Силовая Преобразовательная техника


Введение

 

  Современный электропривод представляет собой конструктивное единство       электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя с системой управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы  технологической установки. Сфера применения электрического привода в       промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется.

Электропривод в своем историческом развитии прошел путь от простого источника  механической энергии до «интеллектуального устройства», которое осуществляет приведение в движение органов машин и механизмов и управление этим движением.

Современный регулируемый электропривод  переменного тока представляет собой  электромеханическую систему, включающую полупроводниковый преобразователь, электродвигатель, передаточный механизм (редуктор) и систему управления.

Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением  развития современной техники.

Рост степени интеграции в микропроцессорной  технике и переход от  микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, значительные успехи  силовой электроники, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. 

Неуклонно снижается доля систем привода  с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с  двигателями переменного тока

      Естественной альтернативой  коллекторным приводам постоянного тока являются       привода с вентильными, т. е. электронно - коммутируемыми двигателями

      Приводом следующего  века по прогнозам большинства  специалистов станет   привод на основе вентильно - индукторного двигателя. Двигатели этого   типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких - либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспече ны только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой.

В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики. Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы в первую очередь на транспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике.

Высокая эффективность применения регулируемого электропривода для оптимизации работы различных технологических систем с механизмами, работающими в переменных режимах, подтверждена мировым опытом. Применение регулируемого электропривода позволяет оптимизировать работу электродвигателей, технологических систем с механизмами, работающими в переменных режимах. В целом по стране внедрение регулируемого электропривода в энергетике, промышленности, жилищном хозяйстве, железнодорожном транспорте и других отраслях обеспечит ежегодную экономию 35-40 млрд. кВт ч. электроэнергии. Внедрять энергосберегающее оборудование значительно выгоднее, нежели вводить новые мощности для получения такого же количества киловатт-часов, экономию которых он обеспечит. Главными причинами эффективности регулируемого привода признается повышение надежности работы оборудования, его срока службы и межремонтного ресурса. Этот эффект достигается за счет «щадящих» режимов работы обеспечивающих регулированием. В последние годы во всем мире интенсивно развивается более прогрессивное направление работ по созданию регулируемых электроприводов – приводы на основе вентильных (с постоянными магнитами и индукторных) электродвигателей.

Основные преимущества индукторных  машин перед аналогами:

  • простота конструкции;
  • высокая надежность ротора ввиду отсутствия на нем каких-либо         обмоток;
  • бесконтактный, плавный, двухзонный способ регулирования частоты

вращения в широких пределах при постоянстве вращающего момента;

  • минимальный объем технического обслуживания в период эксплуатации;
  • значительное снижение массы и габаритов.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ      ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

Развитие полупроводниковой электроники  привело к созданию управляемых  полупроводниковых приборов, обладающих недостижимыми для контактных приборов и аппаратов быстродействием  и малой мощностью управления, малыми массогабаритными и высокими энергетическими показателями, надежностью. К таким полупроводниковым приборам относятся транзисторы, тиристоры, динисторы, баристоры, оптоэлектронные приборы и др. Применение тиристоров и тиристорных устройств наиболее эффективно в схемах коммутации, защиты, регулирования и преобразования напряжения. Управление тиристорами в преобразовательных установках с непосредственной связью может быть фазовым, амплитудным, импульсно-фазовым, число-импульсным, широтно-импульсным.

В данном случае мы конкретно будем  рассматривать Импульсно-фазовую  систему или по другому СИФУ.

По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания:

  • горизонтальные;
  • вертикальные;
  • Интегрирующие;

А  также системы импульсно-фазового управления делятся по числу каналов управления:

  • Многоканальными;
  • Одноканальными.

 

В тиристорных устройствах управления с упрощенным регулирующим органом, как правило, используется одноканальная система управления как наиболее простая и более надежная в отличие от многоканальной, используемой в более сложных тиристорных схемах. По этой причине тиристорные устройства с наименьшим числом управляемых элементов и каналов управления имеют перспективы применения в бытовой технике.

