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

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.

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.

Расчёт инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

(2.1)

 

 

где Pн – номинальная мощность двигателя, Вт; k_I = (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; η_н – номинальный КПД двигателя; U_л – линейное напряжение двигателя, В.

Среднее выпрямленное напряжение

(2.2)

В.

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

Выбираем IGBT модуль при условии Iс ≥ Iс.макс. и U_ce≥U_d

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

Параметры IGBT модуля CM100D-Y-12H

 

Потери в IGBT в проводящем состоянии

(2.3)

 

где I_ср = I_с.макс/k₁ – максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора; D = (t_p/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 I_ср и Т_j = 125 °С (типовое значение 2,1–2,2 В).

Потери IGBT при коммутации

(2.5)

 

 

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

Суммарные потери IGBT

(2.6)

 

Потери диода в проводящем состоянии

(2.7)

 

где I_еp = I_ср – максимум амплитуды тока через обратный диод, А; U_ec – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ep, B.

Потери восстановления запирающих свойств диода

(2.8)

 

где I_rr. – амплитуда обратного тока через диод (равные I_cp), A; t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода

(2.9)

 

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле

(2.10)

 

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

(2.11)

 

 

где Т_а – температура охлаждающего воздуха, 45–50 °С; Т_с – температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Р_m – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, одной парой IGBT/FWD, R_th(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 R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство

T_ja ≤ 125 ⁰C.

Температура кристалла обратного диода FWD

(2.13)

 

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

 

§2.5 Расчет выпрямителя.

 

,

В

 

Максимальное значение среднего выпрямленного тока

 

(2.13)

62,5 А

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

 

Максимальный рабочий ток диода

(2.14)

65,3 А

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

 

Максимальное обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)

 

(2.15)

1075,7 В

где k_c ≥ 1,1– коэффициент допустимого повышения напряжения сети; k_3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔU_н – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).

Вентили выбираются по постоянному рабочему току (не менее I_v,m) и по классу напряжения (не менее U_νm/100).

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

65,3 А

1075,7 В

Выбрали вентиль: RM100DZ-24 Имеет вид:

 

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода ()

 

(2.16)

245,3 Вт

 

где k_cs = 0,577 для нулевой трехфазной схемы; k_cs = 0,785 для мостовой трехфазной схемы; R_on – динамическое сопротивление в проводящем состоянии вентиля; U_j – прямое падение напряжения на вентиле при токе 50 мА (U_j + R_onI_dm/k₁) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; m_v – число вентилей в схеме.

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

 

(2.17)

0,054

 

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

 

 

Температура кристалла

(2.18)

⁰C

где R_th(j-c)DV= ^oC/Вт – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного вентиля модуля; n_D – количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство T_jDV ≤ 140 ⁰С.

 

§2.6 Расчет параметров охладителя

 

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

Т.к то необходим принудительный обдув охладителя.

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

(2.19)

Определяем

(2.20)

По полученным результатам выбираем охладитель для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ.

Определяем

Принимаем к установке 7 штук охладителей, тип ТСМ-199-1,4-1,2

длина А=40мм;

ширина B=40мм;

высота H=3,6

R=1,6 Ом.

 

§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 = принимает значения 3…12; f_s – минимальная частота выходного напряжения в ПЧ=30 Гц.

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

Выбираем погонную индуктивность из справочника нГн.

Индуктивность питающей сети переменного тока

(2.23)

мкГн

Ёмкость конденсатора необходимой для реализации LC фильтра

(2.24)

; (2.25)

 

, (2.26)

=

Гн

где I_d – номинальный средний ток звена постоянного тока, А. I_d= I_dm

тогда

мкФ

 

Определяем ёмкость С_о3 необходимую для возврата реактивной энергии в фильтр

(2.25)

80мкФ

 

-амплитудное значение тока, в обмотке низшего напряжения трансформатора = через IGBT ключ

угол сдвига м/у первой гармоникой и на двигателе =27⁰

коэффициент пульсаций на выходе LC фильтра

Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного напряжения.

