Расчет статического преобразователя частоты

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Преобразователь частоты (ПЧ) в ЭП является силовым регулятором, вход которого подключен к питающей сети с нерегулируемыми значениями напряжения U1 и частоты f1, а на выходе обеспечиваются регулируемые значения напряжения U2 (или тока I2) и частоты f2 в зависимости от задания и управляющих сигналов Uy.

Применение ПЧ в ЭП обеспечивает наиболее экономичные способы регулирования скорости и момента электродвигателей переменного тока. В настоящее время в зависимости от мощности и технологических требований к ЭП используется один из трех типов статических ПЧ:

1) непосредственный ПЧ (в минимальной конфигурации содержит m2 - по числу фаз двигателя - отдельных реверсивных преобразователей постоянно тока, управление которыми осуществляется переменным модулирующим напряжением);

2) двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения (состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН), и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя);

двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока (состоит из управляемого выпрямителя, автономного инвертора тока (АИТ), сглаживающего реактора L и конденсаторов С, являющихся источником реактивной энергии для двигателя).

В данной расчетно-графической работе приведен расчет статического ПЧ с АИН (рис. 1).

U1, f1 U2, f2

C

U2y, f2y

Рис. 1 Двухзвенный ПЧ с АИН.

преобразователь частота потеря

В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование электрической энергии: сначала переменное напряжение U1 с частотой f1 выпрямляется, а затем постоянное напряжение преобразуется (инвертируется) АИН в переменное с заданной амплитудой первой гармоники U21m и частотой f2. В качестве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются транзисторы.

В ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданной частотой и амплитудой первой гармоники исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной частотой коммутации или с переменной частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

В ПЧ с АИН невозможен обмен реактивной энергией двигателя с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в контуре электродвигатель - АИН - входной конденсатор С, наличие которого вместе с диодами, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Основные достоинства ПЧ с АИН:

широкий диапазон частот (от 0 до 1000 Гц и более);

возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);

простота силовой схемы ПЧ.

Недостатки ПЧ с АИН:

нереверсивность при выполнении по основной схеме;

большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.

Электрическая функциональная схема ЭП с использованием ПЧ с АИН приведена на рис. 2.

В ПЧ применена наиболее распространенная для управления короткозамкнутым АД схема ПЧ с АИН и ШИМ напряжением на выходе, неупраляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых приборов нового поколения - биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT.

Основные элементы, входящие в эту схему:

UZ - неуправляемый выпрямитель; L0, C0 - фильтр; RT - термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 - разрядное сопротивление для конденсатора С0; FU1, FU2, FU3 - предохранители; R, C - цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на транзисторах IGBT; RS - датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT - VD - трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в системе управления:

1) блок питания БП, состоящий из восьми гальванически развязанных источников постоянного напряжения;

2) микроконтроллер AD на базе сигнального процессора 1899ВЕ1;

3) плата индикации DS с переключателем способа управления: местное или дистанционное;

4) блок сопряжения ТВ для работы с внешними сигналами или командами;

5) согласующие усилители UD - драйверы IGBT.

Электропривод работает следующим образом.

При подаче напряжения 380 В на силовой вход ПЧ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра С0, который определяется значениями RT, 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 инициализация. Производится запись начальных условий в ячейки ОЗУ процессора и определяется способ управления - местное или дистанционное. Если с датчиков тока фаз двигателя TAA, TAB, TAC, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uc, а также от всех каналов вторичного источника питания поступает информация о нормальных параметрах, то ЭП готов к работе и на цифровой индикатор выводятся нули, светится светоизлучающий диод «Подача». В противном случае загорается светоизлучающий диод «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, преобразуется в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 до 15 кГц. Одновременное замыкание двух ключей в «стойке» инвертора блокируется, для учета реального времени запирания транзисторов в процесс переключения вводится «мертвое» время, составляющее единицы микросекунд, в течении которого оба ключа разомкнуты.

Силовая часть ПЧ неизменна и пригодна для разных способов управления координатами электродвигателей с применением более совершенных микропроцессорных средств.

1. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРА

Исходные данные:

Номинальная мощность Рном = 30 кВт,

Диапазон выходных частот от 0,5 до 512 Гц,

Частота питающей сети fс = 50 Гц,

Диапазон регулируемого напряжения от 0 до Uпит.сети,

Uвх = 380 В 20 % = Uпит.сети.

Выбор двигателя.

По номинальной мощности выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором стандартного исполнения типа 4А180М4У3 (по справочнику [3]) со следующими техническими данными:

Номинальная мощность Рном = 30 кВт,

Синхронная скорость вращения nсинх = 1500 об/мин,

Скольжение s = 2 %,

Номинальное КПД зном = 91 %,

Напряжение двигателя U = 220/380 В,

Кратность пускового тока IП/Iном = 7,0,

Коэффициент мощности cos ц1 = 0,89.

