Расчет силовых элементов инвертора и выпрямителя

 

На рисунке 3.1 изображена схема двухзвенного преобразователя частоты (ДПЧ) для питания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Данный преобразователь частоты состоит из неуправляемого выпрямителя (НВ), автономного инвертора напряжения (АИН), сглаживающего фильтра (СФ) и блока тормозного резистора (БТР), применяемого в режиме торможения.

Работа неуправляемого выпрямителя основана на диодах VD7-VD12, автономный инвертор напряжения на транзисторах VT1-VT6, шунтированных диодами VD1-VD6. Диоды необходимы для пропускания тока, когда транзисторы выключены, они являются обратным выпрямителем в режиме торможения асинхронного двигателя. Фильтр L_ФС_Ф необходим для сглаживания напряжения при выпрямлении. За счет применения ШИМ осуществляется регулирование напряжение на выходе ПЧ и приближение его формы к синусоидальной. Торможение осуществляется переводом АИН в режим управляемого выпрямителя (УВ) напряжения, обеспечивающего повышение напряжения на конденсаторе фильтра, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя. Роль фазных индуктивностей выполняют индуктивности рассеяния фаз двигателя.

 

U2=var

f2=var

U1=const

f1=const

LФ

C2

A2

B2

Rт

Cф

VD12

VD10

VD11

C1

B1

A1

VD2

VT2

VD6

VT6

VD4

VT4

VT7

VD5

VT5

VD3

VT37

VD1

VT1

VD8

VD9

VD7

3.1 – Двухзвенный транзисторный преобразователь частоты с ШИМ

 

При превышении определенного значения напряжения на конденсаторе, транзистор VT7 включается и энергия, передаваемая от электрической машины, рассеивается в тормозном резисторе.

Такая схема в основном используется в электроприводах, где происходят редкие торможения.

Для начала необходимо рассчитать напряжение источника питания АИН с ШИМ согласно следующей формуле:

 

 

где – номинальное значение линейного напряжения на статоре двигателя;

– максимально допустимое значение коэффициента модуляции.

Для идеального АИН . В большинстве случаев , по той причине, что некоторую часть периода несущей частоты занимает коммутация. При использовании современных IGBT транзисторов несущая частота достигает 16 кГц, а стремится к единице. Транзистор IGBT является трехэлектродным биполярным транзистором с изолированным затвором.

Коэффициент модуляции – отношение наибольшей длительности импульса выходного напряжения к межкоммутационному интервалу и его максимальное значение рассчитывается по формуле:

 

 

где – время выключения транзистора.

Тогда при максимальный коэффициент модуляции , рассчитанный по формуле (3.2) будет равен:

 

 

Отсюда напряжение источника питания АИН с ШИМ по формуле (3.1) будет равно:

 

 

Далее производится расчет среднего значения тока через транзистор и диоды обратного тока. При больших кратностях отношения несущей частоты и частоты модуляции для расчета среднего значения тока через транзистор применяют следующую формулу:

 

где – амплитудное значение тока статора двигателя;

– угол сдвига фаз между первичными гармониками тока и напряжением нагрузки на выходе инвертора;

– среднее значение тока через транзистор.

Для расчета используем паспортные данные асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 4AА56B4УЗ (таблица 3.1).

 

Таблица 3.1 – Паспортные данные асинхронного двигателя 4AА56B4УЗ

Мощность РН, кВт	Номинальный ток при 380 В IH, А	Номинальная частота вращения nH, об/мин	Коэффициент мощности,
0,18	0,427		0,64

 

Амплитудное значение тока статора рассчитывается по формуле:

 

 

Далее рассчитывается среднее значение тока через транзистор по формуле (3.3):

 

 

Среднее значение тока через диоды обратного тока определяется по формуле:

 

 

 

Выбор транзисторов и диодов АИН зависит от напряжения на входе инвертора с учетом перенапряжений, возникающих на компенсирующем конденсаторе в моменты, когда ток от АИН направлен к источнику питания, то есть при режиме торможения. Это напряжение выбирается исходя из допустимого перенапряжения конденсатора .

Расчетное значение напряжения на входе: =100 В, , . При питании АИН от источника питания с односторонней проводимостью (от выпрямителя) при возникает необходимость в установке на входе АИН компенсирующего конденсатора, который принимает энергию в моменты времени, когда ток направлен к источнику питания.

Емкость компенсирующего конденсатора фильтра определяется как:

 

 

 

Исследования показывают, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это позволяет использовать АИН с ШИМ по синусоидальному закону для работы на весьма низких выходных частотах. Как видно по формуле (3.6), емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте.

Далее производится расчет тормозного резистора по формуле:

 

 

где – максимальное значение постоянного тока, направленного во время торможения от АИН к выпрямителю.

Максимальное значение постоянного тока определяется по формуле:

 

 

 

Теперь можно рассчитать тормозное сопротивление по формуле (3.7):

 

 

Выбор диодов неуправляемого выпрямителя производится по среднему значению тока через диод с учетом охлаждения и величины максимального обратного напряжения:

 

 

 

где – коэффициент запаса по току, находится в диапазоне 2 – 2,5;

;

m=3 – число фаз выходной обмотки трансформатора;

– коэффициент учитывающий интенсивность охлаждения тиристора; = 1 при принудительном и = 0,3 ÷ 0,35 при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором.

Величина максимального обратного напряжения:

 

 

где – коэффициент запаса, по напряжению, учитывающий коммутационные всплески напряжения и возможное повышение напряжения в сети, ;

– коэффициент обратного напряжения, зависящий от вида схемы, ;

– напряжение выпрямителя при α=0:

 

.

 

Выбираем диод 2Д220И с соответствующими параметрами (класс 10 – 1000 В, предельный ток – 3 А).