Размещено на http://www.allbest.ru/

• Содержание
• Введение
• 1. Содержание курсовой работы
• 2. Оформление курсовой работы
• 3. Методические указания по выполнению курсовой работы
• 3.1 Расчет и выбор основного силового электрооборудования
• 3.1.1 Расчет и выбор преобразователя частоты
• 3.1.2 Расчет и выбор автономного инвертора напряжения
• 3.1.3 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для инвертора напряжения
• 3.1.4 Расчет и выбор активного выпрямителя напряжения
• 3.1.5 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для активного выпрямителя
• 3.1.6 Расчет фильтра звена постоянного тока
• 3.1.7 Выбор силового трансформатора
• 3.2 Расчет и построение основных характеристик ПЧ
• 3.2.1 Построение регулировочной характеристики автономного инвертора с ШИМ
• 3.2.2 Построение внешней характеристики автономного инвертора с ШИМ
• 3.3 Выбор основных компонентов защиты преобразователя частоты и полупроводниковых модулей


Введение

Дисциплина «Силовая электроника» для студентов специальностей 1801400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 221000 «Мехатроника и робототехника» является одной из теоретических и практических специальных дисциплин. Изучение курса базируется на дисциплинах теоретические основы электротехники и физические основы электроники.

Завершающим этапом изучения курса «Силовая электроника» является выполнение курсовой работы. Целью выполнения курсовой работы является выбор силового электрооборудования для питания асинхронного электродвигателя, а так же анализ статических режимов работы и построение внешних и регулировочных характеристик.

Данное методическое указание рассматривает вопросы проектирования структуры и расчет силовых и полупроводниковых элементов преобразователя частоты для питания асинхронных электродвигателей в составе современных автоматизированных мехатронных комплексов.

В данном учебном пособии делается упор на расчет силовых цепей для реверсивных асинхронных электроприводов с возможность рекуперации энергии в питающую сеть.



1. Содержание курсовой работы

В методических указаниях рассматривается пять основных разделов курсовой работы:

- Выбор основного силового оборудования

- Расчет основных характеристик

- Выбор защит

Ниже приводится содержание пояснительной записки по всем разделам курсовой работы, в которую должны быть включены следующие обязательные разделы и подразделы:

· Титульный лист.

· Задание на курсовую работу.

· Содержание.

· Введение.

· Основная часть.

· Заключение.

· Библиографический список.

Оформлениетитульного листа:

Титульный лист должен быть оформлен в строгом соответствии с требованиями, предъявляемых учебным заведением к оформлению курсовых работ. Тема курсовой работы: Проектирование реверсивного двухзвенного преобразователя частоты для питания асинхронного электродвигателя

Оформление задания на курсовую работу:

Задания на курсовую работу должно быть оформлено в строгом соответствии с требованиями, предъявляемых учебным заведением к оформлению курсовых работ.

Содержание введения:

Общие сведения об электроприводе построенного на базе автономных инверторов и активных выпрямителей напряжения, их актуальность, промышленная применимость, достоинства и недостатки.

Примерное содержание основной части:

1. Расчет и выбор основного силового электрооборудования

1.1 Расчет и выборпреобразователя частоты

1.1.1Расчет и выбор автономного инверторанапряжения

1.1.2 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для инвертора напряжения

1.1.3Расчет и выбор активного выпрямителя напряжения

1.1.4 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для активного выпрямителя

1.1.5Расчет фильтра звена постоянного тока

1.2 Выбор силового трансформатора

1.3Выбор силовых фильтров

2. Расчет и построение основных характеристик

2.1 Построение регулировочной характеристики автономного инвертора

2.2 Построение внешней характеристики автономного инвертора

3. Выбор основных компонентов защиты преобразователя частоты и полупроводниковых модулей

3.1Выбор силового выключателя

3.2 Выбор силового контактора

3.3 Выбор демпфирующих (снабберных) цепей

3.4 Выбор блока динамического торможения

3.5 Контроль напряжения звена постоянного тока



2. Оформление курсовой работы

Курсовая работа состоит из пояснительной записки объемом 30-40 страниц. Оформление пояснительной записки и графической части проекта должно соответствовать стандарту предприятия.

