Особенности эксплуатации преобразователя частоты со звеном постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

Факультет судовой энергетики

Кафедра ЭДАС

Пояснительная записка к дипломному проекту

на тему: Особенности эксплуатации преобразователя частоты со звеном постоянного тока

Санкт-Петербург 2013



ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор параметров ПЧ

1.1 Общие сведения

1.2 Типы управления

1.3 Структура и принцип работы ПЧ

1.4 Требования РМРС к ПЧ

Глава 2 Выбор полупроводникового преобразователя частоты

2.1 Автономные инверторы тока

2.2 Автономные инверторы напряжения

2.3 Непосредственные преобразователи частоты

Глава 3. Электротехнический расчет элементной базы ПЧ со звеном постоянного тока

3.1 Расчет ивертора

3.2 Расчет выпрямителя

3.3 Расчет параметров охладителея

3.4 Расчет фильтра

3.5 Расчет снаббера

Глава 4. Массогабаритные и технико-экономические показатели

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Техника безопасности при работе с электрооборудованием

5.2 Система пожаротушения судна

5.3 ЧС на морском транспорте

Заключение

Список использованной литературы



СПИСОК БУКВЕНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

АИН - автономный инвертор напряжения

АИТ - автономный инвертор тока

МПСУ - микропроцессорная система управления

НВ - неуправляемый выпрямитель

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты

ПЧ - преобразователь частоты

РМРС - Российский Морской Регистр Судоходства

УВ - управляемый выпрямитель

IGBT - insulated gate bipolar transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором)

ККМ - корректор коэффициента мощности

РН - регулятор напряжения

СТ - силовой трансформатор

УН - уравнитель напряжения

ФВ - фильтр выходной

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭМС - электромагнитная совместимость

ИО - исполнительный орган

ЧРП - частотно регулируемый электропривод



ВВЕДЕНИЕ

В современном производстве часто требуется автоматическая регулировка скорости вращения электродвигателя (в широком диапазоне их мощностей), его универсальные возможности и экономный расход электроэнергии. Решение этой задачи возложено на специальный класс многофункциональных цифровых приборов - преобразователей частоты, которые работают в составе частотно-управляемого привода. На протяжении последних 10 -15 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

УСТРОЙСТВО

Частотно-регулируемый привод представляет собой систему управления частотой вращения ротора асинхронного/синхронного электродвигателя и включает в себя: электродвигатель и частотный преобразователь.

Частотные преобразователи (преобразователи частоты) созданы специально для преобразования одно- или трехфазного напряжения с постоянной частотой 50 Гц в трехфазное напряжение с переменной частотой в диапазоне от 0 до 400 Гц. Или преобразуют 50Гц в 60Гц.

Преобразователи частоты состоят из:

-моста постоянного тока, который преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный ток;

-преобразователя (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный ток нужной частоты и амплитуды.

Выходные тиристоры(GTO) или IGBT обеспечивают необходимую частоту тока для питания электродвигателя.

Для защиты тиристорных силовых ключей между преобразователем и двигателем в ряде случаев ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех-ЕМС-фильтр. При скалярном управлении привода формируются гармонические токи фаз двигателя. При векторном методе управления синхронным и асинхронными двигателями не только формируются гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора. Реализация принципа векторного управления алгоритмами повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

Преобразователи частоты различных производителей могут отличаться друг от друга разными наборами полезных опций. Например, управление частотными преобразователями может осуществляться не только в производственном помещении, но и дистанционно (удаленно) по связи MODBUS. Также, большинство моделей комплектуется встроенными программируемыми логическими контроллерами, наборами коммуникационных адаптеров для различных сетей; предусматривают возможность гибкого расширения входов/выходов для подключения к управляющей, защитной и вычислительной технике.

преобразователь полупроводниковый иветор выпрямитель



ГЛАВА 1. ОБЗОР ПАРАМЕТРОВ ПЧ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см.рис.1.). Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.

Рис. 1

Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.

Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

Преобразователь частоты - это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты. Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на IGBT тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

2. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Рис. 2

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 2.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

Рис.3 Эпюры напряжений на входе и выходе однофазного НПЧ

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.3. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1:10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

1. - практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),

2. - способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,

3. - относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Риc. 4

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис.4)



Рис. 5

1-Преобразовательный трансформатор

2-Активный выпрямитель тока

Участок подачи питания

3-Группа конденсаторов

Тормозной реостат

4-Преобразователь

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 - 98%). Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом. Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов. Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 - 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

О МЕТОДАХ УПРАВЛЕНИЯ

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора. В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора на величину скольжения. Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой f создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле

(1)

где p - число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля, измеряемой в радианах, к частоте вращения, выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле

(2)

где 60 - коэффициент пересчета размерности

Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что



(3)

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания. На этой зависимости и основан метод частотного регулирования. Изменяя с помощью преобразователя частоту f на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора. В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

1.2 ТИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

СКЛЯРНЫЙ ТИП УПРАВЛЕНИЯ

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью

Рис. 6

(4)

где k - постоянный коэффициент.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя. Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 6. Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.

Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

Рис. 7

В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.7. При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

ВЕКТОРНЫЙ ТИП УПРАВЛЕНИЯ

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток. Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.



1.3 СТРУКТУРА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА IGBT ТРАНЗИСТОРАХ

Типовая схема преобразователя частоты представлена на рис. 8. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3)

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

Рис. 8

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты - режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Преобразователь частоты (ПЧ) в ЭП является силовым регулятором, вход которого подключен к питающей сети с нерегулируемыми значениями напряжения U₁ и частоты f₁, а на выходе обеспечиваются регулируемые значения напряжения U₂ (или тока I₂) и частоты f₂ в зависимости от задания и управляющих сигналов U_y.

Применение ПЧ в ЭП обеспечивает наиболее экономичные способы регулирования скорости и момента электродвигателей переменного тока. В настоящее время в зависимости от мощности и технологических требований к ЭП используется один из трех типов статических ПЧ:

1) непосредственный ПЧ (в минимальной конфигурации содержит m₂ - по числу фаз двигателя - отдельных реверсивных преобразователей постоянно тока, управление которыми осуществляется переменным модулирующим напряжением);

2) двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения (состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН), и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя);

3)двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока (состоит из управляемого выпрямителя, автономного инвертора тока (АИТ), сглаживающего реактора L и конденсаторов С, являющихся источником реактивной энергии для двигателя).

Рис. 9 Преобразователь частоты на IGBT

В данной работе приведен расчет статического ПЧ с АИН

В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование электрической энергии: сначала переменное напряжение U₁ с частотой f₁ выпрямляется, а затем постоянное напряжение преобразуется (инвертируется) АИН в переменное с заданной амплитудой первой гармоники U_21m и частотой f₂. В качестве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются IGBT транзисторы.

В ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданной частотой и амплитудой первой гармоники исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной частотой коммутации или с переменной частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

В ПЧ с АИН невозможен обмен реактивной энергией двигателя с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в контуре электродвигатель - АИН - входной конденсатор С, наличие которого вместе с диодами, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Основные достоинства ПЧ с АИН:

-широкий диапазон частот (от 0 до 1000 Гц и более);

-возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);

-простота силовой схемы ПЧ.

Недостатки ПЧ с АИН:

-нереверсивность при выполнении по основной схеме;

-большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.

В ПЧ применена наиболее распространенная для управления короткозамкнутым АД схема ПЧ с АИН и ШИМ напряжением на выходе, неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых приборов нового поколения - биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT.

Основные элементы, входящие в эту схему:

UZ - неуправляемый выпрямитель; L₀, C₀ - фильтр; RT - термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С₀; R₀ - разрядное сопротивление для конденсатора С₀; FU1, FU2, FU3 - предохранители; R, C - цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на транзисторах IGBT; RS - датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT - VD - трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в системе управления:

1) блок питания БП, состоящий из восьми гальванически развязанных источников постоянного напряжения;

2) микроконтроллер AD на базе сигнального процессора 1899ВЕ1;

3) плата индикации DS с переключателем способа управления: местное или дистанционное;

4) блок сопряжения ТВ для работы с внешними сигналами или командами;

5) согласующие усилители UD - драйверы IGBT.

