Расчет двухзвенного преобразователя частоты для частотно-регулируемого электропривода перекачки жидкости

Федеральное  государственное  бюджетное  образовательное  учреждение 

высшего  профессионального  образования  РФ 

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НИЖНЕВАРТОВСКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине

«Электрооборудование промышленности»

 

 

РАСЧЕТ  ДВУХЗВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ                              ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА                                 ПЕРЕКАЧКИ  ЖИДКОСТИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                  Выполнила: студент  группы  ЗЭЭ-419НВ

Билык Э.Ю.

                                                  

                                                  Проверил: Кузнецов Е.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижневартовск 2013

 

Техническое задание и исходные данные на проектирование.

 

Задание 1.

Спроектировать двухзвенный  преобразователь частоты (ПЧ) с автономным инвертором для электропитания асинхронного двигателя в энергосберегающем электроприводе переменного тока. Технические данные даются в табл.7.6 .[3].

Вычертить электрическую  функциональную схему электропривода переменного тока с преобразователем частоты в соответствии с правилами ГОСТ. Построить таблицу для алгоритма переключения силовых ключей П4 с интервалами проводимости ключей 180 эл. град. вычертить в масштабе кривые мгновенных значений трёхфазных напряжений на выходе П4. По оси абсцисс рекомендуется масштаб 30 эл. град. в 1 см. в диапазоне

Технические данные асинхронных  двигателей серии RA

№	Uл,В	Pн,кВт	Тип двигателя	ηн,%	cosφ	Nном, об/мин
9	380	45,0	RA225М2	93,0	0,89	2955

 

Аннотация

     В  курсовой работе выполнен расчет преобразователя частоты (ПЧ) для промышленного электрооборудования. Выбраны схема и ПЧ для варианта задания. Определены параметры и произведен выбор силовых полупроводниковых приборов, сглаживающих фильтров. Представлены временные диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием. Работа содержит 29 стр., 6 рис.,  таблицу и   приложения.

 

 

 СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………..5

1. РАСЧЕТ ДВУХЗВЕННОГО  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ  ЧАСТОТЫ  ДЛЯ           ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕКАЧКИ     ЖИДКОСТИ
1. Описание электрической схемы электропривода …………………..……..6
2. Структур и принцип действия преобразователя частоты с промежуточ- ным звеном постоянного тока ………………………………………………6
3. Расчет инвертора……………………………………………………………..8
4. Потери мощности в IGBT…………………………………………………...10
5. Расчет выпрямителя…………………………………………………………13
6. Расчёт параметров охладителя……………………………………………...16
7. Расчет сглаживаемого фильтра……………………………………………..17
8. Расчет снаббера……………………………………………………………...19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………26

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………………27

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………...28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель  и задача проекта

         Целью курсовой работы является  электрический и тепловой расчет преобразователя частоты на IGBT транзисторах для энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода переменного тока на асинхронном двигателе (АД). Нагрузкой АД служит центробежный насос для перекачки жидкости.

 

1. РАСЧЕТ ДВУХЗВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ                 ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА                                      ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТИ

 

1.1. Описание электрической схемы электропривода

          Электрическая схема электропривода приведена в приложении П2.

Основные элементы, входящие в Функциональную электрическую  схему асинхронного ЭП с ПЧ: UZ – неуправляемый выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в  системе управления:

- блок питания, содержащий  восемь развязанных между собой  источников напряжения;

- микроконтроллер AD на  базе сигнального процессора 1899BE1;

- плата индикации  DS с переключателем способа управления местное / дистанционное;

- блок сопряжения  ТВ по работе с внешними  сигналами или командами;

- согласующие усилители  UD – драйверы IGBT.

 

1.2. Структура и принцип действия преобразователя частоты                  с промежуточным звеном постоянного тока

 

В преобразователе применена  наиболее распространенная для управления асинхронным короткозамкнутым двигателем схема ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения на выходе и неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых вентилей нового поколения – биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

Основные элементы, входящие в эту схему (П2): UZ – неуправляемый выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в  системе управления:

- блок питания, содержащий восемь развязанных между собой источников напряжения;

- микроконтроллер AD на  базе сигнального процессора 1899BE1;

- плата индикации  DS с переключателем способа управления  местное / дистанционное;

- блок сопряжения  ТВ по работе с внешними сигналами или командами;

- согласующие усилители  UD – драйверы IGBT.

