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上海津信變頻器有限公司


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技術(shù)文章

丹佛斯變頻器制動能力估算和制動電阻選取

閱讀：1015發(fā)布時間：2011-2-16

 

Abstract: The Braking ability of Danfoss inverter decided by the current ability and the heat dissipation ability of the brake transistor embedded in the inverter. This paper provided a method to evaluate the actual brake ability of the inverter according to the datasheet of the brake transistor and datasheet of inverter, and how to select the brake resistor.
Keywords:  Brake-duty   Brake-current   Junction-temperature
 


 

引言：振華港機移船絞車項目選用丹佛斯690V、355kW的變頻器，要求變頻器具有100%轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動的能力。而丹佛斯變頻器設計指南上只保證了此型號變頻器100%制動轉(zhuǎn)矩，40%制動率的能力。但根據(jù)對此型號變頻器硬件和技術(shù)數(shù)據(jù)的仔細分析，我們發(fā)現(xiàn)此變頻器實際具有比標稱值大得多的制動能力。下面就是估算丹佛斯變頻器實際制動能力和優(yōu)化選擇制動電阻的詳細辦法。
 


 

計算中需要用到的丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器的基本數(shù)據(jù)：
直流中間環(huán)節(jié)制動動作電壓：1084 VDC
散熱片zui高溫度：85 ℃
制動晶體管：DP400C1700S100734，兩塊并聯(lián)。
單塊制動晶體管標稱電流400A；
 
影響丹佛斯變頻器制動能力的主要因素
影響變頻器制動能力的主要因素為制動晶體管的導通電流能力、變頻器整機的散熱能力和制動晶體管的散熱能力。下面逐一分析。
 
首先，分析制動晶體管的導通電流能力：
按直流制動電流zui大值Ibrake_max = 400 × 2 = 800 A
制動晶體管瞬時zui大制動功率Pbrake_peak = 800 × 1084 = 867 kW
此值高達變頻器標稱功率的244%，因此可知制動晶體管的導通電流能力不是制約變頻器制動能力的關鍵因素。
 
其次分析變頻器工作于連續(xù)制動狀態(tài)時，變頻器的整機散熱能力。
設變頻器在全速、滿載時發(fā)熱量為100%，則變頻器的整機散熱能力也為100%。
按丹佛斯技術(shù)資料，可知此時：
變頻器整流部分發(fā)熱量是26%，變頻器逆變部分發(fā)熱量是74%。
再假設連續(xù)制動時，制動晶體管是連續(xù)工作的，制動晶體管上的電流為IBR
根據(jù)能量守恒定律，P制動晶體管 = P電機
推導，IBR ×VDC = ×Io ×Vo ×0.86（功率因數(shù)） ×0.93（電機效率）
對于T7機型，VDC = 1084 V，電機額定電壓Vo = 660V，
則 IBR = 0.843 Io = 0.937 Io_av
因此有統(tǒng)一的結(jié)論： IBR ≈ Io_av，即制動晶體管上的電流與電機電流平均值相同。
因為輸出有3路，制動只有1路，所以可以一般地認為：
制動晶體管的發(fā)熱量 = ×逆變部分發(fā)熱量
則連續(xù)制動時的變頻器整機發(fā)熱量 = 逆變部分發(fā)熱量 + 制動部分發(fā)熱量
                               = 74% + 74% / 3 = 98.7%
                               ≤ 100%
所以得出結(jié)論：變頻器連續(xù)制動時的發(fā)熱功率不大于變頻器連續(xù)電動時的發(fā)熱功率，因此變頻器的整機散熱能力不是制約變頻器制動能力的關鍵因素。
 
    進一步的分析表明制約變頻器制動能力的關鍵因素是制動晶體管的散熱能力，下面的估算將圍繞制動晶體管的散熱能力展開。
 
制動晶體管的發(fā)熱功率和結(jié)溫限制
制動晶體管的發(fā)熱功率 = 導通損耗 + 開關損耗
一、制動晶體管的開關損耗

1.       假設負載是純電阻，開關時的電壓、電流是線性變化的。

 
 
 
 

單次開（關）的損耗 =
 =  
 =
其中Δt為開關時間，
制動晶體管的總開關損耗PSW = 單次開（關）損耗× fSW × 2
                         =
        不過這一假設太理想化了。
 


 

2.       假設負載含電感，開通、關斷的電壓、電流波形如下：

t
開通時
U
I
t
關斷時
U
U
 

 
 
