Преобразователь частоты

Семейство внешних характеристик трёхфазного мостового выпрямителя

Рисунок 4.1.2.1 - Семейство внешних характеристик трёхфазного управляемого выпрямителя.

Расчёт внешних гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения.

Холостой ход выпрямителя при

Кроме постоянной составляющей в ЭДС выпрямителя содержатся высшие гармоники, порядок которых в соответствии с тем, что имеет 6 пульсаций за период основной частоты переменного тока, кратен 6:

n = = 6k

где k=1,2,3 ...

Любая гармоника порядка n:

= .

Действующее значение n-ой гармоники в ЭДС выпрямителя при

= ,

где - выпрямленное напряжение выпрямителя равное 1250 В согласно таблицы 4.1.1.1.

- значение соответствующей гармоники.

Подставили численные значения, для =6:

=47.777 В;

Аналогично рассчитали 12, 18, 24, 30 гармоники, результаты расчётов занесли в таблицу 4.1.3.1.



Таблица 4.1.3.1 - Действующие значения -ых гармоник, при , В

N	6	12	18	24	30
	50.508	12.362	5.473	3.074	1.966

Холостой ход выпрямителя при >О

В этом случае включение вентиля происходит не в момент естественной коммутации, а с запозданием на угол , что приводит к появлению скачков напряжения и возрастания напряжения высших гармоник.

Действующее значение n-ой гармоники в ЭДС выпрямителя при 0:

=

где = - номинальное значение угла управления, равное, согласно пункту 4.1.1.2.

Подставили численные значения, для n=6:

= = 139.689 В

Аналогично рассчитали 12, 18, 24, 30 гармоники, результаты расчётов занесли в таблицу 4.1.3.2.

Таблица 4.1.3.2 - Действующие значения n-ых гармоник, при 0, В

N	6	12	18	24	30
	139.689	65.607	43.22	32.279	25.773

Выпрямленное напряжение в режиме 2 - 3

Действующее значение n-ой гармоники выпрямленного напряжения в режиме 2 - 3 ( > 0;):

=

= ;

= ;

где - коэффициенты;

Подставили численные значения, для п=6, = , = :

= =83.715 В;

= = 0.129;

= = 0.181.

Использую формулы пункта 4.1.3.5, аналогично рассчитали 6, 12 гармоники при нескольких значениях и , результаты расчёта для 6-ой гармоники занесли в таблицу 4.1.3.3, для 12-ой гармоники занесли в таблицу 4.1.7.2.

Таблица 4.1.3.3 - Действующие значения 6-ой гармоники выпрямленного напряжения , при различных углах и

Угол коммутации	Угол управления
	10	20	30
0	72.411	113.998	157.71
10	83.715	123.265	161.935
20	73.276	101.374	127.657
30	35.201	46.245	56.226
40	27.386	34.486	40.704
50	102.484	124.605	143.351
60	171.992	203.001	228.334



Таблица 4.1.3.4 - Действующие значения 12-ой гармоники выпрямленного напряжения , при различных углах и

Угол коммутации	Угол управления
	10	20	30
0	28.492	52.02	74.941
10	23.062	36.529	49.148
20	17.802	25.631	32.773
30	61.516	82.767	101.672
40	57.408	73.405	87.264
50	7.468	9.174	10.609
60	82.985	98.654	111.387

Пользуясь таблицами 4.1.3.3 - 4.1.3.4, определим зависимость действующего значения напряжения к выпрямленному напряжению холостого хода выпрямителя от функции угла коммутации = для 6-ой и 12-ой гармоник. Результаты расчета для 6-ой гармоники занесли в таблицу 4.1.3.5, для 12-ой гармоники в таблицу 4.1.3.6

Таблица 4.l.3.5 - Зависимость = при различных углах и

Угол коммутации	Угол управления
	10	20	30
0	0.058	0.091	0.126
10	0.067	0.099	0.130
20	0.059	0.081	0.102
30	0.028	0.037	0.045
40	0.022	0.028	0.033
50	0.082	0.100	0.115
60	0.138	0.162	0.183

Таблица 4.1.3.6 - Зависимость = при различных углах и

Угол коммутации	Угол управления
	10	20	30
0	0.023	0.042	0.06
10	0.018	0.029	0.039
20	0.014	0.021	0.026
30	0.049	0.066	0.081
40	0.046	0.059	0.070
50	0.006	0.007	0.008
60	0.066	0.079	0.089

По таблицам 4.1.3.5 - 4.1.3.6 построили зависимость = изображённую на рисунке 4.1.3.1.

