摘要：Danfos變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)製(zhi)動(dong)能(neng)力(li)主(zhu)要(yao)與(yu)變(bian)頻(pin)器(qi)內(nei)置(zhi)製(zhi)動(dong)晶(jing)體(ti)的(de)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)和(he)散(san)熱(re)能(neng)力(li)有(you)關(guan)。本(ben)文(wen)根(gen)據(ju)丹(dan)佛(fo)斯(si)變(bian)頻(pin)器(qi)內(nei)置(zhi)製(zhi)動(dong)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)技(ji)術(shu)數(shu)據(ju)和(he)變(bian)頻(pin)器(qi)整(zheng)機(ji)的(de)技(ji)術(shu)數(shu)據(ju)

，提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)估(gu)算(suan)變(bian)頻(pin)器(qi)實(shi)際(ji)製(zhi)動(dong)能(neng)力(li)及(ji)選(xuan)取(qu)製(zhi)動(dong)電(dian)阻(zu)的(de)方(fang)法(fa)，供(gong)大(da)家(jia)參(can)考(kao)。

 

 

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.

 

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%轉矩連續製動的能力。而丹佛斯變頻器設計指南上隻保證了此型號變頻器100%製動轉矩，40%製zhi動dong率lv的de能neng力li。但dan根gen據ju對dui此ci型xing號hao變bian頻pin器qi硬ying件jian和he技ji術shu數shu據ju的de仔zai細xi分fen析xi，我wo們men發fa現xian此ci變bian頻pin器qi實shi際ji具ju有you比bi標biao稱cheng值zhi大da得de多duo的de製zhi動dong能neng力li。下xia麵mian就jiu是shi估gu算suan丹dan佛fo斯si變bian頻pin器qi實shi際ji製zhi動dong能neng力li和he優you化hua選xuan擇ze製zhi動dong電dian阻zu的de詳xiang細xi辦ban法fa。

 

直流中間環節製動動作電壓：1084 VDC

散熱片最高溫度：85 ℃

製動晶體管：DP400C1700S100734
，兩塊並聯。

單塊製動晶體管標稱電流400A；

 

影響變頻器製動能力的主要因素為製動晶體管的導通電流能力、變頻器整機的散熱能力和製動晶體管的散熱能力。下麵逐一分析。

 

首先
，分析製動晶體管的導通電流能力：

按直流製動電流最大值I_{brake_max} = 400 × 2 = 800 A

製動晶體管瞬時最大製動功率P_{brake_peak} = 800 × 1084 = 867 kW

此值高達變頻器標稱功率的244%，因此可知製動晶體管的導通電流能力不是製約變頻器製動能力的關鍵因素。

 

其次分析變頻器工作於連續製動狀態時，變頻器的整機散熱能力。

設變頻器在全速、滿載時發熱量為100%，則變頻器的整機散熱能力也為100%。

按丹佛斯技術資料，可知此時：

變頻器整流部分發熱量是26%，變頻器逆變部分發熱量是74%。

再假設連續製動時
，製動晶體管是連續工作的，製動晶體管上的電流為I_BR

根據能量守恒定律，P_{製動晶體管} = P_電機

推導，I_BR ×V_DC = ×Io ×Vo ×0.86(功率因數) ×0.93(電機效率)

對於T7機型
，V_DC = 1084 V

，電機額定電壓Vo = 660V
，

則 I_BR = 0.843 Io = 0.937 Io_av

因此有統一的結論： I_BR ≈ Io_av，即製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，製動隻有1路

，所以可以一般地認為：

製動晶體管的發熱量 = ×逆變部分發熱量

則連續製動時的變頻器整機發熱量 = 逆變部分發熱量 + 製動部分發熱量

                               =  74% + 74% / 3  =  98.7%

                               ≤ 100%

所以得出結論：變頻器連續製動時的發熱功率不大於變頻器連續電動時的發熱功率，因此變頻器的整機散熱能力不是製約變頻器製動能力的關鍵因素。

 

    進一步的分析表明製約變頻器製動能力的關鍵因素是製動晶體管的散熱能力


，下麵的估算將圍繞製動晶體管的散熱能力展開。

 

製動晶體管的發熱功率 = 導通損耗 + 開關損耗

一、 製動晶體管的開關損耗

單次開（關）的損耗 =                                              

 =  

 =

其中Δt為開關時間，

製動晶體管的總開關損耗P_SW = 單次開（關）損耗× f_SW × 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：

 

開通損耗，與模塊中的快恢複二極管的特性相關

，難以計算。估算中以固定值0.01 J代入。

        關斷損耗 =

 ≈

 =  

製動晶體管的總開關損耗 P_SW = ( 0.01 +  )× f_SW 

本著安全的原則，計算中選擇較大的 P_SW = ( 0.01 +  )× f_SW 

f_SW ，參閱丹佛斯變頻器技術資料，製動晶體管的開關頻率f_SW = 1.2 kHz

Δt
，參閱《FC300設計指南》中的du/dt數據：2261 V/μS

推測Δt = 1084 / 2261 = 0.48 μS。計算時取Δt = 0.5 μS

 

