Разработка управляемого автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах, с коммутацией на частоте питающей цепи, и управляемым выпрямителем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный Исследовательский Университет «МЭИ» в г. Смоленске

Кафедра ЭМС

Расчетно-графическая работа

Тема: «Разработка управляемого АИН на IGBT-транзисторах, с коммутацией на частоте питающей цепи, и управляемым выпрямителем»

По дисциплине: «ЭССА»

Студент:

Косарев Н.М.

Преподаватель:

Крутиков К.К.

Смоленск 2017



Общее описание схемы

Необходимо рассчитать АИН с 6-ю транзисторными ключами. Схема включает в себя управляемый тиристорный выпрямитель, автономный инвертор напряжения, СИФУ и асинхронный двигатель.

Управляемый тиристорный выпрямитель рассчитан на фазное напряжение 380 В с частотой 50 Гц, на выходе выпрямителя напряжение достигает 518 В. Автономный инвертор напряжения питается от данного выпрямителя. В составе АИН имеются 6 транзисторных ключей. Каждый транзистор шунтирован обратным диодом для ограничения перенапряжений, которые образуются вследствие отвода энергии от реактивной нагрузки.

К выходу АИН подключен асинхронный двигатель серии 4А, а именно 4А315М2У3.



1. Расчет параметров АД для моделирования в Matlab

Схема замещения АД - модель происходящих в фазе машины электромагнитных процессов - представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмотка статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.

Таблица 1.1 - Основные технические данные двигателя 4А315М2У3

Номинальная мощность P2ном, кВт	200
Номинальная скорость вращения nном, об/мин	2970
Номинальное напряжение Uф ном, В	380
Номинальный ток статора I1ном, A	250
Коэффициент полезного действия з ном, %	94
Коэффициент мощности cos цном, о.е.	0,92
Кратность пускового тока ki	7
Номинальный момент Mном, Н · м	643
Кратность пускового момента kп	1
Кратность максимального (критического) момента kmax	1.9
Число пар полюсов pп	1

Расчет параметров произведем по наиболее простой - Г-образной схеме замещения АД (см. рис.1.2)

Рисунок 1.2 - Г-образная схема замещения АД

В большинстве каталогов на двигатели (особенно последних серий и зарубежного производства) параметры схемы замещения не указываются, а приводимые данные относятся к номинальному режиму работы. И, хотя каталожных данных в ряде случаев достаточно для расчета механических характеристик, эти расчеты не всегда точны. Исходной информацией для расчета параметров схемы замещения АД являются основные каталожные и паспортные данные: линейное напряжение Uл ном, линейный ток статора I1ном, номинальное значение мощности P2ном, скорость вращения nном, коэффициент мощности cos цном и КПД зном, число пар полюсов pп, кратности максимального момента kmax и пускового тока ki .

1.1 Критическое скольжение двигателя

Одной из важных точек механической характеристики, представляющей интерес при анализе работы и выборе АД, является точка с максимальным развиваемым двигателем моментом. Эта точка имеет координаты nкр, sкр, Mmax (рис.1.3).

Рисунок 1.3 - Механическая характеристика АД

Значение критического скольжения sкр, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент Mmax определим по Г-образной схеме замещения:



,

Номинальное скольжение определяется как

sном=0,019,

где n0 - синхронная скорость вращения (скорость поля):

,

В выражении (1.1.3) f1 = 50 Гц - частота питающего напряжения.

Подставив числовые значения в (1.1.2), получаем:

sкр=0,111

Величину , где у1 - коэффициент первичного рассеяния, принимают приближенно равной 1 для двигателей нормального исполнения.

1.2 Ток намагничивания двигателя в номинальном режиме

Ток намагничивания может быть рассчитан по формуле

,

Согласно основному тригонометрическому тождеству

,

С учетом (1.2.2) находим I0 ном :

I0 ном=6,68 А

1.3 Относительное значение номинального тока ротора

Относительное значение номинального тока ротора определяется как

,

Подставив числовые значения в (1.3.1), получим:

I'2ном=19,66 А

1.4 Приведенное активное сопротивление ротора

Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора, определяется из равенства электрических и механических потерь в двигателе

где - это синхронная частота вращения поля в , которая определяется как



,

Подставив числовые значения в (1.4.1), получим:

,

1.5 Полное сопротивление короткого замыкания

Полное сопротивление короткого замыкания определяется следующим выражением:

,

где Uф ном - номинальное фазное напряжение, Uф ном =220 В.

Подставим числовые значения в (1.5.1):

,

1.6 Коэффициент мощности при пуске асинхронного двигателя

Коэффициент мощности при пуске АД можно найти согласно следующему выражению:

,

где g - отношение потерь в меди статора к суммарным потерям в номинальном режиме; .

