Puolijohteen syklisen kuormituksen mitoitus taajuusmuuttajassa

Abstract

Taajuusmuuttajissa syklisen kuormituksen tiedetään aiheuttavan merkittävän määrän ennenaikaisia puolijohteiden vikaantumisia. Ennenaikaisen vikaantumisen välttämiseksi, taajuusmuuttaja täytyy mitoittaa asiakkaalle myös eliniän osalta. Eliniän perusteella mitoittaessa keskeisessä asemassa on riittävän tarkka eliniän määritys käyttökohteen kuormituksessa. Tässä diplomityössä tutkitaan, miten taajuusmuuttaja voidaan mitoittaa asiakkaalle enneaikaisen vikaantumisen välttämiseksi. Tässä työssä vikaantumisen tutkiminen rajataan hitaasti pyöriviin tahtikonekäyttöihin, joissa syklisen kuormituksen aiheuttama taajuusmuuttajan eliniän aleneminen on tunnettu ongelma.

Mitoituskäyttöön kehitetään empiirisiin malleihin ja kertoimiin perustuva yksinkertaistettu laskentamalli, jolla saadaan laskettua elinikä taajuusmuuttajan puolijohteille kuormituksessa. Tutkimalla erilaisten kuormitusten vaikutusta taajuusmuuttajan elinikään, voidaan mukauttaa mitoitustoimet eri käyttökohteille sopivaksi. Saatujen tutkimustulosten perusteella taajuusmuuttajan elinikään vaikuttaa kuorman lisäksi merkittävästi myös moduloidun jännitteen kytkentätaajuus sekä taajuusmuuttajan nimellisvirran suuruus. Taajuusmuuttajaa mitoittaessa voidaan tällöin syklisen kuorman elinikää alentavan vaikutuksen mitätöimiseksi joko alentaa kytkentätaajuutta tai mitoittaa suurempikokoinen taajuusmuuttaja. Kytkentätaajuuden alentamisen ei tässä tutkimuksessa havaittu vaikuttavan merkittävästi moottorivirran virtaväreeseen, kun kuormana oli suuri tahtikone.

In frequency converters, cyclic loads are known to cause a significant number of premature semiconductor failures. To avoid this premature failure, the frequency converter must be sized correctly for the customer in terms of service life. Accurate lifetime expectancy prediction is an essential part of sizing a frequency converter for the customer application. In this master’s thesis, the reliability of power semiconductors is investigated under cyclic loading. The obtained lifetime expectancy results are then used for sizing a frequency converter for the customer requirements to avoid premature failures. The study is limited to slow-rotating synchronous machines, which are well known to cause premature failures for frequency converter’s power semiconductors.

A simplified simulation model based on empirical models and coefficients is proposed for the lifetime expectancy calculation of frequency converter’s power semiconductors. By studying the effect of the cyclic load on the power semiconductors, sizing techniques can be adjusted for various different applications. Based on the obtained research results, the power semiconductor’s lifetime expectancy is mostly affected by the switching frequency of the modulated voltage and the size of the frequency converter, ie. the nominal current. When sizing the frequency converter, the switching frequency can be reduced or a larger frequency converter can be selected for the customer’s application. In this study, the reduction of the switching frequency was not found to have a significant effect on the motor current ripple when the load was a large synchronous machine.