Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
АННОТАЦИЯ
Выпускная работа бакалавра на тему «Создание компьютерной модели асинхронного электропривода» выполнена студентом группы Эл-13-05 Махлиной Е.В.
Расчетно-пояснительная записка содержит 82 листа, 49 рисунков и состоит из трех глав, введения, заключения и приложения.
Работа направлена на разработку компьютерной модели электромеханической системы на базе асинхронного электродвигателя с регулированием частоты вращения.
В первой главе рассмотрены особенности асинхронного двигателя и способы регулирования его частоты вращения, а также функциональная схема электромеханической системы на базе асинхронного двигателя.
Во второй главе работы рассматриваются все элементы электромеханической системы в отдельности, рассчитываются их параметры, а также анализируется взаимосвязь этих элементов друг с другом.
В третьей главе рассматривается процесс компьютерного моделирования получившейся электромеханической системы. Идет поэтапное моделирование однофазного мостового выпрямителя с LC-фильтром на выходе, инвертора, регулятора напряжения повышающего типа, асинхронного двигателя и системы регулирования напряжения, подаваемого на инвертор.
Далее анализируются результаты, полученные в результате компьютерного моделирования системы в целом.
3 ВВЕДЕНИЕ
Энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дельнейшего совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессора и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики. Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили широко использовать регулируемые источники питания на базе тиристоров с бесконтактными системами автоматического управления. Мощность отдельных тиристорных преобразователей достигает десятков тысяч киловатт. Большая гибкость управления и широкие возможности в отношении полноты автоматизации обеспечиваются благодаря широкому применению интегральных аналоговых и дискретных устройств, вычислительной техники, унифицированных блочных систем регуляторов.
Рассматриваемый в работе асинхронный электропривод является учебным лабораторным оборудованием (стендом) и предназначен для проведения экспериментальных исследований в учебных лабораториях.
Широкий набор современных измерительных средств позволяет исследовать на лабораторных стендах почти все электротехнические устройства, в том числе асинхронные машины. Необходимость исследования асинхронных машин обусловлена их широким применением во всех областях промышленности и на транспорте. Описанию асинхронных двигателей, их достоинствам и недостаткам будет посвящена первая глава настоящей работы.
В промышленности асинхронные машины работают при изменении напряжения в пределах 220 В ± 10% и частоты в пределах 50Гц ± 1%. Поэтому для изучения всех режимов работы асинхронного двигателя, в том числе и
4
частотного пуска, будет достаточно, чтобы проектируемый стенд обеспечивал регулирование напряжения в пределах 110 - 220 В.
В данной работе исследуется асинхронный электродвигатель промышленной серии АИС мощностью 250 Вт. Такой двигатель - типичный представитель двигателей этой мощности. Использование двигателей большей мощности нецелесообразно, т.к. в этом случае элементарная база преобразователя и регулятора будет заметно усложнена, а стоимость всей системы значительно возрастет.
Целью данной работы является разработка компьютерной модели электромеханической системы (ЭМС) на базе асинхронного двигателя с предварительным выбором и расчетом параметров этой системы. ЭМС строится на базе асинхронного двигателя АИС71А4УЗ и полупроводникового преобразователя, включающего в себя выпрямитель с LC-фильтром, повышающий регулятор напряжения и трехфазный инвертор, а также систему управления ими, для использования в лабораторном стенде.
5 1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
1.1. Асинхронный двигатель и способы регулирования его частоты вращения
1.1.1. Понятие асинхронной машины и область применения
Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой
только первичная обмотка получает питание от электрической сети с постоянной частотой, а вторая обмотка замыкается накоротко или на электрическое сопротивление. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота зависит от угловой скорости вращения ротора.
Асинхронные машины применяются на практике главным образом как двигатели. Наибольшее распространение имеют трехфазные асинхронные двигатели. Они находят себе самое широкое применение на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах, для вспомогательных механизмов электрических станций.
1.1.2. Устройство асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель (рис. 1.1) имеет неподвижную часть, именуемую
статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. Статор имеет магнитный сердечник 5, а ротор - магнитный сердечник 6, образующие магнитопровод двигателя. Сердечники шихтуются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи. При этом в листах вырубаются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которых располагают обмотки соответственно статора 2 и ротора 1.
Сердечник статора с обмоткой закрепляется в корпусе 4. Сердечник ротора с обмоткой плотно насаживается на вал 7, вращающийся в подшипниках. Через вал полезный вращающий момент передается нагрузочному механизму. Вентилятор 8 служит для охлаждения машины, т.к. при работе они нагреваются из-за возникновения потерь мощности. В коробке выводов 3 располагаются клеммы с выведенными концами трехфазной обмотки
статора, которую можно соединить в звезду или треугольник и подключить на напряжение питающей сети.
Рис. 1.1. Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
1 - обмотка ротора; 2 - обмотка статора; 3 - коробка выводов; 4 - корпус; 5 - сердечник (магнитопровод) статора; 6 - сердечник (магнитопровод) ротора;
7 - вал; 8 - вентилятор
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
1.1.3. Принцип действия асинхронного двигателя
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рис. 1.2.
7
Рис. 1.2. Принцип действия асинхронного двигателя
Обмотка статора асинхронного двигателя подключается к сети переменного тока. Под действием напряжения сети в ней протекает переменный ток, создаются МДС и вращающееся магнитное поле. Рабочий поток взаимной индукции проходит по ярму (спинке сердечника) и зубцам статора, через воздушный зазор, по зубцам и ярму ротора и замыкается через полюс другой полярности.
Магнитное поле при вращении пересекает проводники обмотки ротора, цепь которой всегда замкнута. В каждом проводнике при этом наводится ЭДС, определяемая по формуле (1.1):
enp=BlvomH, (1.1)
где В - индукция в месте расположения проводника, / - длина проводника, Уотн - линейная скорость перемещения поля относительно проводника ротора.
Полярность ЭДС, наводимой в проводнике, определяется по правилу правой руки. Под действием этой ЭДС в проводнике потечет ток гпр ~ епр. В результате его взаимодействия с вращающимся полем статора появится тангенциальная сила Fnp, действующая на проводник. Пользуясь правилом левой руки, можно найти направление этой электромагнитной силы, действующей на ротор и заставляющей его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения п в направлении вращения поля статора.
Проводники обмотки ротора распределены по пазам его сердечника на окружности с диаметром D2. Произведение силы Fnp на ее плечо (расстояние до оси вращения) равно электромагнитному моменту. Суммированием
8 электромагнитных моментов всех проводников получают результирующий электромагнитный момент, действующий на ротор (1.2):
где z2 - число пазов ротора.
