The Evaluation of Danfoss Inverter Braking Ability & Select Brake Resitor
摘要：Danfos變頻器的制動能力主要與變頻器內(nèi)置制動晶體的電流能力和散熱能力有關(guān)。本文根據(jù)丹佛斯變頻器內(nèi)置制動晶體管的技術(shù)數(shù)據(jù)和變頻器整機的技術(shù)數(shù)據(jù)，提供了一種估算變頻器實際制動能力及選取制動電阻的方法，供大家參考。
關(guān)鍵詞：制動率   制動電流  結(jié)溫升
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(shè)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
散熱片最高溫度：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(dǎo)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(dǎo)通電流能力：
按直流制動電流最大值Ibrake_max = 400 × 2 = 800 A
制動晶體管瞬時最大制動功率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(dǎo)通電流能力不是制約變頻器制動能力的關(guān)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(shè)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(shè)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(dǎo)，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(guān)鍵因素。

    進一步的分析表明制約變頻器制動能力的關(guān)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(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗
一、    制動晶體管的開關(guān)損耗
1.    假設(shè)負載是純電阻，開關(guān)時的電壓、電流是線性變化的。
單次開（關(guān)）的損耗 = 
                                     =  
                                     = 
其中Δt為開關(guān)時間，
制動晶體管的總開關(guān)損耗PSW = 單次開（關(guān)）損耗× fSW × 2  
                         = 
        不過這一假設(shè)太理想化了。

 
2.    假設(shè)負載含電感，開通、關(guān)斷的電壓、電流波形如下：



開通損耗，與模塊中的快恢復(fù)二極管的特性相關(guān)，難以計算。估算中以固定值0.01 J代入。
        關(guān)斷損耗 = 
 ≈
 =  
制動晶體管的總開關(guān)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(guān)頻率fSW = 1.2 kHz
Δt，參閱《FC300設(shè)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(dǎo)通損耗
1．    制動晶體管的導(dǎo)通壓降-導(dǎo)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的晶體管特性與其完全相同，因此可以使用他們的“VCE-IC”特性曲線，獲得制動晶體管的導(dǎo)通壓降。


此晶體管是正溫度系數(shù)的IGBT，所以我們只需要取發(fā)熱最厲害的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(dǎo)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(guān)損耗和導(dǎo)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完全相同，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)制動晶體管的最高工作結(jié)溫不能超過125℃的限制條件，就能計算丹佛斯變頻器的最大連續(xù)制動能力了。

制動晶體管的制動功率-制動率曲線
首先關(guān)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。
最大允許結(jié)溫升TRISE-MAX = 最高工作結(jié)溫 – 散熱片最高溫度 = 125-85 = 40 ℃

計算步驟：
1．首先假設(shè)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：


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(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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：


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，制動電阻的最小值受限于制動晶體管的導(dǎo)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最大瞬時制動功率。在此應(yīng)用例中，用戶要求電機最大制動轉(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，因此滿足最大制動轉(zhuǎn)矩要求的制動電阻值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(shù)資料

 

 

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