Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
Рис. 45. схема одной фазы дроссельно-вентильного регулятора реактивной мощности нетрудно видеть, что регулятор ведет себя как некоторая эквивалентная индуктивность со значением индуктивности ýêâ ð ð 1 2 2 1 sin k L L α α π π = æ ö÷ ç ÷ - - ç ÷ ç ÷ çè ø (113) дроссельно-вентильный регулятор реактивной мощности обладает высоким быстродействием, зависящим фактически только от достигаемой в системе управления скорости изменения угла α р Практически переходный процесс изменения тока регулятора от минимального до максимального значения не превышает одного периода выходной частоты, а переходный процесс в нагрузке продолжается не более трех периодов. Вопросы для самоконтроля. объясните принцип работы дроссельно-вентильного регулятора. сформулируйте достоинства и недостатки регулирования выходного напряжения инверторов тока с помощью дроссельно-вен- тильного регулятора. Задания для промежуточного контроля знаний студентов по теме «инверторы» По теме инверторы необходимо выполнить расчет параметров однофазного инвертора напряжения с выходным фильтром. варианты схем однофазных инверторов напряжения одноплечевая схема – вариант 1 (в полумостовая схема – вариант 2 (в схема с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора вариант 3 (в полномостовая (мостовая) схема – вариант 4 (в4). исходные данные, необходимые для расчета схема инвертора напряжение нагрузки U нг N = ... в ток нагрузки I нг N = ... A; – частота выходного напряжения f = ... Гц напряжение входной сети U вх N = ... в допустимое отклонение напряжения входной сети ±ΔU вх% = …%; – требуемый коэффициент гармоник выходного напряжения k г.вых = … . Таблица Варианты заданий Параметр номер задания 2 3 4 5 6 7 8 в1 в2 в3 в4 в1 в2 в3 в4 U нг N , в 48 56 60 70 80 90 100 I нг N , а 2 3 4 5 4 3 2 f, Гц 100 200 300 400 300 200 100 U вх N , в 24 36 12 24 36 12 24 ±ΔU вх % , % 10 15 15 10 15 20 15 10 k г.вых 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 сosϕ нг 1,0 0,9 0,8 0,7 0,8 0,9 1,0 Продолжение табл. Параметр номер задания 10 11 12 13 14 15 16 в1 в2 в3 в4 в1 в2 в3 в4 U нг N , в 220 115 220 200 127 36 48 I нг N , а 0,8 1,5 0,9 0,7 0,9 2,0 1,5 f, Гц 50 400 50 400 50 50 50 U вх в 18 24 36 48 60 110 12 ±ΔU вх % , % 10 15 20 25 10 15 20 25 k г.вых 0,1 0,1 0,1 0,1 0,08 0,08 0,08 0,08 сosϕ нг 0,8 0,7 0,8 0,9 1,0 0,9 0,8 Окончание табл. Параметр номер задания 18 19 20 21 22 23 24 в1 в2 в3 в4 в1 в2 в3 в4 U нг N , в 220 380 24 36 48 127 220 I нг N , а 0,5 0,5 3,0 3,0 2,0 1,5 Гц 50 50 50 50 50 50 50 U вх N , в 36 24 12 24 36 48 12 ±ΔU вх % , % 10 15 20 25 10 15 20 25 k г.вых 0,04 0,04 0,05 0,05 0,06 0,06 0,07 0,07 сosϕ нг 1,0 0,9 0,8 0,7 0,8 0,09 1,0 0,8 коэффициент мощности нагрузки cosϕ нг = угол ϕ нг = регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтного способа регулирования. требуется нарисовать схему инвертора построить временные диаграммы, поясняющие принцип работы инвертора рассчитать загрузку элементов схемы (транзисторов, диодов) потоку и напряжению рассчитать требуемый диапазон регулирования коэффициента скважности γ; – рассчитать параметры трансформатора, необходимые для его выбора (напряжения и токи первичной и вторичной обмоток, расчетную мощность трансформатора рассчитать выходной фильтр, необходимый для достижения требуемого по заданию коэффициента гармоник выходного напряжения k г.вых варианты заданий сведены в табл. Методические рекомендации по выполнению контрольной работы. Перед выполнением контрольной работы следует внимательно изучить разделы учебного пособия, в которых рассмотрены вопросы устройства, принцип работы и расчетные соотношения для определения загрузки элементов схемы потоку и напряжению. Порядок выполнения контрольной работы изложен в под- разд. 1.4, 1.9 ив которых приведены примеры расчета однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (1.4) и однофазного инвертора напряжения (1.10). 