Работает электропривод  следующим образом. При подаче силового напряжения 380В на вход выпрямителя UZ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра C₀, который определяется величинами L₀, C₀. Одновременно с этим в информационную часть схемы подается питание (напряжения U₁ – U₈). В процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания U₁ – U₄ аппаратная защита FA блокирует открывание ключей инвертора и происходит запуск программы управления процессором по аппаратно-формируемой команде "Рестарт". Выполняется предустановка ряда ячеек ОЗУ процессора (установка начальных условий), определяется способ управления "Местное/Дистанционное", "по умолчанию" устанавливается режим работы "Подача" (Q). Если с датчиков тока фаз двигателя ТАА – ТАС, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uс поступает информация о нормальных параметрах, то привод готов к работе, на цифровой индикатор выводятся нули, светится светодиод "Подача". В противном случае загорается светодиод "Авария" и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.

Для управления двигателем процессор формирует систему  трехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами – “стойками” инвертора, состоящими из последовательно включенных ключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 кГц до 15 кГц.

Методика расчета приводится для ПЧ с АИН , выполненного на гибридных модулях, состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей тепловыводящей пластине.

 

1.3. Расчёт инвертора

 

Максимальный ток через  ключи инвертора определяется из выражения:

Ic,макс = (45000*1,2* 2*1,1)/(0,93*0,89* 3*380)=158,4 А

(1.1)

Ic,макс =158,4 А

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; η_н – номинальный КПД двигателя; U_л – линейное напряжение двигателя, В.

 

Выпрямленное среднее  напряжение:

 (1.2)

где К_сн – схемный коэффициент неуправляемого выпрямителя.

 

Тип транзистора выбираем по справочнику с постоянным током I_C ≥ I_C.max и постоянным напряжением U_СЭ ≥ U_d. Выбираем модуль (полумост) IGBT фирмы Mitsubishi третьего поколения CM300D Y-12H с параметрами приведенными в таблице 1

 

Рис.1  Транзистор

 

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

Выбрали 3 модуля CM300DY-12H для функциональной электрической схемы АД электропривода с ПЧ.

Таблица 1

Тип прибора	Предельные параметры			Электрические характеристики									Обратный диод		Тепловые и механические параметры			Масса, г
				UCE(sat), B		Cies, нФ	Cоes, нФ	Cres,нФ	td(on),нс	tr,нс	td(off),нс	tf,нс
	UCES,B	IC, A	PC, Вт	типовое	максимальное								Uf, B	trr,нс	Rth(c-f), oC/Вт	IGBT	Диод
																Rth(j-f), oC/Вт
CM300DY-12H	600	300	1100	2,1	2,8	30	10,5	6	200	300	120	300	2,8	110	0,15	0,4	0,9	270

 

Примечание: U_CES – максимальное напряжение коллектор-эмиттер; I_C – максимальный ток коллектора; P_C – максимальная рассеиваемая мощность; U_CE(sat) – напряжение коллектор-эмиттер во включенном состоянии; C_ies – входная емкость; C_оes – выходная емкость; C_res – емкость обратной связи (проходная); t_d(on) – время задержки включения; t_r – время нарастания; t_d(off) - время задержки выключения; t_f – время спада; U_f – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора; t_rr – время восстановления обратного диода при выключении; R_th(c-f) – тепловое сопротивление корпус-охладитель; R_th(j-f) – тепловое сопротивление переход-корпус.

 

1.4. Потери мощности в IGBT

Потери в IGBT в проводящем состоянии

 (1.3)

Pss =132/1.2*2.15*(1/8+0.9/9.42*0.89)=315.73 ВТ

Icp=Ic.makc/k₁=158.4/1.2=121,4 A (1.4)

 

где I_ср = I_с.макс/k₁ – максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора; D = (t_p/T) – максимальная скважность, принимается равной 0,95; cos θ – коэффициент мощности, примерно равный cosφ; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и Т_j=125 °С (типовое значение 2,1–2,2 В).

 

Потери IGBT при коммутации

, (1.5)

Вт

Вт

 

где t_c(on), t_c(off) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT соответственно на открывание и закрывание транзистора, с; U_cc – напряжение на коллекторе IGBT (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ), В; f_sw – частота коммутаций ключей (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000Гц.

 

Суммарные потери IGBT

 (1.6)

 Вт

 

Потери диода в проводящем состоянии

 (1.7)

 Вт

где I_еp = I_ср – максимум амплитуды тока через обратный диод, А; U_ec – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ep, B.

 

Потери восстановления запирающих свойств диода

 (1.8)

 Вт

где I_rr. – амплитуда обратного тока через диод (равная I_cp), A; t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

 

 

Суммарные потери диода

 (1.9)