При подаче напряжения 380В на силовой вход ПЧ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра С₀, который определяется значениями RT, 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 инициализация. Производится запись начальных условий в ячейки ОЗУ процессора и определяется способ управления - местное или дистанционное. Если с датчиков тока фаз двигателя TA_A, TA_B, TA_C, аппаратной защиты FA, напряжения сети U_c, а также от всех каналов вторичного источника питания поступает информация о нормальных параметрах, то ЭП готов к работе и на цифровой индикатор выводятся нули, светится светоизлучающий диод «Подача». В противном случае загорается светоизлучающий диод «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, преобразуется в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 до 15 кГц. Одновременное замыкание двух ключей в «стойке» инвертора блокируется, для учета реального времени запирания транзисторов в процесс переключения вводится «мертвое» время, составляющее единицы микросекунд, в течении которого оба ключа разомкнуты.

Силовая часть ПЧ неизменна и пригодна для разных способов управления координатами электродвигателей с применением более совершенных микропроцессорных средств.

Управление частотой при номинальном напряжении

Управление частотой при постоянном, в частности номинальном, напряжении на выводах двигателя дает возможность расширить диапазон регулирования скорости вверх от ее номинального значения за счет повышения частоты при той же мощности преобразователя частоты. Момент, который может развивать двигатель в этом режиме, уменьшается примерно обратно пропорционально квадрату частоты. Характеристики можно улучшить форсированием напряжения с увеличением нагрузки по закону .

Поведение асинхронного двигателя при неизменном напряжении и переменной частоте описывается общими уравнениями при постоянном значении параметра напряжения = 1. Так как с увеличением частоты роль первичных активных сопротивлений уменьшается, ими в большинстве случаев можно пренебречь

Рис. 10 Изменение тока от скольжения

На рисунке 11б показано относительное изменение потока в зависимости от абсолютного скольжения , при постоянных значениях частоты статора , а на рисунке 9в -- в зависимости от а при постоянных значениях . За 100% принято значение потока Ф_о при номинальной частоте и холостом ходе двигателя.

Относительное значение потока определяется модулем выражения

(5)

Пунктиром на рисунке 11 показана кривая потока при неподвижном роторе, т.е. при s= 1, = .

Согласно (5) при холостом ходе поток изменяется строго обратно пропорционально частоте.

При нагрузке (одинаковых значениях ) поток снижается при уменьшении частоты статора тем медленнее, чем выше абсолютное скольжение. С изменением частоты статора ЭДС при холостом ходе остается неизменной и незначительно уменьшается при нагрузке. Поэтому изменение тока статора определяется преимущественно его полным сопротивлением. Ток при повышении частоты уменьшатся вследствие возрастания индуктивных сопротивлений рассеяния статора. Момент уменьшается обратно пропорционально квадрату частоты, а мощность -- обратно пропорционально первой степени частоты (так как возрастает, угловая скорость вращающегося поля). Максимальное значение мощности, которую может развить двигатель, уменьшается при увеличении частоты из-за уменьшения тока вследствие возрастания индуктивных сопротивлений.

На рисунке 11а приведены кривые момента двигателя в зависимости от абсолютного и относительного скольжений при разных значениях частоты статора. Рисунок 11б показывает влияние частоты на параметры механической характеристики. Характеристики, приведенные на рисунке 11в, показывают влияние частоты на ток, момент, полезную мощность, соs и скольжение при постоянной подведенной мощности. Полезная мощность несколько снижается, а относительное скольжение возрастает при увеличении частоты.

Избежать снижения максимальной мощности при увеличении частоты можно соответствующим увеличением напряжения, с тем, чтобы компенсировать падение напряжения в индуктивных сопротивлениях статора. Однако для этого потребуются довольно значительное увеличение напряжения по сравнению с номинальным и, следовательно, соответствующее увеличение мощности преобразователя, питающего двигатель.

Рис. 11

1.4 ТРЕБОВАНИЯ РМРС К ПЧ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГЭУ

· Общие требования.

1. Преобразователи должны соответствовать требованиям разд. 12.

2. Для ГЭУ должно предусматриваться, как минимум, два полностью независимых отдельно установленных полупроводниковых преобразователя.

3. Для каждого преобразователя должна быть предусмотрена отдельная система управления.

4. Для каждой системы управления должны предусматриваться два гальванически изолированных датчика скорости. Общий корпус для обоих датчиков допускается.

