Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные для проектирования

- входное постоянное напряжение инвертора, В 220

- напряжение сети, В 380

- мощность асинхронного двигателя, кВт 65

- количество двигателей 30

- диапазон регулирования частоты, Гц 50...5

- способ управления инвертором ШИМ



Содержание

Введение

1. Специальная часть

1.1 Обоснование и выбор силовой части. Разработка функциональной схемы преобразователя частоты

1.2 Разработка принципиальной схемы силовой части

1.3 Разработка структурной схемы системы управления

1.4 Разработка принципиальной схемы системы управления

2. Расчётная часть

2.1 Обоснование и выбор элементов силовой схемы

2.2 Расчёт и выбор элементов системы управления

2.3 Расчёт электромагнитных процессов. Построение диаграмм действующих и мгновенных значений U, I

Заключение

Список использованных источников

Приложение А - Перечень элементов

Приложение Б - Структурная схема

Приложение В - Принципиальная схема



Введение

Данный тип приборов создан в начале 1980-х гг, запатентован International Rectifier в 1983. Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков -- медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавились от этих пороков. IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

§ высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности -- от транзисторов с изолированным затвором

§ низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии -- от биполярных транзисторов.

Диапазон использования -- от десятков А до 1200 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.

Основное применение IGBT -- это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

Внутренняя структура IGBT - транзистора представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Схематичный разрез структуры IGBT:

Э - эммитер; К - коллектор; З - затвор

преобразователь частота электромагнитный напряжение

Энергосберегающие технологии на основе регулируемого электропривода все шире внедряются в различные отрасли промышленности и в транспортных средствах. В последнее время наиболее популярными и используемыми силовыми ключами для преобразователей частоты асинхронных двигателей стали IGBT-модули.

Общеизвестно, что использование в схемах преобразователей быстродействующих полностью управляемых мощных ключей на основе IGBT позволяет преобразовывать электроэнергию на высоких частотах, снизить общие потери в преобразователях, применить современные системы управления, снизить массу и габариты устройств.

Конструкция и параметры IGBT-модулей постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах. Однако как показывает опыт работы с потребителями, многие разработчики и изготовители аппаратуры не учитывают некоторые особенности этих приборов, что зачастую приводит к неправильной эксплуатации

IGBT- модулей и выходу их из строя.

Чаще IGBT-модули используются в инверторах, где транзисторы соединены по схеме полумоста (рисунок 2), и импульсных источниках питания, где используются IGBT-модули, собранные по схеме чоппера (рисунок 3).

Рисунок 2 - Схема трехфазного инвертора

Рисунок 3 - Схема импульсного источника питания



1. Специальная часть

1.1 Обоснование и выбор силовой части. Разработка функциональной схемы

Двухзвенный преобразователь частоты на основе АИН содержит выпрямитель, сглаживающий фильтр и АИН (рисунок 1.1.1).

Рисунок 1.1.1 - Функциональная схема двухзвенного преобразователя частоты на основе АИН, работающего на двигатель переменного тока

(В - выпрямитель; Ф - фильтр; АИН - автономный инвертор напряжения; ЭМ - электрическая машина; СУВ, СУИ - системы управления выпрямителем и автономным инвертором)

Сглаживающий фильтр обычно представляет собой Г-образный LC- фильтр. Выпрямитель может быть управляемым и неуправляемым. Но для нашего проекта возьмём неуправляемый выпрямитель на диодах. Это даёт выигрыш в габаритных размерах преобразователя, и система управления получается более простой. Она всего одна - для АИН, а выпрямитель пропускает ток только в одном направлении, т.к. сделан на диодах.

Выходное напряжение регулируем методом широтно - импульсной модуляции (ШИМ). Частота модуляции должна быть хотя бы на порядок выше, чем наибольшая частота выходного напряжения. Частота выходного напряжения задаётся системой управления.

В проекте мы рассматриваем систему электропривода подключённую к сложной цеховой нагрузке. Сеть питает 30 асинхронных двигателей. Каждому из них соответсвует собственный АИН с системой управления. Выпрямитель же один - общий, бестрансформаторный. Схематично это показано на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2 - Структурная схема цеховой нагрузки

1.2 Разработка принципиальной схемы силовой части

На рисунке 1.2.1 приведена принципиальная схема двухзвенного преобразователя частоты для питания асинхронного двигателя. Он состоит из неуправляемого выпрямителя (В), автономного инвертора (АИН), сглаживающего фильтра (СФ) и блока тормозного резистора (БТР), применяемого при торможении.