При оформлении пояснительной записки необходимо выполнять следующие требования:

- все расчеты выполняются в основных единицах измерения международной системы;

- все позиции формулы должны быть расшифрованы;

- нумеруются только те формулы, на которые далее следуют ссылки в тексте;

- при выполнении расчетов сначала приводится формула в общем виде, а затем - в числовом выражении для всех позиций формулы;

- рисунки и таблицы должны следовать сразу за первой ссылкой на них в тексте;

- в названиях разделов и подразделов сокращения не допустимы;

- литература должна иметь сквозную нумерацию, если в тексте нет ссылок на соответствующую литературу, ее не должно быть в списке использованных источников;

- пояснительная записка оформляется безлично



3. Методические указания по выполнению курсовой работы

В методических указаниях рассматриваются основные вопросы по выполнению курсовой работы, причем основное внимание уделяется подразделам и вопросам, которые в недостаточной степени рассмотрены в отечественной литературе.

3.1 Расчет и выбор основного силового электрооборудования

3.1.1 Расчет и выбор преобразователя частоты

В данном курсовом проекте, для питания асинхронного двигателя будем использовать двухзвенный преобразователь частоты (ДПЧ) на базе автономного инвертора напряжения (АИН) и активного выпрямителя напряжения (АВН). Принципиальная схема показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема ДПЧ

В силовой цепи последовательно включены активный выпрямителя напряжения, реактор и автономный инвертор напряжения. АВН и АИН выполняются по идентичной конструкции, и по существу АВН представляет собой тот же самый автономный инвертор, только работающий на сеть и служащий для возврата электрической энергии и поддержания на заданном уровне напряжение в DC. Принцип действия АВН и АИН был рассмотрен ранее в главе 2.

Отметим основные достоинства:

* Возможность осуществлять возврат электрической энергии в питающую сеть

* Большой диапазон и выбор мощностей у серийно-выпускаемых моделей преобразователя

* Хорошая электромагнитная совместимость с питающей сетью

* Относительно небольшие массогабаритные показатели

* Возможность реализации у АИН и АВН разнообразных алгоритмов управления удовлетворяющих требованиям, предъявляемым как к электроприводам различного назначения, так и к системе электроснабжения

* Форма выходного тока АИН и АВН практически синусоидальна

* Регулируемый коэффициент мощности

* Высокий коэффициент полезного действия

* Напряжения в DC на уровне, даёт возможность стабильной работы электропривода во время кратковременных просадках напряжения

Благодаря перечисленным выше достоинствам на базе таких преобразователей (рис.3.4) проектируется большинство мощных (более 1 МВт) реверсивных регулируемых электроприводов. Из недостатков можно отметить следующее:

* Относительно высокая стоимость АВН по отношению к обыкновенному диодному выпрямителю;

* Большие массогабаритные показатели и высокая стоимость входного реактора и конденсаторной батареи;

* Трудность синхронизации АВН с зашумлённой низкими и высшими гармониками питающей сетью;

* Потери на двукратное преобразование электрической энергии;

* Недостатки, связанные с ШИМ.

Область применения таких преобразователей постоянно расширяется. Например, на сегодняшний день в электроэнергетике практически все ветряные и солнечные электростанции в своём составе в качестве связи между сетью и ветрогенераторами или солнечными батареями используют именно такие преобразователи. В промышленности, практически все реверсивные электропривода мощностью больше 1 МВт проектируются на базе ДПЧ с АВН. В целом, ДПЧ с АВН и АИН является основным выбором при построении энергосберегающих систем электропривода.

