Выбор схемы преобразователя

НОВОУРАЛЬСК

 

УДК 621.3

И - 20

М и М-2.3._______06.

 

Задание составил

старший преподаватель

 

Иванова Н.В.

 

 

 

Рецензент

 

Надыкто Д.В.

 

 

 

Проектирование полупроводникового преобразователя. Методические указания к курсовому проекту по курсу “Энергетическая электроника” для студентов специальности 210106 “Промышленная электроника” очной формы обучения – Новоуральск: НГТИ, 2006. – 48 с.

 

 

Задание рассмотрено на заседании кафедры

(протокол №_____.)

 

“____”_____________________200__ г.

 

Заведующий кафедрой

к. т. н., доцент

Зиновьев Г.С.

 

 

 

СОГЛАСОВАНО:

Председатель методической комиссии Беляев А. Е

д.т.н., профессор

 

 

Содержание

 

1 Раздел I 4

Проектирование двухзвенного преобразователя частоты.. 4

1.1 Общие положения. 4

1.2 Выбор схемы преобразователя. 4

1.3 Электрический расчет силового трансформатора. 12

1.4 Выбор вентилей. 21

1.5 Выбор дросселей. 26

1.6 Расчет механических характеристик. 28

2 Раздел II 32

Pacчет потерь преобразователя. 32

2.1 Энергия потерь. 32

2.2 Статические потери. 32

2.3 Динамические потери в режиме эксплуатации. 32

2.4 Статические потери в диоде. 33

2.5 Динамические потери в диоде при выключении. 33

2.6 КПД преобразователя (АИН) 33

3 Раздел III 34

Практическая схема преобразователя частоты с ШИМ для электропривода переменного тока. 34

4 Раздел IV.. 36

Расчет выпрямителя для двигателя постоянного тока. 36

4.1 Общие положения. 36

4.2 Пример расчета выпрямителя для двигателя постоянного тока. 40

4.2.1 Выбор схемы выпрямителя (этап структурного синтеза) 41

4.2.2 Расчет параметров элементов схемы управляемого выпрямителя (этап параметрического синтеза) 41

Приложение А.. 47

Задание на расчет двухзвенного преобразователя частоты.. 47

Приложение Б. 48

Задание на курсовой проект «Проектирование управляемого выпрямителя». 48

Содержание пояснительной записки. 49

Литература. 50

 

Раздел I

Проектирование двухзвенного преобразователя частоты

Общие положения

 

Электрический расчет преобразователя выполняется с целью определения требуемых параметров всех элементов силовой цепи (полупроводниковых приборов, силового трансформатора, дросселей и др.), при которых обеспечиваются необходимые надежность, экономичность и нормальное функционирование электропривода.

После электрического расчета силовых цепей и разработки системы управления выполняется конструктивная проработка всех элементов, узлов и преобразователя в целом. Затем изготовляется опытный образец и проводятся испытания, в ходе которых окончательно устанавливаются все параметры преобразователя. Для определения длительно допустимых нагрузок и кратковременных перегрузок проводятся тепловые испытания.

В настоящее время, как правило, проектируются серии преобразователей, охватывающие определенную область стандартных токов и напряжений с максимальной унификацией схемных и конструктивных решений. При курсовом проектировании с целью уменьшения объема работы выполняется только электрический расчет силовых цепей одного преобразователя, который наиболее полно удовлетворяет требованиям задания.

 

Выбор схемы преобразователя

 

Схема силовых цепей выпрямительно-инверторного преобразователя должна обеспечивать выполнение требований, предъявляемых к электроприводу, при минимальном количестве управляемых вентилей и высоких технико-экономических показателях. В первую очередь выбирается пульсность схемы исходя из мощности привода и требований к динамике (диапазону регулирования скорости). При этом руководствуются следующими соображениями. Чем больше мощность привода и чем выше требования к быстродействию, тем больше должна быть пульсность. Это обусловлено тем, что мощный преобразователь больше искажает напряжение в питающей сети переменного тока. С повышением пульсности эти искажения уменьшаются.

Более мощные двигатели, как правило, допускают относительно меньшие двигатели, как правило, допускают относительно меньшие пульсации тока якоря. Увеличение пульсности приводит к повышению частоты и уменьшению амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения, следовательно, позволяет использовать сглаживающий дроссель, имеющий меньшие индуктивность, габариты, массу и стоимость. С другой стороны, габариты и стоимость самого преобразователя и его системы управления растут с увеличение его пульсности.

Быстродействие системы ТП-Д ограничено в связи с дискретностью работы преобразователя. В течение интервала повторяемости, длительность которого обратно пропорциональна пульсности, преобразователь неуправляем. Чем короче интервал повторяемости, тем выше быстродействие привода, шире полоса пропускания всех контуров и больше диапазон регулирования скорости.

В табл. 1 указаны области применения симметричных выпрямительно-инверторных преобразователях различной пульсности, которые используются для управления двигателями постоянного тока по цепи якоря. В таблице указан диапазон мощностей, на которые изготовляются преобразователи и которые рекомендуются использовать при курсовом проектировании, а также максимальный диапазон регулирования скорости и полоса пропускания контура скорости , Гц.