二、 製動晶體管的導通損耗

1． 製動晶體管的導通壓降-導通電流（V_CE-I_C）曲線

附件一中沒有此曲線


，但根據附錄1中製動晶體管DP400C1700S100734的特征參數：

  V_CES=1700 V

  I_C=400 A（T_C=80℃）

  V_CE(sat) = 2.0V（I_C=400A，T_J=25℃）

  V_CE(sat) = 2.4V（I_C=400A,T_J=25℃）

 查到三菱CM400DY-34A和英飛淩FZ400R17KE3的晶體管特性與其完全相同，因此可以使用他們的“V_CE-I_C”特性曲線，獲得製動晶體管的導通壓降。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

此晶體管是正溫度係數的IGBT，所以我們隻需要取發熱最厲害的125℃結溫時的數據，將其數字化，得表一：

 

 

2． 製動晶體管的導通損耗

P_CND = V_CE(sat) × I_C

 

三、 製動晶體的結溫升：

製動晶體管的結溫升T_RISE = ( R_th(j-c) + R_th(c-f) ) × P_LOSS

其中P_LOSS 為製動晶體管開關損耗和導通損耗之和，P_LOSS = P_SW + P_CND

其中R_th(j-c) 為製動晶體管矽片到模塊散熱片的熱阻，從附件一查到R_th(j-c) = 0.06 K/W

其中R_th(c-f) 為製動晶體管模塊散熱片到變頻器散熱片的熱阻，附件一沒有此數據，但是英飛淩模塊DF400R12KE3的封裝與丹佛斯製動晶體管的封裝完全相同
，內部機構相似，而且注意到他們的晶體管熱阻R_th(j-c)也相同，所以計算中可以參照英飛淩模塊DF400R12KE3的數據，取 R_th(c-f) = 0.03 K/W

 

有了以上數據，再依據製動晶體管的最高工作結溫不能超過125℃的限製條件，就能計算丹佛斯變頻器的最大連續製動能力了。

 

首先關於溫度裕度的說明，為了變頻器的安全運行，必須保留一定的IGBTgongzuojiewenyudu，danshiyouyudanfosibianpinqisanrepiandewendujiancequzinibianmokuaineibu，ersanrepiandeshijiwenduyaobinibianmokuaineibudi
，ciwenchayijingshiwomendejisuanyouxiangdangdadewenduyudu。

最大允許結溫升T_RISE-MAX = 最高工作結溫 – 散熱片最高溫度 = 125-85 = 40 ℃

 

計算步驟：

1．首先假設一個製動功率，比如355kW，然後按此功率算出製動晶體管的結溫升T_RISE；

2．如果T_RISE ≤ T_RISE-MAX ，說明在此製動功率下能夠連續製動，

如果T_RISE > T_RISE-MAX 

，則說明在此製動功率下不能連續製動

，製動率Duty% =

表二、製動晶體管結溫計算表：

 

按上述步驟選擇多個製動功率
，得到表三
，製動功率-製動率數據表格：

 

繪製成，曲線一、製動功率-製動率曲線：

 

 

 

 

 

    從製動功率-製動率曲線可以發現丹佛斯FC302P355KT7E5MH2B變頻器具有超過100%製動轉矩連續製動的能力。

 

解決了製動功率-製動率的問題
，接下來還有更實際的問題需要解決—製動電阻的取值。有些變頻器廠家提供了不同製動率下的製動功率-製動電阻關係曲線，供用戶作選取製動電阻之參考
，但是丹佛斯變頻器設計指南中暫無此數據
，所以我們用手工計算的辦法繪製了一張100%製動率時的製動功率-製動電阻關係曲線
，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
，然後根據此製動電阻值可以知道製動電流和製動功率，利用表二可以算出連續製動時製動晶體管的結溫升T_RISE。

2．如果T_RISE ≤ T_RISE-MAX ，說明此阻值下的製動功率P_R能夠滿足100%製動率的要求；

如果T_RISE > T_RISE-MAX ，則說明此阻值下的製動功率P_R隻能滿足Duty% = 的製動要求
，根據P_R ×Duty% = P_Brake-100% ×100%，可以得到調整後的等效連續製動功率：

P_Brake-100% = P_R×

按上述計算辦法
，選取多個製動電阻值，得到表四，等效連續製動功率-製動電阻數據表：

 

繪製成，曲線二


、製動功率-製動電阻曲線：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

首先，製動電阻的最小值受限於製動晶體管的導通電流能力

，因此有：

R_{Brake_min} =  = 1.36Ω

然後
，製動電阻的取值決定了變頻器的最大瞬時製動功率。在此應用例中，用戶要求電機最大製動轉矩不小於110%
，則P_Brake 不小於 355kW×110%×93%(η_電機)×98% (η_變頻器)= 356kW

，製動電阻R_Brake ≤ 1084²/356000 = 3.3 Ω。

小於3.3Ω的製動電阻雖然能夠提供更大的瞬時製動轉矩，但是將增加製動晶體管的散熱負擔，因此滿足最大製動轉矩要求的製動電阻值3.3Ω就是最佳電阻值。

 

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 Intelligent Power Modules. Sep 1998.   MITSUBISHI ELECTRIC

 

 

附件1、DP400C1700S100734模塊技術資料

 

撥打上海津信變頻器專業服務中心7/24技術支持熱線400-888-6560，隨時與我們聯係。