3.1.2 Расчет и выбор автономного инвертора напряжения

Исходными данными для расчета автономного инвертора напряжения (АИН) являются основные параметры трехфазного двигателя переменного тока, требуемой для него перегрузочной способности, которая приведена в задании на курсовую работу, а так же напряжение питающей сети, которые приведены в таблице 1. Полные технические данные и параметры электродвигателей для каждого варианта задания приведены в приложении А.

Таблица 1. Исходные данные двигателя

№ п/п	Наименование параметра, размерность	Обозначение	Значение
1	Номинальная мощность, кВт	Pн	55
2	Номинальный КПД, %	?н	93
3	Номинальный cos(ц)	cos(цн)	0,87
4	Номинальное линейное напряжение, В	Uлн	380
5	Номинальное ток, А	Iн	105
6	Диапазон частот, Гц	от fmin до fmax	1-50
7	Перегрузочная способность	лд	2,8

АИН преобразователей частоты характеризуются ограниченной перегрузочной способностью. Поэтому выбор преобразователя частоты должен быть осуществлен в соответствии с реальной нагрузкой. АИН характеризуются следующими значениями токов:

· номинальный длительно-допустимый ток;

· максимально-допустимый ток;

· коммутационный ток.

На основании этих трех токов, АИН характеризуются тремя значениями полной мощности:

· номинальная полная мощностьАИНSАИНн (при номинальном токе и номинальной температуре окружающей среды);

· кратковременная полная мощность SАИНк (при номинальном токе и максимально-допустимой температуре окружающей среды);

· коммутационная полная мощность SАИНт, представляющая собой максимальную мгновенную мощность, позволяющую обеспечить перегрузочную способность при коммутации.

В дальнейших расчетах примем, что коммутационная мощность равна кратковременной мощностиАИН (SАИНк = SАИНт). Следует отметить, что кратковременная мощность АИНв несколько раз меньше максимальной кратковременной мощности асинхронного двигателя. При прямом пуске с номинальным напряжением и частотой сети пусковые токи асинхронных двигателей могут превышать номинальный ток двигателя в 4-7 раз. Благодаря возможности регулировать частоту и амплитуду основной гармоники выходного напряжения преобразователя частоты посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), можно ограничить пусковой ток двигателя, а следовательно, и АИН,при этомобеспечивая требуемую динамику при разгонах и торможениях электропривода.

Таки образом, при работе одного АИН с одним двигателем выбор АИН должен производиться следующим критериям:

1) Номинальная полная мощность АИН должна быть больше или равна номинальной полной мощности двигателя:

где Sдвн=Pдвн / (?н·cos(цн)) - номинальная полная мощность потребляемая двигателем с учетом потерь, кВА; Kз= 1,05-1,15 - коэффициент запаса; ?н- номинальный КПД двигателя.

2) Максимальный ток АИН должен быть больше (или равен) максимального тока, потребляемого двигателем.

или

где лд- коэффициент допустимойдлительной перегрузки по току для двигателя (см. задание на курсовую работу),необходимый для обеспечения требуемой динамики электропривода; лАИН-коэффициент допустимой кратковременной перегрузки АИН(типовая перегрузка 1,5-2,25).

Допустимый максимальный длительный ток,потребляемый двигателем, определяется выражением:

гдеPн- номинальная мощность двигателя, Вт;k1= 1,2-1,5- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току;k2= 1,1-1,2- коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; Uлн-номинальное напряжение двигателя, В.

3) Номинальный длительный ток АИН должен быть больше (или равен) номинального длительного тока, потребляемого двигателем.

При расчете номинального тока АИН необходимо учитывать его перегрузочную способностьлАИН.



Тогда номинальный ток АИН должен соответствовать условию:

4) Диапазон изменения частоты выходного напряжения АИН должен соответствовать требованию:

Где fн, fсmin, fсmax- номинальная, минимальная, максимальная частота напряжения статора, Гц.

На основании выше изложенных четырех критериев и с учетом задания на курсовую работу можно выбрать АИН для питания асинхронного двигателя.

