Dimensionare sursa de alimentare motor c.c. alimentat prin chooper

1. Generalitati 

Convertoarele c.c.-c.c. bidirecţionale, de 4 cadrane  (chopper), alimentează sarcini de curent continuu cu tensiune reglabilă, permiţând funcţionarea în cele 4 cadrane ale planului US, IS. În cazul în care sarcina este o maşină de curent continuu, ea va funcţiona ca motor cu posibilitatea de frânare cu recuperare de energie (regim de generator) în ambele sensuri de rotaţie.

Chopper-ele înlocuiesc convertoarele c.a.-c.c. comandate la puteri mici şi medii ca urmare a unor performanţe superioare:

- funcţionare în conducţie neîntreruptă,

- frecvenţa de comutaţie ridicată,

- schema mai simplă,

- reducerea costurilor echipamentelor.

Realizarea convertorului se poate face utilizând comutatoare statice tip IGBT dar şi cu tranzistoare bipolare, MOSFET sau tiristoare GTO. Intrarea şi ieşirea din conducţie a IGBT-ului, avănd in vedere structura de comandă, este asemănătoare cu cea de MOSFET.

Comanda IGBT şi MOSFET este aproape identică, realizându-se drivere de poartă integrate cu utilizare pentru ambele tipuri de tranzistoare.

Schema unui asemenea convertor, cu utilizarea IGBT-urilor este urmatoarea:      

Convertorul este alimentat de o sursă de tensiune continuă constantă (C-  condensator de filtrare).Sarcina, conectată la bornele A-B poate fi de tipul R+L sau R+L+E. Comanda este de tipul PWM (pulse wide modulation) bipolară sau unipolară.

Faţă de comanda MOSFET-ului, la IGBT, in circuit mai apar :

·         filtrul RC bază-emitor pentru preântampinarea oscilaţiilor comenzii,

·         polarizarea negativă la ieşirea din conducţie pentru reducerea vârfului de curent de la începutul blocării.

Din cauza impedanţei mari de intrare a circuitului de poartă pot apare oscilaţii ale comenzii, apărând necesitatea introducerii unor filtre, iar conexiunile circuitului de comandă se realizează cu lungime căt mai mică.

Convertorul este alimentat de o sursă de tensiune continuă constantă (C-  condensator de filtrare).Sarcina, conectată la bornele A-B poate fi de tipul R+L sau R+L+E.  Comanda este de tipul PWM (pulse wide modulation) bipolară sau unipolară.

2. Estimarea puterii motorului ce poate fi alimentat de la un convertor c.c. – c.c. de 4 cadrane echipat cu module IGBT tip BSM 52 GB 120 DN 2

In continuoare voi dimensiona sursa de alimentare a unui chopper integrat de patru cadrane utilizand bratul de punte BSM 25 GB 120 DN2 si voi determina puterea maxima nominala a unui motor care se poate conecta pe iesirea unui asemenea convertor DC-DC. Curentul de colector pentru IGBT-urile din aceasta semipunte este de 25A la temperatura de 80⁰C. Iata schema electronica:

Tensiunea nominala necesara la iesirea convertorului U_N este 110V. Alimentarea chopper-ului se face de la un redresor monofazat in punte. Tensiunea la intrarea in convertor trebuie sa aibă valoarea Vd1 va fi:

- căderea de tensiune pe tranzitoarele chopper-ului se calculează cu relatia:

- căderea de tensiune pe cablurile dintre convertor si motor:

La iesirea redresorului vom avea căderea de tensiune pe filtru Vd2. si se calculează cu relatia:

La intrarea convertorului vom avea tensiunea Vd:

unde primul termen din dreapta relatiei (7) este căderea tensiune reactivă si se estimează la 5-10% din Vd2.

Us - este tensiunea din secundarul transformatorului de alimentare si are valoarea 161,7V.

Estimăm pierderile de putere in convertor

Pierderile totale Pt au doua componente: pierderile de regim staţionar P_S  și pierderile in comutaţie P_C:

E_C - reprezinta pierderile de energie în comutaţie care au valoarea 3,7mWla un curent de 25A

f_C - este frecvenţa de comutaţie (2,5KHz)

Ecuaţia regimului termic ne va ajuta la calculul pirderilor de putere admisibile:

- temperatura ambiantă este de 40⁰C ;

- rezistenţa termică joncţiune - capsulă (Rthjc) este de 0,6⁰C/w

- rezistenţa termică între capsulă si radiator (RthCR) are valoarea de 0,1⁰C/W.

