Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

Итак, учтя все необходимые требования, СУ совмещённая с силовой частью будет иметь вид, представленный на рисунке 1.3.5. Где ДН – датчик напряжения, С – сумматор, И – интегратор, К – компаратор, ЛП – логический повторитель, ЛИ – логический инвертор, ГМН – генератор модулирующего напряжения, ГТИ – генератор треугольных импульсов.

Рисунок 1.3.5 – Функциональная схема системы управления, совмещённая с силовой частью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Разработка принципиальной схемы  СУ

Сумматор

Схема сумматора напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор) показана на рисунке 1.4.1.

Рисунок 1.4.1 – Схема сумматора

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор Rэ (на рисунке показан пунктиром).

Интегратор

Интеграторы широко применяют при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, точных фазосдвигающих устройств, обеспечивающих получение 90° фазового сдвига напряжения с погрешностями минуты — десятки минут, в качестве фильтров низких частот и пр.

Так как в нашей СУ необходимо обеспечить возврат интегратора И в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, выбираем схему интегратора со сбросом начального заряда (рисунок 1.4.2).

 

Рисунок 1.4.2 – Схема интегратора со сбросом начального заряда

Компаратор

Компаратор это устройство, которое вызывает выходной сигнал в момент равенства двух напряжений, подаваемых на его вход.

Схема простейшего двухвходного компаратора приведена на рисунке 1.4.3. На неинвертирующий вход подается опорное напряжение Еоп, с которым сравнивается напряжение U_, подаваемое на инвертирующий вход. Когда U_= Еоп, напряжение на выходе компаратора равно нулю.

Рисунок 1.4.3 – Схема компаратора на ОУ

Повторитель напряжения

Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 → ∞, R2 → 0, показана на рисунке 1.4.4.

Коэффициент β = 1, Ku.ос = K/1+K ≈ 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: Uвх = Uвых.

Рисунок 1.4.4 – Схема повторителя напряжения на ОУ

Генератор треугольных импульсов (ГТИ)

Используем схему на основе симметричного мультивибратора (рисунок 1.4.5).

Рисунок 1.4.5 – а) Схема ГТИ; б) диаграмма работы

Генератор модулирующего напряжения (ГМН)

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

 

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке 1.4.6.

Рисунок 1.4.6 – Схема генератора синусоидальных колебаний

Принципиальная схема системы управления АИН представлена в приложении В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Обоснование и выбор элементов силовой части

Выбор и расчёт асинхронного двигателя

Исходными данными для проектирования являются:

1) напряжение  трехфазной сети Uc = 380 В;

2) мощность  асинхронного двигателя Р = 65 кВт.

Выбираем трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором RA280S2.

Технические характеристики:

Номинальная мощность, Р2                                                65 кВт

Номинальное напряжение, U1ф/U1л                               220/380 В

Скольжение, s                                                                           3 %

Скорость, n                                                                 3000 об/мин

Коэффициент полезного действия, КПД                                94%

Коэффициент мощности, Cos                                                   0,89

Мощность и напряжение короткого                             7 кВт/55 В

замыкания, Pk/Uk

Мощность и ток холостого хода, P0/U0                                 3,5 кВт/100 А

Т – образная схема замещения асинхронного двигателя представлена на рисунке 2.1.1.

 

 

Рисунок 2.1.1 – Т – образная схема замещения двигателя

Пользуясь программой Mathcad произведём расчёт.

1) Опыт короткого  замыкания:

Pk = 7 кВт, Ik = In = 110 А, Uk = 55 В, fn = 50 Гц.

Zk = ,

Zk = Ом,

Rk = ,

Rk = Ом,

Xk = ,

Xk = Ом,

Rs = Rr = = 0,096 Ом,

Xs = Xr = = 0,231 Ом,

Ls = Lr = ,

Ls = Lr = мГн.

2) Опыт холостого  хода:

Pо = 3,5 кВт, Iо = 40 А, Uо = Un = 220 В, fn = 50 Гц.

Zо = ,

Zо = Ом,

Rо = ,

Rо = Ом,

X0 = ,

X0 = Ом,

Rm = R0 – Rs ,

Rm = 0,729 – 0,096 = 0,633 Ом,

Xm = X0 – Xs ,

Xm = 5,451 – 0,231 = 5,221 Ом,

Lm = ,

Lm = мГн.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения для одной фазы двигателя:

Z = Zs + ,

Z = 0,186 + 0,452i Ом,

R = 0,186 Ом,

X = 0,452 Ом,

,

,

L = 1,439 мГн.

Расчёт выпрямителя

Выпрямитель собран по трёхфазной мостовой схеме (схема Ларионова).

Среднее  значение идеального  выпрямленного  напряжения  в  многофазной схеме:

 

В трехфазной мостовой схеме m = 6, тогда

 

 

Среднее значение выпрямленного тока:

 

Среднее и амплитудное значения тока через вентиль:

 

 

 

Амплитуда напряжения на вентиле:

 

 

Частота напряжения на выходе в 6 раз больше:

 

 

Теперь можно выбрать полупроводниковые диоды.

Выбираем диодный полумост M5060CC600 производителя Crydom с параметрами:

 Максимальный постоянный выходной ток, А            125

 Максимальное обратное напряжение U, В                 600

Рисунок 2.1.2 – Диодный полумост M5060CC600

 

 

Расчёт LC – фильтра

Г–образные фильтры обеспечивают достаточно хорошее сглаживание и находят широкое применение, когда требуется более высокое качество  постоянного  напряжения.  Они  применяются  в  мощных  двухзвенных преобразователях частоты на выходе выпрямительного звена.

Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:

SLC = ,

где qвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра; qвых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01...0,1; выберем qвых = 0,01.