3.1.3 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для инвертора напряжения

Расчет и выбор полупроводникового модуля IGBT для трехфазного АИН и активного выпрямителя напряжения (АВН) выполняют по единой, приведенной ниже методике. Полупроводниковые модули IGBT выбирают с постоянным (номинальным) током коллектора равным:

Допустимый максимальный кратковременный ток через ключи АИН определяется выражением:

гдеk1= 1,2-1,5- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току (в переходных процессах).

Выбор IGBTмодуля осуществляется по номинальному току коллектора и по максимальному напряжению коллектор-эмиттерUce, которое равно максимальному напряжению в звене постоянного тока. Так как в силовой схеме будет использоваться активный выпрямитель напряжению с IGBT модулями, то напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока можноопределиться по формуле:

гдеkсх= 1,35- коэффициент мостовой схемы выпрямления; Uсе-максимальное напряжение коллектор-эмиттер; Udc0-максимальное требуемое напряжение в звене постоянного тока.

Далее, на основании тока Icн и напряжения Uceможно выбрать IGBTмодуль.

Необходимые каталожные данные для расчета силового модуля сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Исходные данные для расчета IGBT модуля

№ п/п	Наименование параметра, размерность	Обозначение	Размерность	Значение
1	Максимальное напряжение коллектор-эмиттерIGBT	Uce	B	600
2	Номинальный постоянный ток коллектораIGBT	Icн	A	600
3	Максимальная рассеиваемая мощность	Pc	Вт	1130
4	Прямое номинальное падение напряжения на IGBT в насыщении при нагретом кристалле	Uce(sal)	B	1.7
5	Прямое максимальное падение напряжения на IGBT в насыщении при нагретом кристалле	Uce(sal)	B	2.2
6	Входная емкость	Cies	нФ	90
7	Выходная емкость	Coes	нФ	11
8	Емкость обратной связи (проходная)	Cres	нФ	3.6
9	Продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBTна замыкание tc(on), нарастание tr, размыканиеtc(off) и спада tfтранзистора	tc(on) tr tc(off) tf	нс нс нс нс	500 300 750 300
10	Прямое падение напряжения на диоде в насыщении при максимальном мгновенном токе	Uf	В	1.7
11	Время восстановления запирающих свойств диода	trr	нc	250
12	Тепловое сопротивление корпус - охладитель	Rth(c-f)	0C/Вт
13	Тепловое сопротивление переход-корпус IGBT	Rth(j-c)	0C/Вт
14	Тепловое сопротивление переход-корпус диода	Rth(j-c)	0C/Вт
15	Масса	m	кг	0,58

Далее необходимо построить временные диаграммы открытия и закрытия транзистора. На одном графике показать зависимость тока и напряжения транзистора от времени.

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратно диода.

Потери в IGBT в проводящем состоянии, Вт:

где Iср= Iсmax/ k1- максимальная величина амплитуды тока на выходе инвертора, А; D = (tр/T) ?0,95- максимальная скважность; cos(и) = cos(цн)-номинальный коэффициент мощности двигателя.

Потери в IGBT при коммутации:

гдеUсе = Udcн - напряжение коллектор-эмиттерIGBTмодуля, равное номинальному постоянному напряжению звена постоянного тока, В; fswн= 2000-4000- номинальная частота коммутаций ключей (частота ШИМ), Гц.

Суммарные потери в полупроводниковом ключеIGBT:

Потери диода в проводящем состоянии:

где Iер= Iср- максимум амплитуды тока через обратный диод, А.

Потери на восстановление запирающих свойств диодаIGBT:

где Irr?Iср-амплитуда обратного тока через диод, А; trr-время восстановления запирающих свойств диода, с (типовое значение 0,2мкс).

Суммарные потери обратного диода:

Результирующие потери в полупроводниковом модуле IGBT определяются по формуле:

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда Rth(f-a), 0C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

,

гдеТа = 45 - 50 0С - температура охлаждающего воздуха;Тс = 90 - 110 0С - температура теплопроводящей пластины;РТ - суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD;Rth(c-f) - термическое переходное сопротивление корпус - поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, 0С/Вт.

