Электрооборудование промышленности

    Основные  блоки в системе управления:

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

     - микроконтроллер AD на базе сигнального  процессора 1899BE1;

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

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

     - согласующие усилители UD – драйверы  IGBT. 

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

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

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

Основные  блоки в системе управления:

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

- микроконтроллер  AD на базе сигнального процессора 1899BE1;

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

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

- согласующие  усилители UD – драйверы IGBT.

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

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

Методика  расчета приводится для ПЧ с АИН ([3]рис. 7.2   ошибка неверная ссылка на рис), выполненного на гибридных модулях, состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей тепловыводящей пластине.  

    2.3. Расчёт инвертора 

Максимальный  ток через ключи инвертора  определяется из выражения:

 (2.1) 

  А

А

где Pн – номинальная мощность двигателя, Вт; k_I = (1,2–1,5) – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода; k₂ = (1,1–1,2) – коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; η_н – номинальный КПД двигателя; U_л – линейное напряжение двигателя, В.  

Выпрямленное  среднее напряжение: 

 (2.2)

где К_сн – схемный коэффициент неуправляемого выпрямителя. 

       Тип транзистора выбираем по справочнику  с постоянным током I_C ≥ I_C.max и постоянным напряжением U_СЭ ≥ U_d. Выбираем модуль (полумост) IGBT фирмы Mitsubishi третьего поколения CM150D Y-12H с параметрами приведенными в табл.

    

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

Выбрали 3 модуля CM150DY-12H для функциональной электрической схемы АД электропривода с ПЧ.

Таблица 1

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

2.4. Потери мощности в IGBT 

Потери  в IGBT в проводящем состоянии

 (2.3)

 Вт

 Вт

 А (2.4) 

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

Потери  IGBT при коммутации

, (2.4)

Вт

Вт

 

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

Суммарные потери IGBT

 (2.5)

Вт 

Потери  диода в проводящем состоянии

 (2.6)

Вт

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

Потери  восстановления запирающих свойств  диода

 (2.7)

Вт

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

Суммарные потери диода

 (2.8)

Вт 

Результирующие  потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле

 (2.9)

Вт 

Максимальное  допустимое переходное сопротивление  охладитель - окружающая среда  °C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)

 (2.10)

⁰С/Вт

где Т_а – температура охлаждающего воздуха, 45–50 °С; Т_с – температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Р_m – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, одной парой IGBT/FWD, R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, °С/Вт.  

Температура кристалла IGBT определяется по формуле

 (2.11)

⁰С

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство T_ja ≤ 125 ⁰C. 

Температура кристалла обратного диода FWD

 (2.12)

⁰С

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля. Должно выполняться неравенство Т_j ≤ 125 ⁰C. 

    2.5. Расчет выпрямителя 

Среднее выпрямленное напряжение

 (2.13)

В

где k_сн = 1,35 для мостовой трехфазной схемы; k_сн = 0,9 – для мостовой однофазной схемы.  

Максимальное  значение среднего выпрямленного тока

 (2.14)

 А

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.  

Максимальный  рабочий ток диода

 (2.15)

А

 А

где при оптимальных параметрах Г-образного LС-фильтра, установленного на выходе выпрямителя, k_cc =1,045 для мостовой трехфазной схемы; k_cc = 1,57 для мостовой однофазной схемы.  

Максимальное  обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)

 (2.16)

 В

 В

где k_c ≥ 1,1– коэффициент допустимого повышения напряжения сети; k_3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔU_н – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).  

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу напряжения. Выбираем диодный модуль RM150DZ-2H со средним прямым током I_FAV = 150 А и импульсным повторяющимся обратным напряжением U_RRM = 1600 В (шестнадцатый класс). Нам потребуется три таких вентиля. Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя.