Управляемый выпрямитель для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Преобразователь частоты с автономным инвер

Обратное напряжение определяется линейным напряжением, так как в непроводящую часть периода неработающие тиристоры присоединены к двум фазам трансформатора через работающие. Ток во вторичной обмотке трансформатора переменный и равен сумме токов тиристоров, присоединенных к данной фазе. Поток вынужденного намагничивания в магнитопроводе не возникает, поскольку по вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях, всегда протекают противоположные по направлению и равные по величине токи.

§1.6 Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет   и 

В (1.15)

где  для трех фазной мостовой схемы и  для трех фазной нулевой схемы.

В

В

В

В

	00	300	450	600	900
	292,5	256,7	204,7	146,2	0

 

При уменьшении  , получается выпрямленное напряжение

  (1.16)

В

В

В

В (1.17)

В

 В

	00	300	450	600	900
	219,3	188,6	153,5	109,6	0

При повышении  , получается выпрямленное распределение

  (1.18)

В

В

В (1.19)

В

 В

	00	300	450	600	900
	321,7	276,6	225,1	160,8	0

0.7 =154 В

Регулировочная  характеристика     

Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной группы при 

 

Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной  группы при 

 

Глава 2.  Расчет двухзвенного преобразователя частоты для частотно-регулируемого электропривода перекачки жидкости

2.1 Описание электрической  схемы электропривода

Схема приведена в конце  курсового проекта. Приложение 2

Основные элементы, входящие в Функциональную электрическую схему асинхронного ЭП с ПЧ: UZ – неуправляемый выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки  в системе управления:

- блок питания,  содержащий восемь развязанных  между собой источников напряжения;

- микроконтроллер  AD на базе сигнального процессора 1899BE1;

- плата индикации  DS с переключателем способа управления  местное / дистанционное;

- блок сопряжения  ТВ по работе с внешними  сигналами или командами;

- согласующие  усилители UD – драйверы IGBT.

2.2 Структура  и принцип действия преобразователя  частоты с промежуточным звеном  постоянного тока

В преобразователе  применена наиболее распространенная для управления асинхронным короткозамкнутым двигателем схема ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения на выходе и неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых вентилей нового поколения – биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

Основные элементы, входящие в схему (2): UZ – неуправляемый  выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки  в системе управления:

- блок питания,  содержащий восемь развязанных  между собой источников напряжения;

- микроконтроллер  AD на базе сигнального процессора 1899BE1;

- плата индикации  DS с переключателем способа управления  местное / дистанционное;

- блок сопряжения  ТВ по работе с внешними  сигналами или командами;

- согласующие  усилители UD – драйверы IGBT.

Работает электропривод  следующим образом. При подаче силового напряжения 380В на вход выпрямителя UZ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра C0, который определяется величинами L0, C0. Одновременно с этим в информационную часть схемы подается питание (напряжения U1 – U8). В процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания U1 – U4 аппаратная защита FA блокирует открывание ключей инвертора и происходит запуск программы управления процессором по аппаратно-формируемой команде "Рестарт". Выполняется предустановка ряда ячеек ОЗУ процессора (установка начальных условий), определяется способ управления "Местное/Дистанционное", "по умолчанию" устанавливается режим работы "Подача" (Q). Если с датчиков тока фаз двигателя ТАА – ТАС, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uс поступает информация о нормальных параметрах, то привод готов к работе, на цифровой индикатор выводятся нули, светится светодиод "Подача". В противном случае загорается светодиод "Авария" и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.

Для управления двигателем процессор формирует  систему трехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте  и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами – “стойками” инвертора, состоящими из последовательно включенных ключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 кГц до 15 кГц.

Методика расчета  приводится для ПЧ с АИН (рис. 7.2), выполненного на гибридных модулях, состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном  корпусе на общей тепловыводящей пластине.

2.3 Расчёт инвертора

Максимальный  ток через ключи инвертора  определяется из выражения:

  (2.1)

 А

 А

где Pн – номинальная мощность двигателя, Вт; kI = (1,2–1,5) – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода; k2 = (1,1–1,2) – коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; ηн – номинальный КПД двигателя; Uл – линейное напряжение двигателя, В.

Среднее выпрямленное напряжение

  (2.2)

В

где kсн = 1,35 для  мостовой трехфазной схемы; kсн = 0,9 –  для мостовой однофазной схемы.

Выбираем IGBT модуль при условии Iс ≥ Iс.макс. и Uce≥Ud

Выбрали 3 модуля CM100D-Y-12H для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ.

Параметры IGBT модуля CM100D-Y-12H

Тип прибора	Предельные параметры			Электрические характеристики									Обратный диод		Тепловые и механические параметры			Масса,г
				UCE(sat), B		Cies, нФ	Cоes, нФ	Cres,нФ	td(on),нс	tr, нс	td(off), нс	tf, нс
	UCES, B	IC, A	PC, Вт	типовое	максимальное								Uf, B	trr, нс	Rth(c-f), oC/Вт	IGBT	Диод
																Rth(j-f), oC/Вт
CM100D-Y-12H	600	100	400	2,1	2,8	10	3,5	2	120	300	200	300	2,8	110	0,15	0,31	0,7	190

Примечание: UCES – максимальное напряжение коллектор-эмиттер; IC – макси мальный ток коллектора; PC – максимальная рассеиваемая мощность; UCE(sat) – напряжение коллектор-эмиттер во включенном состоянии; Cies – входная емкость; Cоes – выходная емкость; Cres – емкость обратной связи (проходная); td(on) – время задержки включения; tr – время нарастания; td(off) - время задержки выключения; tf – время спада; Uf – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора; trr – время восстановления обратного диода при выключении; Rth(c-f) – тепловое сопротивление корпус-охладитель; Rth(j-f) – тепловое сопротивление переход-корпус.

