Вибір плавких запобіжників

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ

Одеса

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ

Галузь знань: 0507 – Електромеханіка та електротехніка

Напрям підготовки: 6.050702 – Електромеханіка

Затверджено

на засіданні кафедри

електромеханічних систем

з комп'ютерним управлінням

Протокол № 11 від 14.06.11

Одеса

Перетворювальна техніка. Методичні вказівки до виконання курсової роботи для бакалаврів за напрямом 6.050702 – Електромеханіка / Авт.: А.О. Бойко, В.А. Войтенко – Одеса: ОНПУ, 2011. - 40 с.

Укладач: А.О. Бойко, В.А. Войтенко

кандидати техн. наук,

доценти

ВСТУП

Впровадження систем з керованими статичними напівпровідниковими перетворювачами енергії – загальна тенденція розвитку сучасного регульованого електропривода. З освоєнням промисловістю випуску потужних силових транзисторів та сучасної мікропроцесорної техніки створюються умови для розробки перетворювачів частоти з високими техніко-економічними показниками.

МЕТА КУРСОВОЇ РОБОТИ

Ознайомлення та придбання студентами навичок з розрахунку та проектування напівпровідникових перетворювачів частоти для електроприводів з можливістю рекуперації енергії в мережу живлення.

ЗМІСТ КУРСОВОЇ РОБОТИ

Основна частина розрахунково-пояснювальної записки складається з таких розділів:

- вибір схеми перетворювача та законів управління ключами;

- розрахунок параметрів та вибір основного електроустаткування, включаючи транзистори, тиристори, трансформатори, дроселі, конденсатори, запобіжники, автоматичні вимикачі;

- розрахунок миттєвих значень напруги та струму навантаження, аналіз режимів роботи інвертора;

- розробка електричної схеми перетворювача та алгоритмів керування автономним інвертором та тиристорним перетворювачем.

ОБСЯГ КУРСОВОЇ РОБОТИ

Основна частина розрахунково-пояснювальної записки містить:

- титульний аркуш;

- зміст;

- вступ;

- технічне завдання;

- обґрунтування вибору схеми перетворювача та її короткий опис;

- розрахунок параметрів складових вузлів перетворювача частоти;

- вибір елементів електроустаткування;

- розрахунок миттєвих значень напруги і струму перетворювача частоти;

- аналіз режимів роботи силової частини тиристорного перетворювача;

- висновок з роботи;

- специфікацію електроустаткування;

- список використаної літератури;

- електричну принципову схему силової частини перетворювача;

- електричну принципову та функціональну схему системи керування.

Робота подається до захисту у формі розрахунково-пояснювальної записки на аркушах формату А4 (розмір 210 х 297 мм) з полями завширшки 25 мм ліворуч і 10 мм праворуч, а також зі штампом установленого зразка. Допускається після 3...4 с. пояснювальної записки наступні аркуші подавати без штампа.

Пояснення і описи даються коротко та ясно з посиланням на відповідні формули, таблиці, рисунки, літературні джерела. Не допускається скорочення слів за винятком загальноприйнятих, наприклад: ЕРС, ККД.

Розрахункові формули записуються літерами, а потім окремим

рядком - цифрами. Після кінцевого результату вказують одиницю виміру. Результати повторюваних розрахунків, включаючи проміжні обчислення, виконуються в табличній формі.

Графічна частина виконується на стандартних аркушах паперу. Масштаби графіків вибираються зручними для побудов і аналізу.

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

Зробити проект перетворювача частоти для регулювання швидкості асинхронного двигуна (АД). Технічні дані двигуна потрібно взяти з табл. Д1 відповідно до заданого варіантe.

Слід вважати, що:

- пусковий струм двигуна: І_п = (1,5-2)І_н;

- момент навантаження на валу двигуна активного характеру та

дорівнює номінальному значенню;

- потрібний діапазон регулювання швидкості: D = 5…20.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ

1. Вступ

Необхідно показати значення перетворювачів енергії для електроприводів, навести короткий історичний опис та перспективи їх розвитку.

