Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

 

 

Факультет электротехнический

Кафедра «Промышленная электроника»

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

 

по дисциплине «Энергетическая электроника»

 

Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

 

 

 

 

Студент группы 8ПЭа–1	И.Г.Пальчиков
Руководитель проекта	В.С.Климаш

 

 

2013

Исходные данные для проектирования

- входное постоянное  напряжение инвертора, В                    220

- напряжение  сети, В                                                                380

- мощность  асинхронного двигателя, кВт                                65

- количество  двигателей                                                            30

- диапазон  регулирования частоты, Гц                                50...5

- способ управления  инвертором ШИМ

 

 

 

Содержание

Введение.........................................................................................................4

Специальная часть

1.1 Обоснование и выбор  силовой части. Разработка функциональной  схемы преобразователя частоты..........................7

1.2 Разработка принципиальной  схемы силовой части...................9

1.3 Разработка структурной  схемы системы управления..............11

1.4 Разработка принципиальной  схемы системы управления......16

Расчётная часть

2.1 Обоснование и выбор элементов  силовой схемы....................20

2.2 Расчёт и выбор элементов  системы управления......................30

2.3 Расчёт электромагнитных  процессов. Построение диаграмм  действующих и мгновенных значений  U, I....................................37

Заключение..................................................................................................41

Список использованных источников........................................................42

Приложение А – Перечень элементов.......................................................43

Приложение Б – Структурная схема.........................................................45

Приложение В – Принципиальная схема..................................................46

 

 

 

 

Данный тип приборов создан в начале 1980-х гг, запатентован International Rectifier в 1983. Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавились от этих пороков. IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

• высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от транзисторов с изолированным затвором
• низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от биполярных транзисторов.

Диапазон использования — от десятков А до 1200 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.

Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

 

 

 

 

Внутренняя структура IGBT – транзистора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схематичный разрез структуры IGBT:

Э – эммитер; К – коллектор; З – затвор

Энергосберегающие технологии на основе регулируемого электропривода все шире внедряются в различные отрасли промышленности и в транспортных средствах. В последнее время наиболее популярными и используемыми силовыми ключами для преобразователей частоты асинхронных двигателей стали IGBT-модули.

Общеизвестно, что использование в схемах преобразователей быстродействующих полностью управляемых мощных ключей на основе IGBT позволяет преобразовывать электроэнергию на высоких частотах, снизить общие потери в преобразователях, применить современные системы управления, снизить массу и габариты устройств.

Конструкция и параметры IGBT-модулей постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах. Однако как показывает опыт работы с потребителями, многие разработчики и изготовители аппаратуры не учитывают некоторые особенности этих приборов, что зачастую приводит к неправильной эксплуатации

IGBT- модулей и выходу их из строя.

Чаще IGBT-модули используются в инверторах, где транзисторы соединены по схеме полумоста (рисунок 2), и импульсных источниках питания, где используются IGBT-модули, собранные по схеме чоппера (рисунок 3).

Рисунок 2 – Схема трехфазного инвертора

 

Рисунок 3 – Схема импульсного источника питания

 

 

 

 

 

1.1 Обоснование  и выбор силовой части. Разработка  функциональной схемы

Двухзвенный преобразователь частоты на основе АИН содержит

выпрямитель, сглаживающий фильтр и АИН (рисунок 1.1.1).

Рисунок 1.1.1 - Функциональная схема двухзвенного преобразователя частоты на основе АИН, работающего на двигатель переменного тока 

(В – выпрямитель; Ф  – фильтр; АИН – автономный  инвертор напряжения;

ЭМ – электрическая машина; СУВ, СУИ – системы управления

выпрямителем и автономным инвертором)

Сглаживающий  фильтр  обычно  представляет  собой  Г-образный  LC-

фильтр.  Выпрямитель  может  быть  управляемым  и  неуправляемым. Но для нашего проекта возьмём неуправляемый выпрямитель на диодах. Это даёт выигрыш в габаритных размерах преобразователя, и система управления получается более простой. Она всего одна – для АИН, а выпрямитель

 

 

пропускает ток только в одном направлении, т.к. сделан на диодах.

Выходное напряжение регулируем методом широтно – импульсной модуляции (ШИМ). Частота модуляции должна быть хотя бы на порядок выше, чем наибольшая частота выходного напряжения. Частота выходного напряжения задаётся системой управления.

В проекте мы рассматриваем систему электропривода подключённую к сложной цеховой нагрузке. Сеть питает 30 асинхронных двигателей. Каждому из них соответсвует собственный АИН с системой управления. Выпрямитель же один – общий, бестрансформаторный. Схематично это показано на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2 – Структурная схема цеховой нагрузки

 

 

 

1.2 Разработка принципиальной схемы  силовой части

На рисунке 1.2.1 приведена принципиальная схема двухзвенного преобразователя частоты для питания асинхронного двигателя. Он состоит из неуправляемого выпрямителя  (В),  автономного  инвертора  (АИН),  сглаживающего  фильтра  (СФ)  и блока тормозного резистора (БТР), применяемого при торможении. 

Неуправляемый выпрямитель выполнен на диодах, автономный  инвертор  на IGBT – транзисторах. Фильтр LC служит для сглаживания напряжения выпрямителя.  За  счет  применения  ШИМ  осуществляется  регулирование  напряжения на выходе ПЧ и приближение его формы к синусоидальной.