22
Ротор начинает вращаться под действием результирующего электромагнитного момента, если он больше момента сопротивления нагрузки. Механический момент нагрузки прикладывается к валу двигателя.
Поле статора вращается с постоянной скоростью п/, не зависящей от нагрузки. Скорость вращения поля щ называется синхронной скоростью вращения и определяется по формуле (1.3):
*-&-. 0.3)
Р где р — число пар полюсов;/- частота, Гц.
Начав вращаться под действием электромагнитного момента, ротор будет догонять поле статора. Но скорость вращения ротора п не может стать равной синхронной скорости вращения поля статора щ. Допустим, что п=п\. Так как У0тн=пгп, то при п=п, ЭДС е„р=0, iv=0, F„p=0, M=0, поэтому ротор начнет останавливаться. Таким образом, у асинхронного двигателя всегда «<«/, т.е. ротор отстает от поля статора, вращаясь медленнее его и скользя относительно него. Это несинхронное вращение ротора и обусловило название «асинхронный двигатель».
Скорость поля относительно ротора пск — щ - п называется частотой скольжения, а отношение этой частоты к частоте поля, обозначаемое через s, называется скольжением и определяется по формуле (1.4):
s = - , (1.4)
п,
Частота ЭДС в обмотке ротора определяется скоростью пск (1.5):
60 60 60
9 где ni-n=sn].
Следовательно, поле статора наводит в роторе ЭДС переменной частоты /2, которую называют частотой скольжения.
При пуске асинхронного двигателя частота в роторе наибольшая. В самом деле, при n=Q, s=\,f2=f. При холостом ходе^~0.
С такой же низкой частотой изменяется магнитный поток в сердечнике ротора, т.е. в нем практически отсутствуют потери в стали. Однако магнитопровод ротора делают шихтованным по следующим причинам:
- пуски, торможения и другие переходные процессы, особенно если
они происходят часто, сопровождаются изменением скольжения и частоты в
роторе в широких пределах;
высшие пространственные гармоники поля перемагничивают сердечник ротора с частотами, зачастую даже превышающими частоту сети;
- при штамповке листов электротехнической стали для сердечника
статора внутреннюю часть вырубки можно использовать для шихтовки
сердечника ротора. В противном случае ее пришлось бы отправлять в отходы.
1.1.4. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели обычно применяются для электроприводов, которые работают с постоянной частотой вращения. Но иногда они применяются для регулируемых электроприводов. Рассмотрим возможные способы регулирования частоты вращения.
Из формул (1.3) и (1.4) получим:
« = —0-*), (1.6) Р
Из формулы (1.6) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:
1. изменением частоты питающего напряжения;
10
изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;
изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения от Sa к Sr, а, следовательно, и к уменьшению частоты вращения двигателя.
Частотное регулирование. Для реализации этого способа требуется автономный источник электроэнергии переменной частоты: синхронный генератор, вращающийся с переменной скоростью, или статический полупроводниковый преобразователь частоты.
Пренебрегая малым падением напряжения на полном сопротивлении обмотки статора, то из формулы (1.7)
и!=4,44^Коб1Ф (1.7) очевидно, что для сохранения постоянным потока в машине при регулировании частоты необходимо одновременно пропорционально изменять напряжение. Эту двойную функцию выполняет преобразователь частоты, реализуя отношение Ui/f=const.
Рис. 1.3. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
При разработке электрических машин, работающих при постоянной частоте, учитываются следующие отличительные признаки:
- частотно-регулируемым двигателям не требуются глубокие пазы короткозамкнутого ротора для увеличения пускового момента, т.к.
11
преобразователь частоты реализует «мягкий» пуск с постепенным увеличением частоты;
число полюсов частотно-регулируемого двигателя должно быть согласовано с диапазоном регулирования частоты и передаточным числом редуктора;
преобразователи частоты подключаются к сети стандартного напряжения, а их наиболее простые схемы имеют на выходе отличные от стандартных значения напряжения;
при несинусоидальном питающем напряжении (токе) нет необходимости к гармоническому распределению магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя;
из-за низкой эффективности собственных вентиляторов при работе на малых частотах частотно-регулируемые двигатели должны снабжаться автономными вентиляторами-наездниками со своим собственным приводом;
очень высоким скоростям вращения регулируемого двигателя должны соответствовать его подшипники, их смазочные материалы, уплотнения и балансировка ротора;
- в лучших современных преобразователях частоты используют
широтно-импульсную модуляцию.
Изменяя частоту, можно регулировать скорость вращения асинхронного двигателя в очень широком диапазоне, сохраняя при этом высокими его энергетические показатели. Однако наличие преобразователя частоты повышает стоимость и усложняет обслуживание электропривода.
Изменение числа полюсов. Пути реализации этого способа
регулирования скорости вращения асинхронных двигателей следующие:
- размещение в пазах статора нескольких обмоток с различным
числом полюсов. В этом случае напряжение питания переключается с одной
обмотки на другую в зависимости от требуемой скорости. Модификации таких
многоскоростных асинхронных двигателей используются, например, в
электроприводах лифтов;
12
изменение схемы обмотки статора путем переключения ее катушек;
использование полюсно-амплитудной модуляции, изменяющей схему обмотки. При этом в результате наложения полей катушек изменяется число полюсов результирующего магнитного поля в воздушном зазоре. При этом появляется большее число высших пространственных гармоник.
Недостатками данного способа регулирования являются:
невозможность плавного регулирования (скорость изменяется только скачком);
более высокие габаритные размеры, масса и скорость многоскоростных двигателей по сравнению с односкоростными нерегулируемыми.
Воздействие на скольжение. Управлять скоростью вращения ротора асинхронного двигателя (из формулы (1.6)) можно, регулируя напряжение питания или изменяя активное сопротивление цепи.
Регулирование изменением напряжения. Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения на зажимах обмотки статора. Если каким-нибудь регулятором уменьшить напряжение, максимальный момент резко понижается, а критическое скольжение остается неизменным.
Работа асинхронного двигателя при повышенном скольжении неэкономична, так как при этом велики потери в обмотке ротора. Поэтому таким способом регулируют скорость вращения ротора в малом диапазоне и только в двигателях небольшой мощности.