2. Вибір схеми перетворювача

Автономний інвертор напруги будується за мостовою схемою. Використовується принцип однократної комутації вентилів з тривалістю провідного стану ключів 180 ел. град. або широтно-імпульсна модуляція. При використанні ШІМ автономний інвертор виконує регулювання частоти та напруги одночасно. У такому разі на вході перетворювача використовують нерегульований ТП, а гальмування двигуна відбувається шляхом вимикання двигуна від джерела постійної напруги та замикання статора на активній опір. При частотно-регульованому гальмуванні необхідно передавати енергію від двигуна до мережі змінного струму. Такий режим стає спроможним при використанні реверсивного тиристорного перетворювача, в якому одна група вентилів працює в режимі керованого випрямляча, а друга – в режимі веденого мережею інвертора.

При значній відміні напруги мережі від напруги двигуна використовують узгоджений трансформатор, через який напруга подається на вхід тиристорного перетворювача. При відсутності трансформатора на вході ТП вмикають струмообмежувальні реактори.

Функціональна схема перетворювача частоти приведена на рис. 1.

На схемі зображені:

ТП – керований тиристорний перетворювач; Ф – фільтр ланки постійного струму; АІН – автономний інвертор напруги; СІФУ, СУІ – системи управління тиристорним перетворювачем та автономним інвертором відповідно; ФП – функціональний перетворювач; U_зш, U_зн, U_зч - сигнали завдання швидкості, напруги та частоти.

3. Проектування автономного інвертора напруги

У курсовій роботі необхідно виконати розрахунок параметрів автономного інвертора напруги. Проектування інвертора складається з розрахунку та вибору силових ключів, а також розрахунку та вибору апаратів захисту. Принципова схема автономного інвертора напруги, який виконується за мостовою схемою приведена на рис. 2. Фази навантаження асинхронного двигуна з’єднані за схемою “зірка”.

Силові ключі (IGBT модулі) вибирають за напругою та струмом навантаження. Для цього використовують технічні параметри асинхронного двигуна, які приведені в табл. Д1 відповідно до варіанта завдання.

Визначається значення номінального струму статора

, (1)

де Р_н, U_н - номінальна потужність та фазна напруга АД, Вт, В;

cos j, h_н - номінальний коефіцієнт потужності та ККД асинхронного двигуна.

Значення пускового струму

I_П=k_пер·I_1Н, (2)

де k_пер – коефіцієнт кратності перевантаження перетворювача за струмом.

Найбільша напруга, яка може бути подана на транзисторний ключ, дорівнює напрузі ланки постійного струму

U_dн=3·U_н/ . (3)

Середнє значення струму, який споживається інвертором з ланки постійного струму при номінальній частоті АІН дорівнює

(4)

де К_вг = 1,1 … 1,2 – коефіцієнт, що враховує вплив вищих гармонік.

Активний R_ен та індуктивний X_ен опори знаходять за схемою заміщення асинхронного двигуна (рис.3).

Визначаються параметри схеми заміщення асинхронного двигуна

R₁=R_у·R₁^’,

R₂^’=R_у·R₂^’’,

Х₁=R_у·Х₁^’, (5)

Х₂^’=R_у·Х₂^’’,

X_м=R_у·Х₀.

Активним опором контуру намагнічування можна знехтувати через його незначну величину.

Номінальний опір, який розглядається як базовий,

. (6)

Для номінальної частоти АІН визначається активний та індуктивний опори фази асинхронного двигуна

(7)

(8)

де s_н – номінальне ковзання, яке обумовлене відносною різницею кутової швидкості магнітного поля w₀ і кутової швидкості ротора АД w_н (табл.Д1).

(9)

До складу модулів входять транзистори та діоди, параметри яких узгодженні з паспортними параметрами модуля, тому немає потреби розраховувати значення окремих елементів.

Середнє значення струму, який проходить через ключ

І_кл = І_dн/m, (10)

де m – кількість фаз перетворювача.

Рекомендується вибирати IGBT модулі фірми SEMIKRON з табл. Д2 на підставі умов

, (11)

де k_пер – коефіцієнт кратності перевантаження перетворювача за струмом (дається в технічному завданні);

I_к, U_ке - каталожні параметри IGBT модулів (табл. Д2).

