepвaлi 1-6 с; температура охолоджуючого середовища (повiтpя) Ta=45 °С.
В пpоцeсi виконання розрахунк1в було вибрано тип двигуна - АМХ180М4 потyжнiстю 30 кВт, П =0,915, cosф = 0,87, момент шерци ротора - 0,20 кг-м2 [8]; тип IGBT модуля - SKiiP 39AC12T4V1, фipми SEMIKRON, який мае так параметри [9]: NSM = 6; UCES=1200 В; ICnom=150 А; T. =175°С; Т.. . =150°С; UCE0=0,7 В; rCE=
' jmax ' j(op) ' CE0 ' ' CE
=0,01 Ом; Eon=22,5 мДж; Eoff=14 мДж (згiдно pозpaхyнкiв, алгоритм яких наведено вище, a=9,2; b=0,05333; c=0,00085);
Тип модуля: SKiiP 3 9AC12T4VI
Транзистор
Позначення XI Х2 ХЗ le nom
Значення струму 75 200 300 150
Позначення Y1 Y2 Y3 E nom
Еоп, мДж 10 36 77 22,5
Eoff, мДж 8 18 25 14
Esw, мДж 18 54 102 36,5
А В а b с
22500 19,2 9,2 0,05333 0.00085
Esw с ont". мДж 36,40
Похибка, % -0,27
Дшд зворотного струму
Позначення YLr Y2r Y3r Егг nom
Значення Егг, мДж 7,5 13 13,8 11,4
А Вг d e f
22500 -3,6 1.8 0,088 -0,0002
Егг contr, мДж 11,4
Похибка, % 0,00
Рис. 2. Результати визначення значень коефщенив полшо]шв
=0,33 K/Вт; U =0,9 В, г =0,0078 Ом; E =11,4 мДж
th(]-s)T ' ' F0 ' ' F ' ' rr '
(зпдно розрахунюв, алгоритм яких наведено вище, d=1,8; e=0,088; f=-0,0002); , =0,52 K/Вт; U =600 В; тип охо-
^ 7 ^ th(j-s)D ^ 7 nom 7
лоджувача - P 16/200F [10], який при робот в комплект з вентилятором типу SKF 16B-230-01 мае таю теплов1 пара-метри: тепловий отр Rth (h-a ) =0,039 К/Вт, перехвдний теп-ловий отр охолоджувача Z th (h-a )(t ) визначаеться за параметрами експонент [1], що наведет в табл. 2.
На рис. 3 представлено д1аграми струму навантажен-ня та температури нашвпровщникових структур транзи-стор1в i дюд1в в залежносп в1д часу розгону двигуна, де Tj tr та Tj D - позначае температуру структури транзистора та дюду, в1дпов1дно; 11 - струм навантаження; Im -амплпуда струму навантаження; Т - означае тривалий режим навантаження.
Анал1з отриманих результапв розрахунк1в, як1 наведет на рис. 3, сввдчить: режим пуску двигуна з часом розгону 1 с е недопустимий в зв'язку з надм1рним на-гр1вом структури IGBT. При збшьшеш часу розгону до 1,5 с структура IGBT при пуску двигуна нагр1ваеться до максимально допустимого значения температури; крив1 зменшення температури структури IGBT i зменшення струму навантаження з1 збшьшенням тривалосп розгону двигуна дуже под1бш, в той час як крива спаду температури структури дюду зворотного струму значно по-вшьшша, це обумовлено тим, що активна складова струму навантаження при розгош двигуна значно бшьша тж реактивна складова.
Як видно з формули (1) значення струму, що спожи-вае двигун пiдчас пуску, залежить не пльки вiд часу розгону, а i вiд значення моменту шерцп. На рис.4 показана залежнiсть температури структури ЮВТ та амплiтуди струму споживання вiд моменту шерцп системи асинх-ронний двигун - виконавчий мехашзм при тривалостi розгону 2 с.
Рис. 4 сввдчить про значну кореляцiю температури нашвпровщниково! структури ЮВТ та струму навантаження, тобто на^в структури ЮВТ при великому значен моменту шерцп виконавчого мехашзму можна об-межити шляхом обмеження пускового струму.
