Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

 

Расчёт генератора модулирующего напряжения (ГМН)

Генератор на основе моста Вина, схема на рисунке 2.2.4.

Рисунок 2.2.4 – Схема ГМН с расчитанными параметрами

Рисунок 2.2.5 – Осциллограмма выходного сигнала

Расчёт и выбор драйвера

Драйвер верхнего и нижнего ключей IR2110 содержит на одном кристалле как схему драйвера верхнего ключа, так и схему драйвера нижнего ключа. Управление обоими ключами независимое. Отличие  данного  драйвера заключается  в  том,  что  в  IR2110 введена дополнительная схема преобразования уровня как в нижнем, так и верхнем каналах, позволяющая разделить по уровню питание логики микросхемы  от  напряжения  питания  драйвера.  Содержится  также  защита  от пониженного  напряжения  питания  драйвера  и  высоковольтного  «плавающего» источника.

Схема подключения драйвера IR2110 к стойке моста приведена на рисунке 2.2.6. Конденсаторы СD, СС предназначены для подавления высокочастотных помех по цепям питания логики и драйвера соответственно. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1.

Подключение  выходов  драйвера  к  силовым  транзисторам  осуществляется при помощи затворных резисторов RG1 и RG2.

Рисунок 2.2.6 - Типовая схема включения драйвера IR2110 (а) и  временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б) 

VDD – питание  логики микросхемы; VSS – общая  точка логической части драйвера; HIN, LIN – логические входные сигналы, управляющие верхним и нижним  транзисторами соответственно; SD –  логический вход 

отключения драйвера; VCC – напряжение питания драйвера; COM – отрицательный полюс источника питания VCC; HO, LO – выходные сигналы драйвера, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно; VB – напряжение питания высоковольтного «плавающего» источника; VS – общая точка отрицательного полюса высоковольтного «плавающего» источника.

Расчёт и выбор блока питания

Структурная схема ИВЭП, получающего энергию от сети переменного тока, показана на рисунке 2.2.7. Трансформатор Тр предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор  уменьшает колебания напряжения на нагрузке.

Рисунок 2.2.7 – Структурная схема ИВЭП

Применение микросхемы КР142ЕН12А и унифицированного трансформатора ТПП255-380-50 позволяет изготовить простой и надежный источник питания для различных устройств.

Выходное напряжение источника может плавно регулироваться в пределах от 2 до 12 В. Максимальный ток нагрузки 1 А, при этом амплитуда пульсации выходного напряжения не превышает 2 мВ.

Принципиальная схема блока питания на рисунке 2.2.8.

 

Рисунок 2.2.8 – Принципиальная схема блока питания

Блок собран по типовой схеме последовательного компенсационного стабилизатора напряжения. Для того чтобы на микросхеме DA1 не рассеивать слишком большую тепловую мощность, в стабилизаторе предусмотрено дискретное переключение выводов вторичных обмоток трансформатора секцией S2.1 переключателя. Одновременно переключаются и резисторы R4...R7 делителей обратной связи для установки границы регулировки выходного напряжения. На каждом из поддиапазонов нужное напряжение можно устанавливать переменным резистором R3. Переключатель обеспечивает установку диапазонов выходных напряжений 2...5, 5...7, 7...9, 9...12 В.

Микросхема DA1 имеет внутреннюю защиту от перегрузки. Индикатором работы источника является светодиод HL1.

 

 

 

2.3 Расчёт электромагнитных  процессов

1) Треугольное опорное  напряжение задаём уравнением

 

Трехфазная система синусоидальных напряжений управления, сдвинутых друг относительно друга на угол 120º, задаём уравнениями

 

 

 

По этим уравнениям строим графики, которые приведены на рисунке 2.3.1

Рисунок 2.3.1 – Опорное напряжение треугольной формы и напряжения управления для ШИМ

 

 

2) Выходные напряжения  на компараторах приведены на  рисунке 2.3.2, напряжение питания

 

Рисунок 2.3.2 – Выходные напряжения компараторов, и они же модулированные фазные напряжения инвертора

Импульсы управления показаны на рисунке 2.3.3

а) управляющие импульсы для транзисторов VT1 и VT4:

 

б) управляющие импульсы для транзисторов VT5 и VT2:

в) управляющие импульсы для транзисторов VT3 и VT6:

Рисунок 2.3.3 – Сигналы управления транзисторными ключами

3) Фазные напряжения двигателя  с обмоткой статора, включенной  в звезду без нулевого провода, находим по формулам:

 

 

 

Форму тока можно определить, решив дифференциальное уравнение:

 

На рисунке 2.3.4 изображены фазные напряжения и токи на выходе АИН с ШИМ.

