Курсовая Электрооборудование промышленности

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 17.2.2025

Федеральное агентство по образованию

Омский государственный технический университет

Нижневартовский филиал

Кафедра «Электрическая техника»
Курсовая работа

Электрооборудование промышленности
Выполнил: Черкасов К.Ю. ЗИЭ-416

Проверил:   Хамитов Р.Н.
Нижневартовск 2010

Техническое задание и исходные данные на проектирование.
Задание 1

1.                 Спроектировать управляемый выпрямитель (УВ) для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Вычертить принципиальную электрическую схему УВ с соблюдением правил выполнения типовых электрических схем. Технические данные электродвигателя даются в табл.7.5. [3]

2.                 Построить регулировочную характеристику выпрямителя.

3.                 Вычислить минимальное и максимальное значения углов включения тиристоров, которые должна сформировать СИФУ для стабилизации выходного напряжения УВ на уровне 0,7при нестабильном фазовом напряжении вентильной обмотки изменяющемся от до . Потери напряжения в фазах УВ не учитывать.

4.                 Вычертить кривые мгновенных значений фазных напряжений и (, масштаб 30 эл. градусов в 1 см. или рад. в 1 см.) и напряжения на выхода тиристорной группы при минимальном и максимальном значениях фазного напряжения. Отметить уровень 0,7 и значения углов и .
Технические данные двигателей постоянного тока серии 2П

№	U_d,В	Pн,кВт	Тип двигателя	η, %	L_я.ц.,мГн	n_ном, об/мин	ξ_п	ξ_м
10	220	11	2ПН160L	79	3,1	1500	0,75	1,1

Задание 2

Спроектировать двухзвенный преобразователь частоты (ПЧ) с автономным инвертором для электропитания асинхронного двигателя в энергосберегающем электроприводе переменного тока. Технические данные даются в табл.7.6 .[3].

Вычертить электрическую функциональную схему электропривода переменного тока с преобразователем частоты в соответствии с правилами ГОСТ. Построить таблицу для алгоритма переключения силовых ключей П4 с интервалами проводимости ключей 180 эл. град. вычертить в масштабе кривые мгновенных значений трёхфазных напряжений на выходе П4. По оси абсцисс рекомендуется масштаб 30 эл. град. в 1 см. в диапазоне

Технические данные асинхронных двигателей серии RA

№	U_л,В	P_н,кВт	Тип двигателя	η_н,%	cosφ	N_ном,об/мин
10	380	55,0	RA250M2	93,0	0,89	2965

Аннотация
В данной курсовой работе рассмотрены и рассчитаны управляемый выпрямитель (УВ) и преобразователь частоты (ПЧ) для электротехнического комплекса и системы. Выбраны схемы УВ и ПЧ для данного варианта задания. В работе представлены: регулировочная характеристика, кривые мгновенных значений фазных напряжений и напряжений на выходе тиристорной группы (для минимального и максимального углов отпирания), временные диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием, временные диаграммы ступенчатых трехфазных выходных напряжений ПЧ.

В данной работе использовано: 35 стр., 7 рис, 1 таблица, 5 приложений

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 5

1. РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Выбор рациональной схемы управляемого выпрямителя и силовая часть электропривода............................................................................................ 6

1.2. Расчет и выбор преобразовательного трансформатора.............................. 6

1.3. Выбор тиристоров....................................................................................... 8

1.4. Выбор сглаживающего реактора................................................................. 9

1.5. Описание работы схемы УВ....................................................................... 10

1.6. Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет и ...........

12

2.     РАСЧЕТ ДВУХЗВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТИ

2.1. Описание электрической схемы электропривода...................................... 14

2.2. Структура и принцип действия преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока........................................................................................ 14

2.3. Расчет инвертора........................................................................................ 15

2.4. Потери мощности в IGBT.......................................................................... 16

2.5. Расчет выпрямителя................................................................................... 19

2.6. Расчёт параметров охладителя................................................................... 21

2.7. Расчет сглаживаемого фильтра.................................................................. 22

2.8. Расчет снаббера.......................................................................................... 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................... 29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................... 30

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................... 31

ВВЕДЕНИЕ
Цель и задача проекта и пути решения этой задачи.

