Структурная схема двухзвенного преобразователя частоты


Введение

В настоящее время электропривод с двигателями переменного тока и управляемыми полупроводниковыми преобразователями частоты занял лидирующее положение среди других типов регулируемого электропривода. Быстро растет количество фирм-производителей частотно-регулируемых электроприводов переменного тока, расширяется объем производства и номенклатура силовой полупроводниковой преобразовательной техники для электропривода, улучшаются её массогабаритные показатели и энергетические характеристики, повышается электромагнитная совместимость, надежность, качество функционирования и сервисные возможности электропривода.

Интенсивному развитию этого направления способствует значительные успехи в усовершенствовании традиционных и создании новых силовых управляемых полупроводниковых приборов и интегральных схем, развитии цифровых информационных технологий и разнообразных средств микроконтроллерного управления.

Преобразователями частоты называют устройства для преобразования переменного напряжения одной частоты (постоянной или регулируемой) в переменное напряжение другой частоты (постоянной или регулированной). Такие устройства однокаскадного преобразования частоты получили название преобразователя частоты с непосредственной связью (или циклоконвертеров за рубежом). В последние годы такие преобразователи на полностью управляемых вентилях стали называть еще матричными преобразователями. Термин «непосредственная связь» добавлен для того, чтобы отличать этот вид преобразователей частоты от двухкаскадных (многокаскадных) преобразователей частоты по структуре выпрямитель — автономный инвертор, называемых еще преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока (напряжения) зависимости от типа автономного инвертора (тока или напряжения).

Полупроводниковые преобразователи частоты для электропривода подразделяются на два основных класса, различающихся по способу связи двигателя с питающей сетью:

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);

Двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного либо переменного тока.

По заданию в курсовом проекте рассматриваем ДПЧ со звеном постоянного тока, поэтому отметим этот тип преобразователей.

Главными преимуществами ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:

Возможность получения на выходе преобразователя широкого диапазона частот, не зависимо от частоты питающей сети и полностью покрывающего потребности электроприводов различного настроения, в т. ч. высокоскоростных, среднескоростных, тихоходных, позиционных электроприводов с широким и сверхшироким диапазоном регулирования скоростей.

Возможность использования относительно простых силовых схем и систем управления ПЧ ля электроприводов с невысокими требованиями в части диапазона регулирования, быстродействия и других показателей;

Возможность наращивания сложной силовой части и системы управления преобразователя соразмерно уровню повышения требований к электроприводу, не допуская чрезмерной избыточности системы;

Возможность реализации в сравнительно малоэлементной структуре преобразователя разнообразных алгоритмов управления;

Легкость трансформации преобразователя для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников либо локальной лети постоянного тока.

Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

Двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;

Наличие в звене постоянного тока силового фильтра как неотъемлемого элемента ДПЧ, содержащего батарею конденсаторов значительной емкости (в системах ДПЧ с АИН) либо реактор со значительной индуктивностью (в системах ДПЧ с АИТ).

В проекте разрабатываем преобразователь, основанный на АИН, поэтому нам понадобится выбор конденсатора. Надо отметить, что силовой фильтр увеличивает массу и габариты преобразователя, а также понижают надежность структуры ДПЧ. Так же силовой фильтр постоянного тока существенно влияет на динамику преобразователя частоты и ограничивает динамические возможности электропривода, особенно при амплитудно-импульсном регулировании (за счет выпрямителя) выходного напряжения ДПЧ.

Отмеченный недостаток преодолевается лишь при переходе от амплитудно-импульсного к широтно-импульсному формированию и регулированию выходного напряжения ДПЧ, осуществляемого за счет АИН.

1. Структурная схема двухзвенного преобразователя частоты

В настоящее время известно много вариантов построения двухзвенных преобразователей с использованием АИН, но несмотря на большое разнообразие этих схем, большинство из этих схем отличаются прежде всего способом управления ключами и типом этих ключей. Поэтому структурная схема преобразователей (силовая часть) будет общей для всех.

