Расчет двухзвенного преобразователя частоты для частотно-регулируемого электропривода перекачки жидкости

 Вт

 

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле

 (1.10)

 Вт

 

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда °C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)

 (1.11)

⁰С/Вт

где Т_а – температура охлаждающего воздуха, 45–50 °С; Т_с – температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Р_m – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, одной парой IGBT/FWD, R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.

 

Температура кристалла IGBT определяется по формуле

 (1.12)

⁰С

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство T_ja ≤ 125 ⁰C.

 

Температура кристалла  обратного диода FWD

 (1.13)

⁰С

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля. Должно выполняться неравенство Т_j ≤ 125 ⁰C.

 

1.5. Расчет выпрямителя

 

Среднее выпрямленное напряжение

 (1.14)

В

где k_сн = 1,35 для мостовой трехфазной схемы; k_сн = 0,9 – для мостовой однофазной схемы.

 

Максимальное значение среднего выпрямленного тока

 (1.15)

 А

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

 

Максимальный рабочий  ток диода

 (1.16)

 А

 А

где при оптимальных  параметрах Г-образного LС-фильтра, установленного на выходе выпрямителя, k_cc =1,045 для мостовой трехфазной схемы; k_cc = 1,57 для мостовой однофазной схемы.

 

Максимальное обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)

 (1.17)

 В

 В

где k_c ≥ 1,1– коэффициент допустимого повышения напряжения сети; k_3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔU_н – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).

 

Вентили выбираются по постоянному  рабочему току и по классу напряжения. Выбираем диодный модуль RM100СZ-24 со средним прямым током I_FAV = 100 А и импульсным повторяющимся обратным напряжением U_RRM = 1200 В (шестнадцатый класс). Нам потребуется три таких вентиля. Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя.

                                                                         а)                                 б)

                                                       а – схема  выпрямителя,

                                                       б – диодный модуль

Рис.2

 

Значения, по которым  выбираем вентили

73,305 А

1065В

Табличные значения выбранных  вентилей:

 

Расчет потерь в выпрямителе  для установившегося режима работы электропривода ( ):

 (1.18)

 Вт

 Вт

где k_cs = 0,577 для мостовой трехфазной схемы; R_on – динамическое сопротивление в проводящем состоянии вентиля; U_j – прямое падение напряжения на вентиле при токе 50 мА (U_j + R_onI_dm/k₁) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; m_v – число вентилей в схеме.

 

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда в расчете на выпрямитель

 (1.19)

⁰С/Вт

где R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля.

 

Температура кристалла

 (1.20)

⁰С

⁰С

где R_th(j-c)DV – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного вентиля модуля; n_D – количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство T_jDV ≤ 140 ⁰С.

 

1.6. Расчет параметров охладителя

 

При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов

 (1.21)

⁰С/Вт

 

Используя график зависимости  теплового сопротивления  от скорости воздушного потока при принудительном охлаждении радиатора (рис. 3), определяем что при скорости обдува V=4 м/с получаем

Рис.3

 

Определяем тепловое сопротивление охладителя

По полученным результатам  выбираем охладитель для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ. Охладитель серии BF, тип 10, фирмы DAU.

 

1.7. Расчет сглаживающего фильтра

 

Для расчета фильтра  принимаем коэффициент сглаживания  пульсаций S = (3 ÷ 12). Чем больше S, тем больше габариты фильтра, поэтому выбираем S = 3.

 

Коэффициент пульсаций  на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению)

 (1.22)

где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы, m = 2 для однофазной мостовой схемы).

 

Параметр сглаживания LC-фильтра

 (1.23)

где S = q_1вх/q_1вых – коэффициент сглаживания по первой гармонике; f_s – минимальная частота выходного напряжения в ПЧ, равная 30 Гц.

где Ls – индуктивность сети, приведенная к звену постоянного тока.

В качестве индуктивности  используем паразитную индуктивность  питающей кабельной линии, задаёмся длинной кабельной линии (50…100)м

Выбираем погонную индуктивность  из справочника нГн.

 

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя K_M=0,95 определяется из следующих условий:

 

Индуктивность питающей сети переменного тока

 (1.24)

мкГн

Ёмкость  конденсатора необходимой для реализации LC фильтра

;             (1.25)

 

                                                                      (1.26)

 мкФ

 мкФ

Определяем ёмкость  С_о2 необходимую для возврата реактивной энергии в фильтр

 (1.27)

мкФ

где I_sm1– амплитудное значение тока в фазе двигателя, А; φ₁– угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока ; q₁– коэффициент пульсаций; f_sw – частота ШИМ, Гц.

