Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодёжи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия

Контрольная работа часть 1

по дисциплине:

«Силовая электроника и преобразовательная техника»

Вариант 01

Одесса 2011

1. Согласно варианту выбираем нужную схему.

Вид тока и количество фаз источника питания - ток переменный, количество фаз 1.

Вид тока и количество фаз нагрузки - ток переменный, количество фаз 3.

На выходе преобразователя ставится нагрузка AD мощностью в 6 кВт, работающая на переменном токе. Тогда, для выполнения этих условий нам нужен однофазный трансформатор, однофазный мостовой выпрямитель и трёхфазный инвертор.

Блок-схема преобразователя:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сначала необходимо подобрать трансформатор.

Он выбирается с таким расчетом, чтобы его мощность была достаточной.

где S_H - номинальная мощность трансформатора, (кВА)

- кратность пускового тока.

P_н - мощность,кВт.

- номинальный коэффициент полезного действия.

cos - номинальный коэффициент мощности.

Мы берем максимально возможное значение и cos,так как в RL нагрузке почти нет потерь, тогда возьмем =0,885,а cos=0,84. А равняется 6,5 получим:

S_HВА (1.1)

Для обеспечения нужной мощности на выходе с запасом, выбираем трансформатор типа ОСЗМ-63-74.ОМ5.

Расчет начинаем с расчета трансформатора.

Паспортные данные выбранного трансформатора:

SH, кВА	UКЗ, %	PКЗ, Вт	P0, Вт	I0, %
63	4,2	990	340	3,3

Первичное напряжение трансформатора - 660 В, вторичное - 400 В

1. Напряжение короткого замыкания

Uк.з= Uк.з(%)?U1н=0,042?660=27,72 В (1.2)

2. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора

I1н===95,45 А (1.3)

3. Коэффициент мощности при коротком замыкании

cosк===0,37 ,к=1,19 рад. (1.4)

4. Базовое сопротивление

Rб===6,91 Ом (1.5)

5. Полное сопротивление к. з.

zк.з===0,29 Ом (1.6)

6. Активное сопротивление к. з

r к.з= zк.з ? cosк=0,29?0,37=0,1 Ом (1.7)

7. Реактивное сопротивление к. з

x к.з= zк.з?sinк=0,29?0,929=0,27 Ом (1.8)

8. Относительные сопротивления первичной и вторичной обмоток:

R1=R2===0,01 Ом (1.9)

9. Относительные индуктивности рассеивания первичной и вторичной обмоток

L1=L2===0,019(о. е) (1.10)

10. Относительные сопротивление и индуктивность ветви намагничивания

Rm= Lm===30,3 (о. е) (1.11)

Где S0-мощность холостого хода

S0=I0 U1н=3,149660=2078,9 (ВА) (1.12)

I0- ток холостого хода

I0= I0(%)I1н=0,03395,45=3,149 А (1.13)

11. U_Fmax = = 538,8 В (1.14)

После проделанного расчета трансформатора, мы запускаем виртуальную установку (мостового) выпрямителя (моста Греца) при работе на асинхронный двигатель, которая показана ниже.

Для начала задаем параметры трансформатора. Для этого 2 раза щелкаем по трансформатору, открывается окно Block Parameters, где задаются все значения.



Далее задаем параметры источника питания.

Окно настройки параметров выпрямителя.



Параметры нагрузки задаются так, чтобы постоянная времени нагрузки L_н/R_н находилось в пределах (2…..5)Т, (Т=1/f=1/50=0,02с.),пусть 3,45Т=3,45?0,02=0,069с.

Так как потребляемая мощность - 6 кВт, нам нужно подобрать активное и реактивное сопротивления таким,чтобы на Display 1 получились такие значения тока и напряжения, чтобы после перемножения их, приблизительно получилась потребляемая мощность.

Окно настройки параметров нагрузки показано ниже:

U0=13,99В, I0=429А, P=U0?I0=13,99?429=6002Вт.

В окне настройки параметров блока Fourier I1 устанавливается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.



