Силовая электроника №5'2012

Новые биполярные модули с повышенным быстродействием для мощного частотно-регулируемого электропривода

Варянова Галина

Гришанин Алексей

Мартыненко Валентин

Оруджев Хусамеддин

Янсен Никита


В статье представлены результаты разработки новых тиристорных и диодных модулей с повышенным быстродействием на напряжение 2600 В и средний ток в открытом состоянии 1000 A с диаметром кремниевой структуры 76 мм для применения в автономных инверторах тока мощного частотнорегулируемого электропривода.

Введение

Частотное управление является наиболее экономичным способом плавного регулирования скорости вращения мощного асинхронного двигателя. Широкое применение при этом получают двухзвенные высоковольтные преобразователи частоты. Такие устройства дважды преобразуют электроэнергию питающей сети: сначала с помощью выпрямителя производится преобразование напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянное, затем постоянное напряжение преобразуется в переменное с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты для управления режимом работы электродвигателя. Это преобразование осуществляется инвертором.

В настоящее время в области регулируемого электропривода малой и средней мощности доминируют преобразователи частоты на базе инверторов напряжения, построенных на полностью управляемых приборах (IGBT, MOSFET). Тем не менее в производстве преобразователей частоты мощностью 1–8 МВт для асинхронных высоковольтных электроприводов напряжением 6, 10 кВ наиболее эффективно использование схем автономного инвертора тока (АИТ) на основе однооперационных тиристоров с отсекающими диодами. Это нисколько не противоречит тенденциям развития преобразовательной техники на основе IGBT. Использование IGBT-инверторов напряжения целесообразно для электропривода, если на входе инвертора уже имеется источник постоянного напряжения (например, в случае тягового электропривода). В регулируемом электроприводе магистральных нефте- и газопроводов обычно используются мощные высоковольтные асинхронные двигатели (6 и 10 кВ), момент нагрузки которых связан с частотой вращения квадратичной зависимостью. Асинхронный двигатель рассчитан на питание синусоидальным напряжением. Именно такое напряжение получает двигатель при питании от инвертора тока. В то же время при управлении от инвертора напряжения на двигатель поступает напряжение прямоугольной формы с высокой крутизной нарастания фронта в каждом импульсе, что снижает ресурс электродвигателя.

Другими важными факторами при использовании тиристоров в составе преобразователей частоты является его высокая нагрузочная и перегрузочная способности по току, меньшая стоимость по сравнению с IGBT-транзисторами. Указанные выше обстоятельства объясняют преимущественное распространение в зоне больших мощностей преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока с однооперационными тиристорами и отсекающими диодами [1].

Электропривод центробежных насосов магистральных нефте- и газоперекачивающих станций предъявляет жесткие требования к преобразователям частоты: большая единичная мощность, высокие показатели надежности, безотказная работа оборудования в сложных климатических условиях, характеризующиеся высокими летними и низкими зимними температурами. Хотя круг рациональных технических решений и схем высоковольтных преобразователей частоты с АИТ в целом определился, их совершенствование непрерывно продолжается. Для этого требуется дальнейшее развитие полупроводниковых приборов силовой электроники, так как они в значительной степени определяют технико-экономические показатели электропривода в целом.

Конструкция модуля

Для реализации поставленных выше задач по совершенствованию АИТ была разработана и запатентована новая конструкция биполярного модуля с шириной основания 90 мм, позволяющая использовать полупроводниковые элементы тиристоров и диодов большой мощности диаметром 76 мм (рис. 1). Применение такого прибора в преобразователях с АИТ позволяет значительно увеличить мощность преобразователя при сохранении всех преимуществ, которые представляют биполярные модули с изолированным основанием (простота и компактность силовой схемы, низкая индуктивность монтажа, экономия дефицитных материалов и пр.).

Новый биполярный модуль с полупроводниковыми элементами диаметром 76 мм

Рис. 1. Новый биполярный модуль с полупроводниковыми элементами диаметром 76 мм

Модуль изготовлен по технологии прижимного контакта, благодаря чему он имеет высокую энерготермоциклостойкость при значительных токовых нагрузках. Толстое медное основание обеспечивает высокую перегрузочную способность по току в течение нескольких десятков секунд при естественном охлаждении, что является особенно важным для режимов плавного пуска мощных асинхронных двигателей. Конструкция модуля отличается от известных тем, что в нем было применено оригинальное прижимное устройство, включающее в себя восемь стягивающих винтов, расположенных попарно в углах стягивающей пружины (рис. 2). Это позволило снизить нагрузку на каждый винт и, тем самым, обеспечить усилие сжатия 45–50 кН в ограниченном объеме модуля, минимизировать переходные контактные сопротивления между полупроводниковым элементом, теплопроводящим изолятором и медным основанием. При разработке были проведены компьютерное моделирование прижимного устройства и экспериментальные исследования контактной системы модуля с использованием пленок Prescale Fuji. Исследования показали хорошую однородность распределения давления на рабочей площади полупроводникового элемента диаметром 76 мм (рис. 3) и подтвердили правильность выбранной конструкции.

