4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Рисунок 4.1 – Функциональная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

В преобразователях частоты данного типа переменное напряжение питающей сети выпрямляется и через фильтр подается на автономный инвертор, который в свою очередь преобразует постоянное напряжение в переменное с регулируемой частотой.

Благодаря наличию звена постоянного тока выходная частота преобразователя может регулироваться в широком диапазоне как вверх, так и вниз относительно частоты сети.

Функциональная схема преобразователя, представленная на рис. 9, содержит: выпрямитель В, индуктивно-емкостной фильтр Ф, автономный инвертор И с системой управления СУИ, осуществляющей регулирование напряжения и частоты в статических и динамических режимах в соответствии с принятыми законами частотного регулирования.

Благодаря наличию звена постоянного тока выходная частота преобразователя может регулироваться в широком диапазоне как вверх, так и вниз относительно частоты сети.

Выпрямитель выполняется по трехфазной мостовой схеме реализованной на диодах.

Силовая схема инвертора представляет собой трехфазную мостовую схему, реализованную на транзисторах IGBT с возвратными диодами.

Силовая схема преобразователя частоты представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Силовая схема трехфазного преобразователя частоты.

Выбор диодов неуправляемого выпрямителя.

1) Для преобразователя частоты двигателя питателя.

Рассчитаем среднее и действующее значения тока через диод:

,

.

Коэффициент формы тока:

.

Из справочника [4] предварительно выбираем диод по соотношению:

, (4.1)

где I_FAVm – максимально допустимый средний ток при заданной температуре корпуса;

_зо=0,81,2 – коэффициент, учитывающий отклонение условий работы диода от номинальных. Примем _зо=0,95.

_зрi=1,21,6–коэффициент запаса по току в рабочем режиме. Примем _зрi=1,6.

Тогда: .

Выбираем диод Д112-10 с охладителем О111-60, с I_FAVm=7А при естественном охлаждении и температуре окружающей среды Т_а=40⁰С.

Для выбранного нами диода вычисляем максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы:

, (4.2)

где U_Т(ТО) – пороговое напряжение, В;

r_{Т – дифференциальное сопротивление, Ом;}

_{Тjm – максимально допустимая температура перехода, 0С;}

_{Rthja – тепловое сопротивление переход-среда, ч/Вт, вычисляется по формуле:}

_{, (4.3)}

_{где Rthjс – тепловое сопротивление переход-корпус;}

_{Rthch–тепловое сопротивление корпус-контактная поверхность охладителя;}

_{Rthha – тепловое сопротивление охладитель-охлаждающая среда.}

_{Из справочника [4] значения тепловых сопротивлений:}

_{Rthjс=3 0С/Вт по таблице 5.2;}

_{Rthch=0,3 0С/Вт по таблице 5.3;}

_{Rthha=5,5 0С/Вт по таблице 19.2.}

_{Подставим значения в формулу (4.3):}

_.

_{Из справочника [4] определим:}

U_Т(ТО)=0,9 В по таблице 5.2;

r_{Т=17,510-3 Ом по таблице 5.2;}

_{Тjm=+190 0С по таблице 5.2.}

_{Подставляем в формулу (4.2):}

_.

_{Проверяем соотношение:}

_{; (4.4)}

_2,54<11,3.

_{Диод удовлетворяет соотношению (4.1).}

_{Максимальное допустимое напряжение, прикладываемое в схеме преобразователя не должно превышать допустимого значения повторяющегося импульсного напряжения, определяющего класс вентиля по напряжению:}

_{, (4.5)}

_{где Uобр.m – максимальное значение напряжения:}

_;

_{зи=1,31,5–коэффициент запаса по напряжению, принимаем зи=1,5;}

_{с=1,1 – коэффициент учитывающий повышение напряжения сети.}

_{Подставляем значения в (4.5):}

_.