Недостатком многоканальных систем является трудность получения симметрии импульсов во всех каналах, так как это требует часто очень точного подбора параметров применяемых устройств формирования и сдвига импульсов. В одноканальной системе значительно легче получить симметрию управляющих импульсов, но система усложняется за счет применения специальных распределителей. В настоящее время преимущественное распространение получили многоканальные СИФУ. 

По типу синхронизации могут  быть:

  • Синхронные;
  • асинхронные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

  РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Для проектирования вида силовой схемы  преобразователя проанализируем данные к курсовой  работе. Привод осуществляется двигателем постоянного тока, с номинальным напряжением 220 В и мощностью двигателя 11 кВт. Его основные параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические  данные двигателя 2ПФ160LГУХЛ4:

Рн, кВт

Uн,В

nн, об/мин

nmax, об/мин

ŋн,%

Сопротивление обмоток, Ом

Jд,

кг·м²

Lя,

мГн

Iн,А

Rя

Rдп

Rов

11

220

1500

4200

84,5

0,096

0,073

13,4

0,1

3,1

59,17


2.1 Расчёт параметров и выбор силовых элементов.

 

Выбор тиристоров производится по предельному значению тока протекающего через вентиль и максимальному значению обратного напряжения с учётом условий охлаждения вентиля и отличия формы тока от синусоидальной.

Выбор тиристоров осуществляется следующим образом:

Определение класса вентиля по напряжению:

                                              (1)

где: – коэффициент запаса по рабочему напряжению;=.

Выбираем = 1,8;

 – максимальное  значение рабочего напряжения  прикладываемого к вентилю;

 – напряжение соответствующее  определённому классу вентиля;

                                                  (2)

где: – номинальное значение рабочего напряжения прикладываемого к

вентилю;

 – коэффициент, учитывающий  возможное повышение напряжения  в  сети;

 

 

 

Выбираем  тиристор 11 класса.

        Рисунок 1 - Силовая схема 

 

 

Определение среднего расчётного тока вентиля

Для трёхфазной мостовой схемы средний расчётный  ток вычисляется по формуле:

                                                                    (4)

где: – номинальный ток якоря двигателя;

 

Действующее значение тока для трёхфазной мостовой схемы:

 
 


Коэффициент формы тока:

 
 


Выберем тиристор по условию:

 

 

где: – коэффициент запаса по охлаждению;;

 – коэффициент запаса по  рабочему току;;

 

Данному условию  удовлетворяет тиристор марки Т151-100 с охладителем О151- 80. Параметры тиристора приведены в таблице 2.

Таблица 2- Параметры  тиристора Т151-100 с охладителем О151- 80:

Uт(то),В

rt,мОм

Rthja, ˚С/Вт

Rthjc, ˚С/Вт

Rthha,˚С/Вт

Ta,˚С

Tjm,˚С

ITAV, А

Iуд,кА

1,15

2,54

2,2

0,3

1,82

40

125

30

0,33


 

Выбранный тиристор необходимо проверить на нагрев. Для этого необходимо провести расчёт по формуле:

 
 


где: - пороговое сопротивление прямой ветви прибора;

- пороговое напряжение  прямой ветви прибора;

-тепловое сопротивление  “переход - среда”;

- предельно допустимая  температура структуры;

- температура  окружающей среды.


где: - тепловое сопротивление “переход-корпус”;

 

 

– тепловое сопротивление  “корпус - контактная поверхность 

охладителя”;

 – тепловое  сопротивление “тепловой охладитель - окружающая среда”;

– тепловое сопротивление  ”переход – среда”:

 

 

Так как выполняется  неравенство:>, (32,9>30,56),то данный

тиристор подходит для использования в рассчитываемом преобразователе.

 

2.2 Расчет  и выбор силового трансформатора.

 

Силовой трансформатор применяется для  согласования номинального напряжения двигателя с выпрямленным напряжением.

