Расчет статического преобразователя частоты

Расчет статического преобразователя частоты

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:

) 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:- 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:

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

) микроконтроллер AD на базе сигнального процессора 1899ВЕ1;

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

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

) 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 ηном = 91 %,

Напряжение двигателя U = 220/380 В,

Кратность пускового тока IП/Iном = 7,0,

Коэффициент мощности cos φ1 = 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;

ηном - 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

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;= tр /T ≈ 0,95 - максимальная скважность;θ ≈ cos φ - коэффициент мощности;(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;(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:

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

.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

Iνm = 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

Uνm = kз.н √2∙Uл∙kс.н∙kс + ΔUn, (14)

где kc ≥ 1,1 - коэффициент допустимого повышения напряжения сети;з.н ≥ 1,15 - коэффициент запаса по напряжению;

ΔUn ≈ 100 - 150 В - запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.νm = 1,2∙1,41∙380∙1,35∙1,2 + 100 = 1015 В

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

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

Таблица 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;- динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом;- прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + Ron∙Idm/k1 ≤ 1 B для диода);ν - 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

. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ

.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

.2 Расчет длины охладителя

1) Площадь охладителя, участвующая в излучении тепла:

(19)

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

n - количество охладителей.

) Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции:

(20)

где m - число ребер.

) Переходное сопротивление излучению тепла:

,(21)

где Тс = 373 К - температура поверхности охладителя;

Та = 323 К - температура окружающей среды;

ΔТ = 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

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

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

) 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

) 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.

) 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);- 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.

≥ 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;

φ1 - угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока (φ1 = g/2 = 570/2 = 28,50, где g - угол коммутации неуправляемого выпрямителя);- коэффициент пульсаций;- частота ШИМ, Гц.

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

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

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

IC 0m = q1вых∙Ud∙2∙π∙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.

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

С ≈ L1∙(IC /ΔU΄)2,(30)

где L1 - индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT-модулем (значение L1 должно быть 50 нГн или менее);= Ic max = 133,5 A - отключаемый ток.

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.

) 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.

) Требуемая мощность резистора снаберра:

Р = 0,5∙С∙ ΔU2∙fsw, (32)

где ΔU - 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

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

. 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.

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

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

. 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.