5. Если преобразователь подает питание на ГЭД с постоянным возбуждением, то в главной цепи «двигатель - преобразователь» должен быть предусмотрен выключатель-разъединитель, который автоматически должен разрывать главную цепь в случае неисправности инвертора (выпрямителя). Должны быть предусмотрены устройства диагностики, обнаруживающие появление таких неисправностей.

6. Преобразователи для ГЭУдолжны быть рассчитаны на номинальный момент привода (номинальный момент на гребном валу). При этом должно быть учтено, чтобы кратковременные перегрузки и изменения (провалы) частоты вращения, вызванные перегрузкой, не приводили к срабатыванию защиты преобразователей.

7. Шкафы полупроводниковых преобразователей должны соответствовать требованиям 4.6 и разд. 18.

8. Конструкция шкафов полупроводниковых преобразователей должна предусматривать возможность быстрой замены силовых компонентов. Это может быть достигнуто применением модульной конструкции отдельных тиристоров, тиристоров одной фазы или иным способом.

· Охлаждение полупроводниковых преобразователей.

1. Если преобразователи оборудованы принудительной системой охлаждения, то должен быть предусмотрен контроль ее состояния. В случае выхода из строя системы охлаждения должны быть предусмотрены меры, предотвращающие перегрев и выход из строя преобразователя.

2. Для систем охлаждения должна быть предусмотрена система аварийно-предупредительной сигнализации. Сигнал АПС должен быть выполнен по снижению потока охлаждающей среды и высокой температуре полупроводников.

3. Единичные неисправности в системе охлаждения преобразователей не должны приводить к отключению всех преобразователей гребной электрической установки судна.

· Защита полупроводниковых преобразователей.

1. Эксплуатационные перенапряжения в системе питания преобразователей должны быть ограничены соответствующими устройствами, не допускающими повреждений (пробоев) тиристоров.

2. Система управления должна обеспечивать, чтобы во всех эксплуатационных и наиболее тяжелых условиях номинальный ток полупроводниковых элементов не был превышен.

3. Силовые полупроводники должны выдерживать без повреждений короткое замыкание на клеммах преобразователя. Допускается защита от токов короткого замыкания предохранителями. Соответствующие обратные связи преобразователя



ГЛАВА 2. ВЫБОР ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Использование ЭД постоянного тока с тиристорным управлением значительно повышает технико-экономические показатели регулируемых ЭП, но не устраняет ряда существенных недостатков, обусловленных конструкцией машин постоянного тока. Поэтому, как говорилось выше, более целесообразным является использование в таких приводах АД. Однако многоскоростные АД с короткозамкнутым ротором недостаточно полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к судовому регулируемому ЭП. Резкое повышение регулировочных свойств АД стало возможным с разработкой тиристорных схем управления. На судах применяют следующие способы управления тиристорным приводом: частотное; параметрическое регулирование в цепи статора; широтно - импульсное регулирование в цепи ротора; регулирование путем введения в цепь ротора АД добавочной ЭДС.

Основным видом регулирования ЭП переменного тока является частотный. Частотное регулирование, пуск и торможение - это наиболее экономичные методы управления АД. Этот способ осуществляется благодаря тиристорным преобразователям частоты, которые при этом виде регулирования должны преобразовывать напряжение сети промышленной частоты в напряжение другой частоты, причем его амплитуда, частота и фаза должны изменяться в широком диапазоне. Частота - это временной параметр переменного напряжения, определяющий, по существу, интервалы времени, через которые изменяется знак этого напряжения. В ТПЧ это достигается включением и отключением тиристоров в функции времени по такому закону, который обеспечивал бы подключение источника энергии к нагрузке (двигатель) с задаваемой частотой смены знака среднего значения напряжения на этом выходе.

Выделяют 2 основных класса ТПЧ:

-с промежуточным звеном постоянного тока;

-с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки (в литературе иногда называются преобразователями с неявно выраженным звеном постоянного тока или непосредственные преобразователи частоты). В ТПЧ с промежуточным звеном (рис. 12) переменное напряжение U с частотой f поступает на вход выпрямителя В.