Температура кристалла IGBT, 0С, определяется по формуле:

Tja = Tc + PQ•Rth(j-c)q,

где Rth(j-c)q - термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для IGBT части модуля, 0C/Вт. При этом должно выполнятся условие Tja< 125 0С.

Температура кристалла обратного диода FWD, 0С:

Tjd = Tc + PD•Rth(j-c)d,

где Rth(j-c)d - термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для FWD части модуля, 0С/Вт. При этом должно выполнятся условие Tjd< 125 0С.



3.1.4 Расчет и выбор активного выпрямителя напряжения

При выборе номинала мощностей активного выпрямителя напряжениянеобходимо учитывать следующие факторы:

· Изменения сетевого напряжения

· Номинальный ток, номинальное напряжение и коэффициент мощности двигателя

· Максимальнаяпотребляемая мощность двигателя

В общем случае при проектировании системы электропривода с возможностью рекуперации энергии в питающую сетьвыбирают номинал мощности АВН такой же, как и у АИН. Однако необходимо проверить, сможет ли АВН в самом тяжелом режимеработыпотребить или сгенерировать всю необходимую мощность с учетом потерь. Если АВН не сможет потребить требуемую мощность из питающей сетии передать ее в двигатель, то напряжение в звене постоянного тока не сможет поддерживаться на требуемом уровне и начнет снижаться. Кроме того, возможна потеря синхронизации с сетью и полное отключение АВН. Если АВН не сможет сгенерироватьвсю мощность,передаваемую отдвигателя в режиме рекуперативного торможения в звено постоянного тока, тонапряжение в звене постоянного тока начнет повышаться и преобразователь отключится из-за перенапряжения.

На основании следующих расчетов, можно проверить, возможно ли выбрать номинал мощности для АВН такой же, как и для АИН. Для этого случая определим номинальную полную мощность АВН:

где UАИНн -номинальное линейное напряжение АИН ? Uдвн; PАВНн = SАВНн - номинальная активная мощность АВН, которая равна номинальной полной мощности АВН т.к. АВН поддерживает коэффициент мощности в точке подключения к питающей сети на уровне единицы.

Если будет соблюдаться условие, что:

,

то мощность АВН удовлетворяет требованиям.

где PT -суммарные потери в одном IGBT модуле; n= 6-количество проводящих модулей IGBTв АИН при условии нормальной работы преобразователя частоты.

Если

,

то следует выбрать АВН с большим номиналом мощности, чем АИН.

На основании выше изложенных четырех критериев можно выбрать АВН для питания асинхронного двигателя.

3.1.5 Расчет и выбор полупроводниковых модулей IGBT для активного выпрямителя

В случае, если номиналы мощностей АВН и АИН совпадают, то можно использовать те же IGBT модули что и для АИН. Если номинальная мощность АВН больше номинальной мощности АИН, то расчет и выбор IGBT модулей осуществляется так же, как и главе 3.1.3.

Потери в IGBT в проводящем состоянии, Вт:

где Iср= Iсmax/ k1- максимальная величина амплитуды тока на входе АВН, А; D = (tр/T) ?0,95- максимальная скважность; cos(и) = 1 - коэффициент мощности АВН.

Потери в IGBT при коммутации:

гдеUсе = Udcн - напряжение коллектор-эмиттерIGBTмодуля, равное номинальному постоянному напряжению звена постоянного тока, В; fswн= 2000-4000 - номинальная частота коммутаций ключей (частота ШИМ), Гц.

Суммарные потери в полупроводниковом ключеIGBT:

.

Потери диода в проводящем состоянии:

где Iер= Iср- максимум амплитуды тока через обратный диод, А.

Потери на восстановление запирающих свойств диодаIGBT:

где Irr?Iср-амплитуда обратного тока через диод, А; trr-время восстановления запирающих свойств диода, с (типовое значение 0,2мкс).