Неуправляемый выпрямитель выполнен на диодах, автономный инвертор на IGBT - транзисторах. Фильтр LC служит для сглаживания напряжения выпрямителя. За счет применения ШИМ осуществляется регулирование напряжения на выходе ПЧ и приближение его формы к синусоидальной.

Рисунок 1.2.1 - Двухзвенный транзисторный преобразователь с ШИМ

Торможение обеспечивается переводом АИН в режим управляемого выпрямителя напряжения, обеспечивающего повышение напряжения на конденсаторе фильтра, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя.

Роль фазных индуктивностей при этом выполняют индуктивности рассеяния фаз двигателя. При превышении напряжением на конденсаторе заданного значения транзистор К_т включается и энергия, передаваемая от электрической машины, рассеивается в тормозном резисторе.

Описанное торможение получило в литературе название инверторного

торможения, хотя очевидно, что при этом торможении не происходит инвертирования.

Недостаток такого ПЧ - невозможность рекуперации энергии в сеть при торможении. В настоящее время эта схема наиболее перспективна в электроприводах с редкими торможениями.



1.3 Разработка структурной схемы системы управления

Итак, определим основные параметры, которыми будет обладать наша система управления (СУ).

· По числу каналов: Выбираем одноканальную систему управления вентилями (рисунок 1.3.1). В одноканальных системах импульсы управления для всех вентилей вырабатываются в одном общем канале, из которого они по очевидной логике распределяются по вентилям. Достоинством одноканальных систем является отсутствие разброса значений фаз импульсов управления вентилями, присущее многоканальным системам из-за неидентичности параметров каналов при их практической реализации, связанной с разбросом параметров реальных элементов канала. Неидентичность фаз импульсов управления вентилями порождает очевидную некачественность выходной и потребляемой энергии преобразователя. Например, для выпрямителя допустим разброс фаз импульсов управления от вентиля к вентилю не более 1…3є.

Рисунок 1.3.1 - Блок-схема одноканальной СУ

Здесь ГОН - генератор опорного напряжения пилообразной формы, запускаемый по точкам естественного зажигания трехфазной системы питающих напряжений. Длительность рабочего участка пилы опорного напряжения получается равной шестой части периода сетевого напряжения. Устройство сравнения УС вырабатывает на выходе импульсы в моменты сравнения опорного и задающего Uз напряжений. Частота этих импульсов

здесь в шесть раз выше частоты сетевого напряжения. Распределитель импульсов РИ последовательно направляет эти импульсы поочередно в каждый из своих шести выходов так, что на каждом выходе появляется один импульс за период сетевого напряжения.

· По синхронизации управляющих импульсов: синхронная

· По использованию сигнала обратной связи: замкнутая (следящая)

Блок-схема одноканальной синхронной системы управления непрерывного слежения построена на рисунке 1.3.2. Здесь новыми элементами являются регулятор Р (в простейшем случае типа интегрального) и цепь обратной связи, в простейшем случае представляющая собой резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи Кос для получения сигнала обратной связи Uос, пропорционального выпрямленному напряжению.

Рисунок 1.3.2 - Блок-схема одноканальной синхронной замкнутой СУ

Структура СУ: из сигнала обратной связи необходимо вычесть сигнал задания, результат проинтегрировать и в момент равенства интеграла нулю выработать очередной импульс управления. Этими же импульсами необходимо обеспечить возврат интегратора И в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, как показано на рисунке пунктиром.

Алгоритм формирования фазных напряжений в трехфазном инверторе показан на рисунке 1.3.3 (для фазы А).

Рисунок 1.3.3 - Формирование фазных напряжений в АИН

Он заключается в управлении одними вентилями фаз инвертора по интервалам превышения опорного напряжения треугольной формы (для получения двусторонней модуляции) над соответствующим фазным синусоидальным модулирующим сигналом и другими вентилями фаз инвертора - по интервалам, заполняющим паузы в указанных интервалах.

Реализация такого алгоритма обеспечивается в базовой структуре вертикальной системы управления (рисунок 1.3.4).