Реостатное регулирование двигателя с фазным ротором. Реостат в цепи ротора должен быть рассчитан на продолжительную работу, а не только на кратковременное протекание пускового тока. Если при заданном моменте нагрузки, равном, например, номинальному, изменять сопротивление регулировочного реостата, то скольжение будет тоже меняться в некотором диапазоне. Обычно этот диапазон невелик, так как в реостате при этом возникают потери, поэтому данный способ регулировании тоже неэкономичен.
13
В рассматриваемой системе предусмотрена возможность регулирования частоты вращения асинхронного двигателя посредством изменения напряжения на выводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте сети переменного тока. На рис. 1.4 (а) приведена схема при реализации этого способа.
а)
Рис. 1.4. а) Возможная схема включения преобразователя напряжения; б) Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя при разном
напряжении.
Между выводами питающей сети и статора асинхронного двигателя включен преобразователь напряжения, при использовании которого может изменяться напряжение, подводимое к статору асинхронного двигателя.
Возможность регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с помощью изменения напряжения следует из анализа формулы (1.8)
(1.8),
согласно которой путем регулирования фазного напряжения 1]ф можно изменять критический момент асинхронного двигателя и получать тем самым искусственные характеристики. Критическое скольжение асинхронного двигателя и его синхронная скорость от напряжения не зависят и остаются неизменными при его регулировании.
14
На рис. 1.4 (б) приведены механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании напряжения на выводах его статора. Как видно из этих графиков, получаемые искусственные характеристики оказываются малопригодными для целей регулирования частоты вращения, так как по мере уменьшения напряжения резко снижается критический момент асинхронного двигателя и его перегрузочная способность, а диапазон регулирования частоты вращения очень мал.
1.1.5. Основные характеристики асинхронного двигателя АИС71А4УЗ
Двигатели серии АИ разработаны совместно со странами Интерэлектро и являются унифицированной серией асинхронных двигателей, отвечающих современному уровню развития мирового электромашиностроения. Они предназначены для нужд народного хозяйства и поставок на экспорт в страны с умеренным и тропическим климатом.
Серия имеет шкалу мощностей от 0,025 до 400 кВт. Выполнена в 18 габаритах, характеризуемых значениями высоты оси вращения от 45 до 355 мм.
Структура унифицированной серии асинхронных двигателей предусматривает наличие следующих групп исполнений: основного, модификаций по характеристикам, по условиям окружающей среды, по точности установочных размеров, с дополнительными устройствами, узкоспециализированного.
Структура условного обозначения АИС71А4УЗ:
АИС - наименование серии с привязкой мощностей к установочным размерам по CENELEK DOKUMENT 28/64;
71 - высота оси вращения, мм;
А - условное обозначение длины сердечника - первая длина;
4 - число полюсов;
УЗ - климатическое исполнение (У) и категория размещения (3) по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89. (У - для макроклиматических районов с умеренным климатом, 3 - для эксплуатации в закрытых помещениях с
15 естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий).
Условия эксплуатации: высота над уровнем моря до 4300 м; температура окружающей среды от минус 40 до 40°С; относительная влажность воздуха на высоте 1000 м над уровнем моря 80% при температуре 20°С; запыленность воздуха не более 10 мг/м .
Группа механического исполнения Ml по ГОСТ 17516.1-90.
Вибрационные нагрузки степени жесткости 1 по ГОСТ 17516.1-90.
Требования техники безопасности по ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.2.007.1-75, а также в соответствии с "Правилами устройства электроустановок", "Правилами безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей". По способу защиты от поражения электрическим током двигатель соответствует классу I ГОСТ 12.2.007.0-75. Двигатель соответствует ГОСТ 28330-89, ТУ 16-94 БИШП.520100.001 ТУ.
Номинальный режим работы продолжительный (S1) по ГОСТ 183-74.
Двигатель изготовляется с изоляцией класса нагревостойкости В и F по ГОСТ 8865-93. Превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды не более 80°С для изоляции класса В, 100°С для изоляции класса F. Сопротивление изоляции обмоток двигателя относительно корпуса и между обмотками в холодном состоянии при нормальных значениях климатических факторов внешней среды не менее 5 МОм, при температуре двигателя, близкой к рабочей, не менее 1 МОм, при верхнем значении влажности воздуха, не менее 0,5 МОм.
Показатели надежности: вероятность безотказной работы 0,9 за 20 000 ч; средний срок службы - 5 лет.
Характеристики асинхронного двигателя АИС71А4УЗ: номинальная мощность - 250 Вт; номинальный ток статора - 1,44 А;
номинальная скорость вращения асинхронного двигателя - 1320 об/мин; синхронная скорость вращения асинхронного двигателя - 1500 об/мин; КПД - 68%;
16
cos ф - 0,67;
номинальное линейное напряжение питания асинхронного двигателя - 380 В;
напряжение питающей сети - 220 В ± 10%;
частота питающей сети - 50 Гц ± 1%.
Двигатель состоит из статора, ротора, переднего и заднего подшипниковых узлов, колеса вентилятора, кожуха вентилятора, выводного устройства. Статор состоит из станины, выполненной из алюминиевого сплава с прилитой коробкой выводов, в которую запрессован магнитопровод с обмоткой. Конструкция станины имеет вертикально-горизонтальное оребрение. В прилитой к станине коробке выводов устанавливаются клеммная колодка для подсоединения выводных проводников и подвода питания, штуцер для уплотнения ввода кабеля и защитная крышка. Исполнение вводного устройства K-3-I - с панелью и одним штуцером. Коробка выводов обеспечивает подсоединение штуцера с резьбой. Вводное устройство допускает подвод питающего кабеля с двух противоположных сторон.
1.2. Функциональная схема ЭМС на базе асинхронного двигателя
Функциональная схема ЭМС приведена на рис. 1.5 (управление с компьютера) и на рис. 1.6 (управление с пульта).
Основными элементами рассматриваемого асинхронного электропривода являются преобразователь частоты со звеном постоянного тока, асинхронный электродвигатель и система управления и регулирования.
о 0 и=гго±ю%
f=50ru
Рис, 1.5, Функциональная схема системы питания асинхронного двигателя с управлением частотой вращения путем
изменения его напряжения питания (управление с компьютера)
Рис, 1.6, Функциональная схема системы питания асинхронного двигателя с управлением частотой вращения путем
изменения его напряжения питания (управление с пульта)
19
Преобразователь частоты преобразует переменное напряжение питающей сети (U — 220 В ± 10%, / = 50 Гц ± 1%) с помощью неуправляемого выпрямителя и фильтра в напряжение постоянного тока, регулирует это напряжение с помощью импульсного регулятора напряжения и преобразует полученное напряжение в переменное напряжение требуемой частоты с помощью инвертора.