_{Выбираем диод 9 класса по напряжению, т.е. URRM=900 В.}

_{Проверим диоды по перегрузочной способности. Определим средние потери мощности для тока, соответствующего перегрузке:}

_{, (4.6)}

_где

_,

_{где зрim – коэффициент запаса по току рабочей перегрузки, примем зрim=1,2, тогда:}

_.

_{Подставим значения в формулу (4.6):}

_.

_{Определяем средние потери мощности для тока, предшествующего перегрузке:}

_{, (4.7)}

_.

_{Определяем переходное тепловое сопротивление переход-среда:}

_{, (4.8)}

_.

_{По графику зависимости Z(th)tja=f(t) (рисунок. 19.8 [4]) определяем допустимое время перегрузки tпер.max=9 c.}

_{Считаем, что время перегрузки равно времени пуска электродвигателя, которое было рассчитано в п. 3.4., т.е. tпер.=6,96 с. Так как время пуска двигателя меньше допустимого времени перегрузки, то выбранные нами диоды удовлетворяют требованиям по перегрузочной способности.}

_{2) Для преобразователя частоты двигателя наклонного конвейера.}

Рассчитаем среднее и действующее значения тока через диод:

,

.

Коэффициент формы тока:

.

Из справочника [4] предварительно выбираем диод по соотношению (4.1):

.

Выбираем диод Д112-10 с охладителем О111-60, с I_FAVm=7А при естественном охлаждении и температуре окружающей среды Т_а=40⁰С.

Максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы рассчитан ранее по формуле (4.2):

4.76<11,3.

Диод удовлетворяет условию (4.4). Дальнейшая проверка аналогична для диодов преобразователя частоты питателя.

_{Выбор элементов инвертора.}

_{Транзисторы выбирают из условия:}

_{, (4.9)}

_{где IТР – требуемый ток транзистора;}

_{UТР – требуемое напряжение транзистора;}

_{Uп.max – максимальное напряжение на транзисторе.}

_,

_{где kп.с.=1,15–коэффициент, учитывающий повышение напряжения в сети;}

_{kсхе=2,34 – коэффициент схемы по ЭДС (для трехфазной мостовой);}

_.

_{Максимальный ток:}

_{, (4.10)}

_{где kп=5,0 – кратность пускового тока для двигателя питателя;}

_{kзт=1,5 – коэффициент запаса по току;}

_{kf=1 – коэффициент учитывающий частоту коммутации.}

_{Максимальный ток преобразователя частоты питателя:}

_.

_{Максимальный ток через транзистор преобразователя частоты наклонного конвейера при kп=6,0:}

_{С учетом двукратного запаса по напряжению и в соответствии с максимальным током выбираем инвертор фирмы Siemens, выполненный на IGBT транзисторах по трехфазной мостовой схеме. Для преобразователя частоты питателя и наклонного конвейера соответственно:}

_{BSM25GD120DN2;}

_{– напряжение коллектор-эмитер Uce=1200 В,}

_{–ток коллекторной цепи Ic=35 А, при температуре окружающей среды Tc=25 0C,}

_{–напряжение управляющий электрод-эмитер UGE=20 В,}

_{–сопротивление управляющий электрод-эмитер RGE=20 кОм.}

_{BSM50GD120DN2;}

_{– напряжение коллектор-эмитер Uce=1200 В,}

_{–ток коллекторной цепи Ic=72 А, при температуре окружающей среды Tc=25 0C,}

_{–напряжение управляющий электрод-эмитер UGE=20 В,}

_{–сопротивление управляющий электрод-эмитер RGE=20 кОм.}

_{Расчет и выбор анодных реакторов}

_{Требуемую индуктивность анодного реактора рассчитаем по формуле:}

_{, (4.11)}

_{где Uc – линейное напряжение питающей сети;}

_{Iуд – ударный прямой ток, из таблицы 5.1 [4] Iуд=230 А;}

_{kзи=1,62 – коэффициент запаса по напряжению, выбираем kзи=1,6;}

_{k=3 – количество реакторов.}

_.