Находим требуемое значение вторичной обмотки трансформатора:

                                   (11)

 

     где: -коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения сети;

 

-коэффициент, учитывающий напряжение на активных сопротивлениях трансформатора, падение напряжения на вентилях, падение напряжения из-за коммутации вентилей;

 

-коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей;

 

 

-ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

                                   (12)

где: -номинальное напряжение двигателя;

-коэффициент схемы;

 

 

 

Таким образом:

 

 

Рассчитаем  типовую мощность трансформатора:

                                                       (13)

где: - мощность постоянных составляющих тока и напряжения выпрямителя:

;                                                          (14)

-коэффициент, учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих;

 

Таким образом:

 

 

Найдем  полную мощность трансформатора:

;                                          (15)                                                                         

где:-коэффициент не прямоугольности тока, учитывающий отклонение

       формы тока от прямоугольного;

 

 

Из каталога выбираем трансформатор по соотношению:

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 – технические данные трансформатора ТТ-25.

         

25

240

125

5

200


 

 

Найдем активное и индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

 
 


где:-нагрузочные потери трансформатора;

-номинальный ток вторичной обмотки;

   -пульсность схемы;

 


                                                    (18)

где: -полное сопротивление КЗ;

 
 


где:-напряжение КЗ трансформатора в %;

 

 

 

 

         2.3Выбор сглаживающего дросселя.

 Выбор сглаживающего дросселя, включённого последовательно с  якорем двигателя, производится  для обеспечения непрерывности  тока двигателя на всём диапазоне изменения ЭДС преобразователя, а также для ограничения пульсации тока, которые ухудшают коммутацию двигателя и увеличивают его нагрев.

Сначала определяется требуемая постоянная времени электрической цепи исходя из условий ограничения зоны прерывистого тока:

 
 


где: – постоянный коэффициент схемы выпрямления. Для трёхфазной мостовой схемы=.

 – максимальное значение  относительного граничного тока  зоны прерывистого тока:

 


где:  – абсолютное наибольшее значение граничного тока, которое должно быть меньше тока холостого хода. Его значение должно находиться в пределах(0,05-0,15)∙Iн.

 – базовое  значение тока.


 

 


где: – максимальное значение анодного напряжения;

 – активное сопротивление  якорной цепи в граничном режиме (в режиме прерывистого тока):


 

где: – сопротивление якоря двигателя;

 – приведённое ко вторичной обмотке активное сопротивление трансформатора.

 – активное  сопротивление силового преобразователя,  учитывающее падение напряжения  на вентилях и проводах:


 

где: - падение напряжения на вентиле в прямом состоянии ≈ 2;

 – число последовательно  включённых вентилей проводящих  ток в один итот же момент  времени (= 2).

 

 

 

 

Теперь  можем определить :

 

Далее определяется требуемая индуктивность якорной  цепи и требуемая индуктивность сглаживающего дросселя:


                                                                                 (27)

где: – индуктивность якоря двигателя.

 

где: a = 2, w = 314.

 

 

= 0,028 –0,0031− 2∙ 0,000828 = 0,023 Гн.

 

Из каталога выбираем дроссель Фрос – 10/1 данные представлены

в таблице  4:

Таблица 4- Параметры  дросселя.

Iн, А

Lн, мГн

Потери мощности при Iн−ΔP, Вт

Масса, кг

100

75

180

700


 

Определяем  расчетные параметры силовой  цепи.

Расчетная индуктивность цепи выпрямленного  тока:

 

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного  тока:

 

где:  - сопротивление перекрытие вентилей:

 

Определим расчетное сопротивление  цепи выпрямленного тока:

 

Тогда электромагнитная постоянная времени  будет получена как:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   3 РАСЧЕТ И ВЫБОР ЗАЩИТНЫХ RC-ЦЕПОЧЕК

 

Переходные  процессы в цепях преобразователей электрической энергии часто сопровождаются перенапряжениями, основными их которых являются:

Перенапряжения, обусловленные внутренними процессами в полупроводниковых приборах в моменты коммутации тока; коммутационные перенапряжения, возникающие в моменты отключения внешних цепей с индуктивностями; перенапряжения, вызванные резонансными явлениями в преобразователях; внешние перенапряжения, поступающие из питающей сети. Перенапряжения могут привести к электрическому пробою приборов, вызывающему, как правило, возникновение коротких замыканий.

Защитные  RС цепочки предназначены для ограничения скорости нарастания напряжения и снижения перенапряжений на вентилях схемы.