Целью курсовой работы является выбор схемы и расчет УВ. Для регулируемого электропривода постоянного тока. Частота вращения двигателя регулируется как известно двумя способами:

1.       Понижением напряжения на якорной обмотке при этом частота вращения уменьшается

2.       Полюсное регулирование, путем уменьшения напряжения на обмотке возбуждения, при этом частота вращения увеличивается за номинальную.

В курсовой работе проводится расчет управляемого выпрямителя для якорного регулирования скорости.

Выполняется расчет (электрический и тепловой) преобразователя частоты на IGBT транзисторах, для частотно-регулируемого энергосберегающего электропривода в асинхронном двигателе. Нагрузкой АД служит центробежный насос для перекачки жидкости.

1.       РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1.1.          Выбор рациональной схемы управляемого выпрямителя и силовая часть электропривода
     Рациональную схема управляемого выпрямителя выбирается по выходной мощности выпрямителя

                                                                           (1.1)

кВт

если кВт рационален выпрямитель по трёх фазной нулевой схеме. Если кВт по трёхфазной мостовой.

В данном варианте кВт значит выбираем трёхфазную мостовую схему.

(Ошибка в Рис1:
R
и
L
убрать, включить ДПТ двигатель постоянного тока)
1.2.          Расчет и выбор преобразовательного трансформатора TV

(П1 стр.31)
     Теоретическое значение напряжения вентильной обмотки трансформатора

                                                                  (1.2)

В

где -коэффициент, характеризующий соотношение напряжений в идеальном выпрямителе, приведен в табл.7.2. [3]
     Необходимые запасы напряжения вентильной обмотки

                                                          (1.3)

В

коэффициент запаса ,учитывает возможное снижение напряжения сети на 5-10% от U_с.ном.;

коэффициент ,учитывает неполное открывание тиристоров;

коэффициент ,учитывает падение напряжения в обмотках трансформатора и в тиристорах;
Расчетное действующее значение тока вторичной обмотки определяют по формуле

                                                              (1.4)

А

А

где                                                                        (1.5)

А

А

где - номинальная мощность двигателя постоянного тока, - его к.п.д;

Коэффициент схемы (табл. 7.2 [3]), характеризует отношение токов в идеальном выпрямителе, коэффициент учитывает отклонение формы анодного тока тиристоров от прямоугольной и согласно экспериментальным данным составляет 1.05-1.1.
Действующее значение тока вентильной обмотки

                                                          (1.6)

А

А

Где -коэффициент трансформации трансформатора
Коэффициент трансформации трансформатора

                                                (1.7)

Расчетная типовая мощность трансформатора

                                            (1.8)

кВА

кВА

Где коэффициент - коэффициент схемы (табл 7.2 [3]), характеризующий соотношение мощностей S/U_d*I_d для идеального выпрямителя с нагрузкой на противоЭДС.

На основании расчетных данных (,,U2,S_тр) выбираем по справочнику [1] преобразовательный трансформатор ТСЗМ-16-ОМ5, трёхфазный, судовой, каплезащищённый.    М – многообмоточный

S_тип=16 кВА, В, U_2ф=133, габариты: L*B*H=638*385*490 мм, масса m=145 кг, применяем параллельное включение двух трансформаторов.

