Універсальний стенд дистанційного керування і контролю параметрів електропривода Micromaster 440 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2. Cesar Silva. Control of an Hybrid Multilevel Inverter for Current Waveform Improvement / Cesar Silva, Samir Kouro, Julio Soto, Pablo Lezana // IEEE Cambridge Symposium on Industrial Electronics. -2008. - P. 2329-2335.

3. Corzine K. A. Operation and Design of Multilevel

Inverters / K. A. Corzine // University of Missouri. -Rolla. Copyright. - 2005. - 79 р.

4. Шавёлкин А. А. Несимметричный гибридный многоуровневый преобразователь частоты / А. А. Шавёлкин // Техшчна електродинамта.Тем. вип. Си-лова електрошка i енергоефектившстъ. 1нститут елекгродинашки НАН Украгни. Кив. - 2008. - Ч. 2. -С. 21-26.

Шавёлкин А. А. Принципы реализации «реактивной ячейки» в гибридных многоуровневых преобразователях частоты/ А. А. Шавёлкин // Тем. вип. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теор1я i практика» н.-т. журналу «Електроинформ» . -Л^в : ЕКОшформ, 2009. - С. 325-326. Шавьолюн О. О. Перетворювальна техтка: навчаль-ний поабник/ О. О. Шавьолшн, О. М. Наливайко. -Краматорськ : ДДМА, 2008. - 326 с. Пронин М. В. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов ; под ред. Крутякова Е. А. // СПб : «Электросила», 2003. - 172 с.

Стаття надiйшла до редакцп 16.02.2010 р.

Пiсля доробки 30.09.2010

Шавьолкш О. О. Пбридний 6araTopiBHeB^ перетворювач частоти на 6a3i чотир^вневого швер-тора напруги

Розглянуто основн принципи реал'заци г1бридного багатор'вневого перетворювача частоти на базi чотирир1вневого ¡нвертора напруги з «реактивною ком1ркою» у вихдних фазах при спiввiдношеннi рiвня напруги у ланц постйного струму базового нвертору i «реактивно!' комiрки» 3:1. Приведенi результати моделювання запропонованих рiшень. Ключов'1 слова: Несиметричний гiбридний багаторвневий нвертор, релейнийрегулятор, реактивна ком рка, попередня модуляц я

Shavolkin A. The hybrid multilevel converter of frequency on the basis of the inverter of voltage with four levels

Main principles of realization of the hybrid multilevel converter of frequency on the basis of inverter of a voltage with the four levels of voltages with «a reactive cell» in output phases are considered at a ratio of a level of a voltage in a link of a direct current of the base inverter and «a reactive cell» 3:1. Results of modeling of the offered decisions are brought.

Key words: the asymmetric hybrid multilevel inverter, relay control, a reactive cell, preliminary modulation.

УДК 621.314.63

В. С. Остренко канд. техн. наук Запорiзька державна шженерна академiя

ВИЗНАЧЕННЯ ДОДАТКУ ДО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОВОГО ОПОРУ СИЛОВИХ НАП1ВПРОВ1ДНИКОВИХ ПРИЛАД1В

Ця стаття присвячена обгрунтуванню методики визначення додатку до значення теплового опору напвпров'дникового приладу для постйного струму, який дае можливють визна-чити максимальну температуру нап'тпров'дниково)' структури приладу при навантажен ¡мпульсами струму.

Ключов'1 слова: силовийнап'впров'дниковийприлад, iмпульснийрежим, тепловийопр, визначення додатку, температура структури.

Визначення значення максимально! температури нашвпровщниково! структури силових дюдав та тирис-горiв у заданому струм навантаження е завжди акту-алъним, бо надшшсть роботи цих приладiв в значнш

мiрi залежить вщ значення ще! температури.

При робот! дiодiв i тириск^в в рeжимi випрямляча (тобто при навантаженш iмпульсами струму) на ввднос-но низький часгоп (на частот! 50 Гц та нижче), темпе-

© В. С. Остренко 2010 р.