Точный  расчет  RС цепей достаточно сложен и требует учета ряда факторов и применения вычислительной техники. Параметры  RС цепочек определяются компромиссным решением с учетом достаточного ограничения уровня напряжения и скорости изменения напряжения на вентиле, а также ограничения амплитуды разрядного тока защитного конденсатора в момент включения вентиля при максимальном угле регулирования.

Параметры RС цепочек, защищающих полупроводниковые приборы от внутренних перенапряжений, ориентировочно можно определить по следующим формулам:

 


 


где: еК– напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах;

 

– максимальное значение прямого тока вентиля;

– максимальное значение обратного тока вентиля;

W–угловая частота питающей сети.

С другой стороны, на основании опытных данных, параметры RС цепей выбираются в пределах: R=ЗЗ÷200 Ом,   С=0,1÷0,5 мкФ.

Тогда выбираем R=66 Ом, С=0,1 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              4 ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

На основании спроектированной схемы преобразователя, рассчитанных силовых элементов выбираем Электропривод «БТУ 3601» Электрическая функциональная схема ЭП «БТУ 3601» представлена в графической части листа 1.

 Электропривод «БТУ 3601» предназначен для регулирования скорости вращения как обычных двигателей постоянного тока с независимым возбуждением, так и высокомоментных электродвигателей.

Силовая часть преобразователя состоит из двух трехфазных мостовых комплектов тиристоров, работающих по принципу раздельного управления. Подключение преобразователя к силовой сети производится через согласующий трансформатор.

Управление скоростью вращения осуществляется двухконтурной системой автоматического регулирования с ПИ-регуляторами тока и скорости.

Для линеризации регулировочной характеристики преобразователя в зонах прерывистого и непрерывного токов используются нелинейное звено с сигналом положительной обратной связи по ЭДС двигателя.

Для повышения термостабильности и увеличение диапазона регулирования электропривода применяется предварительный усилитель регулятора скорости, выполненный по схеме модулятор – усилитель –демодулятор. Преобразователь состоит из двух печатных плат Е1 и Е2.

Плата Е1 содержит функциональные узлы, необходимые для управления нереверсивным электроприводом:

-систему импульсно-фазового управления  СИФУ;

-регуляторы скорости и тока  РС и РТ;

-функциональный преобразователь  ЭДС двигателя ФПЕ;

-нелинейное звено НЗ;

-блок питания БП;

-узел защиты и блокировки УЗ и Б.

       Выходное напряжение  регулятора скорости РС ограничивается  уровнем насыщения операционного  усилителя и с помощью переменного  резистора делителем, подключенного к выходу усилителя, может плавно регулироваться, задавая уставку тока ограничения.

        Параллельно  узлу ограничения тока подключен  узел зависимого от скорости  токоограничения, который осуществляет дополнительное ограничение тока и функции скорости.

Регулятор тока формирует напряжение, пропорциональное разности сигналов задания  на ток и отрицательной обратной связи по токам.

При переключении комплектов тиристоров В и И одновременно ключами Б и Н производится изменение полярности выходного напряжения датчика тока для сохранения отрицательного звена обратной связи по току.

Нелинейное звено суммирует  выходное напряжения регулятора тока Uрт, пропорциональное току двигателя, и напряжение обратной связи по ЭДС с разными коэффициентами передачи. Коэффициент передачи НЗ по входу Uрт является нелинейным, имея зависимость, обратную коэффициенту передачи тиристорного преобразователя в зоне прерывистого тока. Коэффициент передачи НЗ по входу Uв является постоянным.

Сигнал Uв формируется функциональным преобразователем ЭДС, имеющим характеристику близкую к арксинусной, т.е. обратную регулировочной характеристике тиристорного преобразователя. Этим осуществляется приведение сигналов тахогенератора, пропорционального ЭДС двигателя, по входу СИФУ.

Разнополярное напряжение управления U2 нелинейного звена преобразуется переключателем характеристик в однополярное. Таким образом, в статическом режиме работы привода на управляющий орган СИФУ подается только отрицательная полярность, не зависимо от работающего комплекта тиристоров.

Управляющий орган СИФУ обеспечивает ограничение минимального и максимального  углов регулирования, установку  начального угла регулирования СИФУ вырабатывает импульсы управления для тиристоров. Фазовый сдвиг относительно силового напряжения на тиристорах на пропорционали напряжения, поступающему на СИФУ от УО.