Инвертор осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в трехфазное переменное напряжение, управляющее двигателем. Это напряжение подается на асинхронный электродвигатель, который, развивая на валу вращающий момент, непосредственно или через передаточное устройство приводит в движение (вращательное или поступательное) рабочий механизм.
Система управления и регулирования осуществляет управление силовым инвертором и регулятором напряжения. Система управления и регулирования состоит из датчика частоты вращения, контроллера, устройства согласования драйвера 21305, цифро-аналогового преобразователя, устройство согласования, источника питания внутренних нужд, пульта или компьютера.
1.3. Выводы
В главе 1 были сформулированы цели и задачи работы, определены структура и состав электромеханической системы, что позволило разработать функциональную схему и определить средства, необходимые для обеспечения заданного регулирования.
20 2. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
2.1. Техническое задание на проектирование источника питания
Заданием является разработка источника питания номинальной мощностью 750 Вт (с учетом КПД двигателя).
Частота питающей сети - 50 Гц ± 1%.
Напряжение питающей сети - однофазное, 220 В ± 10%.
Напряжение на выходе - трехфазное, изменяется в диапазоне от 110 до 220В.
Источник питания состоит из трех основных частей:
выпрямитель со сглаживающим фильтром;
регулятор напряжения;
трехфазный инвертор.
2.2. Расчет неуправляемого выпрямителя со сглаживающим фильтром
2.2.1. Выбор схемы неуправляемого выпрямителя
Рис. 2.1. Однофазная мостовая схема
Для работы на LC-филыр чаще всего используются две схемы: однофазная мостовая (рис. 2.1) и двухполупериодная со средним выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.2). Обе эти схемы имеют одинаковый коэффициент пульсации перед фильтром (79%).
21
Рис. 2.2. Двухполупериодная мостовая схема со средним выводом вторичной обмотки
трансформатора
Главным достоинством однофазной мостовой схемы является высокий коэффициент использования мощности.
Двухполупериодную схему применяют в низковольтных выпрямителях. Достоинствами такой схемы являются: малые потери мощности, небольшое количество диодов. Главным недостатком является необходимость использования трансформатора.
В соответствии с техническим заданием и характеристиками выпрямителей выбираем однофазную мостовую схему, так как на вход подается достаточно высокое напряжение, потери в диодах незначительные, отпадает необходимость использования трансформатора.
2.2.2. Расчет схемы неуправляемого выпрямителя
Мощность преобразователя: Рпр = 750 Вт.
КПД инвертора: //и= 0,9.
КПД регулятора: г}рег= 0,9.
Мощность регулятора напряжения определим по формуле (2.1):
Л>ег=— = ^ = 833,3 Вт (2.1). Мощность на выходе выпрямителя (2.2):
= 925,9 Вт (2.2).
Минимальное действующее значение напряжения в сети (2.3): £/Cmin=£/c-0,l£/c = 220-22=198B (2.3).
22 Максимальное действующее значение напряжения в сети (2.4): Uc ^ = Uc + О,ШС = 220 + 22 = 242 В (2.4). Минимальное среднее значение выпрямленного напряжения (2.5):
Udmm =—UcmiD = ^|-198 = 178,35В (2.5).
п 3,14
Максимальное среднее значение выпрямленного напряжения определим по формуле (2.6):
иёят =—исюа =|§-242 = 217,99В (2.6).
ж 3,14
Максимальное значение обратного напряжения на диодах (2.7):
URmXi = V2C/t,max = tf ■ 242 = 342,2 В (2.7).
Максимальный средний ток на выходе фильтра (2.8):
Р 925 9
Максимальный ток для диодов равен максимальному среднему току на выходе фильтра.
Выбираем выпрямитель фирмы «Taiwan Semiconductor» TS15P05G со следующими характеристиками:
максимальное среднее значение прямого тока - 15 А;
допустимое напряжение - 600 В;
максимальное прямое падение напряжения - 1,1 В;
максимальный импульсный ток - 200 А;
максимальный обратный ток — 10 мкА;
максимальная температура - 150° С.
2.2.3. Расчет фильтра для выпрямителя
Фильтр на выходе выпрямителя необходим для ослабления пульсации выходного напряжения. Для данного преобразователя выбираем Г-образный ZC-фильтр.
Зададимся коэффициентом пульсации на выходе фильтра: qi = 0,05.
23 Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя (2.9):
qxJ^ (2.9),
V d
где Unim - амплитуда первой гармоники пульсации напряжения на входе фильтра.
Расчет амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра (на выходе выпрямителя) достаточно сложен, поэтому будем использовать величину переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя (2.10).
Uema-Ueaia= 220V2 (210.
2Ud 2V2
d 2-^^-220
л-
Для характеристики фильтра воспользуемся коэффициентом сглаживания (2.11); (2.12):
г, Чх 0,79
Л=—L = = 15,8 п\\\
g2 0,05 КЛ)-
17 Т'
Или S = 1ТГ-^ = —*— = (о „LC (2.12).
24 Проверка расчетных параметров С=46 мкФ и L=0,87 Гн. Видим быстрый выход на установившийся режим (рис. 2.3). Среднее значение выпрямленного тока С/Ср=180 В. Амплитуда пульсаций Uпул= 4 В.
Рис.2.3. Осциллограмма напряжения на выходе Г-образного LC-фильтра, включенного после двухполупериодного выпрямителя
Итог - параметры рассчитаны правильно, но индуктивность имеет большие показатели, что приведет к увеличению массы и габаритов системы, а также к увеличению стоимости.
Вывод: так как на выход системы выпрямитель - фильтр подключается регулятор напряжения, то фактически мы можем увеличить амплитуду пульсации, так как скорость переключения транзистора - 10 кГц, а пульсаций -100 Гц, то регулятор за счет быстрого транзистора сгладит эти пульсации.
По полученным данным выбираем конденсатор К50-35 и дроссель Д5(8).
25 2.3. Выбор схемы регулятора напряжения
Регулятор напряжения предназначен для повышения напряжения с уровня выходного напряжения выпрямителя до уровня номинального напряжения питания инвертора. Для этого используется повышающий импульсный регулятор с широтно-импульсной модуляцией.
Принцип действия регулятора основан на изменении времени включенного состояния транзистора. При изменении напряжения на нагрузке схема управления вырабатывает сигнал управления транзистором, изменяющий время открытого состояния транзистора.