 

 

Таблица 1.1 Области применения симметричных схем преобразователей

Пульсность
, кВт	0,1-15	0,5-50	0,5-2000	500-12000
	1000:1	2000:1	10000:1	-
, Гц				-

 

Основные схемы симметричных выпрямительно-инверторных преобразователей приведены на рис. 1:

а) однофазная однополупериодная;

б) двухфазная нулевая (однофазная двухполупериодная);

в) однофазная мостовая;

г) трехфазная нулевая;

д) трехфазная мостовая;

е) шестифазная нулевая;

ж) двойная трехфазная нулевая (шестифазная), (две обратные звезды) с уравнительным реактором;

з) две трехфазные мостовые с уравнительным реактором;

и) две последовательно соединенные трехфазные мостовые схемы.

 

Нулевые схемы часто называют схемами с нулевым, средним или нейтральным выводом, а также лучевыми.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1. Схемы силовых цепей симметричных преобразователей

 

 

 

 

Рисунок 1.2. Схемы силовых цепей несимметричных преобразователей

 

Схемы с уравнительным реактором и с последовательным соединением простых схем удваивают пульсность, если простые схемы питаются напряжениями, сдвинутыми на половину интервала повторяемости. В трехфазной нулевой схеме сдвиг питающих напряжений должен быть 60 (180) эл. град., а в мостовой – 30 эл. град. Формы ЭДС (временные диаграммы) различных схем с одинаковой пульсностью совершенно одинаковы при одинаковых углах управления α и равных - ЭДС при α=0. Уравнительный реактор усредняет мгновенные значения ЭДС простых схем, которые сдвинуты на половину интервала повторяемости и, благодаря этому, удваивает пульсность.

Все симметричные схемы позволяют получать как положительное, так и отрицательное выпрямленное напряжение, что при неиз­менном направлений тока обеспечивает работу двигателя в первом к четвертом квадрантах механической характеристики, а сам преоб­разователь может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Граница зоны прерывистого и непрерывного токов на механической характеристике двигателя представляет часть эллипса. Од­нофазная нулевая схема обладает свойствами симметричных схем только при отсутствии диода, шунтирующего нагрузку.

На рис. 2 представлены основные несимметричные мостовые схемы управляемых выпрямителей: а) однофазная с диодом в каждой стойке; б) однофазная с двумя диодами в одной стойке; в) однофазная с диодным выпрямительным мостом в симистором в цепи пе­ременного тока; г) трехфазная мостовая с диодами в анодной группе. Свойствами несимметричных схем обладает также однофазный однополупериодный преобразователь с диодом, шунтирующим нагрузку.

Мгновенные значения выпрямленного напряжения несимметричных схем не могут быть отрицательными и поэтому обеспечивают работу двигателя только в первом квадранте, а для преобразователей исключается инверторный режим. Коэффициент мощности несимметричных схем выше, чем у соответствующих симметричных. Область при­менения указана в табл. I. Для трехфазной схемы следует полагать пульсность равной трем.

Прежде чем выбирать схему преобразователя, необходимо про­анализировать требования к электроприводу и принять решения о том, какой преобразователь должен быть в цепи якоря - нереверсивный иди реверсивный и какой в цепи возбуждения - неуправляемый, управляемый нереверсивный или реверсивный.

Однофазная однополупериодная схема используется для питания обмотки возбуждения при мощности до 0,5-1,0 кВт (номинальная мощность двигателя 5-15 кВт). Для получения непрерывного тока обмотка возбуждения шунтируется диодом, показанном на рис. 1,а. Для выбора схемы преобразователя в случае большей мощ­ности следует воспользоваться рекомендациями табл. I. Для двигателей с массивным (нешихтованным) магнитопроводом целесообраз­но применять преобразователи с большей пульсностью для умень­шения вихревых токов. Трехфазная нулевая схема используется редко из-за необходимости повышенного напряжения переменного

тока.

Существенное влияние на выбор схемы преобразователя цепи якоря оказывает наличие или отсутствие необходимости реверса то­ка и (или) скорости. Как правило, реверс скорости осуществляется по цепи якоря и, следовательно, используется реверсивный (по то­ку) преобразователь на основе симметричных схем. Если реверс скорости совершается редко и его длительность может превышать несколько секунд, то он может выполняться по цепи возбуждения.

Если преобразователь цепи якоря не используется для ревер­са скорости, то реверс тока может потребоваться для торможения или для обеспечения необходимого качества работы САР при сбросе нагрузки. В этих случаях также необходим реверсивный преобразователь. Для отрицательного тока может быть использован комплект меньшей мощности и меньшей пульсности.

Несимметричные схемы в соответствии с табл. I используются для двигателей небольшой мощности, если не требуются изменения направления тока и торможения при отрицательной скорости. В ос­тальных случаях используют симметричные схемы.