Усилители импульсов согласуют  по мощности выход СИФУ  с импульсными трансформаторами. Кроме этого на УИ происходит сдваивание импульсов. Логическое устройство раздельного управления служит для формирования сигналов кл. В и кл. Н. управляющих ключами В и Н в датчике тока, переключателе характеристик и цепи импульсных трансформаторов.

Командной для УЛ на переключение комплектов является изменение полярности сигнала Uвд ,пропорционального напряжению Uрт и коэффициенту передачи НЗ.

Контроль отсутствия тока через  тиристоры производится датчиком проводимости вентилей.

Элемент И осуществляет логическое умножение блокировочных сигналов Uби и Uбя и имеет на выходе логический сигнал единичного уровня в тот промежуток времени, когда отсутствуют ток через тиристор и управляющий импульс на тиристоре.

При появлении команды на переключении комплектов и наличии на выходе элементов  и сигнала единичного уровня УЛ формирует сигнал Uр =0 нулевого уровня который запускает элемент от счета выдержки времени. На период выдержки времени импульсные трансформаторы обоих комплектов находится в отключенном состоянии, дополнительно сигнал Uр =0 запрещает формирование импульсов управления в СИФУ. По истечении выдержки времени происходит подключение импульсных трансформаторов к заданному комплекту, одновременно сигналом Uр=1 разрешатся формирование импульсов в СИФУ.

 

Узел  обеспечивает следующие виды защит:

  • максимально – токовую «сеточную» действующую при аварийных токах;
  • от перегрева двигателя при перегрузках;
  • устранение «ползучей» скорости при отключении задатчика частоты вращения;
  • от понижения напряжения в питающей сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БЛОКА СИФУ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

Формирователь импульсов  - генерирует электрические  импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах

Формирователь импульсов  представлен в графической части листа 2  и включает в себе следующие узлы: фильтр Ф, пороговые ПЭ1 и ПЭ2, формирование синхронизированных импульсов F, генератор пилообразного напряжения ГПН, нуль орган НО, RS-триггер Т, формирователь длительности импульсов ФДИ.

На вход фильтра Ф подается сигнал синхронизации

Фильтр  Ф осуществляет сдвиг синхронизирующего  напряжения на угол 30 эл. град. совмещая тем самым начало зоны разрешения выдачи  импульса на тиристор с точкой естественной коммутации силового напряжения на тиристорах.

Выходное  напряжение фильтра с помощью  пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 преобразуется в две противофазные последовательности прямоугольных импульсов. Величина порогов (зоны не чувствительности) определяется падением напряжения на переходах база – эмиттер транзисторов VT1 и VT2. Длительность импульса единичного уровня определяет зону разрешения выдачи управляющих импульсов на соответствующий тиристор В промежуток времени перекрытия импульсов нулевого уровня на входах DD1.1  и DD1.2 на выходе F формируется синхроимпульс единичного уровня длительностью около 8 эл. град. Этот импульс открывает VT5, осуществляющий разряд интегрирующей ёмкости C3 до нулевого напряжения. После исчезновения синхроимпульса на выходе ГПН напряжение линейно возрастает от 0 до 10 вольт.

 

 

 

6 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТРУНОЙ СХЕМЫ БЛОКА СИФУ

 

Система импульсно-фазного управления  СИФУ формирует для управления тиристорами сдвоенные прямоугольные импульсы, фаза которых относительно силового напряжения на тиристорах изменяется пропорционально напряжения, поступающему управляющий орган СИФУ. Структурная схема приведена на рисунке 2

 

 

Рисунок 2- Структурная  схема формирователя импульсов

 

 и включает в себе следующие:

-источник синхронизирующего напряжения  ИСН;

-три идентичных формирователя  импульса ФИ;

-управляющий орган УО;

-шесть усилителей импульсов  УИ;

-двенадцать импульсных трансформаторов  ИТ;

В качестве ИСН используется вторичная  обмотка W3 трансформатор Т1 питание и синхронизации преобразователя. Присоединение силового трансформатора по схеме Y/Y напряжение синхронизации совпадает по фазе с силовыми напряжениями одноименных фаз на тиристорах.