Коэффициент трансформации трансформатора для теоретических значений

1.3.          Выбор тиристоров
Среднее значение прямого тока тиристора (VS1,VS2,VS3,VS4,VS5,VS6 на схеме П1) в заданной схеме управления определяется по формуле

                                                         (1.9)

А

А

-коэффициент запаса по току, учитывает кратность пускового тока; число фаз преобразовательного силового трансформатора; коэффициент, учитывает интенсивность охлаждения силового тиристора (1,0 при принудительном и 0,33-0,35 при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором, соответствующим данному типу полупроводникового прибора).
Расчетное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к тиристорам, вычисляется по формуле

                                                    (1.10)

В
                                                                 (1.11)

В

коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы ,обусловленные процессом коммутации вентилей; ([3]табл.7.2)-коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений для принятой схемы выпрямителя; -напряжение на выходе преобразователя при α=0.
По полученным данным выбираем силовой тиристор, имеющий параметры

                                       (1.12)
Выбираем силовой тиристор [3] табл. П3

Т123-250 средний, прямой, ток I_tav=290А, импульсное повторяющееся прямое и обратное напряжение 600 В(шестой класс), охладитель стандартный О161-80 (см [4] или [5]).

1.4.          Выбор сглаживающего реактора
Требуемая суммарная индуктивность якорной цепи преобразователь – двигатель

                                                        (1.13)

Гн

Гн
В                               (1.14)

действующее значение первой гармоники выпрямительного напряжения. При предельном угле регулирования α=90⁰ для соответствующего значения числа пульсаций m=6 определяется по известному значению , минимальный ток нагрузки преобразователя, принимаемый равным (3-5%) от .

m- число пульсаций выпрямленного напряжения за период частоты напряжения сети.

- угловая частота первой гармоники напряжения сети при Гц.
Необходимая индуктивность сглаживающего реактора

                                                   (1.15)

Гн
Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к контуру двигателя

                                                        (1.16)

Гн

напряжение короткого замыкания трансформатора ();

Если в (1.15) получилась меньше или равна нулю, то применять реактор в схеме нет необходимости, т.к. сумма индуктивности достаточна для обеспечения непрерывности тока двигателя.
Выбираем сглаживающий реактор по следующим данным: индуктивность L_ср=0,169 мГн, ток у реактора I_ср=I_d_.ном.=47.69. Выбираем реактор РТСТ-165-0,19.

Р – реактор ; Т – трёхфазный ; С – сглаживающий ; Т – токоограничивающий.

В

А

мГн

мОМ

масса m=52 кг.

1.5.          Описание работы схемы УВ.
Схема приведена в Приложении 1

На схеме:

- входной согласующий трансформатор ТV;

- автоматический выключатель QF;

- силовые предохранители FU;

- контактор КМ;

- блок силовых полупроводниковых приборов UZ;

- дроссель L;

- приборы индикации тока и напряжения на выходе устройства RS;

- органы контроля и управления устройства SB;

- блоки системы управления преобразователем U;

- блоки источника питания системы управления G;

- входные и выходные зажимы силовых цепей X1, Х2.

Трехфазное напряжение питания Uc=380 В промышленной частоты f=50 Гц, через входные клеммы подается на разъединитель, предназначенный для предотвращения подачи напряжения на установку при наладке, профилактических осмотрах с целью обеспечения видимого разрыва электрической цепи. При включении разъединителя напряжение подается на согласующий трансформатор (схема соединения звезда-звезда), осуществляющий гальваническое разделение и согласование напряжения сети с входным напряжением выпрямителя. При замыкании автоматического выключателя, установленного для защиты питающих сетей и цепей нагрузки от токов короткого замыкания и тепловой защиты от длительной перегрузки, напряжение через предохранители подается на входные клеммы силового контактора. Силовой контактор предназначен для автоматического и дистанционного включения установки на нагрузку и отключения вторичных цепей. При включении силового контактора и подачи управляющих выходных импульсов СИФУ на силовые полупроводниковые приборы за счет регулирования электрического угла открытия тиристоров происходит регулируемое преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Преобразователь выполнен по трехфазной, полностью управляемой тиристорной мостовой схеме, что позволяет при работе на электрическую машину постоянного тока получать как выпрямительный, так и инверторный режим работы или потреблять и отдавать энергию в сеть, обеспечить как двигательный, так и генераторный режим работы двигателя. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепь нагрузки включен дроссель. Устройство позволяет регулировать напряжение в пределах 0 – U_d. Так как номинальное напряжение катушки контактора, цепей управления преобразователя и источников питания U=220 В, то для обеспечения такого уровня напряжения предусмотрен нулевой провод РЕ. Для сигнализации наличия напряжения включения и отключения преобразователя на нагрузку в схеме установки предусмотрены сигнальные индикаторы HL.