104 4. ПРеОБРАЗОВАТеЛи ЧАСТОТЫ Преобразователи частоты преобразуют электрическую энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию переменного тока другой частоты. Причем выходная частота преобразователя может быть регулируемая или стабилизированная. Преобразователи с регулируемой выходной частотой применяются в электроприводах переменного тока, а преобразователи со стабилизированной выходной частотой – в технологических установках, в источниках питания, включая источники бесперебойного питания. таким образом, область применения преобразователей частоты весьма широка, а мощности этих преобразователей – от десятков ватт до нескольких мегаватт. к преобразователям частоты, предназначенным для частотного управления электроприводами, предъявляются следующие основные требования независимое регулирование величины и частоты выходного напряжения возможность двухстороннего обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью устойчивость протекания динамических режимов частотного управления электропривода быстродействующая защита и эффективная диагностика достаточно высокий кПд; – высокая симметрия фазных напряжений и токов отсутствие постоянных составляющих и субгармоник в преобразованных напряжениях и токах минимальные искажения напряжения питающей сети, низкий уровень радиопомехи шума возможность форсировать кратковременные перегрузки потоку и напряжению для форсирования переходных процессов двигателя поддержание с требуемой точностью значений частоты, напряжения (тока) в установившихся режимах работы электропривода. По принципу работы преобразователи частоты разделяются на преобразователи частоты со звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети. Можно отметить, что преобразователи частоты со звеном постоянного тока имеют несколько каскадов преобразования электрической энергии, что влечет за собой увеличение потерь мощности и снижение кПд. Преобразователи частоты без звена постоянного тока имеют только один каскад преобразования электрической энергии, поэтому их кПд выше, чему преобразователей частоты со звеном постоянного тока. рассмотрим каждый из этих классов преобразователей [7]. 4.1. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока Преобразователи частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного тока является независимость частоты выходного напряжения на выходе ПЧ от частоты питающей сети. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме с инвертором напряжения ИН (рис. 46) и с инвертором тока ИТ (рис. 47). регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется изменением частоты переключения полупроводниковых ключей (транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. величина выходного напряжения в этих схемах может регулироваться путем регулирования величины выходного напряжения управляемого выпрямителя УВ (этот способ называется амплитудным. в настоящее время в большей мере находит применение ши- ротно-импульсный метод регулирования выходного напряжения Рис. 47. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором тока УВ ИТ Выход ПЧ u 2 f 2 u 1 f 1 Вход ПЧ L d Рис. 46. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором напряжения УВ ИН Выход ПЧ u 2 f 2 u 1 f 1 Вход ПЧ + L С ф ф инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым. следует напомнить, что расчетные соотношения, устанавливающие связь между напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора приведены в разд. 1 и для обеспечения генераторного режима работы нагрузки ПЧ электрической машины) необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо изменить полярность напряжения вцепи постоянного тока ПЧ. схема ПЧ с инвертором напряжения (см. рис. 46) содержит вцепи постоянного тока L-C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя, управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования. Преобразователь частоты с инвертором тока содержит вцепи постоянного тока индуктивный фильтр, поэтому в этой схеме ПЧ нет никаких препятствий для перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. При наличии во входной цепи инвертора дросселя со значительной индуктивностью пульсации входного тока пренебрежимо малы. Полупроводниковые ключи автономного инвертора, поочередно переключаясь, распределяют входной ток по фазам нагрузки. ток каждой фазы нагрузки имеет прямоугольно-ступенчатую форму, причем форма тока не зависит от нагрузки и ее характера. таким образом, действующее значение тока нагрузки можно определить по известному соотношению а первая гармоника этого тока напряжение на выходе автономного инвертора тока и его форма определяются нагрузкой и ее характером. действующее значение первой