Проектирование электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Введение систем с управляемыми статическими полупроводниковыми преобразователями энергии-общая тенденция развития современного регулируемого электропривода. С освоением промышленностью выпуска мощных силовых транзисторов и современной микропроцессорной техники создаются условия для разработки преобразователя частоты с высокими технико-экономическими показателями. Частотное регулирование угловой скорости електропривода переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находят широкое применение на судах.

Возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя вытекает из формулы:

Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы мощностью от единиц до сотен киловатт достаточно широко применяют в судостроении. Современный этап развития данного вида техники характеризуется существенным повышением технико-экономических показателей преобразователей частоты за счет использования новых полупроводниковых приборов - запирающих GTO-тиристоров и силовых IGBT-транзисторов, микропроцессорных систем управления, прогрессивных конструкторских и схемотехнических решений.

Создаются также специальные асинхронные двигатели, предназначенной для работы в режиме регулирования скорости от преобразователей частоты. Ведущие зарубежные электротехнические фирмы уже освоили производство транзисторных и тиристорных преобразователей частоты для электропривода.

Основой таких преобразователей являются, как правило, трехфазные автономные инверторы напряжения с разного рода широтно-импульсным управлением.

Разработка проводится по следующим направлениям:

- разработка GTO-тиристоров и быстровосстанавливаемых диодов;

- разработка IGBT-транзисторов в виде модулей;

- разработка специальных малоиндуктивных конденсаторов для защиты инверторов;

- разработка специальных фильтровых конденсаторов большой единичной ёмкости для входных цепей инверторов;

- разработка новых решений схемотехники в части силовой схемы и системы управления преобразователя;

- разработка оптимальных алгоритмов управления и регулирования преобразователя и элктропривода;

- разработка микропроцессорных систем управления и их программного обеспечения.

Создаваемые на базе вышеуказанных элементов и технических решений преобразователи частоты и электроприводы должны отличаться от преобразователей частоты и электроприводов, которые теперь выпускаются более высокими КПД, коэффициентом мощности, лучшими массогабаритными показателями, регулирующими характеристиками, повышенной надежности.

1. Техническое задание

Сделать расчеты преобразователя частоты для регулирования скорости асинхронного двигателя (АД). Технические данные двигателя необходимо взять из таблицы д 1 в соответствии с заданным вариантом.

Следует полагать, что:

- пусковой ток двигателя: Iп = 1,5 Iн.

- момент нагрузки на валу двигателя активного характера и приравнивается к номинальному значению;

- нужный диапазон регулирования скорости: D = 5… 20.

Типоразмер электродвигателя: 4А200L8У3

Номинальная мощность:

Скольжение s=2,7%

КПД ?=90%, (при Р2 / Рн=50%) ?=88,5% (при Р2 / Рн=100%).

Cos ?=0,75% (приР2 / Рн=50%) и 0,84% (при Р2 / Рн)

Параметры схемы замещения:

X0=3,1 о.е.

Rм1=0,62 о.е.

Xм1=0,14 o.e.

R?2=0,029 o.e.

X?2=0,18 o.e.

Частота вращения n=750 об/мин.

2. Выбор схемы преобразователя

выпрямитель автономный инвертор фильтр

Автономный инвертор напряжения строится по мостовой схеме. Используется принцип однократной коммутации вентилей с продолжительностью ведущего положения ключей 180 электрических градусов, или широтно-импульсная модуляция. При использовании ШИМ автономный инвертор выполняет регулирование частоты и напряжения одновременно. В таком случае на входе преобразователя используют нерегулируемый выпрямитель, а торможение двигателя происходит путём выключения двигателя от источника постоянного напряжения и замыкание статора на активное сопротивление. При частотно-регулируемом торможении необходимо передавать энергию от двигателя к сети переменного тока. Такой режим становится возможным при использовании реверсивного управляемого выпрямителя, в котором одна группа вентилей работает в режиме управляемого выпрямителя, а вторая - в режиме ведомого сетью инвертора.

При значительном отличии напряжения сети от напряжения двигателя используют согласованный трансформатор, через который напряжение подается на вход выпрямителя. При отсутствии трансформатора на входе выпрямителя включают токоограничительные реакторы.

Функциональная схема преобразователя частоты приведена на рисунке 1.