Рисунок 1.3.4 - Блок-схема базовой структуры СУ АИН

Здесь трехфазный генератор модулирующего напряжения синусоидальной формы имеет два задающих входных сигнала. Первый сигнал задания Uзч определяет частоту модулирующего напряжения, а значит, и частоту выходного напряжения инвертора, второй сигнал задания Uза - глубину модуляции длительностей импульсов в такте ШИМ и величину первой гармоники выходного напряжения инвертора. Генератор опорного напряжения ГОН симметричной треугольной формы имеет частоту, определяющую частоту коммутации при ШИМ. При малых кратностях коммутации, т.е. при малых значениях (15 и меньше) отношения частоты опорного напряжения к частоте модулирующего напряжения Кт, используют кратные (трем) отношения указанных частот, синхронизируя опорное и модулирующие напряжения, как подчеркивает это пунктирная связь двух генераторов. Это устраняет субгармоники в кривых фазных напряжениях инвертора. Устройства сравнения в каждом канале для соответствующих вентилей катодной группы инвертора и импульсы управления для вентилей анодной группы инвертора получаются на выходах схем инверсии (схемы НЕ). Это обеспечивает как бы режим 180є управления вентилями, что приводит к независимости формы выходного напряжения инвертора от вида и параметров нагрузки, так как исключается режим прерывистого тока.

Итак, учтя все необходимые требования, СУ совмещённая с силовой частью будет иметь вид, представленный на рисунке 1.3.5. Где ДН - датчик напряжения, С - сумматор, И - интегратор, К - компаратор, ЛП - логический повторитель, ЛИ - логический инвертор, ГМН - генератор модулирующего напряжения, ГТИ - генератор треугольных импульсов.



Рисунок 1.3.5 - Функциональная схема системы управления, совмещённая с силовой частью

1.4 Разработка принципиальной схемы СУ

Сумматор

Схема сумматора напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор) показана на рисунке 1.4.1.



Рисунок 1.4.1 - Схема сумматора

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор R_э (на рисунке показан пунктиром).

Интегратор

Интеграторы широко применяют при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, точных фазосдвигающих устройств, обеспечивающих получение 90° фазового сдвига напряжения с погрешностями минуты -- десятки минут, в качестве фильтров низких частот и пр.

Так как в нашей СУ необходимо обеспечить возврат интегратора И в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, выбираем схему интегратора со сбросом начального заряда (рисунок 1.4.2).



Рисунок 1.4.2 - Схема интегратора со сбросом начального заряда

Компаратор

Компаратор это устройство, которое вызывает выходной сигнал в момент равенства двух напряжений, подаваемых на его вход.

Схема простейшего двухвходного компаратора приведена на рисунке 1.4.3. На неинвертирующий вход подается опорное напряжение Еоп, с которым сравнивается напряжение U_, подаваемое на инвертирующий вход. Когда U_= Еоп, напряжение на выходе компаратора равно нулю.

Рисунок 1.4.3 - Схема компаратора на ОУ

Повторитель напряжения

Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 > ?, R2 > 0, показана на рисунке 1.4.4.

Коэффициент в = 1, K_u.ос = K/1+K ? 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: U_вх = U_вых.



Рисунок 1.4.4 - Схема повторителя напряжения на ОУ

Генератор треугольных импульсов (ГТИ)

Используем схему на основе симметричного мультивибратора (рисунок 1.4.5).

Рисунок 1.4.5 - а) Схема ГТИ; б) диаграмма работы

Генератор модулирующего напряжения (ГМН)

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке 1.4.6.

Рисунок 1.4.6 - Схема генератора синусоидальных колебаний

Принципиальная схема системы управления АИН представлена в приложении В.



2. Расчётная часть

2.1 Обоснование и выбор элементов силовой части

Выбор и расчёт асинхронного двигателя

Исходными данными для проектирования являются:

1) напряжение трехфазной сети U_c = 380 В;

2) мощность асинхронного двигателя Р = 65 кВт.

Выбираем трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором RA280S2.

Технические характеристики:

Номинальная мощность, Р₂ 65 кВт

Номинальное напряжение, U_1ф/U_1л 220/380 В

Скольжение, s 3 %

Скорость, n 3000 об/мин

Коэффициент полезного действия, КПД 94%

Коэффициент мощности, Cos 0,89

Мощность и напряжение короткого 7 кВт/55 В

замыкания, P_k/U_k

Мощность и ток холостого хода, P₀/U₀ 3,5 кВт/100 А

Т - образная схема замещения асинхронного двигателя представлена на рисунке 2.1.1.