В состав трехфазного мостового тиристорного преобразователя (рис.7.1 ошибка неверная ссылка на рис.)) входят две группы тиристоров – катодная VS1, VS3, VS5 и анодная VS2, VS4, VS6, трансформатор и система импульсно-фазового управления СИФУ. Система вырабатывает импульсы управления тиристорами с заданной фазой по отношению к напряжению сети. Тиристоры в каждой группе открываются с интервалом 2π/m (m=6). Углы открытия тиристоров в обеих группах отсчитываются от моментов естественного включения, соответствующих моменту равенства фазных или линейных ЭДС. Ток в преобразователе всегда протекает по двум тиристорам, принадлежащим к различным вентильным группам, и по двум обмоткам трансформатора.

Поэтому при открывании тиристора в фазе а импульсом, поступающим от СИФУ в момент Ue+α (где Ue – угол естественного включения неуправляемого преобразователя) необходимо также подать импульс управления на VS6 фазы в. ЭДС в цепи нагрузки е_2d становится равной линейной ЭДС е_2аb=e_a– e_b. В режиме непрерывного тока в момент открывания очередного тиристора ток еще продолжает протекать через ранее открытый тиристор. Время, в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой, называется интервалом коммутации γ.

Необходимость одновременного открывания двух тиристоров, принадлежащих разным группам, требует наличия широких импульсов управления (λ_у> 60°) или сдвоенных узких импульсов, сдвинутых друг от друга на 60°. Выпрямленное напряжение u_d описывается кривой линейного напряжения. Пульсации кривой соответствуют шестикратной частоте по отношению к частоте переменного тока (m=6). Длительность протекания тока в каждом тиристоре равна γ+2π/3. Среднее значение тока I_VS=I_d/3. При больших углах управления (α>90°) тиристор до подачи импульса управления должен выдерживать без преждевременного открытия максимальное значение прямого напряжения, а после его закрытия максимальное значение обратного напряжения и начальный скачок обратного напряжения.

Обратное напряжение определяется линейным напряжением, так как в непроводящую часть периода неработающие тиристоры присоединены к двум фазам трансформатора через работающие. Ток во вторичной обмотке трансформатора переменный и равен сумме токов тиристоров, присоединенных к данной фазе. Поток вынужденного намагничивания в магнитопроводе не возникает, поскольку по вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях, всегда протекают противоположные по направлению и равные по величине токи.

1.6.          Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет и
                                                              (1.17)

Т.к. выходной ток выпрямителя, с активно–индуктивной нагрузкой, непрерывный (отсутствуют безтоковые паузы)
                                                                  (1.18)

В

Где для трёхфазной мостовой схемы, для трех фазной нулевой схемы.
В

	0⁰	30⁰	45⁰	60⁰	90⁰
U_0,_a	311.22	269.5	220.1	155.6	0

В

В

В

В

(1.19)

где (1.20)

В

В

	0⁰	30⁰	45⁰	60⁰	90⁰
U_0,_мин	233,415	202,143	165,05	124.9	0

В

В

В

В

(1.21)

где (1.22)

В

	0⁰	30⁰	45⁰	60⁰	90⁰
U_0,Max	342,342	296,48	242,07	171,171	0

В

В

В

В

В
0.7=0,7*220=154В
Регулировочная характеристика.

Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной группы при

Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной группы при

2. РАСЧЕТ ДВУХЗВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТИ
2.1.      Описание электрической схемы электропривода
Электрическая схема электропривода приведена в приложении П2.

Основные элементы, входящие в Функциональную электрическую схему асинхронного ЭП с ПЧ: 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.
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

Тип прибора	Предельные параметры			Электрические характеристики									Обратный диод		Тепловые и механические параметры			Масса,г
				U_CE(sat), B		C_ies_,нФ	C_о_es,нФ	C_res_,нФ	t_d(on),нс	t_r,нс	t_d(off),нс	t_f,нс
	U_CES,B	I_C, A	P_C, Вт	типовое	максимальное								U_f, B	t_rr,нс	R_th(c-f), ^oC/Вт	IGBT	Диод
																R_th(j-f), ^oC/Вт
CM300DY-12H	600	300	1100	2,1	2,8	30	10,5	6	350	600	350	300	2,8	110	0,13	0,11	0,24	270

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_о_es – 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.

Значения, по которым выбираем вентили

194,2А

1065В

Табличные значения выбранных вентилей:

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода ():

                                    (2.17)

Вт

где k_cs = 0,577 для мостовой трехфазной схемы; R_on – динамическое сопротивление в проводящем состоянии вентиля; U_j – прямое падение напряжения на вентиле при токе 50 мА (U_j+ R_onI_dm/k₁) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; m_v – число вентилей в схеме.
Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель-окружающая среда в расчете на выпрямитель

                                                  (2.18)

⁰С/Вт

где R_th(c-_f₎ – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля.
Температура кристалла

                                                   (2.19)

⁰С

где R_th(_j_-_c_)DV– термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного вентиля модуля; n_D – количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство T_jDV ≤ 140 ⁰С.
2.6.      Расчет параметров охладителя
При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов

                                               (2.20)

⁰С/Вт
Используя график зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока при принудительном охлаждении радиатора (рис. 1), определяем что при скорости обдува V=4 м/с получаем

Определяем тепловое сопротивление охладителя

По полученным результатам выбираем охладитель для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ.[6]
2.7.      Расчет сглаживающего фильтра
Для расчета фильтра принимаем коэффициент сглаживания пульсаций S = (3 ÷ 12). Чем больше S, тем больше габариты фильтра, поэтому выбираем S = 3.
Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению)

_{(2.21)

где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы, m = 2 для однофазной мостовой схемы).
Параметр сглаживания LC-фильтра

                                                             (2.22)

где S = q_1вх/q_1вых – коэффициент сглаживания по первой гармонике; f_s – минимальная частота выходного напряжения в ПЧ, равная 30 Гц.

где Ls – индуктивность сети, приведенная к звену постоянного тока.

В качестве индуктивности используем паразитную индуктивность питающей кабельной линии, задаёмся длинной кабельной линии (50…100)м

Выбираем погонную индуктивность из справочника нГн.
Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя K_M=0,95 определяется из следующих условий:

Индуктивность питающей сети переменного тока

                                                                   (2.23)

мкГн

Ёмкость конденсатора необходимой для реализации LC фильтра

;                                                     (7.42)
                                                        (2.24)

мкФ

мкФ

Определяем ёмкость С_о2 необходимую для возврата реактивной энергии в фильтр

                                                (2.26)

мкФ

где I_sm1– амплитудное значение тока в фазе двигателя, А; φ₁– угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока; q₁– коэффициент пульсаций; f_sw – частота ШИМ, Гц.
Для практической реализации фильтра используем конденсаторы с наибольшим значением емкости С₀₁, С₀₂, т.е. конденсаторы с емкостью 5332 мкФ.
Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по первой гармонике)

                                                     (2.27)

А

А

где - наибольшая ёмкость из и , мкФ

В зависимости от величины емкости С₀₁ и амплитуды тока I_C0m формируем батарею конденсаторов емкостью не менее 5332 мкФ,напряжением не менее (1,1…1,2)∙U_d, т.е. (1,1…1,2)∙513 ≥ 615,6 В.
Составляем батарею:

Выбираются небольшие конденсаторы электролитические с ёмкостью 680 мкФ напряжением 500 В, составляются пары из двух последовательно включённых конденсаторов, ёмкость такой пары 340 мкФ, рабочее напряжение 1000 В. Получается параллельно включённых порядка 8 пар, 16 конденсаторов марки Siemens Matsushita Components .Номинальный ток конденсатора свыше 300А, срок службы 15 лет.

2.8.      Расчет снаббера
Снаббер защищает цепь от пробоя напряжения, а в частности защищает силовые транзисторы.

Рассматриваемая схема:

Выбранная схема обладает рядом преимуществ:

1.Малое число элементов.

2.Низкие потери мощности.

3.Подходит для средней и малой ёмкости конденсатора.

Подходит для средней и малой емкости конденсатора.
Мощность в резисторе

Вт

Вт

где U – напряжение коллектор–эмиттер в установившемся режиме, которое равно напряжению звена постоянного тока преобразователя системы АИН ШИМ, ΔU – перенапряжение (рис. 7.6). Выбираем ёмкость снабберной цепи из расчёта 1 мкФ на 100А коммутированного тока. А значит берём С=2мкФ.
Выбор величины сопротивления производится из условия минимума колебаний тока коллектора при включении IGBT

Ом

Ом

где L_S_n – индуктивность цепей снаббера, которая не должна быть более 10 нГн.
Выбираем высокочастотные резисторы.

По величине сопротивления и мощности реализуется резистор снаббера из десяти одноваттных сопротивлений типа МЛТ 2 Ом ± 10%, соединенных параллельно, для получения эквивалентного сопротивления 0,2 Ом мощностью 10 Вт.
Собираем резистор R_CH

Выбор сверхвысокочастотного диода
Снабберный диод выбирается по таблице П5 [3]. Выбираем по току в 20-50 раз меньше среднего тока IGBT транзистора

А

напряжение снабберного диода

Выбираем снабберный диод серии MBR5150E для функциональной электрической схемы АД электропривода с ПЧ. со следующими данными:

I_FAV=5 А;U_RRM=1500 В;U_FM=2.0 В; t_вкл=175 нс; t_откл=130 нс

Для нашей схемы нам потребуется 1 диод.

Алгоритм переключения IGBT ключей.

Строим временные диаграммы ступенчатых выходных напряжений ПЧ.

Временные диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием приведены в П5.

()                                 (2.31)

                                                                                                           (2.32)

                                      В

                                      ;;

                                                                                           (2.33)

где                                                                                                               (2.34)

Рассчитываем текущие значения для каждого периода (всего 10)используя         диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.

Вт

Аналогично рассчитываем для остальных значений

()

В

;;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте рассчитан УВ и ПЧ для функциональной электрической схемы асинхронного ЭП с ПЧ и электрической принципиальной схемы УВ. Рассчитаны все основные параметры и выбраны все необходимые элементы схемы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.            Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2001. 518 с.

2.           Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2001. 518 с.

3.            Ковалёв Ю.З., Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности: Учеб. пособие. Омск: Издательство ОмГТУ, 2006. 160 с.

4.            Справочник «Охладители воздушных систем для п/п приборов»

5.           Чебовский О.Г. Моисеев Л.Г. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 512 с.

6.           Охладители воздушных систем охлаждения для п/п приборов. Каталог 05.20.06-86 Информэлектра 1896. 31с.

7.    Методические указания по применению государственных стандартов в курсовом и дипломном проектировании / В.К.Грунин – Омск, Изд. ОмГТУ, 2002. 38 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5}

Bukvasha