Инверторная платформа SEMIKUBE

В 2004 году компания SEMIKRON, известная своими уникальными разработками в области преобразовательной техники, объединила девять научных центров, расположенных в Южной Корее, Австралии, Южной Африке, США, Франции, Англии, Бразилии, Индии и Словении, в глобальную международную дизайнерскую сеть (Solution Centers Network). Первым проектом, выполненным в рамках глобальной сети, стала платформа конфигурации B6U + B6CI (трехфазный выпрямитель + инвертор), предназначенная для построения приводов мощностью 75...1000 кВт. Новый конструктив, получивший название SEMIKUBE, представляет собой компактный, стандартизированный универсальный модуль, предназначенный для решения широкого круга приводных задач (рис. 1).

Концепция SEMIKUBE заключается в возможности обеспечения широкого диапазона мощности за счет небольшого набора стандартных базовых блоков или «кубиков», отсюда и его название. Кроме того, единичный модуль изделия действительно представляет собой куб с гранью около 40 см. Блок состоит из силового каскада со звеном постоянного тока, платы драйвера, осуществляющего функции управления, защиты и мониторинга, а также набора датчиков, формирующих основные аналоговые сигналы, необходимые для выработки импульсов управления. Как правило, SEMIKUBE применяется в приводах асинхронных двигателей и системах выработки и преобразования энергии. Использование модулей SEMIKUBE не рекомендуется в условиях высоких механических нагрузок и большого количества термоциклов, что характерно для транспортного привода. В производственной программе SEMIKRON для подобных режимов эксплуатации предназначены модули прижимного типа SKiiP и сборки на их основе.

На рис. 2 представлены основные варианты исполнения модулей SEMIKUBE и их мощностные характеристики с учетом 10 и 50% перегрузки при следующих условиях эксплуатации:

• Напряжение питания V_AC= 400В, 50 Гц или 460В, 60Гц;
• Частота ШИМ fsw = 3кГц;
• Температура окружающей среды Ta = 40°C;
• cosj = 0,85.

Одним из наиболее ответственных узлов инвертора, во многом определяющим его надежность, является звено постоянного тока. В SEMIKUBE использован режим принудительного воздушного охлаждения конденсаторов DC-шины, что исключает возникновение локальных перегревов в любой точке конструкции. Расчетный срок службы банка конденсаторов составляет 60000 часов при предельных электрических нагрузках и температуре окружающей среды 45°C. Важная особенность модульной конструкции SEMIKUBE - это ее масштабируемость, возможность наращивания мощности путем соединения базовых блоков.

Все варианты SEMIKUBE могут содержать выпрямители и инверторы в различных конфигурациях, возможные варианты схем и их обозначения показаны на рис. 3.

Выбор класса напряжения IGBT зависит от типа питающей сети: для сетей стандарта 380 В предназначены модули с рабочим напряжением 1200 В, модули 17-го класса устанавливаются в блоки, рассчитанные на напряжение питания до 690 В. Наращивание тока в блоках SEMIKUBE производится с помощью параллельного соединения двух, четырех или восьми модулей IGBT. В пределах одного токового диапазона адаптация к конкретному применению выполняется за счет соответствующего выбора типа силового ключа. Максимальная частота коммутации IGBT в первую очередь ограничена мощностью выходного каскада драйвера, а уменьшение выходного тока инвертора с увеличением частоты коммутации fsw связано с ростом потерь IGBT-модулей. Зависимость выходного тока Irms трехфазной инверторной схемы от величины fsw для различных исполнений и различных вариантов комплектации SEMIKUBE показана на рис. 4. Для каждого типоразмера «куба» используются стандартные выпрямительные модули.

В таблице 1 приведены данные о допустимой токовой нагрузке для каждого из них. При выборе типа выпрямителя необходимо учитывать колебания сетевого напряжения, поскольку его снижение при заданной мощности эквивалентно увеличению тока в DC-шине. В зависимости от класса напряжения звено постоянного тока SEMIKUBE может быть построено на электролитических или полипропиленовых конденсаторах.

В стандартных версиях SEMIKUBE используются электролитические конденсаторы 4700 мкФ с рабочим напряжением 400 В. Максимальное значение эквивалентной емкости на единичный блок составляет 7,05 мФ/800 В для модуля SEMIKUBE1/2 и 14,1 мФ/800 В для типоразмеров 1, 2 и 3. Такое решение обеспечивает наилучшее соотношение энергии на единицу объема при напряжении DC-шины V_DCmax < 750 В. Для сетей стандарта 690 VАС применяются полипропиленовые конденсаторы номиналом 420 мкФ/1100 В. Эквивалентная емкость в этом случае составляет 2,5 мФ/1100 В для версии SEMIKUBE 1/2 и 3,8 мФ/110 В для типоразмеров 1, 2 и 3. Выбор типа конденсаторов для модулей различного типа отображен в таблице 4. Графики удельной емкости в мФ/кВт для различных мощностей и исполнений SEMIKUBE показаны на рис. 5.

Основной критерий при выборе элементов DC-шины - это срок службы, являющийся функцией температуры конденсатора Ths в наиболее нагретой его точке (HS - Hot Spot).Допустимое значение минимальной емкости DC-шины выбирается из следующих соображений:

• Пульсации напряжения питания инвертора (Umax/Umin) не должны влиять на управляемость системы и качество регулирования выходного сигнала;
• Минимальная величина Umin при пропадании напряжения питания на заданное время (как правило, половина периода или период сетевой частоты) не должна быть ниже уровня U_UV-defect.