Рисунок 2.3.4 – Фазные напряжения и токи на выходе АИН с ШИМ

4) Линейные напряжения  и токи на нагрузке

Рисунок 2.3.5 – Линейные  напряжения и токи

Наибольшие частоты в тиристорных АИ могут быть получены при применении  резонансных  АИ.  Они  получили  применение  в  электротермии  и электротехнологии.

Автономные инверторы тока выполняются на тиристорах и применимы в электроприводе переменного тока, но в последнее время это направление мало развивается в связи с недостатками АИТ и бурным развитием транзисторов.

АИН имеют наилучшие внешние и регулировочные характеристики.

Применение ШИМ в АИН позволяет формировать на выходах достаточно синусоидальные токи и напряжения.

При отсутствии ШИМ максимальное действующее напряжение на выходе трехфазного АИН (Uнл = 0,816Ud , Uнл(1) = 0,78Ud ), но в нем очень велико  содержание  высших  гармоник  (3,  5,  7  и  т.д.).  Амплитуды  пятой  и седьмой гармоник составляют 20 и 14% от амплитуды основной гармоники.

Регулирование  выходного напряжения  возможно  только  регулированием напряжения  источника  питания.  Коммутационные  потери  в  транзисторах минимальные.

При формировании фазных напряжений с помощью пространственного вектора  максимальное  напряжение  на  нагрузке  меньше  в  (2 3)  раз  (на 13,4%),  чем  без  модуляции  (без  ШИМ).  Система  управления  наиболее сложная, практически реализуется только на микроконтроллерах.

Формирование средних напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания уменьшает максимальное напряжение на нагрузке по сравнению с предыдущим способом еще в (2 3) раз (на 13,4%).

При формировании  фазных  токов  максимальные  напряжения  и  потери близки к соответствующим показателям при формировании фазных напряжений. 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Климаш В.С., Инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией: Учебное пособие для вузов. –К.: 2010. – 107с.
2. Соколовский Г.Г., Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: Учебное пособие для вузов. –М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
3. Зиновьев Г.С., Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2000. – 197 с.
4. Сандлер А.С., Электроприводы с полупроводниковым управлением: Учебник. – М.: Энергия, 1986. – 96 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Поз. обознач.	Наименование	Кол.	Примечание
	Асинхронный двигатель
M	RA 280S2	1
	Датчики
ДН1..ДН2	ДНХ - 600	2
	Диодный полумост
VD1..VD6	M5060CC600	3	Crydom
	Диоды ГОСТ 15133-77
VD4..VD12	2Д101	6
VD13	КА286	4
	Катушки индуктивности
L1	10 Гн ± 5%	1
L2..L4	0,8 Гн ± 5%	3
	Конденсаторы ГОСТ 11074.008-64
С1	МБГВ – 1 – 400 В 0,22мкФ ± 5%	1
С2	К50-12 1мкФ 50В 10 %	1
С3	К50-15 10 мкФ 6,3 В 10 %	1
С4, С9	К50 – 35    2,5 мкФ, 50 В 10 %	2
С5	К50-20 20 мкФ 5,3 В 10 %	1
С8	К50-20 20 мкФ 5,3 В 10 %	1
С10	К50-37 1 мкФ 63 В 10 %	1
	Микросхемы
	КР142ЕН12А	1	блок пит.
	IR2110	3	драйвер
	Операционные усилители
DA1	КР154УД4	1
DA2, DA5	554СА1	2
DA3, DA6	К140УД24	2

 

 

 

Поз. обознач.	Наименование	Кол.	Примечание
DA4, DA7	К140УД24	2
DA8	554СА1	1
DA9	КФ140УД1	1
	Резисторы    ГОСТ 2825-67
R1	МЛТ- 44 кОм, 10 Вт 5 %	1
R2	МЛТ- 41 кОм, 10 Вт 5 %	1
R3	МЛТ- 500 Ом, 10 Вт 5 %	1
R4	МЛТ- 1 кОм, 10 Вт 5 %	1
R5, R18	Сп4-1б 1,5 МОм 5 %	2
R6, R20	Сп4-1б 3 МОм 5 %	2
R7, R19	МЛТ-0,125 10 кОм 5 %	2
R8..R12	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	4
R13..R17	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	4
	Транзисторы
VT7	КТ914А	1
VT8, VT9	МДП – КП715	2
	Трансформатор
Тр1	ТПП255 – 380 - 50	1
	IGBT - модуль
DRV	CM100D-Y-12H	3