Рисунок 2.1.1 - Т - образная схема замещения двигателя

Пользуясь программой Mathcad произведём расчёт.

1) Опыт короткого замыкания:

P_k = 7 кВт, I_k = I_n = 110 А, U_k = 55 В, f_n = 50 Гц.

Z_k = ,

Z_k = Ом,

R_k = ,

R_k = Ом,

X_k = ,

X_k = Ом,

R_s = R_r = = 0,096 Ом,

X_s = X_r = = 0,231 Ом,

L_s = L_r = ,

L_s = L_r = мГн.

2) Опыт холостого хода:

P_о = 3,5 кВт, I_о = 40 А, U_о = U_n = 220 В, f_n = 50 Гц.

Z_о = ,

Z_о = Ом,

R_о = ,

R_о = Ом,

X₀ = ,

X₀ = Ом,

R_m = R₀ - R_s ,

R_m = 0,729 - 0,096 = 0,633 Ом,

X_m = X₀ - X_s ,

X_m = 5,451 - 0,231 = 5,221 Ом,

L_m = ,

L_m = мГн.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения для одной фазы двигателя:

Z = Z_s + ,

Z = 0,186 + 0,452i Ом,

R = 0,186 Ом,

X = 0,452 Ом,

,

,

L = 1,439 мГн.

Расчёт выпрямителя

Выпрямитель собран по трёхфазной мостовой схеме (схема Ларионова).

Среднее значение идеального выпрямленного напряжения в многофазной схеме:

В трехфазной мостовой схеме m = 6, тогда

Среднее значение выпрямленного тока:

Среднее и амплитудное значения тока через вентиль:

Амплитуда напряжения на вентиле:

Частота напряжения на выходе в 6 раз больше:

Теперь можно выбрать полупроводниковые диоды.

Выбираем диодный полумост M5060CC600 производителя Crydom с параметрами:

Максимальный постоянный выходной ток, А 125

Максимальное обратное напряжение U, В 600



Рисунок 2.1.2 - Диодный полумост M5060CC600

Расчёт LC - фильтра

Г-образные фильтры обеспечивают достаточно хорошее сглаживание и находят широкое применение, когда требуется более высокое качество постоянного напряжения. Они применяются в мощных двухзвенных преобразователях частоты на выходе выпрямительного звена.

Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:

S_LC = ,

где q_вх - коэффициент пульсаций на входе фильтра; q_вых - коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01...0,1; выберем q_вых = 0,01.

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

q_вх = ,

где n - число пульсаций выпрямителя; для трёхфазной мостовой схемы

n = 6; - угол управления вентилей выпрямителя; = 0є т.к. выпрямитель диодный неуправляемый.

q_вх = = 0,057.

Численное значение коэффициента сглаживания:

S_LC = = 5,7.

При проектировании фильтра должны выполняться следующие соотношения, обеспечивающие индуктивный характер нагрузки для выпрямителя и шунтирование активного сопротивления нагрузки по

переменной составляющей:

Таким образом подбираем значение ёмкости С = 0,16 мкФ, и индуктивность L = 10 Гн.

Выбираем из справочника металлобумажный конденсатор типа

МБГВ-1-400В 0,22 мкФ ± 5%.

Расчёт инвертора напряжения (АИН)

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

,

I_с,макс = ,

где Pн - номинальная мощность двигателя, Вт; k_I = (1,2-1,5) - коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода; k₂ = (1,1-1,2) - коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; з_н - номинальный КПД двигателя; U_л - линейное напряжение двигателя, В.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя:

В.

Выбираем IGBT модуль при условии Iс ? Iс.макс. и U_ce?U_d

Выбрали 3 модуля CM100D-Y-12H (одна ветвь моста, два транзистора) с параметрами:

Напряжение коллектор-эмиттер U_ces, В 600

Ток коллектора I_c, А 300

Рисунок 2.1.3 - IGBT - модуль CM100D-Y-12H (полумост)

Расчёт тормозного резистора

Для выбора тормозного модуля нам потребуется:

- период включения тормозного резистора ED,

- тормозной ток I_в,

- время торможения t_в.

