Контрольная работа по дисциплине : «Электротехнические комплексы, системы и сети»

Недостатки  ПЧ с АИН:

• нереверсивность при выполнении по основной схеме;
• большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.

 

2. Расчет инвертора

Выбор транзисторов IGBT ключей.

Максимальный  ток через транзистор:

                                                                   (2.41)

где К₁ = (1,2 ÷ 1,5) – рекомендуемый коэффициент допустимой кратковре-менной перегрузки по току;

К₂ = (1,1 ÷ 1,2) – коэффициент пульсации тока;

η – КПД  ПЭД с учетом КЛ:

                               ;                      (2.42)

η_тр – КПД трансформатора:

cosφ_УЭЦН – коэффициент мощности установки УЭЦН с КЛ:

                                                (2.43)

 

 

 

 

S_Σ – полная мощность на входе КЛ;

Выпрямленное  среднее напряжение:

                           (2.44)

где К_сн – схемный коэффициент неуправляемого выпрямителя.

 

Тип транзистора  выбираем по справочнику с посто-янным током I_C ≥ I_C.max и постоянным напряжением U_СЭ ≥ U_d. Выбираем модуль (полумост) IGBT фирмы Mitsubishi треть-его поколения CM300DY-12H с параметрами приведенными в табл. 4.

 

 

 

Таблица №4

Тип прибора	Предельные  параметры			Электрические характеристики
	UCES, B	IC, A	PC, Вт	UCE(sat), B		Сies, нФ	Сoes, нФ	Сres, нФ	td(on), нс
				типовое	макси-мальное
CM400DY-12H	600	400	1500	2,1	2,8	40	14	8	350

Таблица №4 (продолжение)

Электрические характеристики			Обратный диод		Тепловые и механические параметры
tr, нс	td(off), нс	tf, нс	Uf, B	trr, нс	Rch(c-f), ºC/Вт	IGBT	Диод	Масса, г
						Rch(j-c), ºC/Вт
600	350	300	2,8	110	0,09	0,085	0,18	400

U_CES – максимальное напряжение коллектор – эмиттер;

I_С – максимальный ток коллектора;

Р_С – максимальная рассеиваемая мощность;

U_CE(sat) – напряжение коллектор – эмиттер во включенном состоянии;

С_ies – входная емкость;

С_oes – выходная емкость;

С_res – емкость обратной связи (проходная);

t_d(on) – время задержки включения;

t_r – время нарастания;

t_d(off) – время задержки выключения;

t_f – время спада;

U_f – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора;

t_rr – время восстановления обратного диода при выключении;

R_th(c-f) – тепловое сопротивление корпус – охладитель;

R_th(f-с) – тепловое сопротивление переход – корпус.

 

 

 

Пригодность транзистора проверяем с помощью  теплового расчета

Потери IGBT в проводящем состоянии:

                         (2.45)

где I_СР – амплитуда тока на входе инвертора

                               (2.46)

U_СЕ(sat) – падение напряжения на включенном IGBT;

D – отношение ;

cosΘ ≈ cosφ_УЭЦН.

Потери IGBT при коммутации:

                     (2.47)

где t_c(on) – время включения IGBT ключа:

             (2.48)

t_c(off) – время выключения IGBT ключа:

            (2.49)

U_CC = U_d;

f_SW – частота коммутации IGBT ключей (частота ШИМ), обычно выби-рается в диапазоне от 5000 до 15000 Гц. Принимаем частоту f_SW на минимальной, т.е. 5000 Гц для уменьшения коммутационных потерь мощности в IGBT.

Суммарные потери в модуле IGBT:

                         (2.50)

Потери мощности в диоде.

Потери в  проводящем состоянии (2.51):

где I_EP – амплитуда тока через диод ≈ I_СР;

U_ЕС – падение напряжения на диоде ≈ U_f.

Потери при  запирании диода (2.52):

где I_RR – амплитуда обратного тока ≈ I_CP;

t_RR – длительность обратного тока ≈ t_rr.

 

 

 

Суммарные потери диода:

                    (2.53)

Результирующие  потери в паре IGBT – диод:

                     (2.54)

Найденные результирующие потери являются основой  для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяется тип  и геометрические раз-меры охладителя, а так же проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

 

3. Расчет охладителя

Тепловое  сопротивление структуры охладитель – окружающая среда:

        (2.55)

где R_th(f-a) – тепловое сопротивление, используемое по аналогии с понятием электрическое сопротивление для проведения тепловых расчетов;

Т_С = 90 ÷ 110 ºС – рекомендуемая температура охлаждающей пластины;

Т_А = 45 ÷ 50 ºС – температура воздуха внутри корпуса ПЧ.

Температура кристалла обратного диода должна соответствовать условию:

             (2.56)

123,3 ≤ 125º С – условие выполняется.

Температура кристалла транзистора должна соответствовать  этому же условию:

            (2.57)

117,3 ≤ 125ºС – условие выполняется.