Рис.1.1 — Структурная схема ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока: ТР — трехфазный трансформатор; НВ — трехфазный неуправляемый выпрямитель; Ф — силовой фильтр; АИН — автономный инвертор напряжения; СУИ — система управления инвертором; НГ — нагрузка

Рис. 1.2 — Принципиальная электрическая схема СЧ

Силовая часть большинства ДПЧ состоит из аппаратов защиты, аппарата коммутации, трансформатора, выпрямителя, фильтра, автономного инвертора напряжения. Автоматический выключатель QF служит для подачи напряжения на ДПЧ и для защиты системы от токов короткого замыкания и перегрузки. Магнитный пускатель КМ служит для непосредственного включения системы в процессе эксплуатации. Трехфазный трансформатор ТР преобразует сетевой напряжение в напряжение, необходимое для дальнейшего использования в преобразователе. Предохранители с плавкими вставками во вторичной обмотке трансформатора защищают обмотки трансформатора от токов короткого замыкания при пробое вентилей выпрямителя. Силовой фильтр Ф сглаживает пульсации преобразованного напряжения, представляя собой для АИН источник ЭДС. Сетевой фильтр также необходим для замыкания тока АИН при коммутации ключей. Реле перегрузки КК, представляет собой стандартную защиту асинхронных двигателей при перегрузках и межвитковых замыканий.

Инвертирование, т. е. преобразование постоянного напряжения источника питания в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты на нагрузке НГ осуществляется коммутацией ключей в плечах моста с определенной частотой и в определенной последовательности. Форма выходного напряжения инвертора определяется прежде всего выбранным законом переключения ключей — законом коммутации. В нашем в случае закон коммутации переключения ключей определен заданием на курсовой проект, и поэтому выбор не требуется. Об особенностях закона коммутации речь будет идти далее.

Входным устройством в данной структурной схеме является сетевой трёх фазный трансформатор (Тр-р), который осуществляет преобразование уровня трёх фазного сетевого напряжения, необходимого для полноценной работы автономного инвертора напряжения, а так же осуществляет гальваническую развязку.

Следующим устройством в этой цепи является неуправляемый выпрямитель (НВ), в качестве выпрямляемых элементов применены диоды, соединённых по мостовой схеме. Которая образована двумя группами вентилей — катодная и анодная. Обе группы подключены к одним и тем же вторичным обмоткам трансформатора. Вентили, относящиеся к одному плечу, работают со сдвигом 180о. Между вентилями любой группы сдвиг в 120о. При помощи нелинейной ВАХ обеспечивается преобразование переменного напряжения в однополярное пульсирующее. В схеме осуществляется естественная коммутация.

После неуправляемого выпрямителя находится сглаживающий фильтр (Ф), состоящий из индуктивности и конденсатора. В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения, действующая на выходе выпрямителя, не допустимо велика для потребителей. Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций. Все сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания g, который представляется как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе. Во избежании резонансных явлений рекомендуется выбирать для однозвенного фильтра g > 3.

В качестве нагрузки для выпрямителя выступает автономный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием (АИН с ШИР). Автономный инвертор представляет собой устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное и работающее на автономную нагрузку. В данном инверторе в качестве коммутируемых органов используются IGBT-транзисторы, следовательно, применима индивидуальная коммутация. Для обеспечения работы на индуктивную нагрузку транзисторы шунтируются диодами. АИН формирует напряжение прямоугольно-ступенчатой формы, а выходной ток является реакцией нагрузки на напряжение.

Для обеспечения синусоидальной формы выходного напряжения используется широтно-импульсное управление автономным инвертором. Смысл данного управления заключается в неизменности периода управления, изменяется только длительность и полярность импульсов. Данный алгоритм преобразования задаёт микроконтроллер согласно внесённой в него программы. Функционально данная микро-ЭВМ выполнена законченным устройством, чем выгодно отличается от остальных микропроцессоров, которым для нормальной работы необходимы различные внешние устройства (ПЗУ, ОЗУ, и т. д.).

Драйвер, применяемый в данном устройстве, выполняет функции сопряжения микроконтроллера с IGBT-транзисторами. Формирует необходимые по мощности управляющие импульсы, задаваемые микроконтроллером, определяющие чёткое срабатывание транзисторов. Так же может осуществлять гальваническую связь. По способу исполнения может быть отдельным устройством или располагаться на одном кристалле с транзисторами IGBT-модуля.

