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變頻器設計中,剎車電阻如何選?Chopper結(jié)溫如何評估?

賽米控電力電子 ? 來源:賽米控電力電子 ? 作者:俞修平 ? 2022-06-07 10:56 ? 次閱讀

變頻器設計,剎車電阻如何選?Chopper結(jié)溫如何評估?

前言

通用變頻器應用在大慣量負載時,短時間內(nèi)的減速會使母線電壓升高,由于成本原因通用變頻器沒有主動前端無法將能量回饋電網(wǎng),理論上如果電容容量夠大,可以先存儲能量將來釋放出來驅(qū)動電機,避免能量浪費,但是電容的容量有限,而電容的耐壓也是有限的,當母線電容的電壓高到一定程度,就可能會損壞電容了,有些還可能損壞IGBT,所以需要及時通過制動電阻來釋放能量,維持母線電壓不超過最大允許值。

具體到制動電阻的選型,它既關(guān)系到電阻本身的阻值和功率,又關(guān)系到Brake IGBT的結(jié)溫等性能的計算,下面就為大家做詳細解釋。

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模塊介紹

拿一款MiniSKiiP系列的 35NAB12T4V1的CIB模塊來舉例。模塊內(nèi)部包含了三相不可控整流橋,制動單元和兩電平三相逆變橋,每個IGBT包括Brake IGBT電壓是1200V,電流是50A,最高結(jié)溫175°C,運行結(jié)溫150°C。

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變頻驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

制動電阻選型是一套驅(qū)動系統(tǒng)的一部分,所以它和配套的電機、變頻器本身的硬件和軟件都會有關(guān),所以在確定制動電阻前,需要先假設一些條件如下:

目前380V電壓等級的變頻器11/15kW的輸出電流介于25~33A左右,模塊

MiniSKiiP35NAB12T4V1的50A額定電流,可以匹配15kW/380V變頻器;

380V變頻器母線電容往往是多組400V電解電容串并聯(lián),理論母線電壓可以最高達到800VDC,假定制動IGBT開通的母線閾值為Vbr=785V(DC),制動時滯回區(qū)間為760~785VDC;

變頻器額定工作時,假定散熱片的溫度Ts≤85°C

假定母線電容為830uF/400V,采用每組2個串聯(lián),共4組,等效容值1660uF;

假定電機效率為?1=85%,逆變器效率為?2=98%;

假定制動時刻的制動能力是1.3倍的制動轉(zhuǎn)矩;

確定制動電阻Max/Min value

制動電阻阻值Rmin:

由于暫時不確定Brake IGBT開通的脈沖是否小于1ms,所以Ic取額定Ic=50A,那么IGBT開通時的電流不應該大于此值,可得到最小Rmin;Rmin=Vbr/Ic=785/50=15.7ohm;

制動電阻阻值Rmax:

由于制動時刻的最大扭矩為額定1.3倍,電阻上消耗的能量來自直流回路,它應該不小于最大制動扭矩時的再生發(fā)電能量,即IGBT開通時需要將母線這部分能量消耗掉,才能保證母線電壓不繼續(xù)升高Rmax=Vbr^2/(1.3*P)=785*785/15000/1.3=31.6ohm

制動電阻阻值范圍

R=15.7ohm~31.6ohm,之后的計算中我們假設選定制動電阻R=16ohm;

確認制動電阻的功率

一般變頻器廠商在定義制動電阻時,是針對確定的制動循環(huán)進行設計。根據(jù)負載不同的慣量和制動循環(huán),可以分為一般慣量輕度循環(huán)(比如風機水泵),大慣量中度循環(huán)(比如一般機械設備),高慣量重度循環(huán)(比如起重機)。下面按一般慣量輕度循環(huán)舉例:

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在t2的起始點,制動電阻峰值功率:

Pmax= 1.3*P*?1*?2=16.24kW;

在整個T的時間段,制動電阻的平均功率:

Pn= Pmax * t2/T=162400*4/40=16240*0.1=1624W;

綜上變頻器在1.3倍制動轉(zhuǎn)矩且10%占空比的輕度循環(huán)下,制動電阻的參數(shù)是16ohm/1624W,10%的占空比且最大開通時間是4秒,用戶可以根據(jù)制動電阻供應商的產(chǎn)品清單選型,并保證所選電阻的功率至少是理論計算值的2~3倍。