Необходимые параметры для расчёта смотрим в технической документации нашего двигателя RA280S2:

Мощность двигателя: 65 кВт

Номинальная скорость двигателя: 3000 об/мин

Номинальный момент: 260 Нм

Номинальное напряжение питания: 380 В

Тормозной момент: 120% от номинального момента

Время цикла: 30 сек.

Момент инерции нагрузки: 2 кгм²

Требуемое время торможения:

t_в = ,

t_в = сек.

Значение тормозного цикла:

ED = ,

ED =

Рассчитаем номинальную мощность тормозного резистора:

P_Bmax = ,

P_Bmax = .

Определяем максимально-допустимое значение тормозного сопротивления:

R_B ,

R_B .

Тормозной ток:

I_B = ,



I_B =

Согласно перегрузочной способности тормозного модуля VFDB-4030 с временем торможения 2,9сек. и током торможения 19А, тормозной цикл 23% возможен.

Т.обр. для этого применения были выбраны VFDB-4030 и тормозной резистор 20 Ом/15 кВт.

2.2 Расчёт и выбор элементов системы управления

Датчики напряжения

В качестве датчика мгновенного напряжения возьмём ДНХ - 600. Параметры датчика указаны в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1 - Параметры датчика ДНХ - 600

Наименование параметра	Значение параметра
Диапазон измеряемых напряжений, В	50 - 600
Номинальный входной ток, мА	10
Входной сигнал датчика, мА	40
Основная приведенная погрешность, %	1
Нелинейность, %	0,1
Пробивное напряжение между измеряемой и измерительной цепями, кВ	3
Полоса пропускания, Гц	0 - 50000
Источник питания, В	15
Ток потребления по цепи питания, мА	60
Габариты, мм	73,5Ч52,5Ч39
Масса, г	100



Рисунок 2.2.1 - Датчик ДНХ - 600

Расчёт сумматора

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на противоположный. На рисунке 2.2.2 приведена схема инвертирующего сумматора, рассмотрим его работу:

Рисунок 2.2.2 - Инвертирующий сумматор на ОУ

Будем считать ОУ идеальным (Iвх=0)

Входные сигналы подаются на инвертирующий вход.

U1=Uin1-I1*R1,

U1=Uin2-I2*R2,

Uout=U1+Iос*Rос.



С другой стороны, из условия равенства напряжений на входах ОУ: U1 = -Iвх*R3, отсюда U1»0 (Iвх бесконечно мал), тогда получим:

I1=Uin1/R1,

I2=Uin2/R2,

Iос=Uout/Rос.

Так как ток через усилитель бесконечно мал, то Iос=-(I1+I2), отсюда:

-Uout/Rос=Uin1/R1+Uin2/R2,

Uout=-(Uin1*K1+Uin2*K2) ,

где K1=Rос/R1 , K2=Rос/R2 - масштабирующие коэффициенты.

В частном случае, если R1=R2=Rос, то K1=1, K2=1 и Uout=-(Uin1+Uin2).

При этом для снижения величины токового дрейфа сопротивление R3 подбирают равным параллельно включенным Rос , R1 и R2.

R3=Rос||R1||R2 , т.е. 1/R3=1/R1+1/R2+1/Rос.

Параметры выбранного сумматора в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2 - Параметры сумматора

R1, кОм	R2, кОм	R3, кОм	Rос, кОм	тип ОУ
15	2	4	10	140УД9

Расчёт компаратора

Выбираем двух - полярный компаратор К554СА3. Схема включения на рисунке 2.2.3.



Рисунок 2.2.3 - Схема включения компаратора

Таблица 2.2.3 - Технические характеристики компаратора

Параметр	Числовое значение
Номинальное напряжение питания Ucc1 Ucc2	15 В ± 10% -15 В ± 10%
Напряжение смещения нуля	не более 6 мВ
Остаточное напряжение	не более 1,5 В
Ток потребления от источника питания Ucc1 от источника питания Ucc2	не более 6 мА не более 7,5 мА
Средний входной ток	не более 100 нА
Время задержки выключения	не более 300 нс
Коэффициент усиления напряжения	не менее 1,5Ч105

преобразователь частота электромагнитный напряжение

Расчёт генератора модулирующего напряжения (ГМН)

Генератор на основе моста Вина, схема на рисунке 2.2.4.