На схеме изображены:

УВР - управляемый реверсивный выпрямитель; Ф - фильтр звена постоянного тока; АИН - автономный инвертор напряжения; СУВ, СУИ - системы управления выпрямителем и инвертором соответственно; ФП - функциональный преобразователь; Uзс, Uзн, Uзч - сигналы задания скорости, напряжения и частоты.

3. Проектирование автономного инвертора напряжения

Автономный инвертор напряжения выполняется по мостовой схеме. Принципиальная схема инвертора изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема автономного инвертора напряжения.

Силовые ключи (IGBT модули) выбирают по напряжению и току нагрузки. Для этого используют технические параметры асинхронного двигателя, которые приведены в таблице д1.

Вычислим значение номинального тока статора:

где Р_н, U_н - номинальная мощность и фазное напряжение АД, Вт, В;

cos , _н - номинальный коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя.

Значення пускового тока:

I_П=2·I_1Н=2?25,95=51,92А.

Наибольшее напряжение, которое может быть подано на транзисторный ключ равняется напряжению цепи постоянного тока

U_dн=3·U_н/=3?380/1,414=806,22В.

Среднее значение тока, который употребляется инвертором из цепи постоянного тока при номинальной частоте АИН равняется:

где К_вг = 1,1 … 1,2 - коэффициент, который учитывает влияние высших гармоник.

Активное R_ен и индуктивное X_ен напряжения найдём по схеме замещния асинхронного двигателя (рисунок 3).

Выделяем параметры схемы замещения асинхронного двигателя:

R₁=R_?·R₁'=14,64?0,62=9,08 Ом.

R₂'=R_?·R₂''=14,64?0,029=0,42 Ом.

Х₁=R_?·Х₁'=14,64?0,14= 2,02 Ом.

Х₂'=R_?·Х₂''=14,64?0,18= 2,63 Ом.

X_?=R_?·Х₀= 14,64?3,1= 45,39 Ом.

Активным сопротивлением контура намагничивания можно пренебречь, ввиду его незначительной величины.

Номинальное сопротивление, которое рассматривается как базовое:

Для номинальной частоты АИН определяется активное и индуктивное сопротивление фазы асинхронного двигателя:

где s_н - номинальное скольжение, которое обусловлено относительной разницей угловой скорости магнитного поля ₀ и угловой скорости ротора АД _н:

В состав модулей входят транзисторы и диоды, параметры которых согласованы с паспортными параметрами модуля, потому нет необходимости расчитывать значения отдельных элементов.

Среднее значение тока, который проходит через ключ:

где m - количество фаз преобразователя.

Выбираем IGBT модули фирмы SEMIKRON из таблицы д2 на основании условия.



где кпер - коэффициент кратности перенагрузки по току (задаётся в техническом задании), I_к, U_ке - каталожные параметры IGBT модулей (таблица д2).

Тип модуля: SKM22GD123D,

Ток коллектора Ik=22A.

Напряжение коллектор-эмиттор: Uкэ=1200В, при Т=25 °С.

Мощность Ркmax=145Вт.

Ukнас=3 В.

Схема прибора IGBT приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема IGBT модуля SKM22GD123D фирмы SEMIKRON

4. Выбор схемы и расчёт параметров выпрямителя

4.1 Выбор схемы выпрямителя

Выбор схемы выпрямителя зависит от мощности нагрузки. При мощности нагрузки меньше одного киловатта может использоваться однофазная схема выпрямителя. При небольшой мощности нагрузки рекомендуется использовать трёхфазную схему с центральной точкой. Это упрощает и удешевляет схемы управления выпрямителем. Однако использование этих схем оправдано при невысоких требованиях к КПД, нагрузке и небольшом диапазоне регулирование напряжения, так как в этих схемах частота пульсаций в два раза меньше по сравнению с трёхфазной мостовой схемой. В выпрямителе средней и большой мощности (больше 10кВт), используют, как правило трёхфазную мостовую схему.

4.2 Выбор и расчёт параметров силового трансформатора

Для согласования напряжения двигателя с напряженим сети используются силовые трансформаторы. Необходимость использования трансформатора может быть рассчитана исходя из необходимого значения наибольшего напряжения на выходе выпрямителя:

где k_сх - коэффициент схемы, который равен 2,34 для мостовой схемы и 1,17 для нулевой схемы выпрямителя,

U_ф - фазное напряжение электрической сети, В.