Периодическая коммутация полностью управляемого ключа с высокой частотой вызывает появление на нагрузке импульсного однополярного напряжения. Среднее значение выходного напряжения на нагрузке зависит от соотношения времени включенного и выключенного состояний и определяется соотношением (2.17):
UHCp=Uu„(t)dt = Er, (2.17)
1 о
где у = -^- - коэффициент заполнения.
Импульсное регулирование вызывает пульсацию выходного напряжения. Для уменьшения пульсаций на выходе регулятора включен фильтр.
Рассмотрим режим непрерывного тока, т.е. режим при котором ток ц не успевает снизиться до 0. В этом режиме происходит периодическое изменение двух состояний схемы. Первое состояние при включенном транзисторе длится ккл=уТ. В этом состоянии накопленная в конденсаторе энергия передается в нагрузку. Второе состояние при выключенном транзисторе длится ^ыкл=(\-у)Т. В этом состоянии происходит передача энергии в нагрузку и накапливание ее в дросселе и конденсаторе.
Схема силовой части повышающего регулятора напряжения представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Схема повышающего регулятора напряжения Недостатком данной схемы является гальваническая связь между входом и выходом, поэтому было бы хорошо использовать двухтактный преобразователь с трансформаторным разделением цепей (типа 2Р).
На рис. 2.5 показаны простейшие классические широко распространенные схемы двухтактных преобразователей, состоящие из двухтактного инвертора с выходным трансформатором, во вторичную цепь которого включен выпрямитель.
Рис. 2.5. Простейшие двухтактные преобразователи с выходным трансформатором
а) схема типа 2Р1; б) схема типа 2Р2;
в) диаграмма работы транзисторов схемы типа 2Р1;
г) диаграмма работы транзисторов схемы типа 2Р2
Схемы отличаются друг от друга местом включения дросселя и алгоритмом переключения транзисторов. В схеме на рис. 2.5 (а) дроссель включен в выходной цепи преобразователя, а транзисторы открыты поочередно на интервале уТ/2 и закрыты на интервале (1-у)772 (рис. 2.5 (в)). Ток дросселя на интервале (1-у)772 протекает через диоды выпрямителя и через вторичные обмотки трансформатора, если выпрямитель выполнен по нулевой схеме. Для
27 уменьшения потерь мощности в этой цепи может быть включен дополнительный шунтирующий диод Дш (на рис. 2.5 (а) показан штриховой линией).
В схеме на рис. 2.5 (б) дроссель включен во входной цепи преобразователя, оба транзистора на интервале у Т/2 открыты, а на интервале (1-у)Т12 открыт один из транзисторов поочередно в каждый полупериод (рис. 2.5 (г)). Ток дросселя на интервале уТ/2 протекает одновременно по обеим половинам первичной обмотки выходного трансформатора. Для уменьшения потерь мощности может быть введен дополнительный шунтирующий трансформатор Тш (на рис. 2.5 (б) показан штриховой линией), который открыт только на интервале уТ/2, а основные транзисторы Tj и Т2 при этом закрыты и трансформатор полностью обесточен.
Благодаря включению дросселя в первичную цепь трансформатора схема типа 2Р2 имеет преимущества по сравнению со схемой типа 2Р1 в следующем:
в возможности ее выполнения с любым числом выходных каналов без добавления магнитных элементов;
в отсутствии проблемы защиты трансформаторов от сквозных токов при переключении транзисторов и при несимметричном перемагничивании (одностороннем насыщении) сердечника трансформатора;
в меньших динамических потерях при выключении трансформатора, так как напряжение на конденсаторе фильтра действует как противо-ЭДС в цепи транзистора.
Эти положительные свойства схемы типа 2Р2 могут быть получены и в схеме типа 2Р1 путем переноса дросселя в первичную цепь трансформатора.
Однако применение двухтактных преобразователей с выходным трансформатором значительно усложнит и удорожит разрабатываемую схему, поэтому будем использовать однотактный преобразователь.
Проведем расчет параметров выбранной схемы регулятора.
Исходные данные: Um = 190 В; С/вьк = 466 В; RH = 32,4 Ом; UD =0,7 В; UHac = 0,4 В; гвыкл = 0,0001 с; Д£/Вых = 10 В.
28 Ток на выходе регулятора определим по формуле (2.18):
CWS* (2Л8) /вых= 466/32,4 =14,38 А.
Из формулы (2.19) определим амплитудное значение тока дросселя AILi A/tmax = 2 • 1вых ■ {Um^U_D~U"), (2-19)
29
При открытом транзисторе к нагрузке и дросселю приложено напряжение питания [/„ и в дросселе накапливается реактивная энергия. При закрытом транзисторе накопленная энергия передается в нагрузку, формируя импульс напряжения £/н обратной полярности. Таким образом, при очередном открытии и закрытии транзистора к нагрузке будет приложено переменное напряжение. Такой инвертор называется однотактным.
Главным достоинством однотактных инверторов является простота их выполнения и малая стоимость. Недостатками однотактных инверторов являются: несимметричная по полупериодам форма кривой выходного напряжения, меняющаяся при изменении нагрузки; отсутствие возможности регулирования выходного напряжения; работа только на активную нагрузку. По этим причинам область применения однотактных инверторов ограничена маломощными устройствами.
Для питания трехфазного двигателя необходим двухтактный трехфазный инвертор. Трехфазный инвертор может быть выполнен в виде трех однофазных инверторных ячеек, соединенных по цепи питания параллельно, а по выходу - в звезду или треугольник. Управление инверторными ячейками производится по сложной схеме со взаимным сдвигом 120 или 90 электрических градусов.
Для рассматриваемой схемы (рис. 1.5, 1.6) лучшим является использование трехфазного мостового инвертора. Этот инвертор характеризуется меньшим количеством силовых транзисторов и более простой схемой управления, при соединении нагрузки в звезду на выходе инвертора фазное напряжение имеет двухступенчатую форму с амплитудой ступеней UJ3 и 2С4/3.
Выходной каскад транзисторного преобразователя, выполненный по трехфазной мостовой схеме, приведен на рис. 2.7.
30
Рис. 2.7. Трехфазный мостовой инвертор
Транзисторы преобразователя переключаются в следующем порядке: пусть в интервале 0<Ш<ж/3 транзисторы VT\, VT4, VT5 находятся в режиме насыщения, a VT2, VT3, VT6 - в режиме отсечки, при ю£=7г/3 переключаются транзисторы VT5, VT6 и далее со сдвигом for/З, где к = 1,2,3...., переключается одна пара транзисторов -VTX- VT4, VT2 - VT5, VJ3 - VT6.