ратура напiвпровiдниковоl структури приладу зазнае значних коливань. Цд коливання температури натвпро-вщниково!' структури приладу ввдбуваються на фонi ста-лого значения температури. При цьому, як запропоно-вано у [1], значення максимально! температури на-швпровщниково!' структури приладу визначаеться за формулою:

T.

- p R „ + add Rh с (О] + T

(1)

де T. max - максимальне значення температури нашвпро-вщниково! структури; Р - середне значення втрат по-тужностi у приладц Rthja - тепловий опiр структура -охолоджуюче середовище; addRthjC (tp) - додатковий тепловий опiр структура - корпус (основа) приладу, який залежить вiд форми та тривалосп iмпульсу струму навантаження i приводиться у iнформaцiйних мате-рiaлaх на прилади [2], [3]; Tamb - температура охолоджу-ючого середовища.

Слад ввдзначити, не уа виробники силових натвпро-вщникових прилaдiв для свогх прилaдiв надають значення addRthjC (tp), а тi що надають, то лише для купв про-ввдносп 180°, 120°, 60° для роботи на частой 50 Гц. Мж тим, може виникнути потреба застосування прилaдiв, на як1 не надано цей додаток, або у спещальних пере-творювачах зaстосовaнi iншi кути проввдносп i/або зни-жена частота. Ось чому розробка методики визначен-ня додатково! частини теплового опору приладу при iмпульсному нaвaнтaженi е актуальним.

Середне значення втрат потужносп у прилaдi е на-слвдок пропкання через прилад послвдовносп iмпульсiв струму, як1 приводять до iмпульсiв втрат потужностi в прилaдi з амплпудою Р . Спiввiдношення м1ж середнiм та aмплiтудним значенням втрат потужносп залежить вiд ввдносно! тривалосп робочого циклу:

Р = Р D,

(2)

де D = (tp/tc ) - коефщент заповнення циклу iмпульса-ми; tp - тривалють iмпульсу потужностi; tc - перюд по-вторення iмпульсiв потужностi.

Тривалють пропкання струму у вiдкритому сташ приладу достатньо велика, щоб суттево нагрiти натвпро-ввдникову структуру вище середнього значення температури, а пауза м1ж iмпульсами струму достатньо велика, щоб вона встигла охолодитися нижче середнього рiвня температури, рисунок 1. В зв'язку з цим, е певний iнтерес до визначення додатку для корегування теплового опору, за допомогою якого, знаючи значення серед-ньо! температури натвпроввдниково!' структури, можна визначити максимальне значення температури.

Для спрощення процедури визначення стввщно-шення мiж максимальним та середнiм значеннями температури нашвпроввдниково!' структури приймаемо, що li нагрiв та охолодження ввдбуваеться по прямим лiнiям АВ i ВС, ввдповвдно, рисунок 1.

При тривалому режимi навантаження приладу, коли середне значення температури нашвпроввдниково!

Рис. 1. Змша температури структури при ¡мпульсному навантаженш струмом

структури мае постшну величину, площа трикутника EBF дорiвнюе площi трапеци AEFC, тобто:

1 1

- (ВО- EF) = - (AC+EF)OH.

(3)

З урахуванням того, що ОН = ВН - ВО, рiвняння (3) приймае такий вигляд:

EF(2BO - BH) = {AC-BH) - {AC-BO). (4)

Так як трикутник EBF подiбний до трикутника АВС,

то:

EL = BO та EF = AC -BO AC BH BH

(5)

Зпдно рисунку 1 ВО = T. - T, а ВН = Р Zh C (tp)

^ r J J j max f т th jC 4 P'

згiдно з визначенням поняття перехiдного теплового опору; ZthjC (tp) - перехвдний тепловий отр приладу для моменту часу tp , при цьому рiвняння (6) приймае вигляд:

T - T. = Р Zh C (tp).

j max j т thjC v P/

(7)

З урахуванням (1) та (2) отримуемо:

T = p

j max

Rth ja +

ZthjC (tP )

d-42

] + T

J at

50

ISSN 1607-6761

«Електротехтка та електроенергетика» .№2, 2010

PiBMHHa (8) можна спростити таким чином:

max P [Rth ja Zth add (tP)] Tamb (9)

де Zth add (tp) - додаток до теплового опору при визначеш максимально! температури нашвпровщниково! струк-тури приладу;

Zth add (tP)

= ZthjC (tP )

D-л/2

(10)

який чисельно мае дорiвнювати значенню addRthjC (tp) у рiвняннi (1).