Рисунок 4.1.3.1 - Зависимость =

Выпрямленное напряжение в режиме 3

При работе выпрямителя в режиме 3, угол коммутации остаётся постоянным, а угол включения вентилей изменяется в зависимости от тока в пределах . Поэтому напряжение в режиме 3 представляет собой частный случай выпрямленного напряжения режима 2-3, когда = и.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, В:

=

Подставляем численные значения, для = О:

= = 937.5 В

Аналогично рассчитали постоянную составляющую выпрямленного напряжения для ; 5°; 10°; 15°; 20°; 25°; 30°. Результаты занесли в таблицу 4.1.3.7

Таблица 4.1.3.7 - Зависимость = f(, при различных углах включения вентиля, В.

	0	5	10	15	20	25	30
	937.5	886.758	829.267	765.466	695.838	620.915	541.266

Рисунок 4.1.3.2. - Зависимость = f(.

Выпрямленный ток короткого замыкания в режиме 3 - 4 при 30^0:

=

Подставляем численные значения:

= = 57.806

Для найденных значений тока короткого замыкания рассчитали угол коммутации в режиме 3 - 4:

= аrccos

Подставили численные значения, для ==57.806 А

= аrccos = 120

Результаты расчёта угла коммутации свели в таблицу 4.l.3.8.

Таблица 4.l.3.8-Ток короткого замыкания и углы коммутации в режиме 3 - 4

	30	35	40	45	50	55
	57.806	57.586	56.927	55.836	54.319	52.39
	120	110	100	90	80	70

Выпрямленное напряжение в режиме 3-4

Выпрямитель может работать в режиме 3 - 4 только при больших аварийных нагрузках. В связи с этим можно не определять гармоники выпрямленного напряжения.

Рассчитаем постоянную составляющую выпрямленного напряжения для =30⁰ и =45⁰, В:



= ;

Подставляем значения, для =30⁰ и = :

= =541.266

Таблица 4.1.3.9 Аналогично произвели расчёты для =30⁰ и =45⁰, и В

Угол коммутации	Угол управления а,
	30	45
60	541.266	280.18
70	386.694	158.887
80	253.264	64.538
90	145.032	0
100	65.285	32.767
110	16.446	32.767
120	0	0



Рисунок 4.1.3.3 - Зависимостъ

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения для 6-ой, 12- ой и 18-ой гармоник:

= = ;

= = ;

= = ;

где-амплитудные значения соответствующих гармоник выпрямленного напряжения, значения которых взяты согласно таблицы 4.1.l.1.

среднее значение выпрямленного напряжения равное 1000 В.

Подставили численные значения:

= ;

= = 0.024;

= = 0.048;

На выходе выпрямителя наибольшее значение имеет шестая гармоника выпрямленного напряжения, в связи с этим дальнейшие расчёты будем проводить для шестой гармоники.

Расчет сглаживающего фильтра. Выбор конденсатора фильтра.

Расчёт сглаживающего дросселя.

Расчёт сглаживающего фильтра. Выбор конденсатора фильтра.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения будем использовать Г-образный индуктивно-емкостной фильтр с последовательным включением выпрямленного моста и дросселя фильтра, и параллельным включением конденсатора нагрузки.

Индуктивность сглаживающего фильтра, Гн:

где m - номер гармоники выпрямленного напряжения, равная 6 согласно пункту 4.l.3.2;

- частота сети равная 50;

- круговая частота, 2;

- максимальное значение анодного тока, равное 10 А.

Подставили численные значения:

= 5.371 Гн;

2= 100

Коэффициент фильтрации:

=

где =0.5%=0.005 - коэффициент пульсаций

Подставили численные значения:

= = 20.25 ;

Ёмкость конденсатора фильтра, мкФ:

= ;

Подставили численные значения, приняли равным 55Гн, согласно пункту 4.1.4.1:

= = 985 мкФ;

В качестве конденсатора фильтра выбрали, конденсатор 1000мкФ 1250 В.

Расчёт сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. По обмотке дросселя протекают переменная и постоянная составляющие выпрямленного тока. Постоянная составляющая создаёт поток вынужденного намагничивания сердечника дросселя. Индуктивность дросселя зависит от величины этого магнитного потока. Чтобы ослабить эту зависимость, в сердечнике делают немагнитные зазоры. Для расчёта сглаживающего дросселя предварительно задались следующими параметрами:

- коэффициент заполнения окна магнитопровода = 0.25;

- коэффициент, характеризующий отношение высоты окна магнитопровода к ширине = b/;

- коэффициент, характеризующий отношение магнитного сопротивления зазора к магнитному сопротивлению стали = 10;

- плотность тока = 3 ;

- число витков обмотки дросселя W=25;

- относительная динамическая магнитная проницаемость стали =700.

Величина немагнитного зазора:

=

Подставили численные значения:

= = 1.86 мм ;

Площадь поперечного сечения зазора:

=

Подставили численные значения:

= = 0.013 .

Размер сечения окна магнитопровода:

= ;

с = d =

Подставили численные значения:

= = 9.129 м.