 
 
 
 
 


 

開通損耗，與模塊中的快恢復二極管的特性相關，難以計算。估算中以固定值0.01 J代入。
        關斷損耗 =
 ≈
 =  
制動晶體管的總開關損耗 PSW = （ 0.01 +  ）× fSW 
本著安全的原則，計算中選擇較大的 PSW = （ 0.01 +  ）× fSW 
fSW ，參閱丹佛斯變頻器技術(shù)資料，制動晶體管的開關頻率fSW = 1.2 kHz
Δt，參閱《FC300設計指南》中的du/dt數(shù)據(jù)：2261 V/μS
推測Δt = 1084 / 2261 = 0.48 μS。計算時取Δt = 0.5 μS
 
二、制動晶體管的導通損耗
1． 制動晶體管的導通壓降-導通電流（VCE-IC）曲線
附件一中沒有此曲線，但根據(jù)附錄1中制動晶體管DP400C1700S100734的特征參數(shù)：
 VCES=1700 V
 IC=400 A（TC=80℃）
 VCE（sat） = 2.0V（IC=400A，TJ=25℃）
 VCE（sat） = 2.4V（IC=400A,TJ=25℃）
 查到三菱CM400DY-34A和英飛凌FZ400R17KE3的晶體管特性與其*相同，因此可以使用他們的“VCE-IC”特性曲線，獲得制動晶體管的導通壓降。

制動晶體管的導通壓降-電流特性曲線
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

此晶體管是正溫度系數(shù)的IGBT，所以我們只需要取發(fā)熱zui厲害的125℃結(jié)溫時的數(shù)據(jù)，將其數(shù)字化，得表一：
 

電流IC（A）
50
100
150
200
250
300
350
400
VCE（sat） （V）
1
1.35
1.6
1.8
2
2.17
2.3
2.4

 
2． 制動晶體管的導通損耗
PCND = VCE（sat） × IC
 
三、制動晶體的結(jié)溫升：
制動晶體管的結(jié)溫升TRISE = （ Rth（j-c） + Rth（c-f） ） × PLOSS
其中PLOSS 為制動晶體管開關損耗和導通損耗之和，PLOSS = PSW + PCND
其中Rth（j-c） 為制動晶體管硅片到模塊散熱片的熱阻，從附件一查到Rth（j-c） = 0.06 K/W
其中Rth（c-f） 為制動晶體管模塊散熱片到變頻器散熱片的熱阻，附件一沒有此數(shù)據(jù)，但是英飛凌模塊DF400R12KE3的封裝與丹佛斯制動晶體管的封裝*相同，內(nèi)部機構(gòu)相似，而且注意到他們的晶體管熱阻Rth（j-c）也相同，所以計算中可以參照英飛凌模塊DF400R12KE3的數(shù)據(jù)，取 Rth（c-f） = 0.03 K/W
 
有了以上數(shù)據(jù)，再依據(jù)制動晶體管的zui高工作結(jié)溫不能超過125℃的限制條件，就能計算丹佛斯變頻器的zui大連續(xù)制動能力了。
 
制動晶體管的制動功率-制動率曲線
首先關于溫度裕度的說明，為了變頻器的安全運行，必須保留一定的IGBT工作結(jié)溫裕度，但是由于丹佛斯變頻器散熱片的溫度檢測取自逆變模塊內(nèi)部，而散熱片的實際溫度要比逆變模塊內(nèi)部低，此溫差已經(jīng)使我們的計算有相當大的溫度裕度。
zui大允許結(jié)溫升TRISE-MAX = zui高工作結(jié)溫 – 散熱片zui高溫度 = 125-85 = 40 ℃
 
計算步驟：
1．首先假設一個制動功率，比如355kW，然后按此功率算出制動晶體管的結(jié)溫升TRISE；
2．如果TRISE ≤ TRISE-MAX ，說明在此制動功率下能夠連續(xù)制動，
如果TRISE > TRISE-MAX ，則說明在此制動功率下不能連續(xù)制動，制動率Duty% =
表二、制動晶體管結(jié)溫計算表：