確定制動時brake IGBT的開關(guān)頻率和占空比

由于Brake IGBT在消耗電機反饋的能量時需要不停地開通關(guān)斷,所以必須計算開關(guān)頻率和占空比確保制動電阻能夠消耗電機反饋的能量,從而保證母線不再上升。由于制動時母線在滯回區(qū)間760~785VDC變動,母線變化會導致制動電流Ibr和回饋充電電流Icharge有小幅變化,但為了方便計算我們就假定這兩個值基本維持不變,可得如下:

16ohm制動電阻在制動時的IGBT電流Ibr

Ibr=Vbr/R=785/16=49.1A

電機能量反饋時的電容充電電流Icharge=1.3*P*?1*?2/Vbr=1.3*15000*0.85*0.98/785=20.69A

Brake IGBT開關(guān)頻率

有了Ibr和Icharge,就可以得到IGBT關(guān)斷時Δt時間內(nèi)母線電壓上升值ΔU↑和IGBT開通時Δt時間內(nèi)母線電壓下降值ΔU↓:

ΔU↑=Icharge*Δt/C=20.69*Δt/(1660uF*0.000001)=12460*Δt (V)

ΔU↓= (Ibr - Icharge)*Δt/C=(785/16-20.69)*Δt/(1660*0.000001)=17090*Δt (V)

制動策略是母線受到電機再生電能影響,電壓值達到制動閾值785VDC時開通IGBT,母線電壓開始下降達到滯回區(qū)間下限760VDC才會關(guān)斷IGBT,然后母線再次受到電機再生電能的回饋電壓再次上升,達到785VDC后再開通IGBT,周而復始,所以Ton/Toff時間如下:

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IGBT Ton的Vbus下降階段,ΔU↓=785-760即Δt1=25/17090=1.46ms;

IGBT Toff的Vbus上升階段,ΔU↑=785-760即Δt2=25/12460=2ms;

T=Ton+Toff=Δt1+Δt2=1.46+2=3.46ms

Fsw=1/(Ton+Toff)=1/3.46=289Hz

確定Brake IGBT PWM占空比Duty-cycle=Ton/T=1.46/(1.46+2)=42.2%

SemiSel仿真配置

確定開關(guān)頻率、電阻阻值、占空比、開關(guān)頻率后,就可以用賽米控專用的仿真軟件SemiSel進行計算,下面詳細介紹如何使用SemiSel進行仿真

選擇DC/DC中Brake Chopper

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選擇extended overload configuration,并且參數(shù)配置如下:

i) t:0~35.999s,Vdc=785VDC,R=16ohm,fsw=289Hz,占空比0;

ii) t:36~40s,Vdc=785VDC,R=16ohm,fsw=289Hz,占空比0.422;

iii) t:40.001s,Vdc=785VDC,R=16ohm,fsw=289Hz,占空比0;

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模塊選擇MiniSKiiP35NAB12T4V1

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之前假定了散熱器在額定工況下最高為85°C,此處就選擇Fixed heastsink temperature頁面,并配置溫度為85°C;

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IGBT損耗結(jié)果和Tj溫度波動

點擊calcuate按鍵后,就會出現(xiàn)最后的損耗和結(jié)溫的結(jié)果。選取overload頁面。

IGBT損耗和曲線

從下圖可以得到IGBT的損耗產(chǎn)生在t=36~40s時間段;隨著結(jié)溫上升損耗也會同步微幅增加,在t=40s時的損耗會達到最高45W,其中導通損耗43.42W,關(guān)斷損耗1.58W。

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IGBT結(jié)溫和曲線

從下圖可以得到IGBT結(jié)溫在36s~40s開始上升,t=40s結(jié)溫最高可以達到115°C至119°C,遠遠小于運行結(jié)溫150°C,同時我們可以用光標移動到各個時間點就可以得到對應溫度。

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總結(jié)

最后再總結(jié)一下,制動電阻的計算主要分為兩部分:首先是根據(jù)廠家定義的制動扭矩和制動循環(huán)來確定電阻本身的阻值和功率;再根據(jù)選定的阻值使用SemiSel確定IGBT的損耗并確認結(jié)溫是否在IGBT允許工作的范圍內(nèi)。用戶可以根據(jù)自身變頻器定義的制動工況來選擇相對應的參數(shù)來進行計算和驗證。

審核編輯 :李倩

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原文標題:變頻器設計中,剎車電阻如何選?Chopper結(jié)溫如何評估?

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