РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Волков А. В., Майоров В.Е., Герман О. Ю.

ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»,

г. Саранск

Аннотация: Рассматривается расчёт преобразователей частоты со звеном постоянного тока для управления электроприводом с асинхронным двигателем.

Ключевые слова: двигатель, асинхронный двигатель, частотное управление, микроконтроллер, преобразователь частоты.

Постановка задачи

Одно из основных проблем в преобразовательной техники является расчет преобразователей частоты, работающих на резко-переменную нагрузку, которые являются асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. Преобразователи частоты (ПЧ) для электроприводов преобразуют переменное напряжение питающей сети (трехфазной либо однофазной) в переменное трехфазное напряжение с регулируемой частотой, напряжением и током. В настоящее время ПЧ в большинстве случаев выполняются на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей (силовых транзисторов, запираемых тиристоров), которые можно как открыть, так и закрыть сигналами, подаваемыми на их управляющие входы.

АИН в звене постоянного тока содержит LC – фильтр (рисунке 1, а). В АИН имеет место однозначная зависимость напряжения в звене постоянного тока от напряжения на нагрузке, и поэтому он является источником напряжения. Благодаря наличию емкости С, при работе инвертора как источника напряжения на активно - индуктивную нагрузку, каковым является АД, обеспечивается обмен реактивной энергией между АД и звеном постоянного тока. Кроме конденсатора для этой цели необходимы обратные диоды D1 – D6, включенные параллельно основным ключам Т1 – Т6. Через эти диоды протекает ток в моменты возврата реактивной энергии от двигателя в емкость С. Ток в цепи на участке между инвертором И и емкостью С при низких cos φ нагрузки может менять направление. Форма напряжения на выходе И определяется порядком переключения ключей Т1 – Т6. Фильтр LC обеспечивает сглаживание пульсаций напряжения с выхода выпрямителя В. Напряжение на выходе инвертора И может регулироваться двумя способами:

-изменением напряжения Ud в звене постоянного тока. В этом случае используется управляемый выпрямитель В, а инвертор выполняет функции коммутатора фаз, формируя требуемую частоту. Такой ПЧ называется АИН с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ);

-широтно-импульсным регулированием напряжения в инверторе, которое осуществляется модуляцией напряжения несущей частоты ωк (частоты коммутации ключей) сигналом основной частоты [1]. Такие ПЧ называются АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В них, как правило, выпрямитель В1 является неуправляемым. В АИН отсутствует рекуперация энергии в питающую сеть. Для обеспечения вместо рекуперации режима динамического торможения устанавливается узел сброса энергии (УСЭ) (ключ Т7 и резистор R и диод D7). Ключ Т7 открывается при превышении напряжения на емкости С сверх допустимого значения, вследствие чего обеспечивается "сброс" энергии в резистор R [1].

В структурах электроприводов с АИН, содержащих контуры регулирования токов статора с глубокими отрицательными обратными связями (с широкой полосой пропускания), совокупность АИН контуры токов становится источником тока [1].

Положительным качеством АИН является возможность работы его как источника напряжения, питающего одиночный двигатель или группу двигателей, в разомкнутых системах регулирования скорости, а также в режиме источника тока при построении замкнутых структур регулирования скорости АД с различными принципами управления. Поэтому АИН находит широкое применение в частотно - регулируемых асинхронных электроприводах[1].

Рисунок 1 – Схемы силовой части ПЧ с АИН

Выбор и решение поставленной задачи

В статье производится расчёт двухзвенного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Преимущества двухзвенных преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока являются:

– возможность получения на выходе преобразователя широкого диапазона частот, не зависимого от частоты питающей сети и полностью покрывающего потребности электроприводов различного назначения, в том числе и высокоскоростных, среднескоростных и тихоходных, прецизионных электроприводов с широким и сверхшироким диапазоном регулирования скорости и др.;

– возможность наращивания сложности силовой части и системы управления преобразователя соразмерно уровню повышения требований к электроприводу, не допуская чрезмерной избыточности системы;

– возможность реализации в сравнительно малоэлементной структуре преобразователя разнообразных алгоритмов управления, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к электроприводам различного назначения;

– лёгкость трансформации преобразователя для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников либо локальной сети постоянного тока.

Недостатки двухзвенных преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

– двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;

– наличие в звене постоянного тока силового фильтра как неотъемленного элемента, содержащего батарею конденсаторов.

Основными звеньями двухзвенных преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока являются:

– выпрямитель с фильтром;

– автономный инвертор.

В преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного тока источником питания для автономного инвертора напряжения является выпрямитель. При чём выпрямитель и инвертор отделены друг от друга LC-фильтром, который служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и выполняет функцию буферного элемента. Входной ток инвертора при каждом переключении ключей изменяется скачком. При малых нагрузках и в режиме холостого хода двигателя входной ток инвертора меняется не только по величине, но и по направлению. Между тем однокомплектные выпрямители обладают лишь односторонней проводимостью цепи выпрямленного тока. В связи с этим возникает проблема совместимости автономного инвертора с его источником питания, выполненным на основе выпрямителя. Для разрешения этой проблемы между источником питания и автономным инвертором напряжения включают буферный элемент – конденсатор, воспринимающий пульсации входного тока инвертора.