При соединении нагрузки в звезду в любой момент времени к источнику питания подключаются все три фазы, причем одна фаза включается последовательно с двумя другими, соединенными в параллель. Если транзисторы VT2, VT4, VT5 находятся в режиме насыщения, a VTl, VT3, VT6 - в режиме отсечки, то переключение каждой пары транзисторов, например VTX -VT2, через интервалы равные я/3 переводит очередную из двух параллельно соединенных фаз Za и Zb (в данном случае Za) в параллельное соединение с третьей (Zc).
Такой порядок переключения режимов насыщения и отсечки транзисторов соответствует симметричной 180-градусной схеме управления. Такое управление лучше использовать при высоком cosy (выше 0,6). При
31 низком coscp целесообразнее использовать несимметричное управление со скважностью 1207240°. В этом случае использование транзисторов по напряжению и току такое же, как и при симметричном управлении, а коммутация транзисторов улучшается. Применение несимметричного управления при высоком coscp приводит к недоиспользованию преобразователя по мощности.
При симметричном управлении может возникнуть опасность короткого замыкания, когда оба транзистора в стойке одновременно оказываются включенными.
При активно-индуктивной нагрузке в момент переключения транзисторов преобразователя ЭДС самоиндукция нагрузки, направленная на встречу напряжению источника питания, запирает диоды выпрямителя. Поскольку пробивное напряжение транзисторов меньше пробивного напряжения диодов, один из них (с меньшим напряжением пробоя) пробивается, и ток нагрузки замыкается через него и один из транзисторов, находящихся в области насыщения. Находясь в области пробоя, транзистор вынужден пропускать большой ток в течение значительного времени, поэтому потери в цепи коллектора резко возрастают, что может служить причиной выход транзистор из строя.
Для того чтобы устранить пробой транзисторов, необходимо параллельно входу мостового выпрямителя с ZC-фильтром включить конденсатор. В первый момент, после переключения транзисторов, индуктивный ток нагрузки будет заряжать конденсатор. Напряжение на конденсаторе при этом сначала увеличивается, затем, когда конденсатор начнет разряжаться па нагрузку, уменьшается до напряжения источника питания. Как только напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением источника питания, диоды выпрямителя открываются, и ток нагрузки поступает от регулятора напряжения.
На рис. 2.8 приведены временные диаграммы изменения линейного и фазного напряжения, а также тока в фазе, тока выпрямителя, ток конденсатора и тока источника питания (регулятора напряжения).
32
Рис. 2.8. Диаграмма токов и напряжений на входе и выходе инвертора
2.5. Преимущества IGBT транзисторов
Биполярный транзистор с изолированным затвором {IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.2.9 приведено условное обозначение IGBT с схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT.
Условное обозначение IGBT Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT
Рис. 2.9. Условное обозначение и схема соединения транзисторов единой структуре IGBT
33
IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем {MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2.10. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).
Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
Рис. 2.10. Диаграмма напряжения и тока управления
Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 2.11(a). Биполярный транзистор образован слоями р+ (эмиттер), п (база), р (коллектор); полевой -слоями п (исток), п+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои р+ и р имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 2.11(6) изображена структура IGBT, выполненного по технологии «утопленного» канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между р-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.
34
Рис. 2.11. Схематичный разрез структуры IGBT: (а)-обычного (планарного); (б) - выполненного по "trench-gate technology"
Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется п - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области п в область р приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.
Область безопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер.
Рис. 2.12. Типовая конструкция ЮВТ-модуяя: 1 - кристалл; 2 - слой керамики; 3 - спайка; 4 - нижнее тепловыводящее основание
В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ^Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание. Типовая конструкция модуля в прямоугольном корпусе показана на рис. 2.12.
35 IGBT-ыодуяъ по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулей приведены на рис. 2.13.
Рис. 2.13. Схемы ЮВТ-модуяей
В настоящее время производство силовых IGBT-модулеи освоено рядом российских предприятий электронной промышленности (ЗАО «Электровыпрямитель», НПК «ИСЭ» и другие). Основными элементами в модулях являются IGBT-чипы, изготовленные по NPT (Non punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du/dt стойкостью, практически прямоугольной областью безопасной работы, что обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Особенностью российских модулей является низкое время спада тока при выключении, а также очень низкие и практически не зависящие от температуры остаточные токи. Это особенно важно при работе транзисторов на высоких частотах.
36
Модули выполняются по одно - (серия МДТКИ) и двухключевой (М2ТКИ) схемам, а также по схеме прерывателя тока (чоппера - серия МТКИД). Транзисторы шунтируются диодами обратного тока, в качестве которых используются супербыстровосстанавливающиеся диоды с "мягким" восстановлением (FRD диоды).
IGBT-модуяи первого конструктивного исполнения (ширина модуля 34 мм) рассчитаны на токи 25, 50 и 75 А и предназначены для инверторов мощностью от 2 до 15 кВт. Модули второго конструктивного исполнения (ширина модуля 62 мм) рассчитаны на токи 100, 150 и 200 А и применяются в инверторах мощностью от 20 до 60 кВт. И самые мощные в этом ряду IGBT-модуяи третьего исполнения (ширина 62 мм) на токи 200, 320 и 400 А могут применятся в инверторах мощностью от 60 до 200 кВт.
С 1998 года на саранском предприятии ЗАО «Электровыпрямитель» осуществляется выпуск мощных высоковольтных IGBT- модулей на ток до 1200 А и напряжение до 3300 В; проводится разработка мощного IGBT -транзистора таблеточной конструкции с прижимными контактами, что позволит увеличить съём тепла с элемента, ещё более повысить рабочий ток и напряжение транзистора.
IGBT- модули зарубежного производства на российском рынке электронных компонентов представлены в основном фирмами «Mitsubishi», «International Rectifier», «Hitachi».
Распространяемые фирмами-посредниками приборы перекрывают диапазоны максимально допустимых токов (1С) от 50 А до 1000 А и напряжений (UCe) от 250 В до 1700 В. Модули на токи до 600 А реализуются с включённым в структуру драйвером, свыше 600 А- драйвер поставляется отдельно.
Современные IGBT-модуяи находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники.