Выбор транзисторов и диодов.

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

(1)

где Рном - номинальная мощность двигателя, Вт;

k1 = 1,2 - 1,5 - коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики ЭП;

k2 = 1,1 - 1,2 - коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;

зном - номинальный КПД двигателя;

Uл - линейной напряжение двигателя, В.

Ключи IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора Iс ? Iс max.

По справочнику [2, табл. 37.15] выбираем модули IGBT фирмы Mitsubishi третьего поколения типа СМ200DY-12Н на напряжение 600 В со следующими параметрами:

Таблица 1

Предельные параметры
1. Максимальное напряжение коллектор - эмиттер UCES, В	600
2. Максимальный ток коллектора Ic, A	200
3. Максимальная рассеиваемая мощность Pc, Вт	780
Электрические параметры
1. Типовое UCES во включенном состоянии UCE(sat), В	2,1
2. Максимальное UCES во включенном состоянии UCE(sat), В	2,8
3. Входная емкость Cies, нФ	20
4. Выходная емкость Coes, нФ	7
5. Емкость обратной связи (проходная) Cres, нФ	4
6. Время задержки включения td(on), нс	200
7. Время нарастания tr, нс	550
8. Время задержки выключения td(off), нс	300
9. Время спада tf, нс	300
Обратный диод
1. Прямое падение напряжения на обр. диоде транзистора Uf, B	2,8
2. Время восстановления обр.диода при выключении trr, нс	110
Тепловые и механические характеристики
1. Тепловое сопротивление корпус - охладитель Rth(c-f), 0C/Вт	0,13
2. Тепловое сопротивление переход-корпус IGBT Rth(j-c), 0C/Вт	0,16
3. Тепловое сопротивление переход-корпус диода Rth(j-c), 0C/Вт	0,35
4. Масса, г	270

Расчет потерь в инверторе.

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратного диода.

Потери в IGBT в проводящем состоянии:

,(2)

где Iср = Ic max /k1 = 133,5/1,4 = 95,4 А - максимальная амплитуда тока на входе инвертора, А;

D = tр /T ? 0,95 - максимальная скважность;

cos и ? cos ц - коэффициент мощности;

Uce(sat) - прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Iср и Tj = 1250C.

Потери IGBT при коммутации:

,(3)

где tc(on), tc(pff) - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание tc(on) и закрывание tc(pff) транзистора, с (типовое значение tc(on) = 0,3 - 0,4 мкс; tc(pff) = 0,6 - 0,7 мкс);

Uce - напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН - ШИМ);

fsw - частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000 Гц (принимаем fsw = 104 Гц).

Суммарные потери IGBT:

PQ = PSS + PSW = 43,1 + 55 = 98,1 Вт

Потери диода в проводящем состоянии:

,(5)

где Iер = Icр - максимальная амплитуда тока через обратный диод, А;

Uce = Uf - прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при Iер, В.

Потери при восстановлении запирающих свойств диода:

,(6)

где Irr - амплитуда обратного тока через диод, А (Irr ? Icр );

trr - продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода:

PD = PDS + PDR = 57,4 + 0,04 = 57,44 Вт(7)

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

PT = PQ + PD = 98,1 + 57,44 = 155,54 Вт(8)

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Тепловой расчет інвертора

1) Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда Rth(f-a), 0C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

,(9)

где Та = 45 - 50 0С - температура охлаждающего воздуха;

Тс = 90 - 110 0С - температура теплопроводящей пластины;

РТ - суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD;

Rth(c-f) - термическое переходное сопротивление корпус - поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, 0С/Вт.

2) Температура кристалла IGBT, 0С, определяется по формуле:

Tja = Tc + PQ•Rth(j-c)q, (10)

где Rth(j-c)q - термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для IGBT части модуля, 0C/Вт.

При этом должно выполнятся условие Tja < 125 0С.

Tja = 100 + 98,1•0,16 = 116,4 0С < 125 0С

3) Температура кристалла обратного диода FWD, 0С:

Tjd = Tc + PD•Rth(j-c)d,(11)

где Rth(j-c)d - термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для FWD части модуля, 0С/Вт.

При этом должно выполнятся условие Tjd < 125 0С.

Tjd = 100 + 57,44•0,18 = 120,1 0С < 125 0С

2. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

2.1 Расчет и выбор выпрямителя

2.1.1 Среднее выпрямленное напряжение

Ud = kс.н•Uл = 1,35•380 = 513 В(11)

где kс.н - коэффициент схемы для номинальной нагрузки (kс.н = 1,35 - для мостовой трехфазной схемы).