(2.28)

А

-выбираем наибольшую ёмкость из и ,тогда мкФ

 

Выбираем марку электролитического конденсатора для батареи конденсаторов на ёмкость не менее 2484 напряжением не менее (1,1…1,2)U_d=615,6 В запас по напряжению.

Составляем батарею

 

 

 

 

Выбираются небольшие конденсаторы электролитические с ёмкостью 680 мкФ напряжением 500 В, составляются пары из двух последовательно включённых конденсаторов, ёмкость такой пары 340 мкФ, рабочее напряжение 1000 В. Получается параллельно включённых порядка 4 пар, 8 конденсаторов марки Siemens Matsushita Components. Номинальный ток конденсатора свыше 300А, срок службы 15 лет.

 

 

§2.8 Расчет снабберной цепочки.

 

Снаббер защищает цепь от пробоя напряжения, а в частности защищает силовые транзисторы от выброса мощности вследствие паразитной индуктивности.

Рассматриваем для нашей схемы

Схема	Особенности
	1. Малое число элементов. 2. Низкие потери мощности. 3. Подходит для средней и малой емкости конденсатора.

 

 

=1000 В

Выбираем ёмкость снабберной цепи из расчёта 1 мкФ на 100А коммутированного тока.

(2.27)

Ом

индуктивность цепей снаббера которая не должна быть >10 нГн

Мощность в резисторе

 

(2.28)

Вт

Выбираем высокочастотные резисторы R=49,5/5=10

Набрать снабберный резистор из резисторов типа МЛТ-1Вт, МЛТ-2Вт

Из стандартных значений по шкале сопротивлений с допуском номинала 5%

Соединяется последовательно или параллельно собрать резистор R_CH

Для нашей схемы нам потребуется 12 пар резисторов.

Снабберный диод выбирается по таблице [4] диод должен быть сверх высокочастотным или из методички. Выбираем по току в 20-50 раз меньше среднего тока IGBT транзистора А, напряжение снабберного диода

Вырали снабберный диод серии MBR10120E для функциональной электрической схемы АД эл. Привода с ПЧ.

I_FAV=10А;U_RRM=1200 В;U_FM=1.9В; t_вкл=135 нс; t_откл=150 нс

Таблица алгоритма переключения силовых ключей с интервалом проводимости 180 эл.град.

Для нашей схемы нам потребуется 12 пар таких диодов.

 

 

Таблица алгоритмов переключения силовых ключей с инвертором проводимости.

 

 

Строим временные диаграммы ступенчатых выходных напряжений П/Ч.

 

Строим временные диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.

() (2.31)

(2.32)

В

; ;

(2.33)

где (2.34)

Рассчитываем текущие значения для каждого периода (всего 10)используя диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.

Вт

Аналогично рассчитываем для остальных значений

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте рассчитан УВ и ПЧ для функциональной электрической схемы асинхронного ЭП с ПЧ и электрической принципиальной схемы УВ.

Рассчитаны все основные параметры и выбраны все необходимые элементы схемы.

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР-140610-2007-14

Разраб.

Провер.

Т. Контр.

Н. Контр.

Утверд.

Расчёт УВ и ПЧ для электротехнического комплекса и системы.

Лит.

Листов

ОмГТУ-ЭЭб-319

Масса

Масштаб

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР-140610-3007-14

Разраб.

Провер.

Т. Контр.

Н. Контр.

Утверд.

Расчёт УВ и ПЧ для электротехнического комплекса и системы.

Лит.

Листов

ОмГТУ-ЭЭб-319

Масса

Масштаб

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Герасимов В.Г.,А.Ф.Дьяков,Н.Ф.Ильинский и другие. Электротехнический справочник Т2, МэИ, 2002

2. Герасимов В.Г.,А.Ф.Дьяков,Н.Ф.Ильинский и другие. Электротехнический справочник Т4, МэИ, 2002

3. Ю.З.Ковалёв, Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности Омск 2006

4. Справочник «Охладители воздушных систем для п/п приборов»

5. Чебовский О.Г. Моисеев Л.Г. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 512 с.

6. Охладители воздушных систем охлаждения для п/п приборов.Каталог 05.20.06-86 Информэлектра 1896 31с.