гармоники напряжения фазы нагрузки можно определить из условия равенства мощности, потребляемой инвертором, и мощности нагрузки. При пренебрежении потерями мощности на элементах схемы можно записать ô1 íã1 3 cos , d d U I U где фиф действующие значения первых гармоник напряжения и тока нагрузки ϕ нг1 – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока нагрузки. из (115) с учетом (114) получим 3 таким образом, напряжение на нагрузке при постоянстве напряжения источника питания не сохраняется постоянным, а изменяется приблизительно обратно пропорционально коэффициенту мощности нагрузки. если нагрузкой преобразователя является асинхронный двигатель, то изменение момента нагрузки на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее обмотке статора, что в большинстве случаев недопустимо, поэтому в практических схемах ПЧ с автономным инвертором тока необходимо использовать различные обратные связи для стабилизации напряжения на двигателе или регулирования его величины по заданному закону с целью обеспечить необходимый магнитный поток машины. Преобразователи частоты с инвертором тока мощностью более 30–40 квт на практике не нашли широкого применения из-за необходимости устанавливать вцепи постоянного тока дроссель сочень большой индуктивностью, что существенно увеличивает не только объем преобразователя, но и его стоимость. для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рис. 48. в этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении б при включении транзистора VT. транзистор VT, который часто называют чопером, включается сигналом системы управления в том случае, когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше заранее установленного предела. в свою очередь повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим мощность, рассеиваемая на балластном сопротивлении, существенно возрастает, а кПд установки в целом уменьшается. невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации этой схемы при мощности нагрузки до единиц мегаватт. универсальной схемой для электроприводов большой мощности является схема ПЧ (рис. 49), которая содержит в своем составе кроме управляемого выпрямителя, инвертора напряжения, моста вентилей обратного тока еще и зависимый инвертор, вход которого подключен к выходу моста вентилей обратного тока, а выход – к сети u 1 f 1 В ИН AД m 1 Рис. 48. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в цепь чопера: ад – асинхронный двигатель B Ф1 ИН ОД Ф2 AД m 1 u 1 f 1 ; u 1 ;f 1 m 1 ЗИ m 2 u 2 Рис. 49. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в питающую сеть через зи (зависимый инвертор в – выпрямитель фиф сглаживающие фильтры од – обратные диоды переменного тока, питающей управляемый выпрямитель. Эта схема ПЧ позволяет обеспечить работу электропривода во всех четырех квадрантах механической характеристики, охватывающих двигательный и генераторный режимы работы электрической машины, как при отстающем, таки при опережающем характере тока нагрузки. Эта схема наиболее предпочтительна для электроприводов с частыми пусками, торможениями и реверсами. Примером такого электропривода может быть электропривод грузоподъемных механизмов строительных кранов, портальных кранов и т. д. расчетные соотношения, необходимые для выбора элементов преобразователя частоты, выполненного по этой схеме, приведены в разд. 1 и 2 и работе Число каскадов силовой схемы ПЧ со звеном постоянного тока, способного рекуперировать электрическую энергию в питающую сеть, может быть сокращено, если на входе преобразователя частоты установить активный выпрямитель. схема будет иметь вид, приведенный на рис. 46, но вместо тиристорного управляемого выпрямителя должен стоять активный выпрямитель, а инвертор напряжения должен работать в режиме ШиМ выходного напряжения и регулировать величину и частоты выходного напряжения. Перевод активного выпрямителя из режима выпрямления в режим инвертирования происходит практически автоматически при увеличении напряжения цепи постоянного тока преобразователя выше той величины, которая получается при выпрямлении напряжения сети переменного тока, питающей преобразователь, диодами обратного тока, включенными параллельно каждому транзистору активного выпрямителя. Это напряжение цепи постоянного тока U d0 легко определить, если известно номинальное значение напряжения фазы питающей сети U ф.