Суммарные потери обратного диода:



Результирующие потери в полупроводниковом модуле IGBT определяются по формуле:

силовое электрооборудование асинхронный электродвигатель

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета выпрямителя, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда Rth(f-a), 0C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

,

Где Та = 45 - 50 0С - температура охлаждающего воздуха;Тс = 90 - 110 0С - температура теплопроводящей пластины;РТ - суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD;Rth(c-f) - термическое переходное сопротивление корпус - поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, 0С/Вт.

Температура кристалла IGBT, 0С, определяется по формуле:

Tja = Tc + PQ•Rth(j-c)q,

где Rth(j-c)q - термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для IGBT части модуля, 0C/Вт. При этом должно выполняться условие Tja< 125 0С.



Температура кристалла обратного диода FWD, 0С:

Tjd = Tc + PD•Rth(j-c)d,

где Rth(j-c)d- термическое переходное сопротивление кристалл - корпус для FWD части модуля, 0С/Вт. При этом должно выполняться условие Tjd< 125 0С.

3.1.6 Расчет фильтра звена постоянного тока

В данной курсовой работе, для проектируемого преобразователя частоты выбирается ёмкостный фильтр в DCбез катушки индуктивности, так как присутствует значительная индуктивность в точке подключения АВНк питающей сети и, кроме того, АИН с АВН работают с высокой частотой ШИМ.

Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

,

где n - количество пар IGBT/FWD в выпрямителе.

Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению):

где m - пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы).

В данной курсовой работе выбираем LC-фильтр.



Параметр сглаживания LC-фильтра:

,

где S = qвх/qвых? 3 - коэффициент сглаживания по первой гармонике;fs - частота сети, Гц.

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя cos(и) = 1 определяется из следующих условий:

L0 ? 3•L0min

,

где Id = Idm/k1- номинальный средний ток звена постоянного тока.

Емкость конденсатора, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выражения:

гдеIАИНmax-максимальный тока АИН, fsw-частота ШИМ АИН, цн- угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока.



Рассчитываем емкость конденсатора С01 и сравниваем с емкостью С03:

.

Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости.

3.1.7 Выбор силового трансформатора

После того, как рассчитаны номинальные мощности АВН и АИН, необходимо выбрать понижающий трансформатор. Силовой понижающий трансформатор необходим для подключения выбранного ПЧ к внутризаводской сети 10кВ с целью понизить его до требуемого номинально напряжения ПЧ. Для питания ПЧ в составе с АВН применяют специализированные типы трансформаторов с большей индуктивностью и с сердечником из качественных ферримагнитных материалов. Данное обстоятельство возникает из-за того что АВН генерирует в сеть высокочастотные гармоники на частоте ШИМ, что может стать причиной перегрева и выхода из строя обычных трансформаторов. Выбирают трансформатор по следующим критериям:

1) Номинальная полная мощность трансформатора должна быть больше или равна номинальной мощности электродвигателя с учетом потерь в АВН и АИН:

где ДPАВНи ДPАИН-суммарные потери АВН и АИН (см. паспортные данные).

2) Линейное напряжение первичной обмотки трансформатора должно соответствовать линейному сетевому напряжению.

где U1сл-линейное напряжение питающей сети (10кВ);U1трл-линейное напряжение первичной обмотке трансформатора.

3) Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора должно соответствовать номинальному напряжению АВН.

где U2трл-линейное напряжение вторичной обмотке трансформатора;UАВНн-номинальное напряжение АВН.

4) Номинальный линейныйток вторичной обмотки трансформатора должно соответствовать номинальному току АВН.

где I2трл-номинальный линейныйток вторичной обмотки трансформатора;IАВНн-номинальныйток АВН.

Данных критериев достаточно, чтобы выбрать силовой трансформатор. Необходимые каталожные данные для расчета схемы замещения трансформатора свести в таблицу 3.

Технические данные трансформатора приведены в таблице 3.4.