Схеми приладів модулів приведені на рис. Д1.

4. Вибір схеми та розрахунок параметрів тиристорного перетворювача

4.1. Вибір схеми

Вибір схеми тиристорного перетворювача залежить від потужності навантаження. При потужності навантаження менше за один кіловат може використовуватись однофазна схема. При невеликій потужності навантаження рекомендується використовувати трифазну схему з середньою точкою. Це спрощує та здешевлює схеми управління тиристорним перетворювачем. Однак використання таких схем доцільне при невисоких вимогах до ККД навантаження та невеликому діапазоні регулювання напруги, тому що в цих схемах частота пульсацій в два рази менша порівняно з трифазною мостовою схемою. У тиристорних перетворювачів середньої та великої потужностей використовують, як правило, трифазну мостову схему.

4.2. Вибір та розрахунок параметрів силового трансформатора

Для узгодження напруги двигуна з напругою мережі використовуються силові трансформатори. Необхідність використання трансформатора може бути розрахована виходячи з потрібного значення найбільшої напруги на виході ТП

(12)

де k_сх – коефіцієнт схеми, який дорівнює 2,34 для мостової схеми та 1,17 для нульової схеми тиристорного перетворювача;

U_ф – фазна напруга електричної мережі, В.

Очевидно, що необхідна умова буде виконуватися для мостових схем ТП. Для цих ТП доцільно застосування струмообмежувальних реакторів. Для перетворювачів з нульовими схемами умова не виконується і потрібна установка трансформатора, що підвищує напругу.

Трансформатор вибирається за потужністю та напругою на обмотках

, (13)

де U_{тр розр} – розрахункове значення необхідної фазної напруги вторинної обмотки трансформатора, В;

S_{тр розр} – типова розрахункова потужність трансформатора, кВА.

Типова розрахункова потужність трансформатора визначається

(14)

де k_p – коефіцієнт, який дорівнює 1,045 для мостової схеми та 1,35 для нульової схеми тиристорного перетворювача.

Розрахункове значення необхідної фазної напруги вторинної обмотки трансформатора визначається як

(15)

де k₁ = 1,1 – коефіцієнт запасу за напругою, який враховує допустиме зниження напруги в мережі на 10 %;

k₂ = 1,05 – коефіцієнт запасу за напругою, який враховує неповне відкриття тиристорів.

Рекомендується вибирати трансформатори серії ТСП або ТСЗП (табл.Д3).

Опір обмоток трансформатора, з’єднаних зіркою, визначають з дослідів холостого ходу та короткого замикання. Активний опір фази трансформатора при з’єднанні фаз зіркою, приведений до вторинної обмотки, визначають за значенням втрат потужності короткого замикання

, (16)

де І_2н – номінальний струм фази вторинної обмотки трансформатора, А.

Значення повного опору фази трансформатора, приведене до вторинної обмотки, визначають так:

, (17)

де U_к – напруга короткого замикання трансформатора, %;

U_2н – номінальна напруга фази вторинної обмотки трансформатора, В.

Значення індуктивної складової опору Х_{тр ф} визначається повним опором фази Z_{тр ф} та активним опором фази R_{тр ф}

. (18)

Індуктивність однієї фази трансформатора, приведена до вторинної обмотки:

, (19)

де f_с – частота напруги мережі живлення, Гц.

4.3. Визначення параметрів тиристорів

Найбільше значення напруги на тиристорах буде в режимі холостого ходу перетворювача. Воно визначається:

- для мостових безтрансформаторних схем

(20)

де U_ф – фазна напруга мережі живлення, В.

- для нульових трансформаторних схем

(21)

де U_2н – фазна номінальна напруга вторинної обмотки трансформатора, В.

Середнє значення струму, який протікає через плече тиристорного перетворювача, визначається

(22)

де m – кількість фаз тиристорного перетворювача;

k_пер – коефіцієнт кратності перевантаження перетворювача частоти за струмом;

k_у – коефіцієнт, враховуючий наявність зрівнювального струму при використанні реверсивної схеми з сумісним управлінням. При використанні роздільного управління та для нереверсивних схем k_у =1.