Конструкция нового мощного биполярного модуля в разрезе

Рис. 2. Конструкция нового мощного биполярного модуля в разрезе


Распределение давления на рабочей площади полупроводникового элемента диаметром 76 мм

Рис. 3. Распределение давления на рабочей площади полупроводникового элемента диаметром 76 мм (красный цвет — усилие сжатия 120–130 кг/см2)

Для выполнения требований Visol≥4000 В (эффективное значение) медное основание модуля изолировано от силовых и управляющих выводов с помощью теплопроводящей керамики из нитрида алюминия (AlN). Проведено моделирование изоляции нового модуля при приложении высокого напряжения (~5000 В) между закороченными силовыми выводами и основанием. Распределение напряжения в модуле представлено на рис. 4. В результате моделирования было найдено, что наиболее слабым местом изоляции внутри модуля является пространство между углом анодной шины и основанием. Напряженность электрического поля в данном месте имеет максимальное значение, равное 3,3×106 В/м (рис. 4). Требуемое напряжение изоляции Visol = 4000 В (rms) было достигнуто специальными выступами внутри пластмассового корпуса, в которых располагаются стягивающие винты, и применением пластиковых вставок, изолирующих токоведущие шины от пружины и стягивающих винтов.

Распределение напряжения внутри биполярного модуля (результаты моделирования)

Рис. 4. Распределение напряжения внутри биполярного модуля (результаты моделирования)

Особенности эксплуатации модулей в составе преобразователей на магистральных нефте- и газопроводах связаны со сложными климатическими условиями, в том числе с низкими зимними температурами (до –60 °C). При разработке нового модуля для АИТ эти требования были учтены. В первую очередь использовались конструкционные пластмассы, работающие в широком диапазоне температур –80…+150 °С. Внутренние детали корпуса залиты кремнийорганическим компаундом с высокими диэлектрическими и теплофизическими свойствами, который обеспечивает изоляцию внутри модуля и защиту полупроводниковых элементов от воздействия внешней среды и прямого попадания влаги.

Оптимизация электрических параметров модуля

Применение модулей в составе преобразователей для частотно-регулируемого электропривода на базе АИТ потребовало разработки приборов специальной конструкции и топологии кремниевой структуры с использованием технологии радиационного легирования. Это позволило получить оптимальное соотношение основных параметров тиристора: малые значения падений напряжения и «мягкие» характеристики заряда обратного восстановления при высоких значениях коммутируемых токов и напряжений.

К тиристорам, применяемым в схемах АИТ, предъявляются более жесткие требования к токам обратного восстановления IRM и их скоростям спада (diR/dt). Использование обычных низкочастотных тиристоров становится невозможным, поскольку большие значения заряда обратного восстановления QRR и, соответственно, обратного тока IRM приводят к возникновению недопустимых перенапряжений. В схемах АИТ при коммутации тиристоров скорость спада тока в открытом состоянии (diT/dt) находится в диапазоне 20–50 А/мкс. На рис. 5 приведена зависимость тока обратного восстановления IRM тиристорного модуля с повышенным быстродействием от скорости спада (diT/dt) и амплитуды тока в открытом состоянии IT.

Зависимость тока обратного восстановления от скорости спада тока

Рис. 5. Зависимость тока обратного восстановления IRM от скорости спада тока diT/dt при температуре кремниевой структуры Tj = +130 °C

На рис. 6 показана типовая зависимость тока обратного восстановления от температуры полупроводниковой структуры тиристора.

Зависимость тока обратного восстановления от температуры кремниевой структуры

Рис. 6. Зависимость тока обратного восстановления IRM от температуры кремниевой структуры при скорости спада тока diT/dt = 25 А/мкс

На рис. 7 приведена экспериментальная кривая взаимосвязи тока обратного восстановления и падения напряжения в открытом состоянии тиристорного модуля с повышенным быстродействием.

Взаимосвязь нового тиристорного модуля с повышенным быстродействием

Рис. 7. Взаимосвязь IRM = f(VTM) нового тиристорного модуля с повышенным быстродействием

Основной эффект в увеличении токовой нагрузки в новом тиристорном модуле обеспечивается за счет использования кремниевой структуры с увеличенной активной площадью (~36 см2). Одним из важнейших параметров модуля, который характеризует предельные возможности прибора в аварийных режимах эксплуатации преобразователей, является ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии ITSM. Его величина ограничивается предельнодопустимой амплитудой полусинусоидального импульса тока длительностью 10 мс. Величина ITSM для нового модуля определялась экспериментальным путем. Осциллограммы падения напряжения при протекании импульсов тока через тиристорный модуль амплитудой 37, 40 и 45 кА приведены на рис. 8.