с и определена схема выпрямителя, а именно ее коэффициент преобразования схемы k сх : 0 ñõ ô.ñ d U k U = 4.2. Пример расчета преобразователя частоты со звеном постоянного тока Преобразователь частоты со звеном постоянного тока выполнен по схеме, приведенной на рис. 48. Преобразователь частоты содержит в своем составе неуправляемый выпрямитель, транзисторный трехфазный инвертор, емкостной сглаживающий фильтр, установленный на выходе выпрямителя, и цепь для поглощения энергии, рекуперируемой инвертором при переходе асинхронной машины из двигательного режима в генераторный. Преобразователь частоты питается от трехфазной сети переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 220/380 в ±10 инвертор напряжения работает с синусоидальной ШиМ. нагрузкой инвертора служит трехфазный асинхронный двигатель аоЛП 22-12, имеющий следующие параметры номинальное напряжение ф N = 220 в номинальная частота f N = 400 Гц полезная мощность Р = 600 вт; – частота вращения n N = 3750 об/мин; – потребляемая мощность Р = 840 вт; – потребляемый тока начальный пусковой ток па кПд η = 0,74; – коэффициент мощности cosϕ = 0,54. обмотки статора двигателя соединены в треугольник, поэтому номинальное значение величины фазного напряжения равно номинальному значению величины линейного напряжения, те в. Особые условия, предъявляемые к преобразователю частоты. Преобразователь частоты должен обеспечить возможность независимого регулирования выходного напряжения как по величине, таки по частоте. диапазон регулирования частоты выходного напряжения в пределах от 0 до 1,0 номинального значения, а диапазон регулирования величины выходного напряжения – в пределах от 0 до 1,15 номинального значения величины напряжения двига- теля. выбираем значение несущей частоты ШиМ инвертора равным 2500 Гц. необходимо: – рассчитать загрузку вентилей выпрямителя и инвертора ивы- брать их рассчитать емкостной фильтр оценить гармонический состав выходного напряжения инвертора при синусоидальной ШиМ. Принцип работы инвертора напряжения с синусоидальной ШиМ и расчетные соотношения приведены в подразд. расчет величины напряжения постоянного тока на входе инвертора, необходимого для обеспечения номинального значения напряжения двигателя, определим по формуле (69): íã ë ï 2 2 2 2 220 399 Â 3 3 0 9 max , , N U U µ × = = = × где µ max – максимальное значение коэффициента модуляции, принято равным 0,9. C учетом требования задания необходимо увеличить максимальное значение этого напряжения в 1,15 раза, те. максимальное значение напряжения на входе инвертора должно быть не менее 459 в п max ≥ 459 в). определим величину напряжения на выходе неуправляемого выпрямителя, U d0 , включенного между питающей сетью и входом инвертора напряжения = k сх U c – 2ΔU в.пр = 2,34 · 220 – 2 · 1,5 = 512 в, где k сх – коэффициент преобразования схемы выпрямителя, равный, а напряжение фазы питающей сети в соответствие с заданием равно 220 в; ΔU в.пр – прямое падение напряжения на открытом диоде выпря- мителя. с учетом возможного отклонения величины напряжения питающей сети, равного ±10 %, величина выходного напряжения выпрямителя может колебаться в пределах отв до U d max = 1,1U d0 = 563 в. совершенно очевидно, что минимальное значение напряжения на выходе выпрямителя U d min должно быть больше или равно максимальному напряжению на входе инвертора п max . сравнивая рассчитанные значения U d min и п max , можно видеть, что это условие выполняется и для согласования напряжения двигателя с напряжением питающей сети не требуется устанавливать сетевой трансформатор. таким образом, мы показали, что проектируемый преобразователь частоты может быть выполнен без сетевого транс- форматора. определим номинальное значение коэффициента модуляции с учетом того, что преобразователь частоты будет выполнен без сетевого трансформатора 2 2 2 220 0 7 3 3 512 , далее определим загрузку транзисторов и диодов обратного тока инвертора потоку и напряжению c учетом значения в соответствие с формулой (72) максимальное значение коллекторного тока транзистора к max равно максимальному (амплитудному) фазному значению выходного тока инвертора. с учетом того, что обмотки статора двигателя соединены в треугольник, выходной ток фазы инвертора равен линейному току двигателя, те. фи = I л.