Розрахувати силову частину асинхронного привода

 

КОМПЛЕКСНА ПРАКТИЧНА  РАБОТА№2

Тема: Розрахувати силову частину асинхронного привода .

Мета: Оволодіти методикою розрахунку силової частини привода змінного струму .     

Варіанти завдань до

практичної роботи:

                                                                      Таблиця1

1	2	3	4	5	6
N% варианта	Uл,B	Pн,кВт	cos φ	ηном,КПД	fс ,Гц
17	660	26.5	0.89	0.95	50

 

Методика розрахунку розрахунку силової частини привода змінного струму .     

 

Вихідні дані для розрахунку наведені у таблиці1 :

- номінальна потужність Р_ном;

- частота живлячої мережі f_с;

- номінальний ККД η _ном;

- номінальна напруга двигуна;

- коефіцієнт потужності cos φ.

Розрахунок силової частини перетворювача частоти з ланкою постійного струму починаємо з вихідного силового модуля(автономного інвертора).

Визначаємо максимальний струм крізь силові ланцюги вентилів інвертора за формулою :

     (2.1)

де Р_ном – номінальна потужність двигуна, Вт;

      k₁ = 1,15 – 1,4 – коефіцієнт припустимого короткочасного перевантаження з струму;

      η_ном– номінальний ККД двигуна;

      U_л – лінійна напруга двигуна, В.

 

Струм на вході інвертору  розрахуємо за формулою:

                               (2.2)

Оскільки транзистори даного типу мають великий запас зі зворотної напруги, обираємо IGBT за номінальним струмом колектора (I_{с ном} ≥ I_{с max}) та визначаємо за довідником його головні параметри: CM75DY-12H

- максимальний струм  колектора I _c = 75

- максимальна  зворотна напруга колектор - емітер U _ce = 600

- максимальна розсіює  потужність P _c = 310

- максимальна пряма  напруга у включеному стані  U _ce(sat) = 2,8

- пряме падіння напруги на діоді в провідному стані U_f = 2,8

- час затримки включення t _{с (on)} = 0,00000012

- час наростання імпульсу  t _r = 0,0000003

- час затримки вимкнення t _с(off) = 0,0000002

- тривалість імпульсу зворотного струму t_rr = 0,00000011

- час спаду t _f = 0,0000003

- термічний перехідний опір  кристал – корпус для діодної  частини модуля R_th(j-c)d = 0,9

- термічний перехідний опір  кристал – корпус для транзисторної  частини модуля R_th(j-c)Т = 0,4

- термічний перехідний опір корпус-поверхня теплопроводячої пластини модуля з розрахунку на одну пару транзистор - зворотній діодR_th(c-f).

Розрахунок втрат в автономному інверторі при формуванні змінного струму на виході є наступним.

Втрати в IGBT в провідному стані розрахуємо за формулою:

     (2.3)

     де  D = t_р /T ≈ 0,95 – максимальна скважність;

       cos θ ≈ cos φ  ;

                 U_ce(sat) – пряме падіння напруги на IGBT у включеному стані.

Втрати IGBT при комутації розрахуємо за формулою:

,   (2.4)

де t_c(on) ; t_c(оff) – тривалості перехідних процесів IGBT на відкривання і закривання  транзистора;

       U_ce – напруга на колекторі IGBT, В;

       f_sw = 10³ Гц – частота комутацій ключів.

 

             Сумарні втрати IGBT складуть:

       P_Q = P_SS + P_SW = 23,313 + 0,042 = 23,35                                                     (2.5)

Втрати зворотних діодів в провідному стані розрахуємо за формулою:

,    (2.6)

де I_ер = I_cр – максимальна амплітуда струму через зворотний діод, А;

U_ce = U_f – пряме падіння напруги на діоді в провідному стані, В.

Втрати при  відновленні замикаючих властивостей діода розрахуємо за формулою:

,     (2.7)

де I_rr ≈ I_cр – амплітуда зворотного струму через діод, А;

t_rr – тривалість імпульсу зворотного струму.

Сумарні втрати діода складуть:

    P_D = P_DS + P_DR = 4,996 + 0,016 = 5,012                                                (2.8)

Результуючі втрати в  IGBT зі зворотнім діодом:

       

         P_T = P_Q + P_D= 23,35 + 5,012 = 28,362                                                       (2.9)

На основі отриманих результатів виконуємо тепловий розрахунок автономного інвертора, в ході якого визначаються необхідність, тип і геометричні розміри додаткового охолоджувача, а також перевіряється тепловий режим роботи кристалів IGBT і зворотного діода.

Максимально припустимий  перехідний опір охолоджувача - довкілля R_th(f-a), ⁰C/Вт, з розрахунку на одну пару транзистор - зворотній діод визначаємо за формулою :

        ,                                                 (2.10)

де Т_а = 40 ⁰С – температура охолоджуючого повітря;

Т_с = 100 ⁰С – температура теплопровідної пластини;

Р_Т – сумарна потужність , що розсіюється однією парою транзистор-зворотній діод ;

R_th(c-f) – термічний перехідний опір корпус - поверхня теплопровідної пластини модуля в розрахунку на одну пару транзистор - зворотній діод.