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

qвх = ,

где n – число пульсаций выпрямителя; для трёхфазной мостовой схемы

n = 6; - угол управления вентилей выпрямителя; = 0º т.к. выпрямитель диодный неуправляемый.

qвх = = 0,057.

Численное значение коэффициента сглаживания:

SLC = = 5,7.

При проектировании фильтра должны выполняться следующие соотношения, обеспечивающие индуктивный характер нагрузки для выпрямителя и шунтирование активного сопротивления нагрузки по

 переменной составляющей:

 

 

 

Таким образом подбираем значение ёмкости С = 0,16 мкФ, и индуктивность L = 10 Гн.

Выбираем из справочника металлобумажный конденсатор типа

МБГВ-1-400В 0,22 мкФ ± 5%.

Расчёт инвертора напряжения (АИН)

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

,

Iс,макс = ,

где Pн – номинальная мощность двигателя, Вт; kI = (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; ηн – номинальный КПД двигателя; Uл – линейное напряжение двигателя, В.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя:

 В.

Выбираем IGBT модуль при условии Iс ≥ Iс.макс. и Uce≥Ud

Выбрали 3 модуля CM100D-Y-12H (одна ветвь моста, два транзистора) с параметрами:

Напряжение коллектор-эмиттер Uces, В                      600

Ток коллектора Ic, А                                                    300

Рисунок 2.1.3 – IGBT – модуль CM100D-Y-12H (полумост)

Расчёт тормозного резистора

Для выбора тормозного модуля нам потребуется:

– период включения тормозного резистора ED,

– тормозной ток Iв,

– время торможения tв.

Необходимые параметры для расчёта смотрим в технической документации нашего двигателя RA280S2:

Мощность двигателя: 65 кВт

Номинальная скорость двигателя: 3000 об/мин

 

Номинальный момент: 260 Нм

Номинальное напряжение питания: 380 В

Тормозной момент: 120% от номинального момента

Время цикла: 30 сек.

Момент инерции нагрузки: 2 кгм2

Требуемое время торможения:

tв = ,

tв = сек.

Значение тормозного цикла:

ED = ,

ED =

 

Рассчитаем номинальную мощность тормозного резистора:

PBmax = ,

PBmax = .

Определяем максимально-допустимое значение тормозного сопротивления:

RB ,

RB .

 

Тормозной ток:

IB = ,

IB =

Согласно перегрузочной способности тормозного модуля VFDB-4030 с временем торможения 2,9сек. и током торможения 19А, тормозной цикл 23% возможен.

Т.обр. для этого применения были выбраны VFDB-4030 и тормозной резистор 20 Ом/15 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчёт и выбор элементов  системы управления

Датчики напряжения

В качестве датчика мгновенного напряжения возьмём ДНХ – 600. Параметры датчика указаны в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1 – Параметры датчика ДНХ – 600

Наименование параметра	Значение параметра
Диапазон измеряемых напряжений, В	50 - 600
Номинальный входной ток, мА	10
Входной сигнал датчика, мА	40
Основная приведенная погрешность, %	1
Нелинейность, %	0,1
Пробивное напряжение между измеряемой и измерительной цепями, кВ	3
Полоса пропускания, Гц	0 - 50000
Источник питания, В	15
Ток потребления по цепи питания, мА	60
Габариты, мм	73,5×52,5×39
Масса, г	100

Рисунок 2.2.1 – Датчик ДНХ – 600

 

 

Расчёт сумматора

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на противоположный. На рисунке 2.2.2 приведена схема инвертирующего сумматора, рассмотрим его работу:

Рисунок 2.2.2 – Инвертирующий сумматор на ОУ

Будем считать ОУ идеальным (Iвх=0)

Входные сигналы подаются на инвертирующий вход.

U1=Uin1-I1*R1,

U1=Uin2-I2*R2,

Uout=U1+Iос*Rос.

С другой стороны, из условия равенства напряжений на входах ОУ: U1 = -Iвх*R3, отсюда U1»0 (Iвх бесконечно мал), тогда получим:

I1=Uin1/R1,

I2=Uin2/R2,

Iос=Uout/Rос.

Так как ток через усилитель бесконечно мал, то Iос=-(I1+I2), отсюда:

-Uout/Rос=Uin1/R1+Uin2/R2,

Uout=-(Uin1*K1+Uin2*K2) ,

где K1=Rос/R1 , K2=Rос/R2 - масштабирующие коэффициенты.

В частном случае, если R1=R2=Rос, то K1=1, K2=1 и Uout=-(Uin1+Uin2).

 

При этом для снижения величины токового дрейфа сопротивление R3 подбирают равным параллельно включенным Rос , R1 и R2.

R3=Rос||R1||R2 , т.е. 1/R3=1/R1+1/R2+1/Rос.

Параметры выбранного сумматора в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2 – Параметры сумматора

R1, кОм	R2, кОм	R3, кОм	Rос, кОм	тип ОУ
15	2	4	10	140УД9

 

Расчёт компаратора

Выбираем двух – полярный компаратор К554СА3. Схема включения на рисунке 2.2.3.

Рисунок 2.2.3 – Схема включения компаратора

Таблица 2.2.3 – Технические характеристики компаратора

Параметр	Числовое значение
Номинальное напряжение питания      Ucc1      Ucc2	15 В ± 10% -15 В ± 10%
Напряжение смещения нуля	не более 6 мВ
Остаточное напряжение	не более 1,5 В

 

 

продолжение Таблицы 2.2.3

Ток потребления      от источника питания Ucc1      от источника питания Ucc2	не более 6 мА не более 7,5 мА
Средний входной ток	не более 100 нА
Время задержки выключения	не более 300 нс
Коэффициент усиления напряжения	не менее 1,5×105