Таким чином, отримано формулу додатку (9) до теплового опору для визначення максимально! температури нашвпровщниково! структури приладу.

В залежносп вiд схеми, у якш включено натвпров-iдниковий прилад, iмпульси струму можуть рiзнитися за формою та за тривалктю протжання. У таблицi 1 наведенi значения множнишв до значения ZthjC (tp) для найбiльш поширених схем перетворення енергл.

Таблиця 1 - Значення множнишв до значення

ZhjC (P

Форма ¡мпульшв Синусо!-дальна Прямокутна

Кут провщносл 180о 180о 120о 60о

Коеф1щент запо-внення циклу ¡мпульсами, D 0,5 0,5 0,333 0,166

Значення 1 / (d V2) 12) 1,41 2,12 4,26

Тривалють 1мпу-льсу tP 1), мс 10 10 6,7 3,33

Примiтки:

1) На частотi 50 Гц.

2) Значення отримане з урахуванням множника 0,707.

Для визначення значення ZthjC (tp) краще всього ви-користовувати аналiтичну форму представлення пере-

хiдного теплового опору приладу, яку надае виробник приладiв у виглядi параметрiв суми експонент:

Z j (t) =Z R (1 - exp ( - t/ф t)),

t=1

(11)

де R., ф . - параметри експонент.

Як приклад наведемо розрахунки по визначенню додатшв для корегування теплового опору тиристора Т253-1250 [2], параметри експонент якого наведет у таблиц 2.

Таблиця 2 - Параметри експонент, що апроксиму-ють перехвдний тепловий отр тиристора Т253-1250

i 1 2 3 4

R,, °C / Вт 0,0008 0,0016 0,0037 0,0139

т, с 0,0001 0,0013 0,0298 0,9313

Значення 1Л.С (р та значення додаткiв для тиристора Т253-1250 наведен! у таблиц! 3.

Стад в!дм!тиги, що визначеш додатки д!йсн!

не ильки в режим! тривалого навантаження системи прилад - охолоджувач, а ! в режим! циктчного навантаження з тривалютю навантаження приладу бшьшою н!ж час установлення пост!йного град!ента температури у внутр!шн!х елементах конструкци приладу, тобто 5 с та бшьше. Це означае, що при визначеш максимально! температури нашвпровщниково! структури приладу у нестацюнарному або квазютацюнарному (цикл!чному) режим! навантаження до значень перех!дного теплового опору, як! визначеш при навантажет постшним стру-мом, для часу 5 с та бтше необхвдно додавати додаток

Zthadd(tP)■

Сл!д ввдзначити, що значення додатшв, якi визначен! за формулою (10), е б!льшими у 1,5-4 рази шж т!, що наведен! в каталогах на прилади ВАТ «Электровыпрямитель» [2] та ф!рми АВВ [3], як! наведен! у таблиц! 4.

Таблиця 3 - Значення додатшв для тиристора Т253-1250

Форма¡мпульав Синусо!дальна Прямокутна

Кут провщносп 180о 180о 120о 60о

Тривалють ¡мпульсу tP , мс 10 10 6,7 3,33

Значення Zth jC (tP), °С / Вт 0,0036 0,0036 0,0032 0,0027

Значення додатюв Zth add (tP), °С / Вт 0,0036-1 = 0,0036 0,0036-1,41 = 0,0051 0,0032-2,12 = 0,0068 0,0027-4,26 = 0,0115

Таблиця 4 - Значения додатшв до теплового опору приладу для визначення значення максимально! температури нашвпроввдниково! структури