Очевидно, что необходимое условие выполняется для мостовых схем выпрямителя.

4.3 Определение параметров тиристоров управляемого выпрямителя

Наибольшее значение напряжения на тиристорах будет в режиме холостого хода преобразователя. Оно обозначается:

для мостовых безтрансформаторных схем:

где U_ф - фазное напряжение сети питания, В.

Среднее значение тока, который протекает через плечо випрямителя, обозначается:

где m - количество фаз выпрямителя;

k_пер - коэффициент кратности перегрузки преобразователя по току;

k_у - коэффициент, учитывающий наличие уравнительного тока при использовании реверсивной схемы с совместимым управлением. При использовании раздельного управления и для нереверсивных схем k_у =1.

Считая нагрев тиристора (i2 * t) пропорциональным и учитывая математическую зависимость t и ?, можно определить средний ток, протекающий через тиристор:

выбираем большее значение тока,

где k - коэффициент угла открытия (зажигания) тиристора.

Угол открытия тиристора определяется на основании выражения:

Зависимость коэффициента k_? от угла открытия тиристора ? даётся в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость коэффициента k_? от угла открытия тиристора

?	180?	120?	90?	60?	30?
k?	1,0	0,817	0,707	0,575	0,407

Тиристоры выбираются по условию: 3

Выбираем тиристор фирмы IXYS CS23-12L02, Urrm=1200В, Iт=25А (Т=85°), (di/dt) cr= 150 A/ ?s =150?10*6 А/с.

4.4 Выбор токоограничительных реакторов

Токоограничительные реакторы ставятся на входе управляемого выпрямителя и используются для ограничения скорости роста тока в цепи тиристоров. Скорость роста анодного тока является важным параметром, поскольку превышение скоростью допустимого значения приводит к разрушению тиристора.

Реактор выбирается по необходимой индуктивности, току на входе преобразователя и напряжению.



Рассчитаем индуктивность реактора для мостовых схем:

где - максимально допустимая скорость роста анодного тока в цепи тиристора (паспортный параметр тиристора), А/с.

Ток на входе преобразователя:

где P_v - суммарные потери в вентилях випрямителя, Вт;

U_v = 0,5 - 3 В-падение напряжения на тиристоре.

Выберем реактор серии РТСТ (табл. д4):

РТСТ-41-1,01УЗ с параметрами:

- номинальное линейное напряжение питающей сети: U=410В,

- номинальный фазный ток I=41А,

- номинальная индуктивность фазы: L=0,505мГн,

- активное сопротивление обмотки R=0,102Ом.

4.5 Расчёт параметров силового контура управляемого выпрямителя

После выбора силового трансформатора необходимо определить индуктивность и активное сопротивление силового контура тиристорного преобразователя.

Индуктивность силового контура тиристорного преобразователя определяется так:

,

где L_{тр ф (р)} - индуктивность фазы силового трансформатора или токоограничительного реактора, Гн;

n - количество последовательно включенных вторичных обмоток трансформатора или обмоток токоограничительного реактора; = 2 для мостовой и =1 для нулевой схемы випрямителя.

Эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя R_тп:

где R_к - коммутационное сопротивление, Ом.

где р - количество импульсов выпрямленного напряжения за один период переменного напряжения питающей сети,

где - угловая частота напряжения сети питания, с^-1.

Угол включения тиристоров в номинальном выпрямительном режиме определяется из уравнений:



где U_d0 - напряжение на выходе выпрямителя в неуправляемом режиме, В.

где U_ф - фазное напряжение в электросети, В;

k_сх - коэффициент схемы; равен 2,34 для мостовой схемы и 1,17 для нулевой схемы выпрямителя.

Для номинального выпрямительного режима угол коммутации или угол перекрытия ?_н может быть определенным из уравнения коммутации:

где _н - угол включения тиристоров в номинальном выпрямительном режиме;

X_{тр ф (р)} - индуктивное сопротивление фазы токоограничительного реак-тора, Ом.

X_{тр ф (р)=??Lр=2?0,505?10*}

5. Расчёт параметров фильтра

Сглаживание пульсаций напряжения в цепи постоянного тока происходит с помощью Г - образных или П - образных LC - фильтров.

