Расчет преобразователя частоты для асинхронного двигателя

Современная автоматизация производства невозможна без использования электродвигателей и средств управления ими или, точнее без применения электропривода. Использование автоматизированного и автоматического электропривода позволяет повышать производительность труда, культуру производства и быт человека.

Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, посредством которого осуществляется движение рабочих органов машины. Электрическая часть электропривода состоит из электродвигателя и аппаратуры управления им. Кроме этого, во многих электроприводах электрическая часть содержит преобразователи и различные устройства автоматизации рабочего процесса.

В автоматизированном электроприводе широко используются достижения современной техники управления: новейшие электрические аппараты, различные полупроводниковые приборы.

При работе с электроприводом нередко возникает необходимость управления частотой вращения асинхронного электродвигателя. Для этого используется частотные преобразователи. В преобразователях частоты используется частотный метод регулирования скорости асинхронного двигателя, заключающийся в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно изменять угловую скорость вращения магнитного поля статора. При этом обеспечивается плавное регулирование скорости вращения в широком диапазоне при сохранении достаточно жёстких механических характеристик. Регулирование скорости, не вызывает увеличения коэффициента скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании малы.

Использование частотного преобразователя для асинхронных двигателей для регулирования скорости движения конвейеров и транспортировочных устройств даёт значительную экономию электроэнергии и увеличивает эффективность использования этих средств. Благодаря его применению без труда удаётся поддерживать в системе нужное давление и регулировать её производительность. При использовании регулируемого привода в станках возможно плавно изменять скорость подачи или главного движения.

1. Классификация преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) служат для переноса спектра частот из одной области в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение несущей частоты fпр, называемой промежуточной. Частота fпр может быть как выше, так и ниже fс. Если fпр > fс преобразование частоты вверх; fс< fпр преобразование частоты вниз.

ПЧ (рис.1.1) содержит нелинейный элемент (НЕ) и источник вспомогательного колебания, называемый гетеродином (Г). В качестве нелинейного элемента используются различные электронные приборы, нелинейные активные или реактивные сопротивления. Нелинейный элемент, преобразующий колебания сигнала с помощью гетеродина, называют смесителем.

В состав ПЧ входит также фильтр (Ф) с нагрузкой Rн, необходимый для выделения напряжения промежуточной частоты.

Рисунок 1.1 - Преобразователь частоты

В общем случае преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения двух высокочастотных напряжений:

напряжения сигнала

uc= Uсcos(щc t+ цc ) (1.1)

и напряжение гетеродина

uг= Uгcos(щг t+ цг ) (1.2)

В результате такого перемножения на выходе преобразователя получается напряжение преобразованной частоты

Uпч= kсхUсUгcos(щпр t+ цпр ) (1.3)

где kсх - постоянный коэффициент, зависящий от параметров преобразователя.

Амплитуда, частота или фаза преобразованного напряжения имеют тот же закон, что и напряжение сигнала. Это означает, что при преобразовании модулированных сигналов вид и параметры модуляции не нарушаются. Перемножить напряжения можно двумя способами: с помощью нелинейных элементов или с помощью линейных цепей с переменными параметрами (параметрических цепей). В общем случае в результате нелинейного или параметрического преобразования двух напряжений на выходе смесительного элемента появляется множество комбинационных составляющих напряжений с частотами

Щк= |± kщг ± n цг | (1.4)

где k и n - целые положительные числа.

На избирательной нагрузке выделяется напряжение одной из комбинационных частот, которая и принимается за промежуточную частоту приемника.

ПЧ характеризуется следующими основными показателями: коэффициентом усиления, уровнем линейных искажений, нелинейными эффектами, избирательностью, устойчивостью эксплуатационно-технических характеристик и перекрытием заданного диапазона частот.

Коэффициент усиления преобразователя равен отношению комплексной амплитуды выходного напряжения преобразованной частоты к комплексной амплитуде напряжения сигнала, действующего на входе преобразователя, т.е.

Kпч = Um пр /Um c (1.5)

Коэффициент усиления ПЧ зависит от частоты входного сигнала. Эта зависимость определяется как характеристикой избирательности системы, включённой на входе преобразующего прибора, так и характеристикой нелинейности последнего. Для оценки усилительных свойств ПЧ при точной настройке используют резонансный коэффициент усиления преобразователь при точной настройке к комплексной амплитуде входного напряжения сигнала:

Kпч0 = Um пр0 /Um c0 (1.6)

Линейные искажения сигнала характеризуется неравномерностью коэффициента усиления в необходимой полосе спектра сигнала и нелинейностью фазовой характеристики.

Определение этих показателей не отличается от определения аналогичных показателей избирательных усилителей. Следует отметить, что в ПЧ эти искажения даёт фильтр, настроенный на промежуточную частоту.

Нелинейные эффекты в ПЧ характеризуют величинами, используемыми для аналогичных оценок в избирательных усилителях, а именно: нелинейность амплитудной характеристики, коэффициентом блокирования сигнала, коэффициентом перекрёстных искажений, коэффициентом взаимной модуляции и коэффициентом вторичной модуляции.