Вважаючи нагрів тиристора (і²·t) пропорційним і враховуючи математичну залежність t та λ, можна визначити середній струм, який протікає через тиристор

(23)

(24)

де k_l - коефіцієнт кута провідності тиристора.

Кут провідності тиристора визначається на підставі виразу

(25)

Залежність коефіцієнта k_л від кута провідності тиристора λ дається в табл. 1.

Таблиця 1

Залежність коефіцієнта k_л від кута провідності тиристора

Тиристори вибираються за умовою [4]

. (26)

4.4. Вибір струмообмежувальних реакторів

Струмообмежувальні реактори встановлюються на вході тиристорного перетворювача і застосовуються для обмеження швидкості зростання струму в ланцюзі тиристорів. Швидкість зростання анодного струму є важливим параметром, оскільки перевищення швидкістю допустимого значення приводить до руйнування тиристора.

Реактор вибирається за необхідною індуктивністю, струмом на вході перетворювача та напругою.

. (27)

Необхідна розрахункова індуктивність реактора для мостових схем визначається як

(28)

де - максимально припустима швидкість зростання анодного струму в ланцюзі тиристора (паспортний параметр тиристора), А/с.

Струм на вході перетворювача:

(29)

де DP_v - сумарні втрати у вентилях ТП, Вт;

DU_v = 0,5 - 2 В – падіння напруги на тиристорі.

Рекомендується вибирати реактори серії РТСТ (табл. Д4).

4.5. Розрахунок параметрів силового контуру тиристорного перетворювача

Після вибору силового трансформатора необхідно визначити індуктивність та активний опір силового контуру тиристорного перетворювача.

Індуктивність силового контуру тиристорного перетворювача визначається так:

, (30)

де L_{тр ф (р)} - індуктивність фази силового трансформатора або струмо- обмежувального реактора, Гн;

n – кількість послідовно ввімкнених вторинних обмоток трансформатора або обмоток струмообмежувального реактора; = 2 для мостової і =1 для нульової схеми ТП.

Еквівалентний опір тиристорного перетворювача R_тп:

, (31)

де R_к - комутаційний опір, Ом.

(32)

де W кутова частота напруги мережі живлення, с^-1.

Кут вмикання тиристорів у номінальному випрямляючому режимі визначається з рівнянь

(33)

(34)

де U_d0 – напруга на виході ТП в некерованому режимі, В.

(35)

деU_2н – напруга вторинної обмотки трансформатора, В;

U_ф – фазна напруга електричної мережі, В;

k_сх – коефіцієнт схеми, який дорівнює 2,34 для мостової схеми та 1,17 для нульової схеми ТП.

Для номінального випрямлювального режиму кут комутації або кут перекриття γ_н може бути визначеним з рівняння комутації

(36)

де a_н - кут вмикання тиристорів у номінальному випрямлювальному режимі;

X_{тр ф (р)} – індуктивний опір фази трансформатора або струмообмежувального реактора, Ом.

5. Розрахунок параметрів фільтра

Загладжування пульсацій напруги в ланці постійного струму здійснюється за допомогою Г-подібних або П-подібних LC-фільтрів.

Значення ємності конденсатора визначається рівнем пульсацій напруги в ланці постійного струму ΔU_с. Якщо врахувати, що допустимі пульсації напруги не перевищують 0,1·U_dн та знехтувати зміною струму при зміні напруги на конденсаторі фільтра, то можна прирівняти струм навантаження зарядному або розрядному струму конденсатора. У цьому разі ємність конденсатора визначається за формулою

, (37)

де – електромагнітна постійна часу кола навантаження, с.

В = е ^{– Т/(2·Тн)}, (38)

де T=1/f_2н - період вихідної напруги автономного інвертора, с.

При зменшенні частоти вихідної напруги інвертора потрібна ємність конденсатора збільшується. При f_i = 0 вона досягає найбільшого значення, яке визначається за формулою

(39)

Якщо ємність конденсатора визначати в мікрофарадах, то розрахункова індуктивність фільтра визначається в генрі, виходячи з потрібного значення коефіцієнта фільтрації

, (40)

де р – кількість пульсів випрямленої напруги за один період змінної напруги мережі живлення.