2. Принцип работы ШИР КД 9

В настоящее время считается, что режимы ШИМ наиболее целесообразно реализовать аналоговым методами, так как быстродействие цифровых вычислительных машин (ЦВМ) не обеспечивает нужных выходных частот или не позволяет полностью использовать возможности режимов. Режимы широтно-импульсного регулирования наиболее целесообразно реализовать цифровыми методами, так как длительность всех импульсов должна быть одинаковой. Для того чтобы приблизить спектральный состав режимов ШИР к режимам ШИМ, можно воспользоваться только вариациями фазовых углов импульсов. Набор величин, определяющих фазовые углы, образуют код. Такой режим инвертирования обозначен ШИР КД.

Форма аппроксимирующего напряжения режима ШИР КД должна иметь бисимметрию, поэтому разложение в ряд Фурье имеет следующий вид:

(1)

Амплитуда любой гармоники в (1)

(2)

Из (2) условия задачи синтеза по максимальному значению коэффициента режекции режима ШИР КД следующие:

На первом этапе синтеза достаточно решить систему уравнений:

(3)

Решением системы (3) будут координаты центров импульсов одинаковой длительности, которые можно получить численными методами. На этом пути возникает серьёзная трудность, связанная с проблемой исходных данных. При численном решении (3) необходимо иметь какое-нибудь приблизительное решение, т. е. нужна достаточно точная первая итерация.

При аналитическом решении в систему уравнений (3) вводилась избыточность. При выбранном числе строк дополним каждую строку новыми известными и потребуем, чтобы пары неизвестных были в отношении, позволяющем любую строку системы преобразовать. Любая строка системы (3) дополняется слагаемым так, чтобы сумму синусов можно было преобразовать в произведение тригонометрических функций.

Для четырёх слагаемых имеем, например, следующие варианты:

1.

2.

Используя этот метод, синтезируем форму и параметры напряжения ШИР КД, в котором отсутствуют первые три гармоники (третья, пятая и седьмая). Тогда первая существующая высшая гармоника будет иметь номер 9, поэтому код такого ШИР 9 (ШИР КД 9). В этом случае три исходных импульса при аналитическом синтезе будут заменены на четыре.

Используя (3), получаем условие синтеза

(4)

Дополняем каждую строчку слагаемым, содержащим новое неизвестное в4. Тогда условие синтеза принимает вид:

(5)

Преобразуем каждую строку новой системы так, чтобы заменить сумму произведением:

(6)

При условии

(5) преобразуется в (6). Решая (6), получаем комбинации решений:

x1….30р/210 60р/210

x2….21р/210 63р/210 (7)

x3….35р/210 105р/210

x1….42р/210 84р/210

x2….42р/210 45р/210 75р/210 (8)

x3….35р/210 —

x1….70р/210 —

x2….21р/210 63р/210 (9)

x3….15р/210 45р/210 75р/210

Решения (7) — (9) дают одинаковые результаты. По условию координаты центров импульсов необходимо привести к интервалу [0, р/2]. Это значит, что, если, то необходимо провести замену на

. (10)

С учетом (10) получаем шесть вариантов решения для ШИР КД 9, каждый из которых является вариантом синтеза. В пределах каждого варианта поставим в соответствие номер индекса и значение модуля угла. Результаты синтеза приведены в таблице 1, где для удобства записи обозначено

(11)

По определению режима амплитуды всех импульсов одинаковы. Поэтому максимальная длительность импульсов 2?x (рис.1) может быть определена как половина расстояния между двумя самыми близкими импульсами одного знака. Положительный и отрицательный импульсы при наложении друг на друга взаимно уничтожаются, образуя паузу. Поэтому результирующее напряжение режима ШИР КД может состоять из импульсов разной длительности, но формирование режима происходит управляющими импульсами одинаковой длительности. Следовательно, максимальная длительность импульсов определяется из условия

(12)

(учитываются только положительные импульсы).

Таблица 2.1

Вариант

1

-8

22

62

92

13

2

32

-38

52

88

17

3

2

58

-68

82

23

4

34

64

76

104

1

5

4

46

74

94

10

6

16

-26

44

86

19

Примечание. Знак «-» показывает, что этот импульс имеет на интервале определения противоположную полярность.