2.1.2 Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

,(12)

где n - количество пар IGBT/FWD в инверторе.

2.1.3 Максимальный рабочий ток диода

Iнm = kcc•Idm = 1,045•109,8 = 114,7 А(13)

где kсс = 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

2.1.4 Максимальное обратное напряжение диода

Uнm = kз.н v2•Uл•kс.н•kс + ДUn, (14)

где kc ? 1,1 - коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

kз.н ? 1,15 - коэффициент запаса по напряжению;

ДUn ? 100 - 150 В - запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.

Uнm = 1,2•1,41•380•1,35•1,2 + 100 = 1015 В

2.1.5 Диоды выбираются по постоянному рабочему току (не менее Iнm) и по классу напряжения (не менее Uнm/100)

Выбираем диод типа Д161 - 200 [2, табл. 37.1].

Таблица 2

Средний прямой ток Iпр.ср., А	200
Ударный прямой ток Iпр.уд., кА	5,5
Повторяющийся импульс обратного напряжения Uобр.max, В	300-1600
Постоянное обратное напряжение Uобр., В	225-1200

2.2 Тепловой расчет выпрямителя

2.2.1 Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода (Id = Idm/k1)

,(15)

где kcs = 0,577 - для мостовой трехфазной схемы;

Ron - динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом;

Uj - прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + Ron•Idm/k1 ? 1 B для диода);

mн - число полупроводниковых приборов в схеме.

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

,(16)

где Rth(c-f) - термическое переходное сопротивление корпус - поверхность теплопроводящей пластины модуля, 0С/Вт.

2.2.3 Температура кристалла определяется по формуле:

,(17)

где nD - количество полупроводниковых приборов в модуле;

Rth(c-f)DV - термическое переходное сопротивление корпус -кристалл для одного полупроводникового прибора модуля, 0С/Вт.

Необходимо, чтобы выполнялось условие TjDV < 140 0C.

< 140 0C

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ

3.1 Предварительный выбор охладителя

Для выпрямителя и на каждую фазу двигателя устанавливаем отдельный охладитель. Всего будет 4 охладителя. Их общее суммарное переходное сопротивление охладитель - окружающая среда:

Rth(f-a) = Rth(f-a)1 + 3• Rth(f-a)2 = 0,194 + 3•0,054 = 0,356 0С/•Вт (18)

Предварительно принимаем охладитель типа Т - 121 с габаритными размерами профиля b = 0,24 м, h = 0,09 м, расстояние между ребрами с = 0,01 м

Количество ребер: m = b/c = 0,24/0,01 = 24

3.2 Расчет длины охладителя

1) Площадь охладителя, участвующая в излучении тепла:

(19)

где d, b, h - габаритные размеры профиля, м;

n - количество охладителей.

2) Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции:

(20)

где m - число ребер.

3) Переходное сопротивление излучению тепла:

,(21)

где Тс = 373 К - температура поверхности охладителя;

Та = 323 К - температура окружающей среды;

ДТ = Тс - Та = 50 К;

Е - коэффициент излучения поверхности (Е = 0,8 для алюминия).

4) Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией:

,(22)

где Fred - коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции). График зависимости Fred от расстояния между ребрами дан на рис. 56.37 [1].

Переходное температурное сопротивление охладитель - окружающая среда при естественном охлаждении:

,(23)

Следовательно, имеем следующую зависимость:

(24)

где А, В, С - коэффициенты, полученные при подстановке (21) и (22) в (23).

7) Для различных значений d рассчитываем зависимость (24), результаты расчета сведены в табл. 3.

Таблица 3

d, м	0,02	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35
Rth(f-a), 0С/Вт	0,358	0,174	0,1	0,073	0,058	0,048	0,04	0,037

По полученным значениям строим график зависимости Rth(f-a) от d (рис.3).

Рис. 3. График зависимости Rth(f-a) = f(d).

8) Выбираем длину охладителя d так, чтобы температурное сопротивление было не более расчетного значения (18) для всех приборов, установленных на охладителе: d = 0,025 м при Rth(f-a) = 0,3 0С/Вт Rth(f-a) расч. = 0,356 0С/Вт.

4. РАСЧЕТ ФИЛЬТРА

1) Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению):

(24)

где m - пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы).

Принимаем LC-фильтр.

2) Параметр сглаживания LC-фильтра:

,(25)

где S = q1вх/q1вых = 10 - коэффициент сглаживания по первой гармонике (значения коэффициента сглаживания S лежат в диапазоне от 3 до 12);

fs - частота сети, Гц.

3) Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя КМ = 0,95 определяется из следующих условий:

L0 ? 3•L0min(26)

,(27)

где Id = Idm/k1 = 109,8/1,4 = 78,4 A - номинальный средний ток звена постоянного тока.