2.4 Потери  мощности в IGBT

Потери в IGBT в  проводящем состоянии

  (2.3)

 А  (2.4)

 Вт

 Вт

где Iср = Iс.макс/k1 – максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора; D = (tp/T) – максимальная скважность, принимается равной 0,95; cos θ – коэффициент мощности, примерно равный cosφ; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Iср и Тj = 125 °С (типовое значение 2,1–2,2 В).

Потери IGBT при  коммутации

 

  (2.5)

Вт

где tc(on), tc(off) –  продолжительность переходных процессов  по цепи коллектора IGBT соответственно на открывание и закрывание транзистора, с (типовое значение tс(on) = 0,3 – 0,4 мкс, tс(off) = 0,6–0,7 мкс); Ucc – напряжение на коллекторе IGBT (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ), В; fsw – частота коммутаций ключей (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000Гц.

Суммарные потери IGBT

   (2.6)

Вт

Потери диода  в проводящем состоянии

  (2.7)

Вт

где Iеp = Iср –  максимум амплитуды тока через обратный диод, А; Uec – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при Iep, B.

Потери восстановления запирающих свойств диода

 

  (2.8)

Вт

где Irr. – амплитуда  обратного тока через диод (равные Icp), A; trr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода

  (2.9)

Вт

Результирующие  потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле

  (2.10)

Вт

Максимальное  допустимое переходное сопротивление  охладитель - окружающая среда   °C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)          

   (2.11)

где Та – температура  охлаждающего воздуха, 45–50 °С; Тс –  температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Рm – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, одной парой IGBT/FWD, Rth(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.

Температура кристалла IGBT определяется по формуле

  (2.12)

где Rth(j-c)q – термическое  переходное сопротивление кристалл–корпус  для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство

Tja ≤ 125 0C.

Температура кристалла  обратного диода FWD

  (2.13) 

где Rth(j-c)d – термическое  переходное сопротивление кристалл–корпус  для FWD части модуля. Должно выполняться  неравенство Тj ≤ 125 0C.

 

2.5 Расчет  выпрямителя

Максимальное  значение среднего выпрямленного тока

  (2.14)

А

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный  рабочий ток диода

  (2.15)

А

где при оптимальных  параметрах Г-образного LС-фильтра, установленного на выходе выпрямителя, kcc =1,045 для мостовой трехфазной схемы; kcc = 1,57 для мостовой однофазной схемы.

Максимальное  обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)

  (2.16)

В

 

где kc ≥ 1,1– коэффициент  допустимого повышения напряжения сети; k3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔUн – запас  на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).

Выбираем вентиль  для функциональной электрической схемы АД эл. при вода с ПЧ по следующим данным:

В

А

Выбираем вентиль RM75DZ-2H

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося  режима работы электропривода ( ):

  (2.17)

Вт

где kcs = 0,577 для  мостовой трехфазной схемы; kcs = 0,785 для  мостовой однофазной схемы; Ron – динамическое сопротивление в проводящем состоянии  вентиля;

Uj – прямое  падение напряжения на вентиле  при токе 50 мА (Uj + RonIdm/k1) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; mv – число вентилей в схеме.

Максимальное  допустимое переходное сопротивление  охладитель-окружающая среда   в расчете на выпрямитель

  (2.18)

где Rth(c-f) – термическое  переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля.

Температура кристалла

  (2.19)

0С

 

где Rth(j-c)d – термическое  переходное сопротивление кристалл–корпус  для одного вентиля модуля; nD –  количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство TjDV ≤ 140 0С.

2.6 Расчет  параметров охладителя

При установке  модулей (выпрямитель, инвертор) на общий  охладитель требуемое сопротивление  определяется аналогично суммарному сопротивлению  при параллельном включении резисторов

Т.к мы предусматриваем  общий охладитель для выпрямленного  и автономного инвертора то тепловое сопротивление охладителя находятся  по формуле

  (2.20)

Используя график зависимости теплового сопротивления   скорости воздушного потока при принудительном охлаждении радиатора (рис. 1) определяем что при скорости обдува V=6м/с   

рис. 1

Определяем

 при 6 м/с

 

По полученным результатам выбираем охладитель для  вентиля функциональной электрической  схемы АД эл. привода с ПЧ. [6]

2.7 Расчет  сглаживающего фильтра

Коэффициент пульсаций  на входе фильтра (отношение амплитуды  напряжения к среднему значению)

   (2.21)

где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы, m = 2 для однофазной мостовой схемы).

Параметр сглаживания LC-фильтра

  (2.22)

где S = q1вх/q1вых  – коэффициент сглаживания по первой гармонике; fs – минимальная  частота выходного напряжения в  ПЧ, равная 30 Гц.

В качестве индуктивности  используем паразитную индуктивность  питающей кабельной линии, задаёмся длинной кабельной линии  (50…100)м