 

4. Расчет выпрямителя

Максимальное  значение выпрямленного тока I_dm:

                       (2.58)

где n – количество IGBT транзисторов.

                (2.59)

Максимальный  ток диода:

                         (2.60)

где К_СС = 1,045 – коэффициент для мостовой трехфазной схемы при опти-мальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

 

 

Обратное  максимальное напряжение на диоде (2.61):

где К_ЗН ≥ 1,15 – коэффициент запаса по напряжению;

К_С ≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

К_СН = 1,35 – схемный коэффициент неуправляемого выпрямителя;

∆U_П = (100 ÷ 150) В – запас на коммутационные выбросы в звене посто-янного тока.

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу на-пряжения. Выбираем диодный модуль RM250DZ-24 со средним прямым током I_FAV = 250 А и импульсным повторяющимся обратным напряжением U_RRM = 1200 В (двенадцатый класс). Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя.

Расчет потерь мощности в выпрямителе:

                         (2.62)

где К_СS = 0,577 – коэффициент для мостовой трехфазной схемы;

m – число диодов;

R_on – динамическое сопротивление диода в проводящем состоянии;

U_j – прямое падение напряжения на полупроводниковом приборе при токе 50 мА. Для диода .

Тепловое  сопротивление охладителя:

         (2.63)

где Т_с = 100ºС – температура теплопроводящей пластины модуля охладителя;

Т_а = 45ºС – температура охлаждающего воздуха;

 

 

 

 

R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля. При установке модулей (выпря-митель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при парал-лельном включении резисторов

         (2.64)

 

5. Расчет фильтра

Для расчета  фильтра принимаем коэффициент  сглаживания пульсаций S = (3 ÷ 12). Чем больше S, тем больше габариты фильтра, поэтому выбираем S = 3.

Коэффициент пульсации на входе фильтра:

                        (2.65)

Определяем  произведение:

      (2.66)

где f_S = 30 Гц – минимальная частота полупроводникового ПЧ;

L₀ – индуктивность дросселя для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя К_М ≈ 0,95, определяется из следующих условий:

         (2.67)

Выбираем  стандартное значение L₀ = 0,45 мГн

С₀ выбирается из двух условий:

• во-первых, из условия реализации LC-фильтра, как

                                            (2.68)

• во-вторых, должна обеспечивать возврат реактивной энергии электро-двигателя в конденсатор через обратные диоды инвертора:

                                (2.69)

 

где I_SM – амплитудное значение тока в обмотке низшего напряжения транс-форматора, примерно равное максимальному значению тока через IGBT ключ инвертора (306,2А);

φ₁ – угол сдвига между первой гармоникой фазового напряжения и фазо-вого тока, примерно равный arccosφ_УЭЦН ≈ 28,36º (cosφ_УЭЦН = 0,88);

q₁ – коэффициент пульсации, определяемый из выражения:

               (2.70)

f_SW – частота ШИМ, ранее принята 5000 Гц.

Определяем емкость конденсатора С₀₂, необходимого для реализации LC-фильтра:

Для практической реализации фильтра используем конденсаторы с наибольшим значением емкости  С₀₁, С₀₂, т.е. конденсаторы с емкостью 1504 мкФ.

Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте  пульсаций выпрямленного тока (1 ой гармонике):

В зависимости  от величины емкости С₀₁ и амплитуды тока I_C0m форми-руем батарею конденсаторов емкостью не менее 1504 мкФ, допустимым по амплитуде током более 12,28 А и напряжением не менее (1,1…1,2)∙U_d, т.е. (1,1…1,2)∙513 ≥ 615,6 В. Запас по напряжению и току берется в зависимости от требуемого ресурса работы инвертора.

Из соображений  приемлемой стоимости, удобства распределенного  размещения электролитических конденсаторов  в преобразователе частоты для  уменьшения индуктивности монтажа, ремонтопригодности, доступности приобретения отдаем предпочтение батарее из “мелких” конденсаторов фирмы Siemens Matsushita Componens (10 конденсаторов по 680 мкФ/500 В, включенных по два последовательно для повышения рабочего напряжения – всего 5 таких пар емкости по 340 мкФ, которые включены параллельно для получения заданной емкости С₀ > C₀₁).

Возможно  также  применение в сглаживающем фильтре преобразовате-ля частоты для установки УЭЦН новых силовых компактных конденсаторов серии ЗСС НЗТМ фирмы EPCOS. Эти конденсаторы специально предназна-чены для монтажа непосредственно на выходные зажимы IGBT модулей. Специальный соединитель между IGBT и РСС НРТМ обеспечивает номинальную емкость и низкую индуктивность схемы. Основные параметры конденсаторов серии РСС НРТМ: номинальное напряжение 900…6000 В (выбираем напряжение 2000 В); номинальная емкость более 10000 мкФ; номинальный ток свыше 300 А; предельный импульсный ток до 200 кА; индуктивности 15… 40 нГн; гарантийный срок службы 15 лет; компактный