Рис. 12 Структурная схема тиристорного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на вход автономного инвертора АИ, имеющего выходное напряжение U с частотой f. В этих ТПЧ частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и может быть как больше, так и меньше этой частоты. Основным узлом в ТПЧ данного типа является автономный или независимый инвертор, который преобразует выпрямленное напряжение в 3-фазное напряжение регулируемой частоты.

По характеру протекающих в схеме электромагнитных процессов автономные инверторы подразделяют на инверторы тока и инверторы напряжения. Такое разделение инверторов условно. Рассмотрим это на примере двух автономных инверторов, питающихся от источника постоянного напряжения Ud (рис.13).

Рис. 13 Схемы 1-фазных автономных инверторов напряжения (а) и тока (б), диаграммы токов и напряжений на их выход

2.1 АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ ТОКА

В цепь постоянного тока первого инвертора (рис.14б) включен реактор

L с большой индуктивностью. Благодаря этому в интервале между

коммутациями тиристоров VS1 -- VS4 ток в реакторе практически остается

неизменным по значению. В этом случае тиристоры VS1 - VS4 изменяют только направление (но не значение) тока в нагрузке, так что последняя питается как бы от источника тока, что и нашло отражение в названии -инвертор тока.

Форма напряжения при неизменном значении тока зависит от характера нагрузки. Перевод выпрямителя в режим регулируемого источника тока при работе на автономный инвертор тока обычно достигается или путем включения сглаживающего реактора очень большой индуктивности, или посредством охвата выпрямителя сильной отрицательной обратной связью по току при одновременном использовании сглаживающего реактора. В регулируемом ЭП наиболее целесообразен второй способ, обеспечивающий приемлемые массогабаритные показатели ТПЧ и его достаточно высокое быстродействие

2.2 АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Автономный инвертор напряжения - это инвертор, форма напряжения на выходе которого определяется только порядком переключения тиристоров инвертора, а форма тока зависит от характера нагрузки. В схеме АИН (рис.14а) источник подключен непосредственно к тиристорам VS1 -- VS4, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. При неизменном угле управления источник напряжения подает на нагрузку постоянное по значению напряжение, соответственно инвертор получил название автономного инвертора напряжения. Включение тиристоров VS1, VS2 или VS3, VS4 изменяет только полярность напряжения. Ток АИН - переменный по значению, и его изменение зависит от характера нагрузки. При работе автономного инвертора напряжения на АД, являющийся активно-индуктивной нагрузкой, должна быть обеспечена возможностью обмена реактивной энергией между АД и источником напряжения. Это достигается включением параллельно входу инвертора конденсатора большой емкости, а также параллельно схеме автономного инвертора напряжения подключается обратный выпрямитель с диодами VD1 - VD4.

Несмотря на большое разнообразие 3-фазных тиристорных инверторов, все они строятся на основе одной и той же принципиальной схемы (рис.14 а). Преобразование постоянного напряжения в напряжение переменного тока необходимой частоты осуществляется переключением с заданной частотой и определенной последовательностью тиристоров в плечах моста. Открытие и закрытие тиристоров определяется последовательностью импульсов, поступающих из схемы управления на их управляющие электроды. Это достигается в схеме управления с помощью задающего генератора. В качестве задающего генератора обычно используется релаксационный R -- С-генератор, выходной сигнал которого подается на вход схемы логики. Последняя формирует импульсы требуемой формы и распределяет их между управляющими и коммутирующими цепями тиристоров.

Наибольшее распространение получили ТПЧ с широтно-импульсным регулированием, при этом на входе инвертора используется неуправляемый выпрямитель. Переменная выходная ЭДС формируется из ряда прямоугольных напряжений, которые образуются при высокочастотной коммутации пары тиристоров каждой фазы (VS1 и VS4, VS3 и VS6, VS5 и VS2 на рис.15а). В автономном инверторе с широтно-импульсной модуляцией нет поочередного переключения тока нагрузки с тиристора анодной на тиристор катодной группы и наоборот.

Рис. 14 Трехфазный тиристорный инвертор: а - схема; б - диаграммы электродвижущей силы и тока

Здесь тиристор анодной группы, осуществляя ряд коммутаций, пропускает положительную полуволну тока нагрузки и лишь при изменении направления тока вступает в работу тиристор катодной группы. Если t - продолжительность включения положительного или отрицательного импульса напряжения, приложенного к нагрузке, а - период коммутации вентилей (рис.15б), то скважность включения вентилейопределяет среднее значение ЭДС или тока за период коммутации.

