контрольная работа. Егоров контрольная работа по электронике. Контрольная работа по дисциплине Электроника
![]()
|
![]() Кумертауский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» (Кумертауский филиал ОГУ) Кафедра электроснабжения промышленных предприятий КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Электроника» на тему «Расчет и выбор элементов двухзвенного преобразователя частоты» КФ ОГУ 13.03.02. 4 0 22. 992 Руководитель работы ___________Сорокин В.А. «____»___________2022 г. Выполнил Студент группы 20ЭЭ(ба)Э ____________Егоров Д.С. «____»____________2022 г. Кумертау 2022 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение………………………………………...…………………………………2 1.Расчет инвертора ………………………………………………..…………...….6 2.Расчет выпрямителя………………………………………………….…………10 3.Расчет охладителя……………………………………………………………… 4.Расчет фильтра…………………………………………………………………. 5.Расчет снаббера………………………………………………………………… Список использованной литературы…………………………………………… 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). U ВАИН![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() C U2y, f2y Рис. 1 Двухзвенный ПЧ с АИН. 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. ![]() Рис. 2. Функциональная электрическая схема асинхронного ЭП с ПЧ. 1. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРА Исходные данные: Номинальная мощность Рном = 90 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 4А250М4У3 (по справочнику [3]) со следующими техническими данными: Номинальная мощность Рном = 90 кВт, Синхронная скорость вращения nсинх = 1500 об/мин, Номинальное КПД ηном = 93 %, Напряжение двигателя U = 220/380 В, Коэффициент мощности cos φ1 = 0,91. Выбор транзисторов и диодов. Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения: ![]() 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. ![]() Выбираем модули IGBT фирмы Mitsubishi пятого поколения типа СМ400DY–12NF 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: ![]() где Iср = Ic max /k1 = 383,88/1,4 = 274,2 А – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, А; D = tр /T ≈ 0,95 – максимальная скважность; cos θ ≈ cos φ – коэффициент мощности; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Iср и Tj = 1250C. ![]() Потери IGBT при коммутации: ![]() 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 = 7∙103 Гц). ![]() Суммарные потери IGBT: PQ = PSS + PSW = 101 + 98 = 198 Вт Потери диода в проводящем состоянии: ![]() 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: ![]() 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 = 154,5 + 0,15 = 154,65 Вт (7) Результирующие потери в IGBT с обратным диодом: PT = PQ + PD = 198 + 154,65 = 352,83 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. 1.5 Тепловой расчет инвертора. 1) Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда Rth(f-a), 0C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод): ![]() 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 = 90 + 198∙0,11 = 111,78 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 = 90 + 154,65∙0,19 = 119,38 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: ![]() где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе. ![]() 2.1.3 Максимальный рабочий ток диода: Iνm = kcc∙Idm = 1,045∙321 = 335 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; kз.н ≥ 1,15 – коэффициент запаса по напряжению; ΔUn ≈ 100 – 150 В – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока. Uνm = 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 - 400 . Таблица 2
2.2 Тепловой расчет выпрямителя. 2.2.1 Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода (Id = Idm/k1): ![]() 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); mν – число полупроводниковых приборов в схеме. ![]() 2.2.2 Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель – окружающая среда в расчете на выпрямитель: ![]() где Rth(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля, 0С/Вт. ![]() 2.2.3 Температура кристалла определяется по формуле: ![]() 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. ![]() 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: ![]() где d, b, h – габаритные размеры профиля, м; n – количество охладителей. 2) Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции: ![]() где m – число ребер. 3) Переходное сопротивление излучению тепла: ![]() 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: ![]() 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: ![]() Следовательно, имеем следующую зависимость: ![]() 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). 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): ![]() где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы). Принимаем LC-фильтр. 2) Параметр сглаживания LC-фильтра: ![]() 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) ![]() 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: ![]() где Ism1 = Ic max – амплитудное значение тока в фазе двигателя, А; φ1 – угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока (φ1 = /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∙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. 1) 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 = 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: ![]() где Lsn – индуктивность цепей снаббера, Гн (10 нГн или менее); С – емкость снаббера, Ф. 3) 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 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. 6.https://leg.co.ua/arhiv/raznoe-arhiv/spravochnik-energetika-derevoobrabatyvayuschego-predpriyatiya-4.html СОДЕРЖАНИЕ Страница Введение 2 1.Расчет инвертора 6 2.Расчет выпрямителя 10 3.Расчет охладителя 12 4.Расчет фильтра 14 5.Расчет снаббера 16 Список использованной литературы 18 |