дв = 3,9 а m ë.äâ 2 5 5 среднее значение тока диода обратного тока (I VD ср ) определим по формуле (73): ô m ñð íã 5 5 0 7 1 1 0 54 0 616 À 2 4 2 в диапазоне низких значений частоты выходного напряжения инвертора, когда значение коэффициента модуляции может находиться в пределах от 0,05 до 0,1, среднее значение тока диода обратного тока следует определять по формуле (73). Примем минимальное значение коэффициента модуляции равным 0,1: I VD ср max = ф m (1 – µ)/2 = 5,5(1 – 0,1)/2 = 2,5 а. для выбора диода обратного тока примем значение I VD ср max = = 2,5 ас учетом рекомендуемого значения коэффициента запаса потоку, равного 2, транзистор следует выбирать на ток не менее 11 а, а диод – на ток не менее 5 а. обратное напряжение на транзисторах и диодах обратного тока инвертора равно максимальному значению напряжения на выходе выпрямителя с учетом колебания напряжения питающей сети, те. равно 563 в. с учетом рекомендуемого значения коэффициента запаса по напряжению, равного 2, транзисторы и диоды инвертора следует выбирать на напряжение не менее 1140 в. транзисторы и диоды обратного тока можно выбрать по справочным данным, приведенным в конце учебного пособия. из табл. 11 выбираем транзисторы типа PM15CZF120, параметры которых максимальное напряжение сток-исток ив максимальный ток стока I c = 15 а суммарное время включения и выключения t вкл + t выкл = = 2,7 мкс. из табл. 16 выбираем диоды типа IDB09E120, параметры которых максимальное обратное напряжение U обр max = 1200 в номинальное значение среднего тока I VD ср N = 9 а. далее определим загрузку диодов сетевого выпрямителя потоку и напряжению [11]. выпрямитель собран по трехфазной мостовой схеме, поэтому максимальное обратное напряжение на диодах выпрямителя определяется в соответствии с соотношением U обр max = 1,045U d max = 1,045 · 563 = 588 в. среднее значение тока диода выпрямителя I V ср = 0,33I dN , где I dN – среднее значение входного тока инвертора. значение тока на входе инвертора I d определим по формуле m1 íã 3 3 5 5 0 54 2 84 таким образом, среднее значение тока диода выпрямителя I в.ср = 0,33I dN = 0,9 ас учетом двойного запаса потоку и напряжению диоды выпрямителя следует выбирать на ток не менее 2 аи напряжение не менее виз табл. 16 выбираем диоды типа IDB04E120, параметры которых максимальное обратное напряжение U обр max = 1200 в номинальное значение среднего тока I VD ср N = 4 а. определим значение компенсирующего конденсатора, включенного на вход инвертора, по формуле (77): íã 1 íã m 0 íåñ c 6 6 3 2 2 3 0 9 5 5 57 30 15 10 Ô 2 2500 0 05 515 2 ( выбираем компенсирующий конденсатор с двойным запасом по емкости, те. С = 30 мкф на напряжение не менее 1200 в. выполним расчет конденсатора сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя и сравним это значение стем значением компенсирующего конденсатора, которое определено выше (С = 15 мкф). Примем амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения п = 0,1U dN = 0,1 · 515 = 51,5 в. амплитуда выходного напряжения 1 41 380 536 Â , d U U = = × = величина емкости конденсатора фильтра должна быть такой, чтобы запасенной им энергии на интервале квантования выходного напряжения выпрямителя [Т кв = Т с /(k т m 2 ) = 0,02/6 = 0,0033 сбыло бы достаточно для питания нагрузки на этом временном интервале при условии провала амплитуды напряжения на величину, равную п, те откуда требуемая величина емкости конденсатора фильтра 6 1 êâ 1 2 2 2 2 1m 1m ï 2 2 840 3 3 10 10 10 Ô 536 484 , ( ) d d Ð t Ñ U U U - - D × × × = = = × - -D - ( сравним значения емкости конденсатора, рассчитанные по формулами. Эти значения оказались достаточно близкими. окончательно принимаем решение по величине конденсатора на входе инвертора С = 30 мкф. с учетом того, что отношение несущей частоты к модулирующей f нес /f мод = 2500/50 = 50, те. более 10, гармонический состав выходного напряжения инвертора можно определить, воспользовавшись графиками, приведенными на рис. 30. наиболее сильно выраженными высшими гармониками являются гармоники, номера которых определяются по соотношениям ν = 50±1, ν = 50±2, те. гармоники ν = 48, ν = 49, ν = 51 и ν = 52, относительная величина каждой из которых изменяется в зависимости от величины коэффициента модуляции µ так, как это показано на рис. 30. |