Соответствующий номинал емкости, удовлетворяющий обоим требованиям, может быть найден с помощью следующего выражения:

Первым шагом при выборе должен быть анализ электрических режимов работы звена постоянного тока при стандартном значении емкости DC-шины SEMIKUBE. Суммарная среднеквадратичная величина тока конденсаторов с учетом гармонических составляющих на частоте 100 Гц (I_100Hz) рассчитывается по нижеприведенной формуле, причем значения корректирующего коэффициента fact_f даны на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость относительной величины тока от частоты и температуры окружающей среды для различного значения LTE

При расчетах необходимо принимать во внимание факторы, влияющие на амплитуду тока и его спектральный состав:

• Частота и величина питающего напряжения (с учетом допусков);
• Наличие входного фильтра или индуктивности в DC-шине;
• Схема выпрямителя (диодный, тиристорный, смешанный, активный);
• cosj нагрузки, диапазон изменения основной частоты;
• Выходная мощность, диапазон ее изменения.

Номинальные значения I_100Hz для различных модификаций SEMIKUBE приведены в таблице 2.

На рис. 6 показано, как изменяется относительная величина тока If/I_100Hz конденсаторов DC-шины в зависимости от частоты пульсаций и температуры окружающей среды при заданном значении ожидаемого срока службы (LTE - Lifetime Expectancy). С помощью этих графиков можно определить ресурс банка конденсаторов или выбрать режим его работы при определенной величине LTE. Основным фактором, ограничивающим ресурс полипропиленовых конденсаторов, является максимальное значение тока DC через соединители. Существующие методики расчета срока службы для компонентов данного типа практически всегда дают результат, превышающий 100000 часов. Даже при токе 40 А (на один конденсатор) перегрев составляет dT = 15°С. Таким образом, при температуре окружающего воздуха Ta = 70°С значение Ths достигает 85°С, что соответствует LTE > 100000 часов при напряжении шины V_DC = 900 В.

Ограничения по уровню постоянного тока I_DC, протекающего через выводы конденсатора, более строгие. В таблице 3 даны значения I_DC для модулей различного типа, рассчитанные с учетом данного фактора.

Существует рекомендация, соблюдение которой позволяет существенно продлить срок службы электролитических конденсаторов. Общеизвестно, что заряд емкости звена постоянного тока должен производиться ограниченным током: подача полного напряжения может привести к выходу конденсаторов из строя. Кроме того, если срок их хранения (или перерыв в эксплуатации) превышает один год, необходимо проводить так называемый реформинг.

Процедура реформинга, состоящая в заряде емкости плавно нарастающим напряжением, позволяет восстановить электрическую прочность диэлектрика. Напряжение на конденсаторы подается постепенно, после каждой «ступеньки» происходит нормализация тока утечки до номинального значения. Напряжение изменяется от 100 В до номинального для данного конденсатора значения Vr с шагом 50 В, период изменения шага - 5 мин. Заряд должен производиться ограниченным током, ограничение может обеспечиваться источником питания или резистором, установленным в цепи заряда.

Для стандартного банка конденсаторов SEMIKUBE, состоящего из последовательного соединения емкостей 4700 мкФ/400 В, величина Vr равна 800 В. В процессе реформинга напряжение поднимается до номинального в течение 300 мин, ток заряда ограничивается на уровне 30 мА (на один «куб»). Необходимо отметить, что данная рекомендация не является прихотью разработчиков модуля SEMIKUBE: это стандартное требование производителей электролитических конденсаторов.

В компактную конструкцию силового преобразователя должна входить высокоэффективная система охлаждения. В модулях SEMIKUBE применен самый совершенный на данный момент с точки зрения отдачи тепла на единицу объема радиатор Px308. Естественно, что качественный отвод тепла может быть получен только при использовании достаточно мощного вентилятора, способного обеспечить необходимый перепад давления в теплостоке. Вентилятор SKF 16-0 обеспечивает все необходимые характеристики, при этом он имеет очень низкий уровень шума (не более 72 дБ) и не нуждается в замене в течение всего срока службы изделия. По специальному заказу возможно изготовление модулей SEMIKUBE и с жидкостным охлаждением. Последним этапом при определении конфигурации блока SEMIKUBE является выбор платы управления затворами, которые доступны в двух исполнениях. Драйвер GD11 способен работать с трехфазным IGBT-мостом в модификациях SEMIKUBE 1/2 и SEMIKUBE 1. В первом случае в одном плече инвертора использован один модуль IGBT, во втором -каждая фаза образована параллельным соединением двух модулей.

Для управления более мощными блоками SEMIKUBE 2 и 3 предназначен полумостовой драйвер GB11, средний выходной ток которого достигает 300 мА, а пиковый 50 А. Это позволяет работать с параллельным соединением четырех (SEMIKUBE 2) и восьми (SEMIKUBE3) модулей IGBT в каждой стойке инвертора. Подробная информация о нагрузочных характеристиках плат управления в зависимости от частоты коммутации приведена в их спецификациях.

Система обозначений SEMIKUBE приведена в таблице 5. Буква «А» в обозначении говорит о том, что силовые терминалы модуля расположены по направлению обдува, «Х» - перпендикулярно ему.

Заключение

Более 45 лет SEMIKRON разрабатывает и производит преобразователи, содержащие силовые полупроводниковые ключи. За эти годы компания стала мировым лидером в области производства силовых сборок. Платформа SEMIKUBE - это первая разработка нового международного подразделения SEMIKRON, объединившего девять исследовательских лабораторий, расположенных в разных странах. Создание новой дизайнерской сети SEMIKRON позволило сконцентрировать все имеющиеся у компании ресурсы в области проектирования, производства и маркетинга. Подробную техническую информацию по всем модификациям блоков SEMIKUBE, а также инструкцию по эксплуатации можно получить в офисе технической поддержки SEMIKRON.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]