Примем g = 0,3 и подставим это значение в (1.6.1):

,

1.7 Коэффициент первичного рассеяния

Коэффициент первичного рассеяния определяется следующим выражением:

,

Подставив числовые значения в (1.7.1), имеем:

,

1.8 Активное сопротивление обмотки статора

Активное сопротивление обмотки статора определяется как

,

Подставив в (1.8.1) числовые значения из (1.5.2), (1.6.2) и (1.7.2), получим:

,



1.9 Индуктивное сопротивление обмотки статора двигателя

Индуктивное сопротивление двигателя определяется для номинального режима:

,

С учетом (1.1.5), (1.4.3) и (1.7.2) получим:

,

Соответственно индуктивность обмотки статора составит:

,

1.10 Индуктивное сопротивление двигателя

Индуктивное сопротивление двигателя определяется для режима пуска:

,

Согласно основному тригонометрическому тождеству

,

Подставим числовые значения в (1.10.1):



,

1.11 Приведенное индуктивное сопротивление ротора

Индуктивное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора, можно найти как

,

C учетом (1.9.2) и (1.10.3) имеем:

,

Соответственно индуктивность обмотки ротора, приведенная к обмотке статора, составит: асинхронный двигатель ток транзистор

,

1.12 Взаимная индуктивность статора и ротора

Для определения взаимной индуктивности найдем ЭДС ветви намагничивания:

,

Подставив числовые значения в (1.12.1), получим:



E1=365 В

Определим сопротивление взаимной индукции:

,

Соответственно, взаимная индуктивность может быть найдена как

,

Рассчитанные параметры схемы замещения сведены в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 - Рассчитанные параметры схемы замещения

Параметр	Сопротивление статора R1, Ом	Индуктивность рассеяния статора L1, Гн	Сопротивление ротора	Индуктивность рассеяния ротора	Индуктивность намагничивания
Числовое значение	0,94



2. Выбор транзисторов и диодов

Принципиальная схема ПЧ с АИН представлена на рис. 1.

Рис.1 - принципиальная схема ПЧ с АИН.

Реализацию данной схемы проводим на полупроводниковых модулях. Выбор полупроводникового модуля производится по среднему значению тока, протекающего через прибор, и максимальному значению обратного напряжения.

Среднее значение тока на выходе инвертора напряжения:

где - действующее значение первой гармоники фазного тока двигателя:

,

А

Коэффициент мощности двигателя:

КПД инвертора:

коэффициент схемы инвертора:

В результате находим среднее значение тока на выходе инвертора напряжения:

А

Среднее значение тока тиристоров управляемого выпрямителя:

,

где относительная продолжительность протекания тока через тиристор:

Найдём среднее значение тока тиристоров управляемого выпрямителя:

А.

Среднее значение тока транзисторов:

A.

Среднее значение тока обратных диодов:

,

А.

Среднее значение напряжения на входе инвертора:

,

где коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети:

;

коэффициент обратного напряжения для трёхфазной мостовой схемы выпрямления:

.

В результате находим среднее значение напряжения на входе инвертора:

В.

Параметры коммутирующих элементов L и C определяются при совместном решении уравнений:

,

,

где

;

- ток открытого транзистора к моменту коммутации С:

,

А.

- максимальное значение тока конденсатора:

,

А.

Напряжение на ёмкости к моменту коммутации:

,

В;

Допустимое время выключения транзистора инвертора:

,

Примем:

с.

В результате находим допустимое время выключения транзистора инвертора:

с.

Решим исходную систему уравнений с целью определения параметров коммутирующих элементов L и C. В результате получим следующее решение:

Гн; Ф.

Действующее значение тока дросселя (коммутационная составляющая):

,

где максимальная частота напряжения статора:

Гц

коэффициент затухания контура:

.

В результате находим действующее значение тока дросселя (коммутационная составляющая):



А.

Скорость изменения тока в транзисторах:

,

А/с.

Реальное время выключения транзисторов АИН:

,

с.

Найдём максимальные обратные напряжения на элементах.

Максимальное обратное напряжение на тиристоре выпрямителя:

В.

Максимальное обратное напряжение на транзисторах инвертора напряжения:

В.

Максимальное обратное напряжение на обратных диодах инвертора напряжения:

,

В.

По рассчитанным данным выбираем следующие элементы:

Элемент:	Название:	Характеристики:
Транзисторы АИН	IXGK320N60B3	Uобр= 1200 В Iос=500 А
Тиристоры выпрямителя	Т171-250	Uобр= 1200 В Iос=250 А
Обратные диоды	КД227В	Uобр= 300 В Iос=5 А



3. Моделирование АИН в MATLAB

Рис. 3.1.Модель АИН

Рис. 3.2. Осциллограмма управляющего сигнала СИФУ АИН.

Рис.3.3. Модель СИФУ АИН.



4. Прямой пуск двигателя и его модель в MATLAB

Моделирование исходного двигателя в среде MATLAB показало работоспособность данного асинхронного двигателя. Были получены осциллограммы токов и скорости двигателя при прямом пуске. Данные осциллограммы и модель двигателя представлены на рис. 4.1 и рис.4.2

Рис.4.1 Осциллограмма токов ротора, статора, скорости и момента.

Рис.4.2. Модель двигателя при прямом пуске

Рис.4.4 Осциллограммы токов и скорости АД подключенного к АИН



Как видно из графиков, при использовании инвертора напряжения, можно добиться более плавного пуска, сократить в 3 раза бросок тока при пуске, а так же и броски момента. Из недостатков схемы, это долгий пуск двигателя. Выход на номинальную скорость происходит за 30 секунд.

Размещено на Allbest.ru

...