Значение ёмкости конденсатора определяется уровнем пульсаций напряжения в цепи постоянного тока ?U_с. Если считать, что допустимые пульсации напряжения не превышают 0,1·U_dн и пренебречь изменением тока при изменении напряжения на конденсаторе фильтра, то можно приравнять ток нагрузки к зарядному или разрядному току конденсатора. В этом случае ёмкость конденсатора определяется по формуле:

,

где - электромагнитная постоянная времени цепи навантаження, с.

где - период выходного напряжения автономного инвертора, с.

При уменьшении частоты выходного напряжения инвертора необходимая ёмкость конденсатора увеличивается. При f_i = 0 она достигает наибольшего значения, которое определяется по формуле:

Если ёмкость конденсатора обозначить в микрофарадах, то расчётная индуктивность фильтра определяется в генри, исходя из требуемого значения коэффициента фильтрации.

где р - количество импульсов выпрямленного напряжения за один период переменного напряжения сети питания, пусть р=12.

Значение коэффициента фильтрации берут из границ (k_ф=550).

Используя полученные расчётные значения L_{ф р} та С_{ф р}, необходимо выбрать конденсатор и дроссель с учётом величины напряжения и тока цепи постоянного тока:

Выбираем конденсатор серии КЭП1 : КЭП1-1,05-63-2У1: U=1,05кВ, С=181,9мкФ, Q=63кВар;

Таблица 2. Параметры выбранного конденсатора

Обозначение	Наименование	Количество	Примечание
С	КЭП1-1,05-63-2У1	1	С=181,9мкФ

а дросели - серии ФРОС (табл. д5): ФРОС - 1000/0,5УЗ (Iнф=800А, L=2,3 мГн, R=4,7 мОм).

Таблица 3. Параметры выбранного дроселя.

Тип реактора	Номинальный постоянный ток, А	Номинальная индуктивность, мГн	Активное сопротивление, мОм
ФРОС - 1000/0,5УЗ	500	3,25	7,5

6. Выбор элементов защиты преобразователя частоты

В полупроводниковых преобразователях могут возникнуть аварийные режимы, сопровождающиеся недопустимыми по значению и длительности токами через вентили, например:

- внешнее короткое замыкание;

- внутреннее короткое замыкание (пробой вентиля);

- опрокидывание инвертора ведомого сетью;

- выключение вентилей в неработающей группе в реверсивных управляемых выпрямителях с раздельным управлением вентильными группами;

- появление чрезмерных уравнительных токов в реверсивных управляемых выпрямителях с общим управлением тиристорными группами.

6.1 Выбор автоматического выключателя

Автоматические выключатели являются защитными аппаратами много-кратного действия и предназначены для защиты вентильных преобразователей от внешних коротких замыканий, опрокидывания инвертора и перегрузок по току. Автоматические выключатели переменного тока устанавливаются в преобразователях или на первичной стороне трансформатора, либо к токоограничительным реакторам в бестрансформаторном варианте.

Автоматический выключатель выбирается по условию

где I_п - номинальный ток автоматического выключателя, А;

I_вх - ток на входе преобразователя частоты, А.

Выбираем автоматических выключатель:

Таблица 4. Параметры автоматического выключателя.

Тип устройства	Номинальный ток, Iн	Ток теплового расцепителя, Iт	Уставка тока отсечки, Iмакс
NZM4-40	40 А	25-40 А	260-500 А

6.2 Выбор плавких предохранителей

Для защиты силовых вентилей преобразователя частоты при внешних и внутренних коротких замыканиях широко применяются быстродействующие плавкие предохранители. Предохранители устанавливаются в звене постоянного тока, а также последовательно в цепи каждого вентиля выпрямителя и автономного инвертора.

Выбор предохранителей, устанавливаемых в звене постоянного тока, выполняется из условий:

где U_вст, I_вст - напряжение и ток плавкой вставки предохранителя, В, А.

Таблица 5. Параметры выбранного предохранителя.

Типоисполнение предохранителя	Номинальное напряжение	Наибольшее рабочее напряжение	Номинальный ток предохранителя	Номинальный ток отключения	Минимальный ток отключения	Мощность потерь
	кВ	кВ	А	кА	А	Вт
ПКТ 111-6-31,5-20 У3	6	7,2	31,5	20	315	58

Предусматривается выбор и установка двух предохранителей.