Значение буферного конденсатора в схеме инверторного преобразователя частоты:

– обеспечивает совместимость характеристик инвертора и первичного источника питания, являясь буферным накопителем энергии и обеспечивая контур замыкания пульсирующей составляющей входного тока инвертора;

– ограничивает пульсации напряжения на входе инвертора, обусловленные пульсациями его входного тока;

– сглаживает пульсации выпрямленного напряжения первичного источника питания, являясь элементом фильтра на его выходе.

Расчет и моделирование трёхфазного АИН

Предположим что мощность на выходе трёхфазного АИН

Р1= Р2/ η = 15 кВт.

Действующее значение фазного синусоидального тока нагрузки на первой гармонике

I_нф1 = Р2/(3∙U_нф сos(Ψ)) = 45.5 А

С учётом перегрузок по току при пуске АД (ток превышает номинальный в 5-7раз) расчёт и выбор транзисторов и обратных диодов произведём для максимального тока:

I = 5∙ I_нф1 = 227 A,

Значение параметра перегрузки

К = 1/(2∙f∙ Т_н ∙π),

где: f∙Тн определяем из графика сos(Ψ) = F(f∙Тн). Для сos(Ψ) = 0.5 принимаем значение, f∙Тн = 0.28.

Тогда: К = 1/(2∙f∙Т_н∙π) = 1/(2∙0.28∙3.14) = 0.569.

Максимальное значение тока через транзистор при сos(Ψ) ≤ 0.53

.

где:

А

Действующее значение несинусоидального первичного фазного тока

I1ф = 1.05∙I = 239 А.

Среднее значение тока источника питания

Iср = 1.48∙I∙( cos(Ψ)2/ cos(Ψ)) = 168.2 А.

Действующее значение фазного несинусоидального первичного напряжения

где: =527 В - напряжение источника (входное напряжение инвертора). Находим такое Uu, чтобы Uл на выходе АИН было 380 В.

Мощность несинусоидального тока и напряжения

S1 = 3∙Iнф1∙Iф1 = 162.8 кВт.

Активное сопротивление фазы нагрузки

Rн = (Uнф/I)∙cos(Ψ) = 0.485 Ом.

Базисный ток обратных диодов

I₀ = Uu/3∙ Rн = 252.5 А

Среднее значение тока обратных диодов

I_d = I0∙0.065 = 16.41 А.

Расчет ёмкости входного конденсатора

Определим ёмкость входного конденсатора по формуле:

где: τ = f∙Тн/f = 5.6∙10-3

∆Uс ≤ 0.1∙Uu, ∆Uс = 0.1∙Uu, ∆Uс = 52.7 В.

Тогда:

Выбираем типовой конденсатор номиналом 10000 мкФ.

Расчёт выпрямителя

Выпрямленное значение напряжения

Ud = Uu+∆Uдр

где: ∆Uдр = 0.025∙Uu, при Р=15 кВт.

Ud = Uu+0.025∙Uu = 540.175 В.

Выпрямленное значение тока равно среднему значению

Id= 140.152 А

На основании значений выпрямленного тока и напряжения, а также для уменьшения размеров фильтра, уменьшения потребляемой из сети мощности выбираем трёхфазную мостовую схему выпрямителя.

По справочнику определяем:

обратное напряжение – Uобр. max= 1.05∙Ud = 567.2 В

ток через диоды – Ia = 0.33∙Id = 46.25 А

Активное сопротивление фазы

Падение напряжения на вентилях в схеме

∆U = 2∙Uпр = 2.7 В

Напряжение холостого хода с учётом сопротивления фазы выпрямителя Rтр и падения напряжения на дросселе ∆Uдр

ω = 2∙π∙f , m = 6 – схемный коэффициент Ларионова.

Уточним значение обратного напряжения на вентилях

Uобр. max = 1.05∙Uср = 632.4 В.

Минимально допустимая индуктивность дросселя фильтра

Внешняя характеристика выпрямителя (рисунок 2) представляет собой прямую линию. Характеристика строится по двум точкам:

току холостого хода Id = 0; и номинальному напряжению нагрузка Ud.

Внутреннее сопротивление выпрямителя

Rв = (Uср.хх-Ud)/(Id-Iср.хх) = 0.443 Ом.

КПД выпрямителя вычисляется

где ∆Ртр = Sт(1-ηтр) = 3.975 кВт

∆Рв = Ia∙Uпт∙6 = 375 Вт.

Тогда КПД выпрямителя будет составлять: η = 0.946.

Рисунок 2 – Внешняя характеристика выпрямителя

Вывод.

В результате выше описанной работы был рассчитан инвертор и выпрямитель, входящий в состав преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Важным итогом явился выбор силовых ключей, определение расчетных паромеров входного конденсаторов и входного дросселя, работающих на резко-переменную нагрузку, которой в данном случае является асинхронный двигатель.

Список использованной литературы

1. Поздеев А. Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах / А. Д. Поздеев. – Чебоксары : Изд-во Чуваш, ун-та, 1998. 172 с.