с = d = = 0.081 м.

Сечение меди проводом:

q = ;

Подставили численные значения:

q = = 3.333 = 3.333 ;

Средняя длина витка обмотки:

= ;

Подставили численные значения:

= = 0.538 м.

Активное сопротивление обмотки

R =

где удельное сопротивление меди.

Подставили численные значения:

R = = 0.077 Ом.

Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки:

= 2

Подставили численные значения:

= 2 = 1.54 В

Потери в меди обмотки дросселя:

=

Подставили численные значения:

= = 7.7 Вm

Выбор и расчёт устройств защиты от аварийных токов и напряжений.

Для защиты преобразователя от аварийных токов и напряжений будем использовать два вида устройств: автоматический выключатель QF1 и плавкие предохранители FU1-FUl О.

Выбор автоматического выключателя

Автоматический выключатель включается в цепь первичных обмоток трансформатора. Выбор выключателя осуществляется из условий напряжения питания преобразователя (=660В±10%), частоты питающей сети (= 50Гц), действующего значения входного тока (= 11.133 А), а также из условия отношения пускового тока к номинальному (/=5). Исходя из этих условий, выбрали автоматический выключатель АЕ 2026- 10Н-00 У3-А 660В 16А.

Выбор плавких предохранителей

Выбор плавких предохранителей в цепи каждого тиристора осуществляем из условия действующего значения анодного тока (= 5.613 А). Выбрали плавкий предохранитель ВПТ6-35-10А-600в;



4.2 Система управления тиристорным выпрямителем Структурная схема системы управления показана на рисунке 4.2.1

Рисунок 4.2.1

Данная схема реализуется на микросхеме UAA145, схема включения согласно технической документации завода изготовителя.

Для регулирования угла коммутации тиристоров используется делитель напряжения, выполненный на резисторах R1 и R2, задающих опорное напряжения на входе компаратора Us.

На рисунке 4.2.2 приведена временная диаграмма управления тиристорным выпрямителем.

Необходимо регулировать Us в пределах от О до 5 В, согласно технической документации на микросхему UAA145.

Рассчитываем делитель напряжения:

Задаём ток делителя равным =0.01А:

Рассчитываем верхнее сопротивление .

=

Подставляем численные значения

= = 1кОм

Аналогично рассчитываем значение нижнего резистора R₂



= = 0.5кОм

Выбираем переменный резистор марки ППЗ на 470 Ом.

Рисунок 4.2.2 Временные диаграммы

4.3 Расчёт генератора импульсов

Для формирования импульсов, управления инвертором применяем микросхему NE555. Требуемая частота от 10 кГц до 100кГц. Принципиальная схема генератора приведена на рисунке 4.3.1



Рисунок 4.3.1

Расчёт время задающей цепочки:

= 0.69 C ; = 0.69

Исходя из выше приведённых формул, принимаем значение равное 47 Ом, =1200 пФ;

Ширину положительного и отрицательного импульсов, считаем одинаковой т.к. значение

отсюда:

= 0.69

Рассчитываем значение , для частоты 10кГц (=сек):

= = 120 кОм

Рассчитываем значение , для частоты 100кГц (=сек):

= = 12 кОм

Исходя из расчетов выбираем, резистор переменный ПП3-150 кОм.

4.4 Расчёт двухполярного блока питания

Для питания систем управления преобразователя частоты, необходим блок питания, с выходным напряжением ±15В. Ток нагрзки =3А, равен сумме токов потребляемых каждой системой управления. В качестве источника питания берётся схема с средней точкой (Рисунок 4.4.1).

Рисунок 4.4.1

БП состоит из:

Понижающего трансформатора ТV1 со средней точкой;

Выпрямителя, диодного моста BD1;

Микросхем стабилизаторов DA2, DA3;

Сглаживающих фильтров на С5-С8;

Понижающий трансформатор: сетевая обмотка трансформатора на 660В, а вторичная на два по 18В;

Выбор диодного моста осуществляется по среднему выпрямленному току и амплитуде обратного напряжения :

= ;

= 1.5

где - ток нагрузки;

- напряжение на выходе диодного моста;

относительное отклонение напряжения в сети.

Подставляем численные значения, для =3А, =25В;

= = 1.5А

= 1.5 = 45В

Руководствуясь полученными данными выбираем из справочника диодный мост КВРС1001: =100 В, = 10А

В качестве микросхем стабилизаторов выбираем, 78H15 и 79H15, они представляют собой интегрированный стабилизатор напряжения прямой и обратной полярность ± 15В соответственно, максимальный ток нагрузки 5А.

Фильтры напряжения состоят из конденсаторов С5,С6 - 1000мкф 35В, С7,С8 - 500мкф 35В.

Размещено на Allbest.ru

...