Выбор предохранителей автономного инвертора напряжения выполняется из следующих условий:

где I_кл - среднее значение тока, проходящего через ключ автономного инвертора напряжения, А.

Предусматривается выбор и установка шести предохранителей.

Выбор предохранителей реверсивного управляемого выпрямителя автономного инвертора напряжения выполняется из условий:

где U_mv - наибольшее значение напряжения на тиристоре, В;

I_dv - среднее значение тока, проходящего через тиристор управляемого выпрямителя, А.

Принимаем к установке двенадцать предохранителей, по шесть на инверторные и выпрямительные группы. Считаем, что ток через вентиль при инвертировании не превосходит ток выпрямительного режима.

6.3 Защита от перенапряжения

Процессы, происходящие в вентильных преобразователях, часто сопровождаются перенапряжением, которые, воздействуя на вентили, могут привести к их пробою, что повлечет короткое замыкание. Основным видом перенапряжений являются коммутационные схемные перенапряжения, вызываемые периодическим переходом вентилей из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяются RC-цепочка, которая включается параллельно тиристорам (рис. 5).

Для схем с напряжением менее 1000 В рекомендуются следующие параметры: R_vs=50 - 200 Ом, С_vs = 0,2 - 1 мкФ. Принимаем R_vs=125Ом, С_vs = 0,6 мкФ.

Рис. 5. Схема включения RC - цепочки

Параметры RC-цепочки также можно определить. Емкость конденсатора определяется так:

,

где U_к - напряжения короткого замыкания трансформатора, в.о.;

- угловая частота напряжения сети, с^-1;

I_{зв m} - максимальное значение обратного тока, А;

I_dv - средний ток, который протекает через тиристор, А;

U_{v m} - наибольшее значение напряжения на тиристорах, В. Максимальное значение обратного тока:

где - время обратного восстановления запирающих свойств вентиля, с. Сопротивление выбирается равным:

7. Анализ работы автономного инвертора напряжения и расчет графиков мгновенных значений тока в установившемся режиме для заданной частоты

7.1 Анализ работы автономного инвертора напряжения

Выпрямленное напряжение подается на силовой фильтр, обеспечивающий две функции: сглаживание выходного напряжения выпрямителя и циркуляцию реактивной мощности в ПЧ. После фильтра напряжение постоянного тока подается на вход инвертора, который преобразует напряжение постоянного тока Ud в трехфазное напряжение U_1рег регулируемой частоты f_1рег и подает его на двигатель. Частота выходного напряжения f_1рег инвертора регулируется блоком управления в функции сигнала управления U_y.

Рисунок 6. Автономный инвертор напряжения с контуром протекания тока

Данная схема работает так: в один момент времени одновременно работают три транзистора, причём за период равный 2? (360°) три раза переключаются вентильные группы: 1-4-6, 3-2-6, 5-4-2. Таким образом, за период три раза происходит смена подключения фаз, в результате чего мы получаем переменный ток в нагрузке.

Идею автономного инвертора напряжения (АИН) проиллюструем на наипростейшей однофазной схеме с четырьмя идеальными ключами 1, 2, 3, 4 и активной нагрузкой R - рис. 7.

При попарной коммутации ключей 1,2 - 3,4 - 1,2 и так далее, через время Т/2 (рис. 7, б) к резистору будет прикладываться переменное напряжение u_ab прямоугольной формы с частотой Ток при активной нагрузке будет повторять форму напряжения. Изменяя коммутационный промежуток Т/2, можно менять частоту в каких-либо границах.

Рисунок 7. Простейшая однофазная схема АИН, нагруженная активным сопротивлением и диаграмма работы.

При активно-индуктивной нагрузке размыкание ключа недопустимо без дополнительных мероприятий, поскольку энергия, запасенная в индуктивности, при разрыве цепи вызывает больше пиковые перенапряжения

и сделает устройство полностью недееспособным. Так же, при размыканнии ключей должны оставаться контуры, по которым продолжал бы протекать ток в прежнем направлении и запасалась бы энергия, переданная из индуктивности, которая разряжается.

Конфигурация схемы, при которой выполняются указанные условия, показанная на рис. 8, а. Пунктирные диоды в ключей 1-4 отражают их одностороннюю проводимость. Диоды D1 - D4 образуют вместе с конденсатором С контуры для обмена энергией. Коммутация ключей не отличается от показанной на рис. 7, однако ток на каждом полупериоде меняет направление, протекая по контурам, показанным на рис. 8, б. Нетрудно видеть, что формы напряжения и токи существенно разные, и ток в силу индуктивного характера нагрузки отстает от напряжения.