В ПЧ возникают специфические нелинейные эффекты, определяемые наличием сильных колебаний с частотой гетеродина. К этим Эффектам относятся побочные каналы приёма и свисты, сопровождающие приём полезного сигнала. Побочные каналы приёма характеризуются значениями их частот и уровнем выходного напряжения, создаваемого соответствующим каналом приёма.

Избирательность преобразователя зависит от вида АЧХ его нагрузки. Однако при настройке гетеродина соответствующей приему полезного сигнала, существует ряд частот, которые в результате преобразования также образуют промежуточную частоту (например, щ= щг - щпр или щ= щг + щпр).

Устойчивость работы ПЧ в смысле постоянства характеристик определяется не только свойствами преобразующего прибора и избирательной цепи, но и свойствами гетеродина. Что касается удалённости от самовозбуждения, то ПЧ представляет собой устройство, выходные входные цепи которого настроены на значительно отличающиеся частоты (fпр и fс), и поэтому непосредственно емкостная или индуктивная связь этих цепей обычно не опасна. Существенное снижение стабильности показателей характерно для регенеративного режима, который используется в ПЧ на туннельном диоде и емкостном ПЧ, работающем с инверсией спектра.

Перекрытие заданного диапазона частот определяется возможностью перестройки гетеродина в пределах заданного диапазона и постоянством его характеристик в этих условиях.

Преобразователи частоты классифицируются:

1) По способу получения fпр:

- ПЧ с верхней настройкой гетеродина

Fпр = fг - fс, т.е. fг > fс (1.7)

В данном случае после преобразования положение боковых полос сигнала меняется, т.е. нижняя становится верхней и наоборот (инвертирующее преобразование частоты).

- ПЧ с нижней настройкой гетеродина.

Fпр = fс - fг, т.е. fг < fс (1.8)

В данном случае положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования не меняется (неинвертирующее преобразование частоты).

2)По виду нелинейного элемента:

- диодные ПЧ;

- транзисторные ПЧ;

- интегральные ПЧ.

3)По числу нелинейных элементов в ПЧ:

- простые (один НЭ);

- балансные (два НЭ);

- кольцевые (четыре НЭ).

Одним из основных узлов ПЧ является автономный инвертор АИ, свойства которого определяют характеристику всего ПЧ в целом. Преобразователь частоты не только обеспечивает эффективное регулирование частоты вращения двигателя изменением частоты напряжения на его входе, но и необходимые значения тока и напряжения.

2. Расчет и выбор преобразователя частоты

Вариант № 24

Тип - 4АР250S8У3

Рн - 37 кВт

??н - 735 об/мин

Iн при Uн=380 - 87 А

зн - 90 %

cosц - 72

??пуск??н - 5,5 А

Мпуск/Мн - 1,8

Ммин Мн - 1,5

Ммакс Мн - 2

Момент инетции - 4,62 кг/м2

X1 - 0,98 Ом

X2 - 1,46 Ом

Рисунок 2.1 - Схема преобразователя частоты с автономным инвентором напряжения

Данная схема пч состоит из трех основных элементов: неуправляемого выпрямителя, широтно импульсного преобразователя и автономного инвентора напряжения.

В качестве выпрямителей используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении.

Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов -- электронная (n) и дырочная (р).

В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили -- диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-n-p-структуру, для них характерна высокая проводимость в прямом направлении и низкая в обратном.

На первых этапах применения полупроводниковых ШИП выбор транзисторной или тиристорной элементной базы основывался на следующих соображениях. Транзисторные ШИП имеют относительно малую мощность, невысокую перегрузочную способность по току (2-2,5 Iном), но позволяют реализовать частоту импульсов до 5 кГц. Тиристорные ШИП более мощные и лучше выдерживают перегрузки по току и напряжению, но позволяют работать с импульсами частотой не более 1 кГц и требуют более сложной схемы управления.

Однако в настоящее время подход к выбору силовой элементной базы ШИП несколько меняется, что объясняется двумя основными факторами. С одной стороны, созданы силовые модули на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, по мощности и перегрузочной способности практически не уступающие тиристорным и работающие на частотах до 10кГц. С другой стороны, в настоящее время все более широко выпускаются достаточно мощные запираемые тиристоры, которые в отличие от обычных тиристоров можно и закрыть подачей соответствующего потенциала на управляющий электрод.

Принцип работы транзисторного ШИП основан на использовании транзисторов в ключевом режиме: транзистор пропускает ток при подаче управляющего сигнала и перестает его пропускать после снятия сигнала.

Транзисторные ШИП в первом приближении можно считать идеальными звеньями с бесконечно малой инерционностью и бесконечно малым внутренним сопротивлением и для анализа систем ШИП-Д пользоваться выражениями механической характеритики и передаточной функции, полученной непосредственно для двигателя.

Принцип работы ШИП на запираемых тиристорах не имеет существенных отличий от работы транзисторного ШИП.