Рассмотрим особенности различных схем. При сравнении следу­ет учитывать, что габариты и масса охладителей и тиристоров оп­ределяется их средним током и не зависит от напряжения. Стоимость тиристоров по данным 1985 г. приблизительно пропорциональ­на корню квадратному из тока и линейно зависит от напряжения (нуль стоимости соответствует напряжению около минус 200 В). Поскольку в мостовых схемах средние токи такие же, как в нулевых при одинаковом числе фаз питающего напряжения, то объем и масса вентильной части мостового преобразователя в два раза больше, чем у нулевого. В трехфазных мостовых преобразователях одновременно удваивается число каналов СИФУ, что также увеличивает стоимость.

С другой стороны, мостовые, схемы можно питать от сети через токоограничивающие реакторы, которые имеют меньшие габариты, мас­су и стоимость, чем трансформатор. Увеличение пульсности позволяет использовать сглаживающие дроссели меньших габаритов и стоимости.

Двухфазная нулевая и однофазная мостовая схемы имеют одинаковую пульсность. Если для получения требуемого выпрямленно­го напряжения мостовой схеме необходим трансформатор, то неко­торые преимущества имеет нулевая схема, хотя габаритная мощность трансформатора оказывается на 20% больше. Для электропри­водов чаще используется мостовая схема.

Трехфазную нулевую схему целесообразно питать от трансфор­матора, у которого вторичные обмотки соединены не в звезду, а в зигзаг. Это устраняет поток вынужденного намагничивания и поз­воляет уменьшить массу трансформатора на 10-15%.

Шестифазная нулевая схема требует применения трансформатора несколько большей габаритной мощности, но вентильная часть оказывается почти вдвое меньшего объема, поскольку средний ток тиристора в два раза меньше, чем в трехфазной мостовой схеме, имеющей ту же пульсность. В двойной трехфазной нулевой схеме че­рез каждый тиристор и вторичную обмотку протекает половина выпрямленного тока в течение одной третьей части периода, что также уменьшает объем вентильной части почти в два раза по сравнению с мостовой схемой. Поток вынужденного намагничивания в трансфор­маторе не возникает, но в схеме добавляется уравнительный дрос­сель. Преимущества схемы проявляются только при мощности в несколько мегаватт. Используется редко.

Двенадцатипульсная схема с уравнительным реактором имеет
преимущество перед схемой с последовательным соединением мостов
в том случае, когда не требуется последовательное соединение тиристоров, благодаря вдвое меньшему току каждого моста и тиристо­ра.

Несимметричные однофазные схемы (рис. 2)отличаются токами, которые протекают в интервалы нулевого мгновенного выпрямленного напряжения, когда закрыты все тиристоры. В схеме с включением тиристоров в одно плечо ток в интервалы нулевого напряжения про­текает, через оба диода, их средний ток больше тока тиристоров. В схеме (рис. 2,а) в эти интервалы ток протекает через шунтирующий (нулевой), диод, через остальные диоды протекает такой же ток, как и через тиристоры. В схеме (рис. 2,б) при закрытом симисторе через каждый диод протекает половина тока нагрузки, их средний ток больше, чем в схеме с шунтирующим диодом, и меньше, чем без него, В схеме с симистором несколько проще СИФУ. Окончательный выбор схемы в каждом конкретном случае должен проводиться на основе расчета стоимости вентильной части я СИФУ.

Реверсивные преобразователи выполняются, как правило, двух­комплектными, в которых конструктивно объединены два нереверсив­ных. Однокомплектные реверсивные преобразователи можно применять только в том случае, когда допускается бестоковая пауза длитель­ностью более 0,5с. Двухкомплектные реверсивные преобразователи с совместным и раздельным управлением обладают практически одинако­вым быстродействием. Ввиду ряда существенных преимуществ [l] в последнее время используется в основном раздельное управление в преобразователях мощностью более 1 киловатта. Совместное управ­ление применяется в приводах мощностью до 11 кВт. Причина этого в том, что стоимость логического переключающего устройства, датчика состояния вентилей и устройств линеаризации механических характеристик не зависит от мощности преобразователя, а стоимость урав­нительных реакторов почти пропорциональна мощности. У маломощных приводов уравнительные дроссели имеют малые габариты и стоимость, что делает целесообразным применение совместного управления. Кро­ме того, иногда благодаря наличию уравнительных дросселей можно не ставить сглаживающий дроссель. В электроприводах ЭТ6 масса уравнительных дросселей не превышает 13% массы силового трансформатора. Например, для двигателя мощностью 11 кВт два уравни­тельных дросселя имеют общую массу 22 кг и габаритные размеры каждого 124x157x179 мм при массе силового трансформатора 172 кг.

Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняются обычно по встречно-параллельной схеме, так как регулирование уравнительно­го тока в приводах малой мощности не делают. Перекрестные схемы используются крайне редко в мощных приводах с регулированием уравнительного тока. Разнообразные схемы силовых цепей реверсивных преобразователей для приводов большой мощности приведены в [2, 3].