Блоки Fourier I0, Fourier U0 измеряют постоянные составляющие выходного тока и напряжения.При двухполупериодном выпрямлении основная частота выходного напряжения (тока) равна удвоенной частоте источника(f=100).В поле (Harmonic n) задается номер гармоники.В данном случае измеряется постоянная составляющая (n=0).

Окно приборов Display для измерения значений иследуемых процессов показано ниже:

В первом поле задается формат представления измеряемых значений. Второе поле определяет периодичность вывода значений в окне.

Окно настройки блока Multimeter показано ниже:

В левом поле высвечиваются все напряжения и токи универсального моста, так как они заданы в окне настройки блока.В правом поле отражены те переменные,которые измеряет блок.

После задания всех необходимых параметров нажимаем кнопку Start simulation и получаем:

Осцилограммы токов питания, нагрузки и напряжения на нагрузке.

Осцилограммы напряжения и тока диода

Изменяя сопротивление нагрузки и индуктивности так, чтобы постоянная времени не изменялась, можно измерить и рассчитать основные характеристики выпрямителя для каждого значения сопротивления.

Результаты моделирования заносятся в Таблицу 1.

Амплитуда I1(1)max и фаза первой гармоники тока источника питания определяются по показаниям Display,ток и напряжение на нагрузке опре-деляется по показаниям Display 1,а мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране осцилоскопа.

Вычисление полной и активной мощности, потребляемой выпрямителем от источника питания по первой гармонике,а так же мощность в нагрузке, осуществляется по выражениям:

(1.15)

(1.16)

(1.17)

По завершении очередного моделирования появляется графическое окно блока Multimeter с кривыми мгновенных значений напряжения и тока диода,по которым определяется максимальные значения этих величин.

По результатам Таблицы 1 строем:

-внешнюю характеристику выпрямителя

-энергетические характеристики выпрямителя I₁(1)_max,I_dmax,S₁(1),

P₁(1)=f(P_н)_max

Таблица 1.

Данные	Измерения	Расчёт
U1max	f	Lн	Rн	Iн	Uн	I1(1)max	ц1	Udmax	Idmax	S1(1)	P1(1)	Pн
В	Гц	Гн	Ом	А	В	А	град	В	А	ВА	Вт	Вт
539	50	0,002	0,03	429,00	14	182,2	-44,17	50	490	49102,9	35220,3	6001,71
539	50	0,003	0,04	423,70	17	178,9	-43,66	49	485	48213,55	34880,1	7181,715
539	50	0,004	0,06	407,30	24,4	170,9	-42,49	48	450	46057,55	33962,6	9954,412
539	50	0,006	0,09	382,90	34,5	160,5	-41,09	47	410	43254,75	32600,2	13194,73
539	50	0,007	0,10	375,20	37,5	157,4	-40,69	40	400	42419,3	32164,4	14081,26
539	50	7E-04	0,01	428,50	4,28	197	-46,34	53	520	53091,5	36653,2	1833,98
539	50	6E-04	0,01	423,90	3,38	199,3	-46,55	55	560	53711,35	36938,4	1432,782
539	50	4E-04	0,01	416,20	2,49	202,7	-46,69	60	590	54627,65	37471,6	1036,338



2. Далее переходим к моделированию трёхфазного (мостового) инвертора, схема приведена ниже:

При чем мы должны задать напряжение полученное ранее при расмотрении моста Греца. Окно настройки трёхфазного мостового транзисторного инвертора показано далее.

Параметры блока управления:

В полях окна задаются амплитуда, частота и начальная фаза модулирующего напряжения.Из рисунка видно,что частота модулирующего напряжения 25 Гц.На эту частоту, как на основную гармонику измерения,должны быть настроены параметры измерительных блоков Fourier I1, Fourier I, U, Fourier IТ, RMS T.

При снятии внешних характеристик изменяются параметры Rн, Lн нагрузки. Значение параметров мы берем из прошлых расчетов, при чем такие ,которые при перемножении дают значение максимально близкое к значению заданой Рн. При чем постоянная времени нагрузки оставалась неизменной, равной =0,069с.