Рис. 8. Однофазный инвертор с R- L нагрузкой (а) и диаграмма работы (б).

При однократной коммутации и продолжительности ведущего положения 180 электроградусов необходима одновременная работа двух ключей в одной фазе и одного ключа в другой. На затворы вентилей VT1 ? VT6 подаются импульсы управления длительностью 180 эл. градусов, сдвинутые друг относительно друга на 60 эл. градусов. При такой последовательности импульсов управления течение полупериода три раза меняются схемы подключения фаз.

При широтно-импульсной модуляции выполняется множество коммутаций вентилей течение полупериода напряжения питания.

Идею построения автономного инвертора напряжения с ШИМ проиллюстрируем на простейшей идеализированной однофазной схеме с чисто активной нагрузкой - рис. 9, а.

Для изменения амплитуды и формы напряжения на нагрузке раздробим каждый период Т на n равных частей (интервалов с длительностью каждого и будем коммутировать ключи 1,2 на каждом интервале положительного полупериода, а ключи 3,4 - на каждом интервале отрицательного полупериода как показано на рис. 9, а. Тогда на каждом интервале i к нагрузке будет прикладываться не полное напряжение U, а лишь его часть Uiср:

Рис. 9. ШИМ на интервале (а) и на половине периода выходной частоты (б).

Меняя на каждом интервале относительную ширину импульса, можно легко управлять средним за интервал напряжением Uiср, то есть формировать на каждом полупериоде любую нужную форму напряжения, как показано на рис. 9, б. С увеличением n будет уменьшаться ? и ступенчатая кривая будет прибли-жаться к заданной плавно.
Используя широтно-импульсную модуляцию, можно формировать любые нужные формы кривой тока, учитывая параметры, изменяющиеся в процессе работы, нагрузки. В современных хорошо сделанных преобразователях частоты ШИМ позволяет при любой необходимой исходной частоте преобразователя изменять нужным образом амплитуду напряжения, управляя магнитным потоком двигателя, и формировать при любой нагрузке на валу близкую к синусоидальной формы тока двигателя.

7.2 Расчёт мгновенных значений тока для заданной частоты

При использовании закона частотного управления должно выполняться условие:

,

где U₂ - напряжение на выходе преобразователя частоты, В;

f₂ - необходимое значение пониженной частоты, Гц.

где D =10 - нужный диапазон регулировки скорости.

Действующее значение напряжения на выходе АИН зависит от ее частоты и определяется:

где U_н - номинальное фазное напряжение асинхронного двигателя, В.

Нужное значение напряжения в звене постоянного тока, соответствующее заданному значению частоты:

,

Угол включения тиристоров управляемого выпрямителя при заданном значении частоты получим так:

Для заданной частоты АИН определяется активное и индуктивное сопротивления фазы асинхронного двигателя:

где s₂ - увеличенное скольжения.

Угол сдвига между током асинхронного двигателя и выходным напряжением преобразователя частоты:

В течение одного полупериода три раза меняются схемы подключения фаз. Мгновенное значение тока одной фазы в течение полупериода состоит из трех отрезков экспоненциальных функций. Рекомендуется выполнять расчет тока на примере фазы А

Параметр, характеризующий нагрузку инвертора, определяется:

На каждом интервале расчета t отсчет времени надо начинать с нуля. Расчет выполнять в течение периода. Кривую мгновенных значений тока следует строить на одном графике с напряжением соответствующей фазы с учетом угла нагрузки е2=1,198°=0,0209 рад, ?=2?f=314/с.