Тип приладу Форма 1мпульав Синусо!дальна Прямокутна

Кут провщносп 180о 180о 120о 60о

Тривалють 1мпульсу tP , мс 10 10 6,7 3,33

Т233-400 Значення Zh jC (tP), оС / Вт 0,0075 0,0075 0,0068 0,0060

Значення додатшв розрахованих Zth add (tp), оС / Вт (з каталогу) 0,0075 (0,006) 0,0106 (0,006) 0,0144 (0,008) 0,0256 (0,014)

Т143-800 Значення Zh jC (tP), оС / Вт 0,0054 0,0054 0,0047 0,0039

Значення додатшв розрахованих Zth add (tp), оС / Вт (з каталогу) 0,0054 (0,003) 0,0076 (0,0035) 0,01 (0,0055) 0,0166 (0,0105)

Т253-1250 Значення Zh jC (tP), оС / Вт 0,0036 00036 0,0032 0,0027

Значення додаткв розрахованих Zth add (tP), оС / Вт (з каталогу) 0,0036 (0,0015) 0,0051 (0,002) 0,0068 (0,003) 0,0115 (0,005)

Т183-1600 Значення Zh jC (tP), оС / Вт 0,0010 0,0010 0,0008 0,0005

Значення додатшв розрахованих Zth add (tP), оС / Вт (з каталогу) 0,0010 (0,0008) 0,00141 (0,0008) 0,0017 (0,001) 0,00213 (0,002)

Т163-2000 Значення Zth jC (tP), оС / Вт 0,0025 0,0025 0,0022 0,0018

Значення додатшв розрахованих Zth add (tP), оС / Вт (з каталогу) 0,0025 (0,0015) 0,00352 (0,002) 0,0047 (0,003) 0,0077 (0,005)

Т173-2500 Значення Zh jC (tP), оС / Вт 0,0011 0,0011 0,0009 0,0005

Значення додатшв розрахованих Zth add (tP), оС / Вт (з каталогу) 0,0011 (0,0008) 0,00155 (0,0008) 0,0019 (0,001) 0,0021 (0,002)

5STP 45N2800 Значення Zth jC (tP), К /кВт 0,687 0,687 0,4597 0,2570

Значення додатшв розрахованих Zth add (tP), K /кВт (з каталогу) 0,687 (0,5) 0,969 (0,5) 0,974 (0,8) 1,095 (1,5)

5STP 21F1400 Значення Zth jC (tP), К /кВт 0,6187 0,6187 2,8518 1,8490

Значення додатшв розрахованих Z,h add (tP), K /кВт (з каталогу) 0,6187 (1,5) 0,8724 (2) 6,046 (3) 7,877 (5)

Висновок

Розроблено методику визначення додатку до значення теплового опору нашвпровщникового приладу для постшного струму, який дае можлив1сть визначити максимальну температуру нашвпровщниково! структури приладу при навантаженш 1мпульсами змшного струму.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ

1. Phase Control Thyristors. Databook. Data Sheet. User's Guide [Електронний ресурс]: пояснення до параметр1в та характеристик тиристор1в. ABB Semiconductors AG, корегування 01.03.1999 - Елек-тронш данш (1 файл: 1,06 МБ). - Lenzburg, ABB Switzerland, 1998. Режим доступу: http://search-ext.abb.com/library/Download.aspx? DocumentID=pctsek3&LanguageCode= en&DocumentPartID=&Action=Launch, вшьний, — Загол. з екрану. — Англ.

2. Тиристоры низкочастотные таблеточного исполнения. [Електронний ресурс]: технические данные тиристоров / ОАО «Электровыпрямитель». — Электрон. дан. (1 файл). — Россия, Саранск, «Электровыпрямитель», 2009. — Режим доступа: http://www. elvpr.ru/poluprovodnikprib/tiristory/ nizkochast tabl.php (свободный). — Загл. с экрана.

3. Phase Control Thyristors. Data Sheet. [Електронний ресурс]: параметри та характеристики тиристор1в. ABB Semiconductors AG. — Елекгронш данш (1 файл). — Lenzburg, ABB Switzerland, 1998. Режим доступу: http: //www. abb. com/product/ db0003db004291/c12573e7003304adc1256b820064 c0b3. aspx?productLanguage=ru&country= UA&tabKey=2, вшьний, - Загол. з екрану. — Англ.