Принцип работы ШИП с обычными тиристорами в отличие от транзисторных имеет две основные особенности. Во-первых, в состав тиристорного ШИП входит схема искусственной коммутации, которая должна при питании тиристора от сети постоянного тока в требуемый момент времени изменить полярность на аноде и катоде и запереть тиристор. Связано это с тем, что тиристор после отпирания теряет управляемость и запереть его подачей сигнала на управляющий электрод невозможно. Во-вторых, запирание тиристора требует определенного времени, что не позволяет реализовать относительную продолжительность импульсов е , достаточно близкую к нулю.

Для питания трехфазных потребителей переменного тока, могут быть использованы автономные инверторы, построенные по тем же схемам, какие применяются для преобразователей постоянного тока. Инвертирование, т.е. преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты, осуществляется переключением в определенной последовательности и с заданной частотой ключей (тиристоров, транзисторов) в плечах моста. Форма выходного напряжения зависит от характера нагрузки и, прежде всего, от закона переключения ключей, т.е. закона коммутации.

Наибольшее распространение для инверторов получила трехфазная мостовая схема. На схеме вентили VT1 -VT6 представляют собой полностью управляемые полупроводниковые вентили (запираемые тиристоры, транзисторы), которые обладают способностью открываться и закрываться под воздействием управляющего сигнала. Практически таким элементом является транзистор, работающий в ключевом режиме, а также тиристор в совокупности с устройством искусственной коммутации. Современные АИН выполняются на основе запираемых тиристоров GTO либо биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

При данном варианте ПЧ регулирование напряжения на входе АИ осуществляется с помощью импульсного регулятора на выходе неуправляемого выпрямителя (тиристорного либо транзисторного ШИП), обеспечивающего на выходе напряжение в виде серии прямоугольных импульсов за счет изменения длительности проводящего и непроводящего периодов вентилей.

После фильтрации это напряжение подается на вход автономного инвертора. Импульсные регуляторы имеют большое быстродействие. Они позволяют поддерживать необходимое соотношение U/f на выходе автономного инвертора как для АИТ, так и для АИН, а также высокие значения коэффициента мощности и широкий диапазон регу-лирования.

Диодный вспомогательный мост не имеет вспомогательных цепей управления и является наиболее простым, дешевым и надежным преобразователем.

Кроме того, наличие нерегулируемого источника тока позволяет осуществить параллельную работу нескольких независимых инверторов и, тем самым, уменьшить стоимость преобразователя для питания многодвигательных электроприводов.

Однако эти схемы приводят к дополнительному преобразованию энергии, к снижению КПД, усложнению преобразователя, а также и невозможности осуществления генераторного режима в приводе.

Расчет мощности преобразователя частоты (инвертора)

Индуктивное сопротивление асинхронного двигателя

(2.1)

Действующее значение полного тока при номинальной нагрузке

(2.2)

Номинально длительно-допустимая мощность инвертора

(2.3)

Выбираем преобразователи частоты (инвертора), исходя из следующих данных:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

где Кз = 1,25 коэффициент запаса мощности;

(2.9)

Учитывая перегрузочную способность преобразователя, номинальный ток ПЧ может быть принят

(2.10)

где = 2 - коэффициент перегрузки преобразователя частоты.

Полученное значение тока должно быть обеспечено при длительности этой нагрузки в течение 1 минуты. Однако пуск двигателя осуществляется за 1 - 2 секунды. При малых длительностях приложения максимальной нагрузки коэффициент перегрузки ПЧ повышается. Поэтому выбор ПЧ осуществляется по номинальному току и допустимой перегрузке ПЧ.

В соответствии с заданными условиями выбирается преобразователь частоты типа ТРИОЛ АТ04-55 со следующими техническими данными:

Sн=72 кВт; Рн=45 кВт; U=380 В; Iн=110 А; f=1-50 Гц; Imax=132 A

Выбор выпрямителя

Требуемое напряжение в сети постоянного тока

(2.11)

Средний ток, потребляемый инвертором

(2.12)

(2.13)

модуль первой гармоники тока нагрузки.

Средний ток через ключ АИН

(2.14)

Средний ток через обратный диод

(2.15)

Активная мощность на выходе инвертора

(2.16)

Активная мощность на входе инвертора

(2.17)

Выпрямленный ток в цепи постоянного тока

(2.18)

Максимальное выпрямленное напряжение выпрямителя (при б = 0)

(2.19)

Номинальный (минимальный) угол регулирования выпрямителя

(2.20)

отсюда бmm = 25,84° .

Расчет параметров силового фильтра АИН с амплитудной модуляцией

Эквивалентное сопротивление фильтра в цепи постоянного тока

(2.21)

Эквивалентная индуктивность фильтра

(2.22)

где (2.23)

(2.24)

Из каталога выбирают сглаживающий дроссель типа ФРОС - 1000/0,5 УЗ, ТЗ имеющий следующие данные:

Lн=1,6 мГн; Idн=1000 А; ДUдр=2,2 В

Емкость конденсатора на входе инвертора

(2.25)

где f1=50 Гц максимальная частота напряжения статора двигателя;

(2.26)

амплитуда значения первой гармоники тока нагрузки;

(2.27)

Ток конденсатора

(2.28)

3. Сравнение автономных инверторов напряжения с различными видами модуляции