Рисунок 2.2.4 - Схема ГМН с расчитанными параметрами

Рисунок 2.2.5 - Осциллограмма выходного сигнала

Расчёт и выбор драйвера

Драйвер верхнего и нижнего ключей IR2110 содержит на одном кристалле как схему драйвера верхнего ключа, так и схему драйвера нижнего ключа. Управление обоими ключами независимое. Отличие данного драйвера заключается в том, что в IR2110 введена дополнительная схема преобразования уровня как в нижнем, так и верхнем каналах, позволяющая разделить по уровню питание логики микросхемы от напряжения питания драйвера. Содержится также защита от пониженного напряжения питания драйвера и высоковольтного «плавающего» источника.

Схема подключения драйвера IR2110 к стойке моста приведена на рисунке 2.2.6. Конденсаторы СD, СС предназначены для подавления высокочастотных помех по цепям питания логики и драйвера соответственно. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1.

Подключение выходов драйвера к силовым транзисторам осуществляется при помощи затворных резисторов RG1 и RG2.

Рисунок 2.2.6 - Типовая схема включения драйвера IR2110 (а) и временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б)

VDD - питание логики микросхемы; VSS - общая точка логической части драйвера; HIN, LIN - логические входные сигналы, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно; SD - логический вход отключения драйвера; VCC - напряжение питания драйвера; COM - отрицательный полюс источника питания VCC; HO, LO - выходные сигналы драйвера, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно; VB - напряжение питания высоковольтного «плавающего» источника; VS - общая точка отрицательного полюса высоковольтного «плавающего» источника.

Расчёт и выбор блока питания

Структурная схема ИВЭП, получающего энергию от сети переменного тока, показана на рисунке 2.2.7. Трансформатор Тр предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает колебания напряжения на нагрузке.

Рисунок 2.2.7 - Структурная схема ИВЭП

Применение микросхемы КР142ЕН12А и унифицированного трансформатора ТПП255-380-50 позволяет изготовить простой и надежный источник питания для различных устройств.

Выходное напряжение источника может плавно регулироваться в пределах от 2 до 12 В. Максимальный ток нагрузки 1 А, при этом амплитуда пульсации выходного напряжения не превышает 2 мВ.

Принципиальная схема блока питания на рисунке 2.2.8.



Рисунок 2.2.8 - Принципиальная схема блока питания

Блок собран по типовой схеме последовательного компенсационного стабилизатора напряжения. Для того чтобы на микросхеме DA1 не рассеивать слишком большую тепловую мощность, в стабилизаторе предусмотрено дискретное переключение выводов вторичных обмоток трансформатора секцией S2.1 переключателя. Одновременно переключаются и резисторы R4...R7 делителей обратной связи для установки границы регулировки выходного напряжения. На каждом из поддиапазонов нужное напряжение можно устанавливать переменным резистором R3. Переключатель обеспечивает установку диапазонов выходных напряжений 2...5, 5...7, 7...9, 9...12 В.

Микросхема DA1 имеет внутреннюю защиту от перегрузки. Индикатором работы источника является светодиод HL1.



2.3 Расчёт электромагнитных процессов

1) Треугольное опорное напряжение задаём уравнением

Трехфазная система синусоидальных напряжений управления, сдвинутых друг относительно друга на угол 120є, задаём уравнениями

По этим уравнениям строим графики, которые приведены на рисунке 2.3.1

Рисунок 2.3.1 - Опорное напряжение треугольной формы и напряжения управления для ШИМ

2) Выходные напряжения на компараторах приведены на рисунке 2.3.2, напряжение питания

Рисунок 2.3.2 - Выходные напряжения компараторов, и они же модулированные фазные напряжения инвертора

Импульсы управления показаны на рисунке 2.3.3

а) управляющие импульсы для транзисторов VT1 и VT4:

б) управляющие импульсы для транзисторов VT5 и VT2:



в) управляющие импульсы для транзисторов VT3 и VT6:

Рисунок 2.3.3 - Сигналы управления транзисторными ключами

3) Фазные напряжения двигателя с обмоткой статора, включенной в звезду без нулевого провода, находим по формулам:

Форму тока можно определить, решив дифференциальное уравнение:

На рисунке 2.3.4 изображены фазные напряжения и токи на выходе АИН с ШИМ.