Розроблена методика визначення теплового режиму ЮВТ модуля в складi перетворювача частоти при пуску асинхронного двигуна, яка ураховуе параметри модуля, частоту комутаци, режим охолодження модуля, тривалiсть пуску асинхронного двигуна, значення обертового моменту та момент шерцп системи двигун - виконавчий мехашзм. Така методика розрахунку теплового режиму ЮВТ модуля, що враховуе, практично, уа параметри, ввд яких залежить температура натавпровщииково! струк-
Таблиця 2. Параметри експонент охолоджувача Р 16/200Б
i 1 2 3 4
R, К/Вт 0,0284 0,0076 0,0025 0,0005
Ti, c 101,95 48 11,87 0,3796
О
а S
с.
и
-Tj tr
-Tj D - я -11 - К- Jm
250 200 150 100 50 0
X v
s A
% *
* ■g
■
74
<
300 | 250 | 200 |
150 £
аз
100 ; 50 £
M
о ô
1 1:5 2 3 А 5 6 Г Тривгшсть розгону. с
Рис. 3. Результати розрахунюв
Момент шерцц,
Рис. 4. Залежнiсть температури структури транзистора i амплiтуди струму навантаження вщ моменту шерци при тривалост розгону 2 с
тури IGBT, розроблена вперше. Використання розроб-лено1 методики розрахунку фiзично обгрунтовуе максимально допустиме значення струму перетворювача частоти.
ВИСНОВКИ
1. Розроблена методика виконання розрахуншв для визначення температури IGBT модуля при пуску асинхронного двигуна в склада електроприводу змшного струму в залежносп вщ статичного моменту навантаження, моменту iнерцiï виконавчого мехашзму та часу розгону двигуна.
2. Занадто короткий час розгону двигуна, який задаеть-ся темпом зростання частоти напруги живлення двигуна (вщ мiнiмального до номiнального значення), може привести до надашрного пiдвищення температури на-mвпровiдниковоï структури IGBT та до ïï пошкодженню.
3. 3i збiльшенням моменту шерцд виконавчого мехашзму збшьшуеться амплiтуда струму навантаження швертора при розгонi двигуна, а також i температура нагрiву напiвпровiдниковоï структури IGBT, причому е добра корелящя мiж цими залежностями. Тому обме-ження амплiтуди струму, що споживае двигун тдчас пуску, також обмежуе температуру напiвпровiдникових структур IGBT швертора.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Thermal Design and Temperature Ratings of IGBT Modules [Електронний ресурс] = Теплове проекту-вання та максимальш допустимi значення температури моддав IGBT. / Application Note I Thermal Design Doc. No. 5SYA 2093-00 Sept. 2011./ Режим доступу: http : //www0 5. abb. com/global/scot/scot2 56.nsf/ veritydisplay/754216faaa21d0e6c125791f0046de68/ $file/5SYA%202093 00_thermal %20design%20of% 20IGBT%20Modules.pdf (вшьний). - Загол. з екрану.
2. Москаленко В. В. Электрический привод / В. В. Москаленко. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. -368 с.
3. PWM invertors [Електронний ресурс] = Ш1М швер-тори /Adel Gastli/Глава 6 тдручника: Удосконален -ня знань з силовоï електротки (Advanced Power Electronics). - Електронн даннi (1 файл, 995,86 КБ). [2006] - Режим доступу: http://ape.gastli.net/ Chapter4/APE_CH4.pdf (вшьний). - Загол. з екрану.
4. Voltage ratings of high power semiconductors. [Елект-
ронний ресурс] = Номшальне значення напруги си-лових натвпровщникових приладав / Bjurn Backlund, Eric Carroll / ABB Semiconductors - Електронт дант (1 файл). - Switzerland [ 2006] - Режим доступу: http:/ /www0 5. abb. com/ global/scot/scot2 56. nsf/ veritydisplay/1c4234b4fa1cb5f4c12571e7004bed25/ $file/5 SYA%202051-00%20 August%2006 %20Voltage %20ratings%20of%20high%20power%20 semiconductors.pdf , (втний). - Загол. з екрану.