L0 ? 3•L0min = 3•2•10-4 = 6•10-4 Гн

4) Емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выражения:

,(28)

где Ism1 = Ic max - амплитудное значение тока в фазе двигателя, А;

ц1 - угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока (ц1 = /2 = 570/2 = 28,50, где - угол коммутации неуправляемого выпрямителя);

q1 - коэффициент пульсаций;

fsw - частота ШИМ, Гц.

5) Рассчитываем емкость конденсатора С01 и сравниваем с емкостью С03:

Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости Со1.

6) Амплитуда тока, протекающего через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по первой гармонике):

IC 0m = q1вых•Ud•2•р•m•fs•C0,(29)

где q1вых = q1вх/S = 0,057/10 = 0,0057 - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

IC 0m = 0,0057•513•2•3,14•6•50•5200•10-6 = 28,6 А

7) В зависимости от значения С01 и амплитуды тока формируется батарея конденсаторов с емкостью С01 = 5 200 мкФ и более, допустимым по амплитуде током IC 0m = 28,6 А и более и напряжением 800 В и более для трехфазной мостовой схемы.

Используем конденсаторы типа КС2 - 0,38 - 36 - 3У3 с номинальными параметрами: Uном = 380 В, Сном = 800 мкФ, Q = 36 квар.

Для получения емкости С01 = 5 200 мкФ собираем батарею из 13 пар конденсаторов, соединенных между собой параллельно. В каждой паре по 2 последовательно соединенных конденсатора для увеличения напряжения.

5. РАСЧЕТ СНАББЕРА

Так как IGBT коммутируются с высокой скоростью, то напряжение быстро возрастает, особенно при запирании транзистора, и может достигнуть критического значения, способного вызвать пробой либо коллектора, либо затвора транзистора. Чтобы минимизировать превышение напряжения (перенапряжение) и предотвратить аварию IGBT, требуется установка снаббера (демпфирующей цепи).

По табл. 56.29 [1] выбираем следующую схему снаббера, обладающую особенностями: а) малое число элементов, б) низкие потери мощности, в) подходит для конденсаторов средней и малой емкости.

Рис. 4. Схема цепей снаббера.

1) Емкость конденсатора снаббера определяется напряжением второго броска ДUґ, который не должен превышать 25 В. Выражение для расчета емкости представляется в виде:

С ? L1•(IC /ДUґ)2,(30)

где L1 - индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT-модулем (значение L1 должно быть 50 нГн или менее);

IC = Ic max = 133,5 A - отключаемый ток.

С ? 50•10-9•(133,5/25)2 = 1,43 мкФ

Выбираем для снаббера конденсатор с хорошими высокочастотными характеристиками, малой собственной индуктивностью, высокими импульсными токами и малым тангенсом угла потерь типа К78 - 2 емкостью С = 1,5 мкФ.

2) Выбор сопротивления резистора производится из условия минимума колебаний тока коллектора при включении IGBT:

(31)

где Lsn - индуктивность цепей снаббера, Гн (10 нГн или менее);

С - емкость снаббера, Ф.

3) Требуемая мощность резистора снаберра:

Р = 0,5•С• ДU2•fsw, (32)

где ДU - перенапряжение, В, которое не должно превышать 60 В.

Р = 0,5•1,5•10-6•602•104 = 25,7 Вт

Выбираем для снаббера резистор штампованный ленточный типа ЛФ10 с номинальным сопротивлением при t = 20 0С R = 0,2 Ом и продолжительным допустимым током Iдоп = 140 А.

Действительная мощность резистора снаббера:

Р = Iдоп2•R = 1402•0,2 = 3920 Вт

Ток, протекающий через диод снаббера, импульсный. Он почти равен отключаемому току коллектора Ic max и длится до 1 мкс.

Отношение максимума тока через снаббер к среднему около (20 - 50)1, диод должен быть высокочастотным со временем восстановления запирающих свойств trr = 0,3 мкс и менее.

Выбираем быстровосстанавливающийся диод типа ВЧ - 160.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электротехнический справочник: В 4-х т. Т.4 / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.

2. Электротехнический справочник: В 4-х т. Т.2 / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. И.Н.Орлов). М.: Изд-во МЭИ, 1998.

3. Справочник по электрическим машинам. / Под общ. ред. И.П.Копы-лова, Б.К.Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. / Под ред. Р.С.Сарбатова. - М.: Энергия, 1980.

5. Электропривод переменного тока с частотным управлением / Ю.Бюттер, Ю.М.Гусяцкий, А.В.Кудрявцев и др. Под ред. Г.А. Щукина. - М.: Изд-во МЭИ, 1989.

Размещено на Allbest.ru