Для симметричного способа коммутации ЭДС . Настраивая систему управления каждой фазы на синусоидальный закон регулирования скважности, т.е., получим для трех фаз преобразователя частоты:

;

Изменяя с помощью системы управления глубину модуляции и угловую частоту , можно выполнять необходимое регулирование амплитуды и частоты выходной ЭДС преобразователя.

Регулирование частоты выходных напряжений ТПЧ осуществляется системой управления инвертором (рис.15), которая включает в свой состав: задающий генератор частоты ЗГ, преобразующий аналоговый сигнал управления U в колебания прямоугольной формы с частотой f; распределитель импульсов РИ, преобразующий колебания ЗГ в синхронизированную по частоте и фазе 3-фазную систему импульсов и распределяющий импульсы по шести каналам управления тиристорами VS1 - VS6 инвертора; формирователь управляющего импульса ФИ, формирующий импульс управления тиристором по длительности, форме и мощности (в зависимости от схемных решений ФИ может быть как самостоятельным элементом, так и входить в состав РИ).

В качестве ЗГ преобразователя обычно используется генератор прямоугольных напряжений. Его выходное напряжение имеет форму 2- полярных прямоугольных колебаний, частота которых пропорциональна управляющему напряжению. Распределитель импульсов может быть построен на основе кольцевых коммутаторов, диодных матриц и схем совпадений. Независимо от принципа построения функционально РИ всех видов работают одинаково. На шести выходных каналах РИ по числу тиристоров в автономном инверторе выделяются узкие синхронизирующие импульсы. Возникая в каждый полупериод ЗГ, импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1, 2, ..., 6; 1, 2, ..., 6 и т.д. Полученные синхронизирующие импульсы усиливаются и расширяются с помощью формирователей импульсов, т.е. сигналы приобретают параметры, необходимые для надежного открывания тиристоров инвертора.

Таким образом, формирователь импульсов представляет собой усилительное звено.

Рис. 15 Структурная схема управления инвертором

В судовом ЭП в основном применяются ТПЧ, которые предусматривают реверс АД. Причем реверс АД достигается изменением чередования двух фаз путем изменения порядка следования управляющих импульсов. Реверсивный АД в электроприводе палубных механизмов обычно работает в рекуперативном режиме. Так как прямая рекуперация энергии в сеть невозможна, энергия, запасенная при торможении, должна рекуперироваться в сеть косвенным путем. Для этой цели в реверсивных ТПЧ используются инверторы, ведомые сетью, или зависимые инверторы.

2.3 НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Данный класс преобразователей, получивших название непосредственных преобразователей частоты, характерен 1-кратным преобразованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока электроэнергия с неизменными напряжением и частотой преобразуется в одном силовом устройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки, в качестве которой служит 3-фазный АД.

Рассмотрим принципы преобразования 3-фазного напряжения сети в 1- фазное напряжение пониженной частоты. Это может быть достигнуто применением двух 3-фазных 1-полупериодных групп тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис.17а). Когда работает катодная группа I, то выпрямляются положительные полуволны напряжения, а при работе анодной группы II - отрицательные полуволны. Ввиду того что значение выпрямленного напряжениязависит от угла управления, то, изменяя углы управления тиристоров при работе какой-либо из групп, можно получить любой закон изменения выпрямленного напряжения, в том числе и синусоидальный (рис.17б). Усредненное значение синусоиды показано штриховой линией (мгновенные значения напряжения для упрощения не показаны).

При включении катодной группы синусоидальное изменение напряжения достигается при изменении угла управления , от 0 до /2 (в точке А: ⁼ л/2,U = 0; в точке В: = 0, U = U; в точке С: = /2, U = 0). Соответственно в анодной группе синусоидальное изменение достигается изменением угла управления от /2 до (в точке С: = /2, U 0; в точке D: = U = U ; в точке Е: = /2, U = 0). Таким образом, изменяя угол управления от /2 до 0, от 0 до /2, от /2 до и от до /2, формируется 1-й период напряжения выходной частоты. Эта частота определяется скоростью изменения и не зависит от частоты сети. На рисунке15б показано формирование полного периода Т2 кривой напряжения.