5. Applying IGBT [Електронний ресурс] = Застосуван-ня IGBT / Bjorn Backlund, Raffael Schnell, Ulrich Schlapbach, Roland Fischer, Evgeny Tsyplakov / ABB Semiconductors - Електронш данш (1 файл). -Switzerland [ 2012] - Режим доступу: http:// www05. abb.com/global/scot/scot256.nsf/ veritydisplay/f63a04e9734e7f0cc1257a590042f31c/$file/ 5SYA2053-04%20Applying%20IGBTs.pdf (вiльний). -Загол. з екрану.
6. Остренко В. С. Определение максимально допустимого значения частоты коммутации модуля IGBT / В. С. Остренко // Електротехтка та електроенергетика. - 2012. - № 2. - С. 28-33.
7. Application Manual Power Semiconductors [Електронний ресурс] = Шдручник до застосування силових натвпровщникових приладав / Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann/SEMIKRON International GmbH [2011] - Режим доступу: http:// www.semikron.com/skcompub/ko/ sectio^1_Powsr_Semiconductors_Basic_Operating_Principles_s ection2_Basics.pdf (втний).- Загол. з екрану.
8. ВЭМЗ Технический каталог [Електронний ресурс] = Каталог асинхронных двигателей/ВЭМЗ - Электронные данные(1 файл, 3,3 МБ). - [2010] - Режим доступу: http://sp-electro.ru/downloads/vemp.pdf (втний). - Загл. с экрана.
9. SKiiP 39AC12T4V1 [Електронний ресурс] = Модуль IGBT/SEMIKRON - Електронт дант (1 файл, 371,75 кБ). [2011] - Режим доступу: http://www.semikron.com/ products/data/cur/assets/ SKiiP_39AC12T4V1_25231450.pdf (вшьний). - Загол. з екрану.
10. P 16 Heat sink [Електронний ресурс] = Охолоджувач Р16 / SEMIKRON - Електронт дант (1 файл). [2005] -Режим доступу: http://www.semikron.com/products/ data/cur/assets/ Heatsink_KL_280_P 16_200_mm_ sawed_brushed_washed_41123790.pdf (втний). - За-гол. з екрану.
Стаття надiйшла до редакцИ' 20.05.2013.
Пiсля доробки 22.10.2013.
Остренко В. С.1, Критская Т. В.2
1Канд. техн. наук, доцент, Запорожская государственная инженерная академия, Украина 2Д-р техн. наук, профессор, Запорожская государственная инженерная академия, Украина ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ IGBT МОДУЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ПРИ ПУСКЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Предложена методика выполнения расчетов для определения типа IGBT модуля, значений температуры структур транзисторов и диодов обратного тока в преобразователе частоты электропривода переменного
тока при пуске двигателя в зависимости от статического момента и момента инерции исполнительного механизма. Приведены диаграммы зависимости температуры структур транзисторов и диодов обратного тока от значений продолжительности разгона и момента инерции системы асинхронный двигатель — исполнительный механизм.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, IGBT модуль, температура структуры, момент инерции.
Ostrenko V. S.1, Kritska T. V.2
1Candidate of Technical Sciences, associate professor, Zaporizhzhia State Engineering Academy, Ukraine
2Dr. of Technical Sciences, Professor, Zaporizhzhia State Engineering Academy, Ukraine
TEMPERATURE CALCULATION OF IGBT MODULE FREQUENCY CONVERTOR AT START OF INDUCTION MOTOR
The most effective and economical way to a smooth start and control the rotor speed of the induction motor is to change the frequency of the voltage supply. During acceleration of the motor it is necessary to ensure not only the actuator static torque, and the dynamic inertia overcoming. Thus, the value of the dynamic moment of inertia depends on the time of increasing the motor rotational speed. To overcome this dynamic torque on the engine during acceleration, stator windings create additional magnetic field due to increase current consumption. Typically, it is desirable that the duration of the engine acceleration was minimal, i.e. , the acceleration is maximized. This may cause excessive increase in the output current of the frequency converter and damage of bipolar transistors with insulated gate (IGBT), which power switches are used.