Стаття надiйшла до редакцп 03.08.2010 р.

Пiсля доробки 07.10.2010

52

ISSN 1607-6761

«Електротехтка та електроенергетика» №2, 2010

Остренко В. С. Определение дополнения к значению теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов

Эта статья посвящена обоснованию методики определения дополнения к значению теплового сопротивления полупроводникового прибора для постоянного тока, которое дает возможность определить максимальную температуру полупроводниковой структуры прибора при нагружении импульсами тока.

Ключевые слова: силовой полупроводниковый прибор, импульсный режим, тепловое сопротивление, определение дополнения, температура структуры.

Ostrenko V. Determination of complement to the value of thermal resistance of power semiconductor devices

The author justifies the procedure for determining a complement to the value of thermal resistance of a direct current semiconductor device which permits to determine a maximum temperature of the device junction when loaded by current pulses.

Key words: power semiconductor device, pulse mode, thermal resistance, determination of complement, junction temperature.

УДК 537.523.5

А. В. Сршов д-р техн. наук, Г. I. Камель д-р техн. наук, I. М. Коцур канд. техн. наук

Запорiзький нацшнальний техшчний ушверситет

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ХАОТИЧНОГО СТРУМУ ЕЛЕКТРОН1В НА ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ У ПРИАНОДН1Й ЗОН1

РОЗРЯДУ

Розглянуто вплив спiввiдношення густини розрядного та хаотичного електронних струмiв на падння потенцалу у дифузiйнiй зон прианодно'УобластI Виконано аналiз впливу вимуше-но'У конвекцИ на умови снування стйкого дифузного розряду на поверхнi анода.

Ключов'1 слова: електрон, юн, анод, падiнняпотенцалу, густина струму, розряднийструм, хаотичний струм, диффузйна зона, вимушена конвекця, дифузний розряд.

Проблема реашзацд спйкого дифузного розряду на електродах технолопчних пристро1в мае значний нау-ковий i практичний штерес. Оргашзащя такого розряду дозволить знизити теплове навантаження й ерозш по-верхш елекгродiв, шдвищига стабшьшсть параме^в електродугових пристро1в i полшшити яшсть процеав зварювання, наплавлення i плазмового напилювання.

1снукш тдходи для визначення умов переходу дифузного розряду в контрагований зв'язаш з наявшстю мшмуму електродного падшня потенщалу в залежносп вщ щiльностi струму [1-7].

Однак складносп теоретичного аналiзу i недостатня точшсть експериментальних дослiджень стримують одержання практичних рекомендацiй. Сказане вщно-ситься, насамперед, до вивчення прианодно! зони розряду, де змша потенцiалу мае не стрибкоподiбний, а розподiлений характер, що не враховано в приведених роботах. Тому, можна припустити, що юнуюш методи теоретично! оцiнки некоректш i вимагають подальшо! розробки.

1дея полшшення теоретичного методу полягае в обл^ сталостi температури стовпа плазми при мож-ливiй змш щшьносп струму в перехвднш зонi. Завдан-ня роботи полягае в розробцi теоретичного методу розрахунку розподiлу потенцiалу у стовт плазми перед анодом.

Дифузiйна зона приелектродно! областi характери-зуеться значною змiною температури i концентрацп за-ряджених часток. Вона вщдшена вщ електрода шаром об'емного заряду i е квазiнейтральною. Причиною ви-никнення напруженостi електричного поля е отр плазми, що зростае в приелектроднш зонi, i iснуючi градае-нти концентраци заряджених часток. Розподш потенщ-алу в дифузiйнiй зот знаходиться з рiвнянь потоков ди-фузп заряджених часток у неоднорвднш плазмi, а саме,

Je =

Ji =-

eDe ■dne

<5edq> dy dy '

eDi ■ dni <Jid^>

dy

dy

(1) (2)

© А. В. ершов, Г. I. Камель, I. М. Коцур 2010 р.