 

Для практической реализации фильтра используем конденсаторы с  наибольшим значением емкости С₀₁, С₀₂, т.е. конденсаторы с емкостью 2819 мкФ.

 

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

 (1.28)

А

А

где - наибольшая ёмкость из и , мкФ

                                                                                       (1.29)

 

В зависимости от величины емкости С₀₁ и амплитуды тока I_C0m формируем батарею конденсаторов емкостью не менее 2819 мкФ, напряжением не менее (1,1…1,2)∙U_d, т.е. (1,1…1,2)∙513 ≥ 615,6 В.

 

Составляем батарею:

Выбираются небольшие  конденсаторы электролитические с  ёмкостью 2819 мкФ напряжением 615,6 В, составляются пары из двух последовательно включённых конденсаторов,  ёмкость такой пары 340 мкФ, рабочее напряжение 1000 В. Получается параллельно включённых порядка 9 пар, 18 конденсаторов марки Siemens Matsushita Components .Номинальный ток конденсатора свыше 300А, срок службы 15 лет.

 

Рис.4  Батарея  конденсаторов

 

1.8. Расчет снаббера

 

Снаббер защищает цепь от пробоя напряжения, а в частности защищает силовые транзисторы.

Рассматриваемая схема:

Рис.5  

 

Выбранная схема обладает рядом преимуществ:

1.Малое число элементов.

2.Низкие потери мощности.

3.Подходит для средней  и малой ёмкости конденсатора.

Подходит для средней  и малой емкости конденсатора.

 

Мощность в резисторе

                                                                 (1.30)

Вт

Вт

где U – напряжение коллектор–эмиттер  в установившемся режиме, которое  равно напряжению звена постоянного тока преобразователя системы АИН ШИМ, ΔU – перенапряжение (рис. 5). Выбираем ёмкость снабберной цепи из расчёта 1 мкФ на 100А коммутированного тока. А значит берём С=2мкФ.

 

Выбор величины сопротивления  производится из условия минимума колебаний тока коллектора при включении IGBT

                                                                         (1.31)

Ом

Ом

где L_Sn – индуктивность цепей снаббера, которая не должна быть более 10 нГн.

 

Выбираем высокочастотные  резисторы.

По величине сопротивления  и мощности реализуется  резистор снаббера из десяти одноваттных сопротивлений типа МЛТ 2 Ом ± 10%, соединенных параллельно, для получения эквивалентного сопротивления 0,2 Ом мощностью 18 Вт.

 

Собираем резистор R_CH

 

Рис.6

 

Выбор сверхвысокочастотного  диода.

Снабберный диод выбирается по таблице П5. Выбираем по току в 20-50 раз меньше среднего тока IGBT транзистора

А                                           (1.32)

напряжение снабберного  диода 

Выбираем снабберный диод серии MBRS360T3 для функциональной электрической схемы АД электропривода с ПЧ, со следующими данными:

I_FAV=3 А; U_RRM=600 В; U_FM=1,25 В; t_вкл=50 нс; t_откл=75 нс

Для нашей схемы нам  потребуется 1 диод.

 

Строим временные диаграммы  ступенчатых выходных напряжений ПЧ.

Временные диаграммы  выходного напряжения ПЧ с ШИМ  регулированием приведены в П5.

( )                                                                         (1.33)

                                                                     (1.34)

В                 

; ;

                                                     (1.35)

где                                                                                    (1.36)

Рассчитываем текущие  значения для каждого периода (всего 10)используя         диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.

Вт

Аналогично рассчитываем для остальных значений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

В

; ;

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте  рассчитан ПЧ для функциональной электрической схемы асинхронного ЭП с ПЧ и электрической принципиальной схемы УВ. Рассчитаны все основные параметры и выбраны все необходимые элементы     схемы.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2001. 518 с.
2. Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2001. 518 с.
3. Ковалёв Ю.З., Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности: Учеб. пособие. Омск: Издательство ОмГТУ, 2006. 160 с.
4. Справочник «Охладители воздушных систем для п/п приборов»
5. Чебовский О.Г. Моисеев Л.Г. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 512 с.
6. Охладители воздушных систем охлаждения для п/п приборов. Каталог 05.20.06-86 Информэлектра 1896. 31с.
7. Методические указания по применению государственных стандартов в курсовом и дипломном проектировании / В.К.Грунин – Омск, Изд. ОмГТУ, 2002. 38 с.