名稱
計算公式
值
單位
制動功率PBr
　
439
kW
制動開啟電壓VDC
　
1084
V
制動晶體管電流IC （2并）
IC=1000×Pe×TBr/VDC/2
202
A
制動晶體管導通壓降VCE
（結(jié)溫125℃時）
查圖表
1.808
V
制動晶體管導通損耗PCND
PCND =IC ×VCE
366
W
開關頻率fsw
　
1200
Hz
開關時間Δt
　
0.5
uS
開通損耗ESW（on）
　
0.01
J
關斷損耗ESW（off）
ESW（off）=VDC×IC×Δt/2
0.0549
J
開關損耗PSW
PSW=（ESW（ON）+ESW（OFF））×fSW
78
W
制動晶體管總損耗PLOSS
PLOSS =PCND + PSW
444
W
晶體管熱阻Rth（j-c）
　
0.06
K/W
模塊-散熱片熱阻Rth（c-f）
　
0.03
K/W
晶體管結(jié)溫升TRISE
TRISE=（Rth（j-c）+Rth（c-f））×PLOSS
40.0
K
散熱片溫度Th
　
85
℃
晶體管允許結(jié)溫升TRISE-MAX
TRISE-MAX =125-Th
40
℃
制動率Duty%
　
100.1%
　

 
按上述步驟選擇多個制動功率，得到表三，制動功率-制動率數(shù)據(jù)表格：

制動功率（kW）
532
497
461
439
制動率（%）
76.9%
84.5%
93.6%
100.0%

 
繪制成，曲線一、制動功率-制動率曲線：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

    從制動功率-制動率曲線可以發(fā)現(xiàn)丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器具有超過100%制動轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動的能力。
 
制動功率-制動電阻關系曲線
解決了制動功率-制動率的問題，接下來還有更實際的問題需要解決—制動電阻的取值。有些變頻器廠家提供了不同制動率下的制動功率-制動電阻關系曲線，供用戶作選取制動電阻之參考，但是丹佛斯變頻器設計指南中暫無此數(shù)據(jù)，所以我們用手工計算的辦法繪制了一張100%制動率時的制動功率-制動電阻關系曲線，供用戶參考。
 
計算步驟說明如下：
1．首先選取一電阻值，比如3Ω，然后根據(jù)此制動電阻值可以知道制動電流和制動功率，利用表二可以算出連續(xù)制動時制動晶體管的結(jié)溫升TRISE。
2．如果TRISE ≤ TRISE-MAX ，說明此阻值下的制動功率PR能夠滿足100%制動率的要求；
如果TRISE > TRISE-MAX ，則說明此阻值下的制動功率PR只能滿足Duty% = 的制動要求，根據(jù)PR ×Duty% = PBrake-100% ×100%，可以得到調(diào)整后的等效連續(xù)制動功率：
PBrake-100% = PR×
按上述計算辦法，選取多個制動電阻值，得到表四，等效連續(xù)制動功率-制動電阻數(shù)據(jù)表：

制動電阻（Ω）
1.355
1.8
2.2
2.6
2.677
2.7
3.1
3.8
制動功率PR（kW）
867
653
534
452
439
435
379
309
結(jié)溫升TRISE（K）
99.2
68.8
52.3
41.6
40.0
　
　
　
等效連續(xù)
制動功率（kW）
350
380
409
435
439
435
379
309

 
繪制成，曲線二、制動功率-制動電阻曲線：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

制動電阻的優(yōu)化選擇
首先，制動電阻的zui小值受限于制動晶體管的導通電流能力，因此有：
RBrake_min =  = 1.36Ω
然后，制動電阻的取值決定了變頻器的zui大瞬時制動功率。在此應用例中，用戶要求電機zui大制動轉(zhuǎn)矩不小于110%，則PBrake 不小于 355kW×110%×93%（η電機）×98% （η變頻器）= 356kW，制動電阻RBrake ≤ 10842/356000 = 3.3 Ω。
小于3.3Ω的制動電阻雖然能夠提供更大的瞬時制動轉(zhuǎn)矩，但是將增加制動晶體管的散熱負擔，因此滿足zui大制動轉(zhuǎn)矩要求的制動電阻值3.3Ω就是*電阻值。
 
參考文獻
[1] FC300 Design Guide. MG.33.BC.02. Danfoss A/S
[2] FZ400R17KE3 Technical Information. REV2.2 2007-3-28.  Infineon Technologies
[3] DF400R12KE3 Technical Information. REV3.0 2008-10-23. Infineon Technologies
[4] CM300DY-34A Data Sheet. Feb.2009. MITSUBISHI ELECTRIC
[5] General Consideration for IGBT and Inligent Power Modules. Sep 1998.   MITSUBISHI ELECTRIC
 
 
附件1、DP400C1700S100734模塊技術(shù)資料
 
 
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