-rezistenţa termică radiator- aer (RthRA) este 0.48⁰C/W:

Temperatura admisibilă a joncţiunii   este de 125^OC

Considerăm un curent maxim de colector IC=25A. Vom calcula pierderile în tranzistor pentru acest curent de conducţie:

- curentul de sarcină a motorului:

- curentul nominal:

- puterea nominala a motorului va fi:

Deci, convertorul nostru va putea alimenta un motor de 1,5 KW (putere nominală).

3. In continuoare se trece la dimensionarea puntii redresoare si a filtrului de pe iesirea punti, precum si calcul puterii aparente a transformatorului.

a) Filtrul LC de pe iesirea redresorului. Spre exemplu, pentru reducerea armonicilor de tensiune folosim un filtru LC. Pentru redresorul cu două pulsuri în punte, principala armonică este cea de rang 2 (V²) , având o valoare de 0,33 din tensiunea redresată. Deci, va trebui să  reducem această armonică pană la o valoare de 0,01 din tensiunea dată de redresor. Deci, factorul de atenuare va fi:

Pentru dimensionarea bobinei de filtrare folosim relaţia:

 – unde primul termen din stanga reprezina pulsaţia tensiunii pe iesirea circuitului redresor; iar indicele p reprezintă numărul de pulsuri al convertorului şi este egal cu ordinul primei armonici (2);

 – R_S rezistenţa de sarcină și w - pulsaţia tensiunii de alimentare;

 – I_dM curentul maxim debitat de convertor.

Rezulta Rs si L_F:

Iar condensatorul de filtrare va avea o valoare dată de relaţia:

Alegem următoarele valori pentru capacitate şi pentru inductivitate: C_F = 4700 uF;  L_F = 19 mH.

b) Dimensionarea redresorului - calculul diodelor

b1. Alegerea diodelor în curent

Curentul nominal al diodei trebuie să îndeplinească următoarea condiţie:

unde:

• I_FAVM este curentul mediu prin diodă,
• k_s =1,1…1,3  coeficient de suprasarcină; dioda poate admite o suprasarcină de până la 30% un timp bine definit după care sarcina este izolată sau întreruptă de către protecţii,
• k_D - coeficient ce ţine cont de schema convertorului arătând cât dintr-o perioadă conduce o diodă,
• n - numarul de diode în paralel ,
• k_n  -coeficient ce ţine cont de repartizarea curentului prin diodele în paralel.

b2. Alegerea diodelor în tensiune

Tensiunea inversă repetitivă maximă de lucru  a diodelor trebuie să îndeplinească urmatoarea condiţie:

V_RRM –tensiunea inversă repetitivă

Coeficientul  ţine cont de supratensiunile de comutaţie şi se încadrează în intervalul 1,5…2,5. Deoarece nu se vor utiliza circuite de protecţie la supracurent şi supratensiune se alege coeficientul  =2,5.

Redresorul se alimentează de la reţeaua obişnuită, în care se admit variaţii de 5%,de aceea se face corecţia cu factorul 1.05.

Vom alege din catalog puntea redresoare 25JB80L, cu următorii parametri:

c) Dimensionarea transformatorului

c1. Tensiunea în secundarul transformatorului

Cum:                  

Rezultă:          

c2. Raportul de transformare:

U_P -   reprezintă tensiunea din primarul transformatorulul     

c3. Puterea aparentă totală a transformatorului:

P_d fiind puterea disipată în transformator. 

c4. Inductivitatea de dispersie a transformatorului:

Pentru calculul inductivităţii de dispersie a transformatorului impunem un unghi de comutaţie maxim:

  .

Atunci,                                          

Tensiunea de scurtcircuit exprimată in volţi pentru acest transformator va fi:

I_SN - curentul secundar al transformatorului;

u_K [%] - tensiunea de scurtcircuit procentuală se încadrează în intervalul (6…10)%.

 c5. Verificare

Tensiunea reactivă:

trebuie sa verifice inegalitatea :

Rezultă :  V_v < 27,73V.

Bibliografie:

• F. Ionescu, D. Floricău, S. Niţu, J.P.Six, Ph. Delarue, C. Boguş : Electronică de putere. Convertoare statice, 1998.
• Mohan N., Underland T.M., Robins W.P : Power Electronics Converter, Aplications and design, 1989.
• E.Roşu, M. Găiceanu : Electronică de putere. Dispozitive semiconductoare de putere, 1999.
• Firma PHILIPS : Note de catalog.