Рисунок 2.3.4 - Фазные напряжения и токи на выходе АИН с ШИМ

4) Линейные напряжения и токи на нагрузке

Рисунок 2.3.5 - Линейные напряжения и токи



Наибольшие частоты в тиристорных АИ могут быть получены при применении резонансных АИ. Они получили применение в электротермии и электротехнологии.

Автономные инверторы тока выполняются на тиристорах и применимы в электроприводе переменного тока, но в последнее время это направление мало развивается в связи с недостатками АИТ и бурным развитием транзисторов.

АИН имеют наилучшие внешние и регулировочные характеристики.

Применение ШИМ в АИН позволяет формировать на выходах достаточно синусоидальные токи и напряжения.

При отсутствии ШИМ максимальное действующее напряжение на выходе трехфазного АИН (Uнл = 0,816Ud , Uнл(1) = 0,78Ud ), но в нем очень велико содержание высших гармоник (3, 5, 7 и т.д.). Амплитуды пятой и седьмой гармоник составляют 20 и 14% от амплитуды основной гармоники.

Регулирование выходного напряжения возможно только регулированием напряжения источника питания. Коммутационные потери в транзисторах минимальные.

При формировании фазных напряжений с помощью пространственного вектора максимальное напряжение на нагрузке меньше в (2 3) раз (на 13,4%), чем без модуляции (без ШИМ). Система управления наиболее сложная, практически реализуется только на микроконтроллерах.

Формирование средних напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания уменьшает максимальное напряжение на нагрузке по сравнению с предыдущим способом еще в (2 3) раз (на 13,4%).

При формировании фазных токов максимальные напряжения и потери близки к соответствующим показателям при формировании фазных напряжений.



Список использованной литературы

Климаш В.С., Инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией: Учебное пособие для вузов. -К.: 2010. - 107с.

Соколовский Г.Г., Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: Учебное пособие для вузов. -М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

Зиновьев Г.С., Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Издательство НГТУ, 2000. - 197 с.

Сандлер А.С., Электроприводы с полупроводниковым управлением: Учебник. - М.: Энергия, 1986. - 96 с.



ПРИЛОЖЕНИЕ А

Поз. обознач.	Наименование	Кол.	Примечание
	Асинхронный двигатель
M	RA 280S2	1
	Датчики
ДН1..ДН2	ДНХ - 600	2
	Диодный полумост
VD1..VD6	M5060CC600	3	Crydom
	Диоды ГОСТ 15133-77
VD4..VD12	2Д101	6
VD13	КА286	4
	Катушки индуктивности
L1	10 Гн ± 5%	1
L2..L4	0,8 Гн ± 5%	3
	Конденсаторы ГОСТ 11074.008-64
С1	МБГВ - 1 - 400 В 0,22мкФ ± 5%	1
С2	К50-12 1мкФ 50В 10 %	1
С3	К50-15 10 мкФ 6,3 В 10 %	1
С4, С9	К50 - 35 2,5 мкФ, 50 В 10 %	2
С5	К50-20 20 мкФ 5,3 В 10 %	1
С8	К50-20 20 мкФ 5,3 В 10 %	1
С10	К50-37 1 мкФ 63 В 10 %	1
	Микросхемы
	КР142ЕН12А	1	блок пит.
	IR2110	3	драйвер
	Операционные усилители
DA1	КР154УД4	1
DA2, DA5	554СА1	2
DA3, DA6	К140УД24	2
DA4, DA7	К140УД24	2
DA8	554СА1	1
DA9	КФ140УД1	1
	Резисторы ГОСТ 2825-67
R1	МЛТ- 44 кОм, 10 Вт 5 %	1
R2	МЛТ- 41 кОм, 10 Вт 5 %	1
R3	МЛТ- 500 Ом, 10 Вт 5 %	1
R4	МЛТ- 1 кОм, 10 Вт 5 %	1
R5, R18	Сп4-1б 1,5 МОм 5 %	2
R6, R20	Сп4-1б 3 МОм 5 %	2
R7, R19	МЛТ-0,125 10 кОм 5 %	2
R8..R12	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	4
R13..R17	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	4
	Транзисторы
VT7	КТ914А	1
VT8, VT9	МДП - КП715	2
	Трансформатор
Тр1	ТПП255 - 380 - 50	1
	IGBT - модуль
DRV	CM100D-Y-12H	3

Размещено на Allbest.ru

...