Осциллограммы токов и напряжений во включенном тиристорном модуле

Рис. 8. Осциллограммы токов и напряжений во включенном тиристорном модуле при TС = +130 °C

Видно, что при увеличении амплитуды тока наблюдается сдвиг максимума на кривой V(t) вправо. Это связано с джоулевым разогревом и накоплением тепла в кремниевой структуре при протекании импульса тока большой мощности. При достижении предельного значения тока IT происходит резкий рост напряжения на кривой V(t) и затем такой же резкий спад. Этап нарастания напряжения объясняется сильным уменьшением подвижности носителей при высоких температурах; последующий за ним спад V(t) происходит за счет быстрой модуляции проводимости канала термогенерированной плазмой, возникающей в связи с резкой экспоненциальной зависимостью ni(T) в диапазоне температур +400…+600 °С (ni — собственная концентрация исходного кремния). Поэтому вывод прибора на термогенерационный пик считается предельным режимом. Предельнодопустимое значение ударного тока принимается на уровне 10–20% меньше амплитуды тока, при котором на соответствующей осциллограмме напряжения наблюдается термогенерационный пик.

Экспериментальные результаты

Для надежной и безотказной работы преобразователей на основе АИТ необходимо обеспечить отвод мощности потерь, выделяемой в полупроводниковом элементе тиристорного модуля. Предельная нагрузочная способность модуля определяется максимально допустимой температурой перехода, которая не должна быть превышена в любых режимах работы полупроводникового прибора. Известно, что при снижении рабочей температуры кремниевой структуры полупроводникового прибора на 15–20% интенсивность отказов снижается в два-три раза. С учетом этого для тиристорного модуля, работающего в жестких условиях эксплуатации АИТ, предельнодопустимая температура полупроводниковой структуры была установлена на уровне +105 °С.

Конструкция мощных силовых полупроводниковых модулей с изолированными основаниями предполагает только одностороннее охлаждение. В преобразователях частоты на основе АИТ, как правило, применяется принудительное воздушное охлаждение, которое реализуется обдувом оребренной поверхности охладителя с определенной скоростью и напором охлаждающего воздуха. Для определения предельной нагрузочной способности нового тиристорного модуля были проведены его испытания под токовой нагрузкой в сборе с охладителем в условиях, приближенных к реальным. При этом с помощью тепловизионной системы FLIR проводилась регистрация ИК-излучения и определение температуры на всех деталях модуля. При испытаниях использовался охладитель О58, изготовленный из алюминиевого сплава с запрессованными ребрами размером 300×300 мм. Охладитель О58 при испытаниях располагался таким образом, чтобы его ребра были параллельны направлению потока охлаждающего воздуха. На рис. 9 приведено схематическое изображение модуля в сборе с охладителем. Для уменьшения контактного теплового сопротивления между охладителем и модулем применялась теплопроводящая паста НТС Electrolube.

Новый биполярный модуль в сборе с охладителем О58

Рис. 9. Новый биполярный модуль в сборе с охладителем О58

На рис. 10 показана тепловизионная картина распределения температуры на модуле при протекании выпрямленного среднего тока IT(AV) = 750 А (f = 50 Гц) при температуре окружающей среды Tamb = +25 °C. Тепловое сопротивление охладителя Rth(ha) = 0,030 °С/Вт при скорости охлаждающего воздуха vcfh = 6 м/с.

Тепловизионная картина биполярного модуля, находящегося под токовой нагрузкой

Рис. 10. Тепловизионная картина биполярного модуля, находящегося под токовой нагрузкой (IT(AV) = 750 А, f = 50 Гц)

С помощью тепловизионной системы было определено, что максимальная температура в модуле при указанном выше режиме токовой нагрузки составляла +103,1 °C. Зона максимальных температур точно совпадает с расположением полупроводникового элемента в модуле.

На рис. 11 приведены результаты теплового моделирования нового биполярного модуля с полупроводниковым элементом диаметром 76 мм при нагрузке постоянным током IT(AV) = 800 А и температуре окружающей среды Tamb = 25 °C. В расчетах полупроводниковый элемент представлялся как источник тепла мощностью 1395 Вт. В целях сокращения времени расчетов охладитель задавался с коэффициентом конвекции α = 0,00276 Вт/мм2·°С. Расчетная температура полупроводниковой структуры составила 106 °С.