Параметры трёхфазной нагрузки:

Окно настройки параметров блоков To Workspace

Окно настройки параметров моделирования

Напряжение и ток силового модуля (m=0.6).



Напряжение и ток силового модуля (m=2).

Ток питания, ток нагрузки и напряжения на нагрузке:

Все измерения заносятся в таблицу, которая представлена ниже. Амплитуда первых гармоник тока и напряжения на нагрузке и их начальные фазы определяются по показаниям Display 2 средний ток в источнике питания опреде-ляется по показаниям Display 1. Мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа. Средний и действующий ток в силовом полупроводниковом модуле определяется по показаниям Display 3. Расчеты производятся по таким формулам:

Фн=Фu-Фi (1.18)

Sн=( Uнmax *Iн)/2 (1.19)

Pн=Uнmax*Iнmax*cos Фн (1.20)

Рт={m*Vf+(1-m)*Vfd*(cos (Фн)-1)/ (cos (Фн)+1)}*Iт+Ron(Irms)^2 (1.21)

M=Umod/Uгпн (1.22)

Таблица 2.

Данные	Измерения
Rн	Lн	I1	Uн(1)max	Iн(1)max	фu,Фi	Iт	IтRMS
Ом	Гн	А	В	А	град	А
0,033	0	12,89	66,9	187,7	4,26	-80,46	1,48	93,37
0,04	0	10,41	66,9	153,6	4,06	-80,42	1,009	76,33
0,06	0	6,46	66,4	101,7	3,85	-81	1,39	50,64
0,01	0	57,1	65,5	602,3	8,15	-76,64	13,03	299,7
0,008	0	77,84	70	748,5	9,58	-75,17	24,8	373,3

Вычисления
фн	Sн	Р1	Рн	Рт
град	ВА	Вт	Вт	Вт
84,72	6279,504	862,47	577,8588	1,12123
84,48	5135,616	696,117	494,0114	1,680169
84,85	3377,457	429,073	303,231	2,526247
84,79	19716,29	3738,34	1790,708	35,04201
84,75	26178,79	5444,91	2395,401	9,004907

По результатам таблицы 3 строятся:

-внешняя характеристика инвертора

-энергетическая характеристика инвертора

Таблица 3

Данные	Измерения
Rн	Lн	I1	Uн(1)max	Iн(1)max	фu,Фi	Iт	IтRMS
Ом	Гн	А	В	А	град	А
1	0,02	8,88	115	34,91	1,41	-70,9	2,88	17,43
1	0,02	2,35	57,43	17,44	3,48	-68,83	0,36	8,62
1	0,02	4,89	85	25,81	2,14	-70,18	1,39	12,8
1	0,02	7,28	105,1	31,88	1,48	-70,87	1,99	15,72
1	0,02	1,41	43	13,05	4,09	-68,22	0,21	6,48



Вычисления
фн	Sн	Р1	Рн	Рт
град	ВА	Вт	Вт	Вт
72,31	2007,325	1021,2	609,9928	1,372808
72,31	500,7896	134,961	152,1733	0,451329
72,32	1096,925	415,65	333,1367	2,369906
72,35	1675,294	765,128	507,9518	4,004712
72,31	280,575	60,63	85,25742	0,037656

Исследование регулировачной характеристи инвертора при одном значении сопротивления нагрузки и изменении амплитуды модулирующего напряже-ния от 0 до 2 В осуществляется при каждом значении последнего,при этом заполняется Таблица 4.

Таблица 4.

Uмод	Uн(1)max
В	В
1	115
1,5	136,2
1,8	137,8
2	139,1
0,6	66,91

По данным таблицы строится регулировачная характеристика.

Внешняя характеристика:



Энергетические характеристики инвертора:

Регулировочная характеристика:

Далее используем пакет расширения Signal Proccessing Toolbox. Используя средства просмотра сигнала, записаного в рабочую область под именем I_load, U_Load, можно просмотреть ток в нагрузке.Для m=0,6 (коэффициент модуляции):

Ток в нагрузке (I_Load)



Напряжение в нагрузке (U_Load).