Рисунок 1.2.1 – Двухзвенный транзисторный преобразователь с ШИМ

Торможение обеспечивается переводом АИН в режим управляемого выпрямителя напряжения, обеспечивающего повышение напряжения на конденсаторе фильтра, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя.

Роль фазных индуктивностей при этом выполняют индуктивности рассеяния фаз двигателя. При превышении напряжением на конденсаторе заданного значения транзистор Кт включается и энергия, передаваемая от электрической машины, рассеивается в тормозном резисторе.

Описанное торможение получило в литературе название инверторного

торможения, хотя очевидно, что при этом торможении не происходит инвертирования.

Недостаток такого ПЧ – невозможность рекуперации энергии в сеть при торможении.  В  настоящее  время  эта  схема  наиболее  перспективна  в электроприводах с редкими торможениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Разработка  структурной схемы системы управления

Итак, определим основные параметры, которыми будет обладать наша система управления (СУ).

• По числу каналов: Выбираем одноканальную систему управления вентилями (рисунок 1.3.1). В одноканальных системах импульсы управления для всех вентилей вырабатываются в одном общем канале, из которого они по очевидной логике  распределяются  по  вентилям. Достоинством одноканальных систем является отсутствие разброса  значений  фаз  импульсов  управления  вентилями,  присущее  многоканальным системам из-за неидентичности параметров каналов при их практической  реализации,  связанной  с  разбросом  параметров  реальных  элементов канала.  Неидентичность  фаз  импульсов  управления  вентилями  порождает очевидную некачественность выходной и потребляемой энергии преобразователя. Например, для выпрямителя допустим разброс фаз импульсов управления от вентиля к вентилю не более 1…3º.

Рисунок 1.3.1 – Блок-схема одноканальной СУ

Здесь ГОН – генератор опорного напряжения пилообразной формы, запускаемый  по  точкам  естественного  зажигания  трехфазной  системы  питающих напряжений. Длительность рабочего участка пилы опорного напряжения получается равной шестой части периода сетевого напряжения. Устройство сравнения УС вырабатывает на выходе импульсы в моменты сравнения опорного и задающего Uз напряжений. Частота этих импульсов 

здесь  в  шесть  раз  выше  частоты  сетевого  напряжения.  Распределитель  импульсов  РИ  последовательно  направляет  эти  импульсы  поочередно  в каждый из своих шести выходов так, что на каждом выходе появляется один импульс за период сетевого напряжения.

• По синхронизации управляющих импульсов: синхронная
• По использованию сигнала обратной связи: замкнутая (следящая)

Блок-схема одноканальной синхронной системы управления непрерывного  слежения  построена  на  рисунке 1.3.2. Здесь  новыми  элементами  являются регулятор Р (в простейшем случае типа интегрального) и цепь обратной связи, в простейшем случае представляющая собой резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи Кос для получения сигнала обратной связи Uос, пропорционального выпрямленному напряжению.

Рисунок 1.3.2 – Блок-схема одноканальной синхронной замкнутой СУ

Структура СУ: из сигнала обратной связи необходимо вычесть  сигнал задания, результат проинтегрировать  и  в  момент  равенства  интеграла  нулю  выработать  очередной импульс управления. Этими же импульсами необходимо обеспечить возврат интегратора И в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, как показано на рисунке пунктиром.

Алгоритм  формирования  фазных  напряжений  в  трехфазном 

инверторе показан на рисунке 1.3.3 (для фазы А).

Рисунок 1.3.3 – Формирование фазных напряжений в АИН

 Он заключается  в управлении одними вентилями  фаз инвертора по интервалам  превышения опорного напряжения  треугольной формы (для получения  двусторонней  модуляции)  над  соответствующим  фазным  синусоидальным  модулирующим  сигналом  и  другими  вентилями фаз инвертора –  по интервалам, заполняющим  паузы  в  указанных  интервалах.

Реализация  такого  алгоритма  обеспечивается в базовой структуре вертикальной системы управления (рисунок 1.3.4).

Рисунок 1.3.4 – Блок-схема базовой структуры СУ АИН

Здесь  трехфазный  генератор  модулирующего  напряжения  синусоидальной формы имеет два задающих входных сигнала. Первый сигнал задания Uзч определяет частоту модулирующего напряжения, а значит, и частоту выходного напряжения инвертора, второй сигнал задания Uза – глубину модуляции длительностей импульсов в такте ШИМ и величину первой гармоники выходного напряжения инвертора. Генератор опорного напряжения ГОН симметричной треугольной формы имеет частоту, определяющую частоту коммутации при ШИМ.  При  малых  кратностях  коммутации,  т.е.  при  малых  значениях (15 и меньше) отношения частоты опорного напряжения к частоте модулирующего напряжения  Кт,  используют  кратные (трем)  отношения  указанных  частот, синхронизируя опорное и модулирующие напряжения, как подчеркивает это пунктирная  связь  двух  генераторов.  Это  устраняет  субгармоники  в  кривых фазных напряжениях инвертора. Устройства сравнения в каждом канале для соответствующих вентилей катодной группы инвертора и импульсы управления для вентилей анодной группы инвертора получаются на выходах схем инверсии (схемы НЕ). Это обеспечивает как бы режим 180º  управления  вентилями, что  приводит  к  независимости  формы  выходного  напряжения  инвертора  от  вида  и  параметров  нагрузки,  так  как  исключается режим прерывистого тока.