Значення коефіцієнта фільтрації беруть за узгодженням з керівником (k_ф=5 50).

Використовуючи отримані розрахункові значення L_{ф р} та С_{ф р}, необхідно вибрати конденсатор та дросель з урахуванням величини напруги та струму ланки постійного струму

. (41)

. (42)

Рекомендується вибирати конденсатори серії К50 [5], а дроселі - серії ФРОС (табл. Д5).

У випадку, якщо розраховане значення необхідної індуктивності велике, то слід збільшити ємнісну складову фільтра і заново перерахувати індуктивність.

Для перевірки слід дотримуватися того, що для 1 кВт навантаження потрібно 100 мкФ ємнісної складової фільтра.

Якщо допустима напруга конденсатора U_к не перевищує напругу ланки постійного струму U_dн, рекомендується з'єднувати конденсатори в батарею. Для цього треба використовувати послідовно-рівнобіжне з'єднання, приклад якого зображений на рис. 4. При цьому необхідно пам'ятати, що при послідовному з'єднанні конденсаторів сумарна ємність зменшується, а при рівнобіжному – збільшується.

Рис. 4. Електрична схема з'єднання конденсаторів у батарею

Резистори R_бі вибираються в межах 10 – 50 КОм. Вони потрібні для вирівнювання падіння напруги на конденсаторах.

6. Вибір елементів захисту перетворювача частоти

У напівпровідникових перетворювачах можуть виникнути аварійні режими, що супроводжуються неприпустимими за значенням і тривалістю струмами через вентилі, наприклад

- зовнішнє коротке замикання:

- внутрішнє коротке замикання (пробій вентиля);

- перекидання інвертора, відомого мережею;

- вимикання вентилів у непрацюючій групі в реверсивних керованих тиристорних перетворювачах з роздільним керуванням вентильними групами;

- поява надмірних зрівняльних струмів у ТП зі спільним керуванням тиристорними групами.

6.1. Вибір автоматичного вимикача

Автоматичні вимикачі є захисними апаратами багаторазової дії і призначені для захисту вентильних перетворювачів від зовнішніх коротких замикань, перекидання інвертора і перевантажень за струмом. Автоматичні вимикачі змінного струму встановлюються в перетворювачах або на первинній стороні трансформатора, або до струмообмежувальних реакторів у безтрансформаторному варіанті.

Автоматичний вимикач вибирається за умовою

(43)

де I_п – номінальний струм автоматичного вимикача, А;

I_вх – струм на вході перетворювача частоти, А.

Рекомендується вибирати автоматичні вимикачі серії NZM, параметри яких приведені в табл. Д6.

Вибір плавких запобіжників

Для захисту силових вентилів перетворювача частоти при зовнішніх і внутрішніх коротких замиканнях широко застосовуються швидкодіючі плавкі запобіжники. Запобіжники установлюються в ланці постійного струму, а також послідовно в ланцюзі вентилів тиристорного перетворювача та автономного інвертора.

Вибір запобіжників, які установлюються в ланці постійного струму, виконується з умов

, (44)

де U_вст, I_вст – напруга та струм плавкої вставки запобіжника, В, А.

Передбачаються вибір і установка двох запобіжників. Серія запобіжників, що рекомендується, - ПР2 (табл. Д7).

Вибір запобіжників автономного інвертора напруги виконується з таких умов:

, (45)

де I_кл - середнє значення струму, який проходить через ключ автономного інвертора напруги, А.

Вибір запобіжників реверсивного ТП та автономного інвертора напруги виконується з умов

, (46)

де U_mv - найбільше значення напруги на тиристорі, В;

I_dv - середнє значення струму, який проходить через тиристор перетворювача, А.

Приймаємо до установки дванадцять запобіжників, по шість на інверторну та випрямлювальні групи. Вважаємо, що струм крізь вентиль при інвертуванні не перевищує струм випрямлювального режиму.