37 На сегодняшний день IBGT как класс приборов силовой электроники занимает и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее развитие IGBT связано с требованиями рынка и будет идти по пути:
повышения диапазона предельных коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5-7 кВ);
повышения быстродействия;
повышения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;
снижения прямого падения напряжения;
разработка новых структур с плотностями токов, приближающихся к тиристорным;
развития «интеллектуальных» IGBT (с встроенными функциями диагностики и защит) и модулей на их основе;
создания новых высоконадёжных корпусов, в том числе с использованием ММС (AlSiC) и прижимной конструкции;
повышения частоты и снижение потерь SiC быстровосстанавливающихся обратных диодов;
применения прямого водяного охлаждения для исключения соединения основание - охладитель.
2.6. Расчет силовой части инвертора
2.6.1. Определение токов и напряжений в цепях инвертора
Фазное напряжение (2.24) имеет ступенчатую форму с амплитудой ступеней:
^ф.=:У' и»Ф=Щ^ (2-24)-Тогда эффективное (действующее) значение фазного напряжения (2.25):
иф=ж=2ти" (2-25)
Зная фазное напряжение преобразователя, равное фазному напряжению двигателя (С/ф=220 В), можно найти напряжение питания (2.26):
38 ип=^=иф=^=-220 = 466,1 В (2.26)
Это напряжение соответствует напряжению на выходе регулятора напряжения. Согласно техническому заданию, линейное напряжение на обмотках статора электродвигателя должно изменяться в пределах 160-380 В. Отсюда фазное напряжение на обмотках статора электродвигателя должно изменяться в пределах 110-220 В. Следовательно, напряжение питания изменяется в следующих пределах от минимального (2.27) до максимального (2.28) значения:
Unmm =^ифтт =-jL-110 = 233,4 В (2.27)
Unma =-1^ифш* =^-220 = 466,7 В (2.28)
Максимальное напряжение, приложенное к коллектор-эмиттерному переходу закрытого транзистора, равно максимальному напряжению питания (не учитывая падения напряжения на открытом транзисторе равное 0,7 В).
Исходя из практических соображений, при работе транзистора задаемся допустимым значением напряжения между коллектором и эмиттером.
^к-э тах—\"> ' • • 'V)0)UK.3 реал. •
Следовательно, закрытый транзистор должен выдерживать приложенное к его коллектор-эмиттерному переходу напряжение (2.29):
U~ pem = Ujf- = ^- = 666,7 В (2.29).
Максимальное значение действующего линейного тока равное максимальному значению действующего фазного тока будет иметь следующее значение (2.30):
39
Тн - постоянная времени нагрузки (2.31) равная Тн = —- = —— = 0,00318 с (2.31);
г. 32'4
а = ехр( —) = ехр( ) = 0,351 (2.32).
6/Г/ 6-500,00318
40
потери при включении Еоп - 0,64 мДж;
потери при выключении Е0д-= 0,92 мДж;
общие потери при переключении Ets - 1,56 мДж.
Мощность потерь при переключении транзистора с частотой 50 Гц (2.33): Лют.тр. = Ets-f= l,56-10"3-50 = 0,078 Вт (2.33).
Выбор типа диода осуществляем исходя из следующих данных: максимальное обратное напряжение (2.34):
^тах=^ = 666,7В (2.34);
максимальный прямой ток Inpmax = 4,6 А.
По указанным выше данным выбираем диод Д212-10 производства ЗАО «Электровыпрямитель» г. Саранск со следующими характеристиками:
повторяющееся импульсное обратное напряжение Urrm= 100 - 1600В;
повторяющийся импульсный обратный ток IRRM = 3 мА;
максимально допустимый средний ток If(av) — 10 (150) А;
максимально допустимый действующий прямой ток Ifrsm = 15 А;
7 ~\ 7
плотность тока / f = 0,3 Г10 Ас;
импульсное прямое напряжение/импульсный прямой ток UFM/IFM= 1,35/31 В/А;
сопротивление гТ= 19,6 Ом;
максимально допустимая температура кристалла 7}= 190° С;
сопротивление кристалл - корпус элемента RthQ-C)= 2,7 °С/Вт;
вес W= 0,006 кг.
Мощность, выделяемая на диоде за период Рд = Рдвкл. + Рдвыкл. Мощность, выделяемая на диоде в открытом состоянии (2.35):
1 выкя
РДвкя. = т fal2np* = 0,003 Вт (2.35). * о
Мощность, выделяемая на диоде в закрытом состоянии (2.36):
1 1вкя
Рдш.. - - Кф V = °'035 Вт (2.36) 1 о
41
Мощность, выделяемая на диоде за период (2.37): РА = 0,003+0,035=0,038 Вт (2.37).
Общая мощность выделяемая на приборах (2.38): Лют = 6-Рпотлр + 6- РА = 6-0,078 + 6-0,038 = 0,696 Вт (2.38.
КПД инвертора (2.39):
tju = bcLss. = 75°-°-696 = 0,99 (2.39)
42 фотоэлементов, которые распознают чередование светлых и темных участков на вращающемся диске, жестко связанном с валом механической системы.
Датчик положения и скорости вращения измеряет положение вала и скорость вращения по принципу приращений, подсчитывая количество меток, начиная от исходной, и определяя, таким образом, угол поворота вала и количество оборотов.
Диск датчика положения и скорости вращения закрепляется на валу с помощью специальной муфты, а корпус со считывающим оптоэлектронным устройством располагается на неподвижном основании и прикрепляется к нему с помощью фланца.
Передача сигнала датчика о положении и скорости вращения вала осуществляется с помощью логической схемы с высоким пороговым напряжением.
Основные характеристики датчика положения и скорости вращения 6F.Y2001-4QB00:
Напряжение питания: 10 - 30 В постоянного тока;
Выходные сигналы: Тип логики: HTL (Логическая схема с высоким пороговым напряжением);
Количество сигналов: 2, прямой и инвертированной последовательности, с нулевым импульсом;
Количество импульсов на оборот: 1000;
Точность (в угловых секундах): +/- (64800)/Количество импульсов на оборот;
Максимальная частота: 300 кГц;
Допустимая скорость вращения: 7200 об/мин (ограничена характеристиками передачи сигналов) или 12000 об/мин (ограничена механической прочностью);
Максимальная длина соединительного кабеля: 100 метров;
Степень защиты: №67 (корпус), IP64 (уплотнение вала).