Таблица 3. Технические данные трансформатора

Sн, кВА	Номинальное напряжение	Номинальный ток	uкз, %	ДPкз, кВт	ДPхх, кВт	Группа соединения
	U1л, В	U2л, В	I1л, А	I2л, А

Далее выполняется расчет сопротивлений для оной фазы трансформатора.Полное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:

где U2ф- фазное напряжение вторичной обмотке трансформатора (если вторичная обмотка соединена в треугольник, то U2ф = U2л, а если в звезду, то

;

I2ф- фазный ток на вторичной обмотке трансформатора (если вторичная обмотка соединена в треугольник, то

,

а если в звезду, то I2ф = I2л;

Активное сопротивление фазы трансформатора:

где m= 3 - число фаз обмотки трансформатора.

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

Индуктивность фазы трансформатора:

где fc- частота питающей сети.

3.2 Расчет и построение основных характеристик ПЧ

3.2.1 Построение регулировочной характеристики автономного инвертора с ШИМ

В АИН с ШИМ существуют две возможности регулирования: регулирование выходного напряжения и регулирование частоты. Регулировочная характеристика АИН по напряжению - это зависимость выходного напряженияот амплитуды управляющего модулирующего сигналаили от коэффициента модуляции. Данная характеристика имеет зависимость в виде:

(1)

где mАИН- коэффициент модуляции АИН; kл- коэффициент, зависящий от способа ШИМ модуляции (при синусоидально ШИМ kл = 0,61, при векторной ШИМ kл = 0,71); Udc?const-напряжение в звене постоянного тока. В данной курсовой работе следует построить регулировочные характеристики при синусоидальной и векторной ШИМ на одном графике.

Следует отметить, что пределы изменения коэффициента модуляции, которые удовлетворяют уравнению (1) следующие:

.

Следовательно, регулировочная характеристика АИН по напряжению будет иметь вид, как на рис.2.

Рис.2. Регулировочная характеристика АИН по напряжению

Данные для построения графиков необходимо свести в таблицу 4.

Таблица 4

Синусоидальная ШИМ kл = 0,61
UАИНл
mАИН	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
Векторная ШИМ kл = 0,71
UАИНл
mАИН	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1

Регулировочная характеристика АИН по частоте - это зависимость частоты выходного напряжения от частоты управляющего модулирующего сигнала. Регулировочная характеристика АИН по частоте имеет вид как на рис. 3и строится по двум точкам при fАИНmin и fАИНmax.

Рис. 3. Регулировочная характеристика АИН по частоте при UАИН / fАИН = const

3.2.2 Построение внешней характеристики автономного инвертора с ШИМ

Внешняя характеристика АИН - это зависимость выходного фазного (линейного) напряжения АИН отфазного (линейного) тока нагрузки при заданном коэффициенте модуляции и коэффициентемощности.

На рис. 4 приведена упрощенная схема замещения трехфазного мостового АИНс учетом потерь в инверторе, с неидеальным источником питания при работе на активно-индуктивнуюнагрузкуспротивоЭДС, которая имитирует статорную обмотку асинхронного двигателя.Примемдля упрощения, что сопротивления транзистора и обратного диода в проводящем состоянии равны друг другу и равны Rk.

Рис. 4.Упрощенная схема замещения трехфазного мостового АИН

Уравнение внешней характеристики АИН описывается следующим выражением (при условии, что обмотка статора соединена в звезду):

(2)

где Rdc?0,01Ом -внутренне сопротивление источника питания (активное сопротивление звена постоянного тока);Rэфн- номинальное эквивалентное активное сопротивление нагрузки, которое определяется следующим выражением:

где R'1фн- номинальное фазное сопротивление статорной обмотки асинхронного двигателя.