Таблица 6. Расчёт тока фазы А асинхронного двигателя

t, c	I, A	t, c	I, A	t, c	I, A	t, c	I, A	t, c	I, A	t, c	I, A
0	-1,146	0,0033	1,144	0,0066	2,289	0,010	1,146	0,0132	-1,144	0,0166	-2,289
0,0002	1,03	0,0036	2,239	0,007	1,193	0,0102	-1,03	0,0136	-2,239	0,0170	-1,193
0,0004	1,138	0,0038	2,286	0,0072	1,146	0,0104	-1,138	0,0138	-2,286	0,0172	-1,146
0,0006	1,143	0,0040	2,288	0,0074	1,144	0,0106	-1,143	0,0140	-2,288	0,0174	-1,144
0,0008	1,143	0,0042	2,288	0,0076	1,144	0,0108	-1,143	0,0142	-2,288	0,0176	-1,144
0,0010	1,143	0,0044	2,288	0,0078	1,144	0,0110	-1,143	0,0144	-2,288	0,0178	-1,144
0,0012	1,143	0,0046	2,288	0,0080	1,144	0,0112	-1,143	0,0146	-2,288	0,0180	-1,144
0,0014	1,143	0,0048	2,288	0,0082	1,144	0,0114	-1,143	0,0148	-2,288	0,0182	-1,144
0,0016	1,144	0,0050	2,289	0,0084	1,144	0,0116	-1,144	0,0150	-2,289	0,0184	-1,144
0,0018	1,144	0,0052	2,289	0,0086	1,144	0,0118	-1,144	0,0152	-2,289	0,0186	-1,144
0,0020	1,144	0,0054	2,289	0,0088	1,144	0,0120	-1,144	0,0154	-2,289	0,0188	-1,144
0,0022	1,144	0,0056	2,289	0,0090	1,144	0,0122	-1,144	0,0156	-2,289	0,0190	-1,144
0,0024	1,144	0,0058	2,289	0,0092	1,144	0,0124	-1,144	0,0158	-2,289	0,0192	-1,144
0,0026	1,144	0,0060	2,289	0,0094	1,144	0,0126	-1,144	0,0160	-2,289	0,0194	-1,144
0,0028	1,144	0,0062	2,289	0,0096	1,144	0,0128	-1,144	0,0162	-2,289	0,198	-1,144
0,0030	1,144	0,0064	2,289	0,0098	1,144	0,0130	-1,144	0,0164	-2,289	0,0198	-1,144
0,0033	1,144	0,0066	2,289	0,010	1,144	0,0133	-1,144	0,0166	-2,289	0,020	-1,144

8. Анализ работы силовой части управляемого выпрямителя

8.1 Построение внешней характеристики в режиме выпрямления

Уравнение внешней характеристики в первом квадранте имеет вид (зависимость выходного напряжения от тока нагрузки):

где k_v - число последовательно включенных вентилей (kv = 1 - для нулевых схем kv = 2 - для мостовых схем);

Значение граничного тока:

где L_d - индуктивность контура нагрузки, Гн.

, а Хр - реактивное сопротивление реактора:

Необходимо определить ток в цепи постоянного тока преобразователя частоты в режиме холостого хода асинхронного двигателя. Для этого надо определить ток холостого хода (ток намагничивания) двигателя:

где Uн - номинальное фазное напряжение двигателя, В.

Тогда минимальное значение тока в цепи постоянного тока определяется из соотношения токов в номинальном режиме и в режиме холостого хода асинхронного двигателя:

8.2 Построение внешней характеристики в режиме инвертирования

При расчете режима инвертирования надо учитывать, что справедливо условие: = . Характеристика в режиме инвертирования строится во втором квадранте по аналогичным выражениям.

Для определения максимального тока инвертора при условии безопасного инвертирования следует воспользоваться выражением:

, tP = 300 ?с=0,3 мс.

где = t_{викл макс} =314?3?10*(-4)=0,0942 - угол, который определяет запирающие свойства тиристора, эл. градусов, Сos ?=0,99.

На рисунке 12 представлена внешняя характеристика выпрямителя в режиме инвертирования.

9. Анализ функционирования систем управления управляемым выпрямителем и автономным инвертором напряжения

Современное состояние частотно-регулируемых электроприводов как в части выполнения их силовой основы - силовых преобразователей частоты, так и средств управления и регулирования позволяет заменять нерегулируемые приводы большой гаммы механизмов (например, центробежных и поршневых насосов и компрессоров, вентиляторов, аглоэксгаустеров, газо- и воздуходувок, различного вида мельниц, дробилок, ножниц и пил, черновых клетей прокатных станов и т.д.) регулируемыми, а также делает технически разрешимой замену регулируемого привода постоянного тока. Кроме того, открылась возможность резкого увеличения единичной мощности и перегрузочной способности, недостижимого при применении двигателей постоянного тока из-за ограничений по условиям коммутации. Это даёт возможность разрабатывать агрегаты повышенной производительности.