Спектральный состав тока и напряжения нагрузки показан ниже (метод FFT) при m=0.6 :

Далее используем пакет расширения Signal Proccessing Toolbox. Используя средства просмотра сигнала, записаного в рабочую область под именем I_load, U_Load, можно просмотреть ток в нагрузке. Для коэффициента модуляции m=2:



Ток в нагрузке (I_Load).

Напряжение в нагрузке (U_Load).

Спектр тока в нагрузке

Спектр напряжения в нагрузке.

Показания тока I1 и тока с напряжением в нагрузке при m=2 Iн Uн:

Окно настройки SPTool

Общая Схема:

В соответствии с вариантом выбираем АД из Таблицы Б.1 - Паспортные данные асинхронных короткозамкнутых электродвигателей (методические указания).



Типоразмер электродвигателя	Мощность, кВт	Данные при номинальной мощности	Iп/Iн	Мп/Мн	Ммакс/Мн	Инерционный момент ротора, Кг?м2
		Частота обертання, об/хв	Ток статора при напряжении 380В,А	КПД,%	cosц
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Синхронная частота вращения 3000 об/мин.
4А112М2ОМ2	7,5	2900	14,9	88	0,88	7,5	2	2,8	4?10-2

Обозначаем параметры схемы замещения АД по паспортным данным (табл. Б.1 приложения Б методических указаний).

Номинальное скольжение:

, (2.1)

де n_s - синхронна частота вращения (скорость вращения магнитного поля статора), об/мин;

n_н - номинальная скорость вращения вала АД, об/мин.

Критическое скольжение:

, (2.2)

где - отношение максимального момента к номинальному.

Конструктивный коэффициент:

(2.3)

трансформатор выпрямитель инвертер двигатель

Сначала конструктивный коэффициент задаётся в границах с₁ = 1,02?1,05. После расчёта индуктивностей, которые входят в уравнение (2.3), необходимо сравнить полученное значение с ранее выбранным и уточнить расчёт. Обычно за две, три итерации удаётся достигнуть выравнивания принятого и расчётного конструктивного коэффициента.

Коэффициент грузового трения

(2.4)

В уравнении (2.4) механические потери ДР_m определяются из уравнения:

(2.5)

(Вт).

Сопротивление статора:

(2.6)

(Ом).

Сопротивление ротора:

Ом, (2.7)

где = 7,5 - кратность пускового тока АД.

Индуктивность статора и ротора:

(2.8)

Гн.

Индуктивность рассеяния статора и ротора:

(2.9)

Гн.

Взаимоиндукция:

Гн. (2.10)

По формуле (2.3) рассчитываем конструктивный коэффициент

.

Необходимо подчеркнуть, что номинальной нагрузкой АД (Nom. Power, P_n, VA) есть полная мощность, потребляемая АД из сети.

Для создания момента сопротивления T_m на валу АД пропорционального скорости вращения ротора, в модели между выходом измерения оборотов АД щ_m и входом T_m необходимо включить блок Gain, коэффициент передачи которого рассчитывается по формуле:

.

Рис. 2.9 Окно параметров АД.

Измеряемые параметры на мультиметре.

Показания осциллоскопа при m=0.99.

Как видно из показаний осцилоскопа, переходной период, когда АД набирает свои номинальные обороты, заканчивается через примерно 5,5с после подачи напряжения на АД. Момент достинает значения около 20 н?м.

Сглаживание пульсаций напряжения в цепи постоянного тока (DC Link,) производится с помощью Г - образных или П - образных LC - фильтров.