Уравнение внешней характеристики (2) не учитывает падение напряжения на эквивалентной индуктивности Lэн. Это может быть справедливо в том случае, кода фазный ток нагрузки изменяется за счет изменения противоЭДС с такой скоростью, при которой можно пренебречь падением напряжения на индуктивном сопротивлении. В данной курсовой работе необходимо построить внешнюю характеристику АИН при трех различных коэффициентах модуляции (mАИН= 1;mАИН= 0,8; mАИН= 0,6) и двух способах ШИМ (при синусоидально ШИМ kл = 0,61 ипри векторной ШИМ kл = 0,71) на одном графике. Данные для построения графиков необходимо свести в таблицу 5.

Таблица 5

Синусоидальная ШИМ kл = 0,61 и mАИН= 1 и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН
Синусоидальная ШИМ kл = 0,61 и mАИН= 0,8и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН
Синусоидальная ШИМ kл = 0,61 и mАИН= 0,6 и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН
Векторная ШИМ kл = 0,71 и mАИН= 1 и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН
Векторная ШИМ kл = 0,71 и mАИН= 0,8 и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН
Векторная ШИМ kл = 0,71 и mАИН= 0,6 и cos(цн)
IАИН	0,1·IАИНн	0,5·IАИНн	IАИНн	1,2·IАИНн	1,5·IАИНн	IАИНmax
UфАИН

3.3 Выбор основных компонентов защиты преобразователя частоты и полупроводниковых модулей

Полупроводниковые приборы могут выйти из строя либо по причине электрического пробоя, обусловленного высоким напряжением, либо попричине теплового пробоя из-за перегрева токами. При этом, как правило,пробой полупроводникового вентиля приводит к возникновению авариии протеканию больших токов в неповрежденных вентилях.

Режимы, характеризующиеся протеканием больших аварийных токов,можно разделить на две группы: внешние аварии, вызванные короткимизамыканиями в нагрузке или в распределительной сети, и внутренние аварии,обусловленные повреждением отдельных вентилей или нарушениямив системе управления преобразователей. При этом часто внешние аварииприводят к повреждениям вентилей и к развитию внутренних аварий.Продолжительность аварийных процессов в полупроводниковых преобразователяхнеобходимо максимально сокращать путем применения быстродействующихзащит.

Ввиду чувствительности полупроводниковых вентилей к перегрузкам,коротким замыканиям и перенапряжениям для обеспечения надежнойработы преобразователей предъявляются следующие основные требованияк системам защиты:

· максимальное быстродействие с целью ограничения аварийныхтоков по длительности и амплитуде;

· ограничение всех видов внешних и внутренних перенапряженийдо допустимого уровня;

· отключение поврежденного участка не должно вызывать дополнительныхнагрузок на оставшиеся в работе вентили и недопустимых перенапряженийна них:

· возможность применения автоматического повторного включения(АПВ) преобразователей после срабатывания защиты при условии ликвидацииаварийного процесса.

Почти все переходные процессы в цепях вентильных преобразователей сопровождаются перенапряжениями, как правило, обусловленными резкимизменением тока в индуктивностях.Основные виды перенапряжений, воздействующих на полупроводниковыевентили:

· перенапряжения, обусловленные физическими процессами в полупроводниковых ключах в моменты коммутации тока за счет эффекта накопления носителей;

· коммутационные перенапряжения, возникающие в моменты отключения цепей с индуктивностями;

· перенапряжения, обусловленные резонансными явлениями в преобразователях;

· внешние перенапряжения, поступающие из питающей сети при прерывистыхкоротких замыканиях на землю, при разрядах молнии и др.

Перенапряжения могут привести к электрическому пробою вентилей, как правило, вызывающему возникновение коротких замыканий.Причины протекания больших токов:

· внешние аварии, вызванные короткими замыканиями в нагрузке илив распределительной сети;

· внутренние аварии, обусловленные повреждением отдельных вентилейв результате перенапряжений;

· внутренние аварии, обусловленные нарушениями в системе управленияпреобразователей;

· заряд больших емкостей фильтров при включении;

· бросок тока при включении трансформатора.

Размещено на Allbest.ru