Практически все ведущие электротехнические фирмы увеличивают ежегодный выпуск электроприводов переменного тока.

Рост их производства и обоснованность прогноза обусловлены в основном двумя устойчивыми тенденциями:

- автоматизацией производственных процессов с использованием АСУТП, что предполагает применение регулируемых электроприводов;

- применением энергосберегающих технологий в различных отраслях производства, которые дают существенный экономический эффект.

Существенный процент роста производства регулируемых электроприводов дают частотно-регулируемые электроприводы переменного тока. Это вызвано тем, что многие ведущие фирмы освоили в производстве новые комплектующие изделия: силовые полупроводниковые приборы, в том числе силовые транзисторы IGBT, запираемые тиристоры GTO и IGCT; микропроцессорные средства построения систем управления, защит и регулирования электроприводов; специальные двигатели переменного тока.

Рисунок 13. Схема АД с управляемыми выпрямителем и инвертором

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14. Структурная схема ЧУЭП

1. Источник питания (судовая сеть).

2. Блок управления выпрямителем.

3. Управляемый выпрямитель (например, на тиристорах).

4. RC-цепь. (фильтр).

5. Управляемый инвертор.

6. Блок управления управляемым инвертором. (например генератор ШИМ).

7. Нагрузка. (асинхронный двигатель).

Вывод

В данной курсовой работе был проведен расчёт и проектирование схемы статического преобразователя частоты, который используется для плавного регулирования скоростью вращения асинхронного двигателя. Данный способ широко используется для регулирования скорости асинхронных двигателей с высокими показателями качества. Одновременно с этим он позволяет эффективно регулировать и другие переменные ЭП с асинхронными двигателями. Принцип действия этого способа заключается в том, что изменение частоты f₁ питающего двигатель напряжения U₁ в соответствии с выражением ?₀ = 2? f/p приводит к изменению скорости ?₀, за счет чего получаются различные искусственные характеристики. Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется с помощью управляющего сигнала U_y, который задает требуемое значение частоты и тем самым скорости двигателя 2.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне ее изменения, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ отличается еще одним весьма важным свойством: регулирование скорости двигателя не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости оказываются небольшими.

Была выбрана схема управляемого выпрямителя, был произведен расчёт параметров его силового контура, выбор тиристоров, расчёт и выбор токоограничительного реактора, расчёт параметров силовых ключей: угол включения тиристоров в номинальном выпрямительном режиме и угол коммутации.

При выборе схемы автономного инвертора были рассчитаны параметры схемы замещения фазы А асинхронного двигателя. Также были рассчитаны элементы защиты схемы (автоматический выключатель, предохранитель). После расчётов параметров по каталогам были выбраны необходимые элементы.

Расчёт и выбор схемы элементов цепи постоянного тока проводился на основе выбора выпрямителя и его параметров, в частности его коэффициента пульсаций. Произвели расчёт и выбор токоограничительного реактора серии ФРОС по допустимому току.

Был проведен расчёт схемы замещения асинхронного двигателя, расчёт параметров фильтра (конденсатор, дроссель) и выбраны реальные элементы соответственно расчётным данным.

Расчёт и выбор элементов схемы является важным этапом на пути усвоения учебного плана, так как электромеханику придется на практике сталкиваться и решать вопросы определения неисправности оборудования и замены элементов неработающей схемы.

Список литературы

1. Онищенко Г.Б., Аксенов М.И., Грехов В.П. и др.; Под общ. ред. Г.Б. Онищенко. Автоматизированные электроприводы промышленных установок. - М.: РАСХИ, 2001. - 520 с.

2. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, Н.Н. Шлаф, В.И. Афонин. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с.

3. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, Б.И. Мошкович и др.; Под ред. В.М. Перельмутер. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

4. Мощные Полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратов, В.М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1988. -576 С.

5. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Кабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четвертакова. - М.: Радио и связь, 1988. - 576 с.

6. Справочник по автоматизированному электроприводу; Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 616 с.

7. Москаленко В.В. Электрический привод: учебник для студ. выс. учеб. заведений/В.В. Москаленко. - М.: Издательский центр «Академия», 2007.-368 с.

Размещено на Allbest.ru