Значение ёмкости конденсатора определяется уровнем пульсаций напряжения в цепи постоянного тока ДU_с. Если учесть, что допустимые пульсации напряжения не превышают 0,1U_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:

, (2.12)

де U_d = 94,19 В;

=

- электромагнитная постоянная времени нагрузки, с; где В = е ^{- Т/(2·Тн)}

T=1/f_2н =1/50=0,02с- период выходного напряжения автономного инвертора, с.

r - сопротивление фазы випрямителя, Ом;

, Ом (2.13)

де R_on = 0,1 Ом - дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении отмечается в окне настройки универсальных мостов Bridge;

n_v - количество последовательно включенных и одновременно работающих мостов;

r_тр - активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке, сначала можно принять его равным r_кз = 0,1 Ом и определить по формуле (2.6).

Далее имеем:

Ом;

=Ф=178мкФ. (1500е-6 Ф).

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

, (2.14)

де k_п =0,483- коэффициент пульсаций напряжения U_d, % (табл.. Г.1 приложения Г). Также его можно рассчитать экспериментально: из графиков напряжения сети и на выходе выпрямителя.

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

, (2.15)

где р=4 (по графику) - количество пульсаций выпрямленного напряжения за один период изменения напряжения сети питания. Значением коэффициента фильтрации задаются в границах (k_ф=550).

(2,25Гн-исходное), эмпирическое значение L=0,05Гн.

-мощность, в зависимости от момента и частоты вращения,

Используя полученные расчётные значения L_ф та С_ф, необходимо выбрать конденсатор и дроссель с расчётом величины напряжения и тока цепи постоянного тока. Произведя ряд эмпирических исследований, определил ёмкость конденсатора С=1500мкФ, а индуктивность L=0,05Гн, при коэффициенте модуляции m=0.99,при других значениях не удалось разогнать АД до необходимого паспортного уровня (n=2860 об/мин. экспериментальное значение,n=2900 об./мин. паспортное значение для АД).

Цепь постоянного тока соединяем с автономным инвертором (Invertor) и через выключатель (3-Phase Breaker) с АД (Asynchronous Machine). Катушка индуктивности фильтра L=L_ф включается на выходе моста Bridge .

Блок Multimeter настраиваем на измерение тока диодов (Isw_diod) и напряжения на диодах моста (Usw_diod) и тока транзисторов (Isw_igbt) и напряжения на транзисторах (Usw_igbt). Для этого в окне настройки блока вибираем параметры: (Isw1 Bridge, Usw1 Bridge, Isw1 Invertor, Usw1 Invertor). После завершения модулирования, в соответствии с показанием прибора Display2 и графического окна Multimeter по справочникам необходимо выбрать диоды для схемы выпрямителя и IGBT-транзисторы для схемы силового инвертора. Необходимую информацию можно найти по сайтам компаний www.irf.com, www.onsemi.com и других.

Время сработки выключателя (Transition time 3-Phase Breaker), который подключает АД к выходным контактам инвертора, должно быть большим времени переходного процесса t_п, в нашем случае оно равно 0,05 с. Сопротивление переходных контактов выключателя (R_on) принимаем равным 0,001 Ома.

Осцилограммы напряжения и тока на мосте и инверторе

Выбрал тиристор для управляемого випрямительного моста: МДТ 2-25-4 Ioc=25A,Uзс=400В=Uобр.п..

Выбрал транзистор для управляемого инвертора: IRG4BC30KD-S: Vces=600V, Ic=16A, Vge=15V.

Литература

1. Силова електроніка і перетворювальна техніка. Програма дисципліни. Одеса: ОНМА, 2004. - 10 с. Будашко В.В. Силовые полупроводниковые приборы и преобразовательная техника: Учебное пособие. - Одеса: ОНМА, 2004. 151 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. СПб.: КОРОНА ПРИНТ, 2001. 302 с.

3. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. СПб.: КОРОНА ПРИНТ, 2002. 302 с.

4. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. - Преобразовательная техника./ Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1983. -431с.

5. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 432 с.

6. Силовая электроника: Примеры и расчеты/ Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982.

7. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПб.: Питер, 2000. 429. с.

8. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MatLab. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 602 с.

9. Интернет-ресурс,сайты www.irf.com, www.onsemi.com.

Размещено на Allbest.ru