 

Температура кристала IGBT визначаться за формулою:

    T_jТ = T_c + P_Q∙R_th(j-c)Т  = 100 + 23,35*0,4 = 109,34                            (2.11) 

де R_th(j-c)Т – термічний перехідний опір кристал - корпус для IGBT частини модуля, ⁰C/Вт.

Температура кристала зворотного діоду визначаться за формулою :

T_jd = T_c + P_D∙R_th(j-c)d,= 100 + 5,012*0,9 = 104,51              (2.12) 

де R_th(j-c)d – термічний перехідний опір кристал – корпус для діодної частини модуля.

За даними проведеного розрахунку перевірити виконання умов неперевищення максимальної для силового блока інвертора температури

T_jd < T_jмах , T_jТ< T_jмах та зробити висновок про необхідність встановлення додаткового охолоджувача.

Продовжуємо розрахунок силової частини перетворювача  розрахунком некерованого випрямляча.

 

 

Середню випрямлена напругу розрахуємо за формулою : 

          U_d = к_с.∙U_л = 1,35*660 = 891                                                       (2.13)

де к_с =1,35 – коефіцієнт схеми, що характеризує співвідношення напруг U_d/U_л в трифазній мостового випрямляча.

Максимальне значення середнього випрямленого струму розрахуємо за формулою :  

                                  (2.14)

де n – кількість IGBT в автономному інверторі.

 

Максимальний робочий струм діода розрахуємо за формулою :  

       I_вm = k_cc∙I_dm = 0,33*44,158 = 14,572                                         (2.15)

де k_сс  =0.33 - коефіцієнт схеми для мостовий трифазної схеми випрямляча. 

Максимальна зворотна напруга діода визначається за формулою: 

               U_звm = k_з.н∙k_с.н∙ U_d + ΔU_n = 1,1*1,05*891+89,1= 1.118                                                                                                        (2.16) 

де k_c = 1,05 – коефіцієнт схеми для мостовий трифазної схеми випрямляча;

k_зн  = 1,1 – коефіцієнт запасу за напругою;

ΔU_n =0,1∙U_d – запас на комутаційні перепади  напруги в ланці постійного струму.

За розрахованими даними обираємо тип силових діодів та визначаємо за довідником їх головні параметри: Д206

- середній прямий струм I_пр.ср. = 100МА

- ударний прямий струм  I_пр.уд. = 0,6А

- повторюваний імпульс  зворотної напруги U_{зв и} = 100В

- максимальна зворотна  напруга U_зв. = 75В

- пряме падіння напруги U_j = 1В

- динамічний опір R_on = 10 Ом

- термічний перехідний  опір кристал – корпус для діодної частини модуля R_th(j-c). = 125˚С/Вт

На основі отриманих результатів виконуємо тепловий розрахунок випрямляча, в ході якого визначаються необхідність, тип і геометричні розміри охолоджувача, а також перевіряється тепловий режим роботи діодів.

Втрати у випрямлячі для сталого режиму роботи електропривода розрахуємо за формулою :   

,       (2.17)

де k_cs = 0,58 – коефіцієнт для мостової трифазної схеми;

      m_ν – кількість діодів у схемі. 

Максимальний припустимий перехідний опір охолоджувач - навколишнє середовище в розрахунку на випрямляч:

,       (2.18)

де R_th(c-f) – термічний перехідний опір корпус - поверхня теплопроводящей пластини модуля.

Температура кристала визначається за формулою:

       ,         (2.19)

де n_D – кількість напівпровідникових приладів у модулі;

R_th(c-f)DV– термічний перехідний опір корпус-кристал для одного напівпровідникового приладу модуля.

За даними проведеного розрахунку перевірити виконання умови неперевищення максимальної для силового блока інвертора температури

T_jDV < T_jDVмах та зробити висновок про необхідність встановлення додаткового охолоджувача.

Продовжуємо розрахунок силової частини перетворювача  розрахунком LC-фільтра. Коэффициент пульсаций на входе фильтра дорівнює:

 ,                                                 (2.20)

де m =6 - пульсність схеми  випрямлення (m = 6 для трифазної мостової схеми).

 Параметр згладжування LC-фільтра:

     ,                          (2.21)

де S = q_1вх/q_1вих = 4 - коефіцієнт згладжування за першою гармонікою;

f_с - частота мережі.

Індуктивність дроселя LC-фільтра обирається з таких умов:

          L₄ ≥ L_0min        (2.22)

           ,        (2.23)

де I_d = I_dm/k₁ - номінальний середній струм ланки постійного струму.

 

Ємність конденсатора, LC-фільтра обирається з таких умов:

      ,                       (2.24)

де  φ₁ = 29⁰ - кут зсуву між першою гармонікою фазної напруги і фазного струму;

f_sw =10³ Гц - частота ШІМ.

 

Висновок: В ход