Рис. 16 Преобразователь частоты с непосредственной связью: а -принципиальная схема; 6 - кривая выходного напряжения

Рис. 17 Схема 3-фазного преобразователя частоты с непосредственной связью

Принципиально каждая из групп при соответствующем изменении угла а может создать напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону. Однако ток выпрямителя может протекать только в одном направлении, поэтому для формирования полного периода кривой тока используются 2 группы тиристоров (катодная и анодная). Катодная группа вентилей обеспечивает протекание тока в течение положительного полупериода, а анодная группа - в течение отрицательного полупериода. Две группы вентилей обеспечивают также режим инвертирования, который необходим при рекуперации электрической энергии в сеть. Так как катодная и анодная группы включены встречно-параллельно, средние значения их выходных напряжений должны быть одинаковыми по амплитуде и противоположными по знаку для ограничения уравнительных токов. Это достигается при условии, если углы управления и катодной и анодной групп связаны соотношением = -- . Однако мгновенные значения напряжений при этом существенно различаются, поэтому для ограничения высших гармонических составляющих токов в нагрузке в схему включаются реакторы L (рис.18).

В схемах НПЧ протекание уравнительного тока также исключается благодаря запиранию всех тиристоров группы, которая в данный момент времени не проводит тока нагрузки. Это достигается снятием управляющих импульсов в соответствующие моменты времени. В таком случае уравнительные реакторы могут быть существенно уменьшены или полностью исключены. При этом способе управления в каждую фазу нагрузки включается датчик тока, который в зависимости от знака выходного тока дает команду в схему управления для снятия управляющих импульсов с тиристоров непроводящей группы. В 3-фазной схеме используется 3 подобных 1-фазных преобразователя с взаимным фазовым сдвигом 120° (рис.18). Этот преобразователь содержит 18 тиристоров, однако при подобной мостовой схеме их потребуется 36.

При работе преобразователя на АД необходимо регулировать напряжение и частоту. Условие получения синусоидальной волны выходного напряжения при изменении угла управления от 0 до л которое было приведено выше, не является обязательным. Если установить начальный угол управления, равный /2, а затем медленно изменять его в пределах ±/2 (что было сделано в нашем примере) в обе стороны от начального значения, то получим выходное напряжение низкой частоты с максимальным значением ±U при углах управления 0 и 180°. При уменьшении диапазона колебаний по обе стороны от начального значения /2 углы управления будут больше 0 или меньше 180°. В этом случае также создается синусоидальная волна напряжения, но с меньшим амплитудным значением, т. е. осуществляется регулирование напряжения. Выходная частота НПЧ в этом случае определяется скоростью изменения относительно угла /2. Следовательно, и напряжение, и частота формируются управляющими импульсами системы управления, воздействующими на тиристоры.

На вход системы управления НПЧ (рис.19) подаются сигналы: U- в соответствии с заданием на амплитуду выходного напряжения; U - с заданием на частоту. Задающее устройство ЗУ, представляющее собой низкочастотный задающий генератор, формирует управляющие напряжения, и, образующие 3-фазную систему. Эти сигналы поступают в системы импульсно- фазового управления СИФУ1- СИФУЗ, которые вырабатывают управляющие импульсы для открытия тиристоров вентильных групп ВГ1 - ВГЗ. Следует отметить, что задающие сигналы, кроме создания различных импульсов, изменяют углы управления анодной и катодной групп таким образом, чтобы выполнялось соотношение. Реверс АД, подключенного к преобразователю, осуществляется изменением чередования фаз задающего генератора и, следовательно, в силовой схеме не требуется проводить никаких переключений.

Рис. 18 Структурная схема управления непосредственным преобразователем частоты



ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ПЧ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1 РАСЧЕТ ИНВЕРТОРА

Исходные данные:

1) Номинальная мощность Р_ном = 30 кВт,

2) Диапазон выходных частот от 0,5 до 512 Гц,

3) Частота питающей сети f_с = 50 Гц,

4) Диапазон регулируемого напряжения от 0 до U_{пит.сети},

U_вх = 380 В 20 % = U_{пит.сети}.