Рис. 2.1

Для вариантов таблицы 2.1 получаем следующие значения длительностей импульсов: 13; 17; 23; 1; 10; 19. Окончательно спектральный состав, например, первого синтезированного варианта определяется через амплитуды гармоник:

.

В рассмотренном варианте ШИР КД 9 для получения аналитического решения достаточно было добавить только один импульс.

При дальнейшем увеличении числа первых исключаемых гармоник требуемое для аналитического синтеза число дополнительных импульсов существенно возрастёт.

Если ограничится только подавлением (а не исключением) первых гармоник, то синтез режима можно проводить по результатам численного решения системы (3).

При этом отношение числа первых подавляемых гармоник к числу необходимых для выполнения условий подавления этих гармоник импульсов на четверти периода основной частоты может быть равно единице.

Методика формирования алгоритма управления ключами АИН для последующего программирования микроконтроллера СУ (ШИР КД 9)

Построить кривую выходного напряжения одной фазы инвертора на интервале периода, формирую её в соответствии с заданным вариантом ШИР КД 9 (таблица 2.1).

Заданные в таблице значения могут быть переведены в радианы:

, .

Кривая напряжения строится по принципу:

Соблюдается четвертьволновая симметрия, т. е. построение четырёх импульсов одинаковой длительностью и положением центров ведется только на ј Твых (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Рис. 2.3

Знак «-» показывает, что этот импульс имеет противоположную полярность.

При наложении положительные импульсы сливаются (рис. 2.2).

При наложении импульсов разной полярности на интервале наложения они компенсируют друг друга, т. е. в сумме дают 0 (рис. 2.3).

Полученные в результате импульсы на ј Твых с учетом выступающих частей зеркально отражаются вправо со сдвигом на ј Твых (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Полученные в результате импульсы на Ѕ Твых с учетом выступающих частей зеркально отражаются вниз со сдвигом на Ѕ Твых (рис. 2.4).

В полученной в результате такого построения кривой импульсы на Твых будут располагаться неравномерно, сгущаясь к центру полупериода.

Рис.2.5

Разложить полученную кривую в ряд Фурье, определив амплитуды первых десяти членов ряда:

Проверить выполняется ли условия ШИР КД9 — исключение гармоник до девятой. Определить амплитуду первой гармоники для расчета входного напряжения.

Построить два других линейных напряжения сдвигом первой на. Проверить построение условием симметричной трехфазной системы. Сумма линейных напряжений должна быть равна нулю.

По линейным напряжениям построить фазные, используя либо уравнения трехфазной цепи, либо таблицу состояний.

Разложить полученную кривую фазного напряжения в ряд Фурье.

По разложению кривой фазного напряжения получить уравнение и график тока фазы.

По полученным напряжениям на фазах нагрузки инвертора построить диаграмму состояния ключей инвертора.

Исходные данные к проекту

U1ф — фазное напряжение сети, В: 220

fc — частота сети, Гц: 50

Uфн — фазное напряжение нагрузки, В: 100

Cos — коэффициент мощности нагрузки: 0,86

P — мощность асинхронного двигателя, Вт: 5000

fвых — частота выходного напряжения, Гц: 400

Закон коммутации ключей АИН; ШИР КД9 .

3. Расчёт ШИР КД 9

Построим кривую выходного напряжения одной фазы инвертора на интервале периода, формирую её в соответствии с заданным вариантом ШИР КД 9, где

— координаты центров четырёх импульсов, из которых формируется ј Твых,

— половина длительности четырёх равных импульсов, из которых формируются импульсы выходного напряжения инвертора.

Заданные в таблице значения переведем в радианы:

, .

,

Построим четыре импульса одинаковой длительностью 2Дx и положением центров вi на ј Твых.

Рис. 3.1

Полученные в результате импульсы на ј Твых с учетом выступающих частей зеркально отражаются вправо со сдвигом на ј Твых.

Рис. 3.2

Полученные в результате импульсы на Ѕ Твых с учетом выступающих частей зеркально отражаются вниз со сдвигом на Ѕ Твых.

Рис. 3.3

Разложим полученную кривую в ряд Фурье, определив амплитуды первых десяти членов ряда:

Условие ШИР КД9 — исключение гармоник до девятой выполняется. Определим амплитуду первой гармоники для расчета входного напряжения.

Рис. 3.4

Построим два других линейных напряжения сдвигом первой на. Проверим построение условием симметричной трехфазной системы. Сумма линейных напряжений должна быть равна нулю.

Рис. 3.5

Рис. 3.6

По линейным напряжениям построим фазные, используя таблицу состояний.

Рис. 3.7

Рис. 3.8

Рис. 3.9

Проверим построение условием симметричной трехфазной системы. Сумма фазных напряжений должна быть равна нулю.

По полученным напряжениям на фазах нагрузки инвертора построим диаграмму состояния ключей инвертора по таблице 3.1. На графиках изобразим коммутационную функцию ш: ш=1 — VT включен, ш=0 — VT выключен.

Таблица 3.1 — Таблица состояний автономного инвертора напряжения

№ комбинации

1

2

3

4

5

6

7

8

код состояния

100

110

010

011

001

101

111

000

открытые вентили

162

132

432

435

465

165

135

462

фазное напряжение

Ua

2/3

1/3

-1/3

-2/3

-1/3

1/3

0

0

Ub

-1/3

1/3

2/3

1/3

-1/3

-2/3

0

0

Uc

-1/3

-2/3

-1/3

1/3

2/3

1/3

0

0

линейное напряжение

Uab

1

0

-1

-1

0

1

0

0

Ubc

0

1

1

0

-1

-1

0

0

Uca

-1

-1

0

1

1

0

0

0

Рис. 3.10

Рис. 3.11

Рис. 3.12

Рис. 3.13

Рис. 3.14

Рис. 3.15

Таблица 3.2

№ интервала

Момент начала интервала, мкс

Момент окончания интервала, мкс

Длительность интервала, мкс

Комбинация состояния ключей

1

2

3

4

5

6

1

0

101

101

+

+

+

2

101

124

24

+

+

+

124

212

87

+

+

+

212

291

79

+

+

+

291

327

36

+

+

+

327

410

83

+

+

+

410

422

12

+

+

+

422

506

83

+

+

+

506

541

36

+

+

+

541

621

79

+

+

+

621

708

87

+

+

+

708

731

24

+

+

+

731

833

101

+

+

+

833

845

12

+

+

+

845

928

83

+

+

+

928

964

36

+

+

+

964

1044

79

+

+

+

1044

1131

87

+

+

+

1131

1154

23

+

+

+

1154

1238

84

+

+

+

1238

1250

12

+

+

+

1250

1333

83

+

+

+

1333

1369

36

+

+

+

По диаграмме состояний составить таблицу комбинаций открытого и закрытого состояния ключей.

Таблица 3.3 — Таблица состояний ключей

1369

1448

79

+

+

+

1448

1535

87

+

+

+

1535

1559

24

+

+

+

1559

1660

101

+

+

+

1660

1672

12

+

+

+

1672

1755

83

+

+

+

1755

1791

36

+

+

+

1791

1871

79

+

+

+

1871

1958

87

+

+

+

1958

1981

23

+

+

+

1981

2083

101

+

+

+

2083

2095

12

+

+

+

2095

2178

83

+

+

+

2178

2214

36

+

+

+

2214

2293

79

+

+

+

2293

2381

87

+

+

+

2381

2404

101

+

+

+

2404

2505

12

+

+

+

2505

2588

12

+

+

+

2588

2624

36

+

+

+

2624

2703

79

+

+

+

4. Расчёт силовой схемы преобразователя частоты

4.1 Расчет трехфазного транзисторного инвертора

Исходные данные:

Полная мощность нагрузки на первой гармонике S(1н) =14000 ВА;

Линейное напряжение первой гармоники на нагрузке U(1)2л=173.2 В;

Коэффициент мощности нагрузки cos(ц)=0.9;

Напряжение источника питания UU=514.7 В;

Частота первой гармоники выходного напряжения f=400 Гц;

Трансформатор инвертора по схеме звезда/звезда.

Рис. 4.1 — Принципиальная электрическая схема АИН

АИН — это вентильный преобразователь, осуществляющий преобразование постоянного напряжения в переменное прямоугольно-ступенчатой формы, которая зависит от нагрузки и может приближаться к синусоидальной.

Отличительные особенности АИН:

— выполняются только на полностью управляемых вентилях

— каждый вентиль шунтируется диодом, включенным встречно-параллельно, для обеспечения двухсторонней проводимости при протекании реактивных токов

— конденсатор большой емкости на входе для стабилизации входного напряжения и создания контура для протекания реактивных токов

Определяем действующее значение фазного синусоидального напряжения на нагрузке

Найдем действующее значение фазного синусоидального тока нагрузки

Рассчитываем действующее значение фазного первичного напряжения (первой гармоники)

,

Определим коэффициент трансформации инверторного трансформатора

,

Найдем действующее значение синусоидального первичного тока

Определяем значение cos и из графика

Рассчитаем значение параметра нагрузки

Определим максимальное значение тока через транзисторы при наличии параметра нагрузки

, ,

Найдем действующее значение несинусоидального первичного фазного тока

,

Найдем действующее значение несинусоидального фазного тока нагрузки

Рассчитаем среднее значение тока источника питания

Найдем действующее значения фазного несинусоидального первичного напряжения

Найдем действующее значение фазного несинусоидального напряжения на нагрузке

Найдем выходную мощность несинусоидального тока и напряжения

Определим мощность несинусоидального тока и напряжений на первичной стороне трансформатора

Найдем типовую мощность трансформатора

Определяем активное сопротивление фазы нагрузки

Рассчитываем приведенное сопротивление фазы нагрузки (активное)

Найдем базисный ток

,

Определим среднее значение тока обратных диодов

, где k=0.02,

значение k выбирается из таблицы 4.1

Таблица 4.1

0.14

0.11

0.08

0.05

0.02

0

cosц

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Полученные значения входного напряжения инвертора и максимального тока через транзисторы (учитывая, что в первоначальный момент времени бросок тока будет превышать максимальный ток через транзисторы в 7 — 8 раз), позволят нам определить тип IGBT-модуля.

Выбираем IGBT-модуль фирмы-производителя Semikron CM100DY-12H.

Рис. 4.2 — Полумост IGBT (Half-Bridge, GB, FF, 2MBI)

Характеристики модуля:

Максимальный ток коллектора

Ic @ Tc=25°C, A

100

Ic @ Tc=80°C, A

0

VCE max @ V

600

VCE(sat)@ 25°C typ. V

2,1

(Eon+Eoff)@ 125°C typ. mJ

0

Rth(j-c)K/W

0,31

Определим емкость конденсатора:

,

где

?Uc — допустимое напряжение на конденсаторе. .

Ёмкость конденсатора равна

Для силового фильтра выбираем конденсатор фирмы ELECTRONICON Kondensatoren GmbH типа Е50.R23-175N11.

Эти конденсаторы применяют в составе буферных схем постоянного тока и в DC-фильтрах. Большая энергетическая емкость позволяет данным конденсаторам заменять батарею последовательно соединенных электролитических конденсаторов либо конденсаторов больших размеров в корпусах в виде параллелепипеда. Эти конденсаторы имеют компактный цилиндрический или корпус, поэтому они идеальны для применения в высокоскоростных IGBT-преобразователях как по электрическим, так и по механическим параметрам. Прочные выводы этих конденсаторов с надежной фиксацией обеспечивают простой и доступный монтаж, а также имеют низкую индуктивность и высокую токовую нагрузку. В конструкции данных конденсаторов точно подобраны воздушный зазор, расстояние по изолированной поверхности между выводами и между выводами и корпусом. Таким образом, они пригодны для работы в широком диапазоне рабочих напряжений. Эта серия конденсаторов соответствует стандартам применения в преобразователях и не требует существенных изменений конструкции и целостности всей системы.

Основные параметры выбранного конденсатора:

Номинальная емкость — 2000 мкФ;

Номинальное постоянное напряжение — 900 В;

Эквивалентное сопротивление — 0,57 мОм;

Максимальный ток — 100 А;

Пиковый ток — 15 кА;

Индуктивность — 50 нГн;

Габаритные размеры — (116Ч230) мм;

Масса — 2,5 кг.

Внешний вид конденсатора представлен на рисунке 4.3.

Рис. 4.3 — Внешний вид конденсатора

4.2 Расчёт выпрямителя, работающего на индуктивность

Выпрямитель — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного. В нашем преобразователе будем использовать трехфазный мостовой выпрямитель, достоинством которого является высокое выпрямленное напряжение с малой амплитудой пульсации.

На основании значений выпрямленного тока и напряжения, а также для уменьшения размеров трансформатора и фильтра, уменьшения потребляемой из сети мощности выберем схему Ларионова с соединением обмоток звезда-звезда.

Uср=Uu

Iср=24 А

U1=380 B

fc=50Гц

Uобрmax=1.05•Ucр=540,432В

Iа=0,33•Iср=7,92А

Рис. 4.4 — Принципиальная электрическая схема НВ

Исходя из полученных значений Ia и Uобр. max, а также учитывая, что в первоначальный момент времени бросок тока будет превышать Iа в 7 — 8 раз, выберем в качестве вентилей выпрямителя диоды типа Д132-80(Х)-12 (шесть диодов по одному в плече моста). Технические характеристики диодов приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Характеристика

Символ

значение

Единицы

измерения

Максимальный прямой ток

Iпр

80

А

Обратное напряжение

Uобр

720

V

Обратное импульсное напряжение

Uобр. имп

1200

V

Прямое напряжение

Uпр

1,35

V

Максимальная частота

fmax

1,5

Hz

Время восстановления

tвост

10,2

мкс

Максимальная температура

Тmax

190

оС

Рассчитываем активное сопротивление фазы трансформатора

— для случая индуктивной нагрузки,

Тл — магнитная индукция,

— тактность схемы

Определим индуктивность рассеяния обмоток трансформатора

Найдем падения напряжений на вентилях в схеме

Uпр=1В

Определим напряжение холостого хода

Найдем уточненное значение обратного напряжения на вентиле

По таблице определяем параметры трансформатора

На сайте производителя выбираем специализированный трансформатор ТСП-16/0.7-УХЛ4 (04).

Трансформаторы серии ТСП, ТСЗП предназначены для питания комплектных тиристорных преобразователей электроприводов по трехфазной мостовой и нулевой схемам выпрямления. Применяются в народном хозяйстве и для поставок на экспорт. Рассчитаны на работу в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, при поставках на экспорт допускают работу при частоте 60 Гц.

Характеристики

Серия трансформатора

ТСП

Виды системы охлаждения

Сухой

Номинальное напряжение (ВН, первичное ), кВ

0,7

Номинальная мощность, кВА

16

Назначение трансформатора

Преобразователи

Габаритные размеры: длина — L = 625 мм, ширина — В = 305мм, высота — Н = 395 мм. Полная масса 120 кг.

Найдем угол коммутации

Определим минимально допустимую индуктивность дросселя фильтра

Выберем на сайте производителя дроссель фильтра марки 4EM4805-1CB00, который подходит нам по параметрам.

Построим внешнюю характеристику выпрямителя (рис. 3), которая представляет собой прямую линию. Строится она по двум точкам с координатами:

при холостом ходе (Iср = 0; Uср = Uсрхх)

при номинальной нагрузке (Iср; Uср).

Найдем внутреннее сопротивление выпрямителя

Определяем КПД выпрямителя

N=6

5. Выбор коммутационной и защитной аппаратуры

Выбор будем производить по действующему значению фазного тока первичной обмотки трансформатора и с учетом броска тока при пуске двигателя.

5.1 Выбор магнитного пускателя

Для запуска преобразователя выберем магнитный пускатель типа ПМЛ 1130. Магнитный пускатель помещен в защитный корпус и снабжен кнопками «ПУСК» и «СТОП» и индикацией работы.

Рис. 5.1 — Внешний вид магнитного пускателя ПМЛ 1130

5.2 Выбор автоматического выключателя

В качестве устройства защиты выбираем автоматический выключатель АВВ типа MS116-10. Этот автоматический выключатель имеет характеристику срабатывания D и прекрасно подходит для использования с асинхронными двигателями. Имеет тепловую защиту и электромагнитный расцепитель.

Рис. 5.2 — Внешний вид автоматического выключателя

5.3 Выбор предохранителя

Для защиты вторичной обмотки трансформатора необходимо выбрать предохранители. Учитывая, что нагрузка асинхронный двигатель, примем условие, что пуск легкий, тогда:

,где

I пл. в. — номинальный ток плавкой вставки; I пуск — пусковой ток двигателя.

частота преобразователь реле ток

.

Рисунок 6.3 — Внешний вид предохранителей

Выберем модульные цилиндрические предохранители SIBA. Номинальный ток плавкой вставки. Для цепи управления берем. Предохранители снабжены индикаторами работа — перегорание.

Предохранители SIBA для защиты цепей постоянного тока выпускаются в вариантах зажимного и винтового крепления. Эти приборы предназначены, в первую очередь, для работы на транспортных средствах, в цепях аккумуляторных батарей и на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог. Широко используются для защиты преобразователей частоты. Ввиду того, что данные предохранители могут использоваться в самых разнообразных устройствах, то при заказе следует уточнить на SIBA возможности работы приборов при разных напряжениях и их характеристики срабатывания. Предохранители этого типа разработаны для эксплуатации в тяжелых условиях, устойчивы к ударам и вибрации, могут производиться по спецификациям заказчика, проходят индивидуальное тестирование постоянных времени.

Класс: gR/aR

Рабочее напряжение: 660…5000 В DC

Номинальный ток: 6…800 А

Стандарты: UIC 550, IEC 60269-4, DIN VDE 0636-40

5.4 Выбор реле перегрузки

Для защиты двигателя при обрыве фазы или при витковом замыкании выберем электронное реле SIRIUS 3RB1257 от SIEMENS автономного исполнения. Электронные реле защиты от перегрузки почти не создают тепловых потерь, быстрее срабатывают при выпадении фазы (<3с) и имеют в 4 раза большую уставку по току по сравнению с тепловыми реле.

Рис. 5.4 — Внешний вид реле тока

6. Разработка принципиальной электрической схемы СЧ

На основании произведенных выше расчетов разработаем принципиальную электрическую схему силовой части двухзвенного преобразователя частоты.

Заключение

Выполнение этой работы дало возможность приобрести определённый опыт проектирования двухзвенного преобразователя частоты. Это выражено в том, что произведён расчет преобразователя частоты на базе неуправляемого диодного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, выполненного на современных биполярных транзисторах управляемых электрическим полем. Проведена систематизация, закрепление и углубление теоретических знаний, полученных при изучении курса. Получены навыки самостоятельного решения расчётно-проектных задач, расширились знания по современной элементной базе силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров для реализации микропроцессорных систем управления преобразовательными установками. В рамках выполнения курсовой работы получены необходимые навыки работы с литературой (справочники, журнальные статьи, каталоги и т. д.) и интернетом.

Список используемой литературы

1. Расчёт силовой схемы двухзвенного преобразователя частоты: Методические указания к курсовой работе по курсу «Устройства преобразовательной техники» / А. А. Ефимов, Новоуральск, НПИ МИФИ, 1998.

2. Разработка двухзвенного преобразователя частоты: Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Энергетическая электроника» /Горяев К. В., Новоуральск, НПИ, 2003.

3. Проектирование полупроводникового преобразователя: Методические указания к курсовому проекту по курсу «Энергетическая электроника»/ Иванова Н. В., Новоуральск, НГТИ, 2006.

4. Диоды: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев. — М.: Радио и связь, 1990. — 336 с.: ил.

5. Сектор электронных компонентов. Россия — 2000: Каталог / М.: ДОДЕКА, 2000.- 912 с.

6. Сайты российских поставщиков радиокомпонентов: www. semikron. ru; www. promelek. ru; www. platan. ru; www. chip&dip. ru; www. motorola. ru.

Если вы думаете скопировать часть этой работы в свою, то имейте ввиду, что этим вы только снизите уникальность своей работы! Если вы хотите получить уникальную курсовую работу, то вам нужно либо написать её своими словами, либо заказать её написание опытному автору:
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ ИЛИ ЗАКАЗАТЬ »