_{Из справочника выбираем анодный реактор РТСТ–20,5–4,04УЗ, со следующими техническими данными:}

_{номинальный ток фазовый Iном=20,5 А;}

_{номинальная индуктивность Lар=4,04 мГн;}

_{активное сопротивление обмотки Rар=885 мОм.}

_{Расчет и выбор параметров фильтра цепи постоянного тока}

_{Полное активное сопротивление:}

_{, (4.12)}

_{где Rар – активная составляющая сопротивления реактора:}

_;

_{Rп – эквивалентное коммутационное сопротивление:}

_,

_{где m=6 – пульсность схемы;}

_;

_{RДР – расчетное значение активного сопротивления, обусловленное падением напряжение на диодах в открытом состоянии:}

_,

_{где UFM=1,35 В – импульсное прямое напряжение (таблица 5.2 [4]).}

_{Для преобразователя частоты двигателя конвейера питателя:}

_.

_{Для преобразователя частоты наклонного конвейера:}

_.

_{Итак, по формуле (4.12):}

_.

_.

_{Требуемую индуктивность на стороне постоянного тока определим исходя из пульсаций переменной составляющей тока нагрузки:}

_{, (4.13)}

_где

_{L0=Lар+Lф,}

_{Lф – требуемая индуктивность;}

_{– удельная относительная величина действующего значения переменной составляющей тока.}

_{Для данной схемы выпрямления =0,015.}

_{Значение if должно находится в пределах 0,10,2. Принимаем if=0,1.}

_{Из формулы (4.13) найдем L0:}

_{, (4.14)}

_{Для преобразователя частоты конвейера питателя рассчитаем параметры фильтра:}

_;

_.

_{Принимаем индуктивность дросселя Lф=0,18 Гн.}

_{Постоянная времени:}

_.

_{С другой стороны постоянная времени:}

_.

_{Для устойчивой работы необходимо, чтобы выполнялось неравенство:}

_.

_{Следовательно}

_.

_{Выбираем конденсаторы фильтра по справочнику [5] типа К50-17, предназначенные для работы в цепи импульсного тока К50-17-1500мкФ10%.}

_{Рассчитаем параметры фильтра для преобразователя частоты наклонного конвейера:}

_;

_.

_{Принимаем индуктивность дросселя Lф=0,091 Гн.}

_{Следовательно}

_.

_{Выбираем конденсаторы фильтра по справочнику [5] типа К50-17, предназначенные для работы в цепи импульсного тока К50-17-1500мкФ10%.}

_{Расчет и выбор тормозного реостата}

_{Считаем, что максимальный тормозной момент МТ равен критическому моменту на данной характеристике.}

_{Рассчитаем номинальные потери двигателя по формуле:}

_{. (4.15)}

_.

_{Синхронная скорость при диапазоне регулирования D=3:}

_.

_{Частота питающего напряжения на данной скорости:}

_{, (4.16)}

_{где рП=2 – число пар полюсов.}

_{Итак, по формуле (4.16): .}

_{Считаем, что закон управления}

_.

_{Тогда . (4.17)}

_{Рассчитаем значения сопротивлений при торможении двигателя с учетом выражения (4.17) и частотах f=16,7; 20; 30; 40; 50 Гц исходя из формулы:}

_{. (4.18)}

_{Результаты расчетов по выражению (52) сведем в таблицу 4.2.}

_{Таблица 4.2 – Расчетные значения сопротивлений при торможении двигателя конвейера питателя.}

f, Гц	, рад/с	U, В	R, Ом
50 40 30 20 16,7	157,1 125,7 94,2 62,8 52,5	220 176 132 88 73,5	0,064 0,079 0,102 0,144 0,165

_{Таблица 4.3 – Расчетные значения сопротивлений при торможении двигателя наклонного конвейера.}

f, Гц	, рад/с	U, В	R, Ом
50 40 30 20 16,7	157,1 125,7 94,2 62,8 52,5	220 176 132 88 73,5	0,172 0,213 0,279 0,404 0,475