43 2.8. Драйвер IR2130S
МОП-транзсторы находят все более широкое применение в качестве мощных ключей в драйверах (системах управления) двигателей и конверторах, работающих на переменном и постоянном напряжении вплоть до 600 В постоянного напряжения. Такие мощные ключи могут выполняться на МОП-транзисторах, БИП-транзисторах с изолированным затвором или тиристорах, но все они требуют подачи управляющего напряжения для достижения условий насыщения в состоянии «включено». Эти управляющие сигналы должны иметь следующие характеристики:
амплитуда от 10 до 15 В;
малое сопротивление управляющего каскада для быстрого заряда и разряда емкости затвора;
малые внутренние потери мощности на высокой частоте переключения и максимальном напряжении смещения;
возможность подачи выходных сигналов с логического уровня относительно земли;
защита мощного ключа от разрешения при задержке низкого уровня напряжения на затворе, а также при недостаточном или чрезмерном напряжении или токе в нагрузке, превышающем типовое значение.
Обычно для выполнения этих требований необходимо применение дискретных схем.
Отличительные особенности драйвера трехфазного моста IR2130S:
Выходные каналы разработаны для нагруженного функционирования. Работает в приложениях с выходным напряжением до +600В. Допускает отрицательное переходное напряжение. Стойкость к скорости изменения напряжения (dV/dt).
Управляющее напряжение на затворах от 10 до 20 В.
Блокировка всех каналов при снижении напряжения.
Выключение всех 6 драйверов при токовой перегрузке.
Раздельные полумостовые драйверы.
44
Согласованное время распространения сигналов по всем каналам.
Выходы работают в противофазе с входами.
Защита от сквозных токов.
Краткая характеристика драйвера трехфазного моста IR2130S:
Максимальное напряжение смещения Voffset 600В
Выходной ток короткого замыкания 10±200 мА/420 мА
Напряжение питания V0ut 10 - 20В
Время включения/отключения 675/425 не
Длительность паузы - 2,5 мке
IR213QS - высоковольтный, высокоскоростной драйвер МОП-транзисторов и /С/ЯГ-транзисторов с раздельными выходными каналами управления ключами верхнего и нижнего уровней. Собственная HVIC-технология позволяет укрепить монолитную конструкцию.
На рис. 2.15 представлена функциональная блок-схема драйвера IR2X30S.
Рис. 2.15. Функциональная блок-схема драйвера IR213OS
Логические входы совместимы с 5В КМОП или LSTTL выходами. Связанный с общим проводом операционный усилитель обеспечивает обратную связь по току моста через внешний измерительный резистор.
45 Функция прерывания тока, действующая на все 6 выходов также использует сигнал с этого резистора с последующим делением напряжения. Сигнал с открытым стоком FAULT индицирует о выключении из-за перегрузки по току или снижения напряжения.
Выходные драйверы отличаются большим импульсным током буферного каскада, что сделано для минимизации поперечной проводимости драйверов. Времена распространения сигналов согласованы для упрощения использования при высоких частотах. Выходные каналы могут быть использованы для управления iV-канальными МОП-транзисторами или Л/ЯГ-транзисторами, в т.ч. используемых как ключи верхнего уровня с рабочим напряжением до 600В.
Рис. 2.16. Трехфазная шестишаговая схема управления двигателем.
На рис. 2.16 представлена трехфазная шестишаговая схема управления двигателем.
46 Согласно техническому заданию используем драйвер IR2130S, производства фирмы «International Rectifier». Драйвер IR2130S выполняет функцию гальванической развязки (разрыв общей "земляной" цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности).
2.9. Сервисный источник питания
Источник питания внутренних нужд (сервисный источник питания) служит для питания элементов, входящих в систему.
Сервисный источник питания подключается к сети, на его выходах создаются требуемые уровни напряжения для питания элементов ЭМС.
2.10. Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь служит для преобразования цифрового сигнала от контроллера в аналоговый сигнал, понятный регулятору напряжения.
2.11. Контроллер
Управляющий сигнал (заданный уровень напряжения) с компьютера (пульта) подается на контроллер, с которого этот сигнал направляется на цифро-аналоговый преобразователь и драйвер IR2130S.
2.12. Выводы
Спроектированный источник питания на базе трехфазного инвертора удовлетворяет всем требованиям технического задания. Все расчеты выполнены в полном объеме. Полученный КПД инвертора (99%) является очень высоким, что можно объяснить выбором современных полупроводниковых приборов (Л75Г-транзисторов) и низкой частотой переключения транзисторов. Дальнейшего увеличения КПД можно добиться дальнейшим улучшением элементарной базы, в особенности, полупроводниковых диодов с целью уменьшения статических и динамических потерь.
80 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. -М.: Издательство «Наука», 1966. - 176 с.
Москаленко В.В. Электрический привод. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 368 с.
Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 320 с.
Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.
Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 224 с.
Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. -840 с.
Горбачев Т.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с.
Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с.
Липай Б.Р., Маслов СИ. Компьютерные модели электромеханических систем. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 80 с.
Раздаточный материал по курсу «Электронные устройства летательных аппаратов», под редакцией Таланова Л.Л. М.: 1996. - 126 с.
П. www.irf.com 12. www.vishay.com
81 ОГЛАВЛЕНИЕ
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 5
1.1. Асинхронный двигатель и способы регулирования его частоты вращения 5
Понятие асинхронной машины и область применения 5
Устройство асинхронного двигателя 5
Принцип действия асинхронного двигателя 6
Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей 9
Основные характеристики асинхронного двигателя АИС71А4УЗ 14
Функциональная схема ЭМС на базе асинхронного двигателя 16
Выводы 19
2. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 20
Техническое задание на проектирование источника питания 20
Расчет неуправляемого выпрямителя со сглаживающим фильтром 20
Выбор схемы неуправляемого выпрямителя 20
Расчет схемы неуправляемого выпрямителя 21
Расчет фильтра для выпрямителя 22
Выбор схемы регулятора напряжения 25
Выбор схемы трехфазного инвертора 28
Преимущества IGBT транзисторов 32
Расчет силовой части инвертора 37
Определение токов и напряжений в цепях инвертора 37
Выбор типов транзисторов и диодов, расчет потерь мощности в элементах схемы и определение КПД инвертора 39
Фотоимпульсный датчик положения и скорости 41
Драйвер 7^21305 43
Сервисный источник питания 46
2.10. Цифро-аналоговый преобразователь 46
82
Контроллер 46
Выводы 46
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 47
Моделирование однофазного мостового выпрямителя с LC-фильтром на выходе 47
Моделирование трехфазного инвертора 50
Моделирование регулятора напряжения повышающего типа 53
Моделирование асинхронного двигателя 55
Моделирование всей электромеханической системы (без регулирования напряжения питания инвертора) 62
Моделирование всей электромеханической системы с системой регулирования напряжения питания инвертора 66
3.7. Выводы 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 71
Приложение 1 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 80