To ensure reliable operation of AC Drivers the method to perform calculations to determine the type of IGBT module, temperatures structures of transistor and inverse diode of the inverter, when starting the engine, depending on the load torque and the moment of inertia of the actuator is proposed.
Methodfor determination of the values of the polynomials coefficients that approximate energy IGBT switching losses and reverse diode recovery losses depending on the value of the collector current IGBT is proposed.
A method for determination of the required values of heat sink thermal resistance, which cool IGBT module is proposed.
Charts of the transistor temperature dependence and inverse diode values of the acceleration duration and of induction motor inertia — the actuator are shown.
Keywords: induction motor, IGBT module, power losses, junction temperature, inertia moment.
REFERENCES
1. Thermal Design and Temperature Ratings of IGBT Modules [Electronic resource] / Application Note I Thermal Design Doc. No. 5SYA 2093-00 Sept. 2011./ access mode: http://www05.abb.com/global/scot/ scot256.nsf/veritydisplay/ 754216faaa21d0e6c125791f0046de68/$file/ 5 S Y A % 2 0 2 0 9 3 - 00_thermal %20design%20of%20IGBT%20Modules.pdf (free). -Title Screen.
2. Moskalenko V. V. El ektricheskiy privod. Moscow, Izdatelskiy Tsentr «Akademiya», 2007, 368 p.
3. PWM invertors [Electronic resource] /Adel Gastli/ Chapter 6 Advanced Power Electronics. - Electronic data (1 file, 995,86 KB). [2006] - access mode: http:// ape.gastli.net/Chapter4/APE_CH4.pdf (free). - Title Screen.
4. Voltage ratings of high power semiconductors. [Electronic resource] = / Bjurn Backlund, Eric Carroll / ABB Semiconductors - Electronic data (1 file). -Switzerland [ 2006] - access mode: http:// www05. abb.com/global/scot/scot256.nsf/ veritydisplay/1c4234b4fa1cb5f4c12571e7004bed25/ $file/5 SYA%20 205 1-00%20August% 2006%20Voltage%20ratings%20of%20high%20power %20semiconductors.pdf , (free). - Title Screen.
5. Applying IGBT [Electronic resource] / Bjorn Backlund, Rafael Schnell, Ulrich Schlapbach, Roland Fischer,
Evgeny Tsyplakov / ABB Semiconductors - Electronic data (1 file). - Switzerland [ 2012] - access mode: http:/ /www05.abb.com/global/scot/scot256.nsf/ veritydisplay/f63a04e9734e7f0cc1257a590042f31c/$fle/ 5SYA2053-04%20Applying%20IGBTs.pdf (free). - Title Screen.
6. Ostrenko V. S. Opredelenie maksimalno dopustimogo znacheniya chastoty kommutatsii modulia IGBT,
Elektrotekhnika ta elektroenergetika, 2012, No. 2, pp. 28-33.
7. Application Manual Power Semiconductors [Electronic resource] / Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann/SEMIKRON International GmbH [2011] - access mode: http://www.semikron.com/ skcompub/ko/section1_Power_Semiconductors_ Basic_Operating_Principles_section2_ Basics.pdf (free).- Title Screen.
8. VEMZ Tekhnicheskiy katalog [Electronic resource] = Katalog asinkhronnykh dvigateley/ VEMZ - Electronic data (1 file, 3,3 MB). - [2010] - access mode: http://sp-electro.ru/downloads/vemp.pdf (free). - Title Screen.
9. SKiiP 39AC12T4V1 [Electronic resource] /SEMIKRON -Electronic data (1 file, 371,75 KB). [2011] - access mode: http://www.semikron.com/products/data/cur/assets/ SKiiP_39AC12T4V1_25231450.pdf (fee). - Title Screen.
10. P 16 Heat sink [Electronic resource] / SEMIKRON -Electronic data (1 file). [2005] - access mode: http:// www. semikron. com/products/data/cur/assets/Heat-sink_KL_280_P16_200_mm_sawed_bnch3d_waih3d_41123790.pdf (free). - Title Screen.