Распределение температуры в биполярном модуле

Рис. 11. Распределение температуры в биполярном модуле при нагрузке средним током 800 А и температуре окружающей среды Tamb = +25 °C (результаты моделирования)

Из результатов моделирования и испытаний можно констатировать, что разработанный биполярный модуль может обеспечить надежную и длительную работу в АИТ при нагрузке средним током до 800 А и заданных условиях охлаждения.

Разработанные модули испытывались также в составе мощных преобразователей частоты на основе автономных инверторов тока с отсекающими диодами. В схему АИТ были установлены три параллельно соединенных тиристорных модуля. Каждый тиристор нагружался средним током 433 А. К модулям прикладывалось обратное напряжение от коммутирующих конденсаторов АИТ амплитудой 1250 В. Скорость спада тока в открытом состоянии через три параллельно соединенных тиристорных модуля была равной –diT/dt = 63 А/мкс, через один модуль 21 А/мкс.

На рис. 12 показана осциллограмма напряжения при выключении тиристорного модуля. Установившееся значение напряжения в контуре коммутации 1250 В, напряжение на тиристоре с учетом коммутационных всплесков 1550 В, коэффициент перенапряжений ≤1,25. По виду полученной осциллограммы следует отметить плавный характер спада обратного напряжения.

Осциллограмма обратного напряжения при коммутации тиристорного модуля

Рис. 12. Осциллограмма обратного напряжения при коммутации тиристорного модуля

В таблице представлены основные параметры тиристорного модуля М1ТБ-1000-26 и комплектного диодного модуля М1ДЧ-1000-26, разработанных для преобразователей АИТ мощного частотно-регулируемого электропривода.

Таблица. Основные параметры тиристорного модуля М1ТБ-1000-26 и комплектного диодного модуля М1ДЧ-1000-26

Параметры М1ТБ-1000 М1ДЧ-1000
Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии IT(AV) и максимально допустимый средний прямой ток IF(AV) (при температуре корпуса, °С), А 1055 (70) 1155 (90)
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии VDRM и повторяющееся импульсное обратное напряжение VRRM, В 2600 2600
Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии VDSM и неповторяющееся импульсное обратное напряжение VRSM, В 2700 2700
Динамическое сопротивление rT, мОм, не более (Тj = Тjmax, I = 1570–4710 А) 0,30 0,19
Пороговое напряжение VТ(ТО), В, не более (Тj = Тjmax, I = 1570–4710 А) 1,25 1,00
Отпирающий постоянный ток управления IGT, мА, не более (Тj = +25 °С, VD = 12 В) 300
Отпирающее постоянное напряжение управления VGT, В, не более (Тj = +25 °С, VD = 12 В) 3,5
Повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии IDRM и повторяющийся импульсный обратный ток IRRM, мА, не более (Тj = Тjmax, VD,R = 2600 В) 180 100
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (dIT/dt)crit, А/мкс, не менее (Тj = Тjmax, VD = 0,5VDRM, IT = 1400 А, IFG = 2A, tr ≤ 0,5 мкс, f = 50 Гц) 250
Время задержки включения tgd, мкс, не более (Тj = +25 °С, VD = 0,5VDRM, IT = 1400 А, IFG = 2 А, tr ≤ 0,5 мкс) 3,0
Заряд обратного восстановления QRR, мкКл, не более (Tj = Tjmax, I = 1400 А, –(dI/dt) = 25 А/мкс, VR = 100 В) 550 500
Амплитуда тока обратного восстановления IRM, А, не более (Tj = Tjmax, I = 1400 А, –(dI/dt) = 25 А/мкс, VR = 100 В) 110 120
Время выключения tq, мкс, типичное (Tj = Tjmax, I = 1400 А, –(dI/dt) = 25 А/мкс, VR = 100 В, dvD/dt = 50 В/мкс) 80
Электрическая прочность изоляции Visol, В (действующее значение) 4000 4000
Тепловое сопротивление переход–корпус (DC) Rth(j-c), °С/Вт 0,028 0,028
Максимально допустимая температура перехода Tjmax, °С 130 140

Выводы

Результаты моделирования и экспериментальных исследований показали принципиальную возможность создания высокомощных модулей с диаметром полупроводникового элемента 76 мм. Применение новых биполярных модулей позволит улучшить технические характеристики и надежность преобразователей частоты на основе автономного инвертора тока для мощного асинхронного электропривода.

Авторы благодарят А. Ю. Бару за предоставленные материалы по результатам испытаний модулей в составе мощных преобразователей частоты на основе автономных инверторов тока с отсекающими диодами.

Литература

  1. Сокол Е., Бару А., Шинднес Ю., Лукпанов Ж. Опыт разработки и внедрения преобразователей частоты для регулируемого электропривода насосных агрегатов магистральных нефтепроводов // Электротехника. 2004. № 7.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_05_30.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо