ВВЕДЕНИЕ. Индивидуальный автоматизированный электропривод получил широкое применение как в промышленности, так и в быту

• Название: Индивидуальный автоматизированный электропривод получил широкое применение как в промышленности, так и в быту
• Дата: 13.09.2019
• Размер: 499.95 Kb.
• Имя файла: ВВЕДЕНИЕ.docx
• Тип: Документы; #86742
• страница: 3 из 5

Обзор возможных вариантов электропривода

Принципиально возможны и технически отработаны на сегодняшний день следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

1. изменение числа пар полюсов;

2. регулирование напряжения на статоре;

3. частотное регулирование:

а) со скалярным управлением;

б) с векторным управлением.

1. Скольжением можно управлять, изменяя число пар полюсов обмотки статора, но для этого требуются двигатели специального исполнения, к тому же этот способ позволяет изменять скольжение дискретно.

2. Регулирование скорости изменением напряжения на статоре в замкнутой системе, осуществляемое с помощью тиристорного регулятора напряжения, позволяет увеличить плавность и расширить диапазон регулирования скорости асинхронного электропривода, но только до критического скольжения. В разомкнутой системе асинхронного электропривода эффективность такого регулирования скорости ограничена малым диапазоном устойчивых режимов работы двигателя. Расширить функциональные возможности асинхронного электропривода можно в замкнутых системах. Недостатком этого способа регулирования является то, что потери скольжения при регулировании скорости рассеиваются в виде тепла в двигателе. Применение тиристоров даёт ряд преимуществ: тиристорные регуляторы напряжения практически безинерционны, имеют большой коэффициент усиления по мощности и высокий КПД. Электропривод с таким управлением асинхронным двигателем представлен на рис. 1.3.



Рис. 1.3. Принципиальная схема регулирования скорости АД изменением напряжения на статоре.

3. Частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электродвигателя и преобразователя частоты. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется напряжение с переменными амплитудой и частотой. Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

· преобразователи частоты с непосредственной связью (силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети);

· преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

В частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление. Принцип скалярного управления частотно- регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряжения U₁, либо частоты f₁ и тока статора I₁. Первый способ называют частотным управлением, а второй - частотно-токовым. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения. Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const (обеспечивается постоянство максимального момента двигателя). В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f² = const. Скалярный принцип управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД. Основной недостаток подобного принципа управления заключается в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными процессами, протекающими а АД. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат. За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяется требованиями к техническими электроприводу. В общем случае такие системы с косвенным регулированием координат электропривода из-за нестабильности параметров АД и сложной их взаимосвязи уступают по своим статическим и динамическим показателям системам с прямым векторным управлением. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием заключается в простоте технических решений и, следовательно, практической надежности.

Функциональная схема низковольтного (на промышленную сеть 380 В) преобразователя частоты представлена на рис. 1.4.



Рис. 1.4. Функциональная схема ПЧ.

Переменное напряжение питающей сети (u_вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U_вх = const, f_вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u_выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока. С выхода фильтра постоянное напряжение u_dпоступает на вход автономного инвертора (3). Автономный инвертор выполняется на основе силовых тиристоров или биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.). Схема силовой части АИН представлена на рис. 1.5.



Рис. 1.5. Схема силовой части АИН.

Из рассмотренных выше систем электропривода принимаем систему частотно-регулируемого привода с неуправляемым мостовым трёхфазным выпрямителем и транзисторным трехфазным автономным инвертором напряжения.

Расчёт и выбор основных элементов силовой схемы

Расчет инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора:



где k₁ = 1.5- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току;

- коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;

Транзисторы IGBT выбираем по условию:



Выбираем транзистор IRGB4059DPBF, имеющий следующие параметры:



· рабочий ток (при С): I_c = 8 А;



· напряжение насыщения (при С): U_ce(sat) = 2.2 В;

· класc по напряжению: U_ce = 600 B;

Транзистор выпускается в корпусе с встречно-параллельным диодом.

Потери в IGBT в проводящем состоянии:



где D = 0.95 - максимальная скважность;

U_cesat = 2.2 В - прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_cp и T_j = 125 ? C;

I_cp = I_смакс/k₁ = 1.313/1.5 = 0.875 А - максимальная величина амплитуды тока на выходе инвертора.

Потери IGBT при коммутации:



где t_con = 0.3 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание транзистора;

t_coff = 0.6 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на закрывание транзистора;

U_cc = k_cхU_л = 1.35•380 = 513 B - напряжение на коллекторе IGBT(напряжение звена постоянного тока для системы АИН-ШИМ );

f_sw = 10⁴ Гц - частота ШИМ.

Суммарные потери IGBT:

P_Q = P_ss + P_sw = 0.392 +0.455 = 0.847 Вт.

Потери диода в проводящем состоянии:



где I_ep = I_ср = 0.875 A - максимум амплитуды тока через обратный диод;

U_ec = 0.7 B - прямое падение напряжения на обратном диоде (в проводящем состоянии).

Потери восстановления запирающих свойств диода:



где I_rr = I_ср = 0.875 A - амплитуда обратного тока через диод;

t_rr = 0.2 мкс- продолжительность импульса обратного тока.

Суммарные потери диода:

P_D = P_ds + P_dr=0.125 + 0.112 = 0.237 Вт.

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

P_Т = P_Q + P_d = 0.847 + 0.237 = 1.084 Вт.

Температура кристалла IGBT:

T_ja = T_c + P_QR_thj-cq = 100 + 0.847 • 0.7 = 100.6 ? C < 125 ? С,

где T_c = 100 ? С - температура теплопроводящей пластины;

R_thj-cq = 0.7 ? С/Вт - термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для IGBT части модуля по таблице 4.2.

Температура кристалла обратного диода FWD:

T_ja = T_c + P_DR_thj-cd = 100 + 0.237 • 2 = 100.5 ? C < 125 ? С,

где T_c = 100 ? С - температура теплопроводящей пластины;

R_thj-cd = 2 ? С/Вт - термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для FWD части модуля по таблице 4.2.