Пример расчета преобразователя частоты со звеном постоянного тока.

Преобразователь частоты со звеном постоянного тока выполнен по схеме, приведенной на рисунке 48. Преобразователь частоты содержит в своем составе неуправляемый выпрямитель, транзисторный трехфазный инвертор, емкостной сглаживающий фильтр, установленный на выходе выпрямителя, и цепь для поглощения энергии, рекуперируемой инвертором при переходе асинхронной машины из двигательного режима в генераторный.

Преобразователь частоты питается от трехфазной сети переменного тока с частотой 50Гц и напряжением 220/380 В ±10%.

Инвертор напряжения работает с синусоидальной ШИМ.

Нагрузкой инвертора служит трехфазный асинхронный двигатель

АОЛП 22-12, имеющего следующие параметры:

-номинальное напряжение U_фN=220В;

-номинальная частота f_N=400Гц;

-полезная мощность Р_N=600Вт;

-частота вращения n_N=3750 об/мин;

-потребляемая мощность Р₁=840Вт;

-потребляемый ток I₁=3,9/2,25А;

-начальный пусковой ток I_1П=15,6/9А;

- коэффициент полезного действия η=0,74;

-коэффициент мощности cosφ=0,54.

Обмотки статора двигателя соединены в треугольник, поэтому номинальное значение величины фазного напряжения равно номинальному значению величины линейного напряжения, т.е. равно 220В.

Особые условия, предъявляемые к преобразователю частоты.

Преобразователь частоты должен обеспечить возможность независимого регулирования выходного напряжения, как по величине, так и по частоте. Диапазон регулирования частоты выходного напряжения в пределах от 0 до 1,0 номинального значения, а диапазон регулирования величины выходного напряжения в пределах от 0 до 1,15 номинального значения величины напряжения двигателя.

Выбираем значение несущей частоты ШИМ инвертора равным 2500Гц.

Необходимо:

- рассчитать загрузку вентилей выпрямителя и инвертора и выбрать их;

-рассчитать емкостной фильтр;

- оценить гармонический состав выходного напряжения инвертора при синусоидальной ШИМ.

Принцип работы инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ и расчетные соотношения приведены в разделе 2.3

Расчет величины напряжения постоянного тока на входе инвертора, необходимого для обеспечения номинального значения напряжения двигателя определим по формуле (69):

где μ_max - максимальное значение коэффициента модуляции принято равным 0,9.

C учетом требования задания необходимо увеличить максимальное значение этого напряжения в 1,15 раза, т.е. максимальное значение напряжения на входе инвертора должно быть не менее 459В, U_{п max}≥459В.

Определим величину напряжения на выходе неуправляемого выпрямителя, U_d0,включенного между питающей сетью и входом инвертора напряжения.

U_d0=k_схU_c-2ΔU_в.пр..=2,34•220- 2•1,5=512В,

где k_сх - коэффициент преобразования схемы выпрямителя равен 2,34, а напряжение фазы питающей сети в соответствие с заданием равно 220В;

ΔU_в.пр.- прямое падение напряжения на открытом диоде выпрямителя.

С учетом возможного отклонения величины напряжения питающей сети, равном ±10% величина выходного напряжения выпрямителя может колебаться в пределах от U_dmin= 0,9U_d0= 463,5В до U_dmax=1,1U_d0=563В.

Совершенно очевидно, что минимальное значение напряжения на выходе выпрямителя U_dmin должно быть больше или равно максимальному напряжению на входе инвертора U_{п max}. Сравнивая рассчитанные значения U_dmin и U_{п max}, можно видеть, что это условие выполняется и для согласования напряжения двигателя с напряжением питающей сети не требуется устанавливать сетевой трансформатор. Таким образом мы показали, что проектируемый преобразователь частоты может быть выполнен без сетевого трансформатора.

Определим номинальное значение коэффициента модуляции с учетом того, что преобразователь частоты будет выполнен без сетевого трансформатора.

Далее определим загрузку транзисторов и диодов обратного тока инвертора по току и напряжению c учетом значения μ_N.

В соответствие с формулой (72) максимальное значение коллекторного тока транзистора I_кmax равно максимальному (амплитудному) фазному значению выходного тока инвертора. С учетом того, что обмотки статора двигателя соединены в треугольник, выходной ток фазы инвертора равен линейному току двигателя, т.е. I_ф.и =I_л.дв.=3,9А (смотри задание):

Среднее значение тока диода обратного тока (I_{vд ср.}) определим по формуле (73):

В диапазоне низких значений частоты выходного напряжения инвертора, когда значение коэффициента модуляции может находиться в пределах от 0,05 до 0,1 среднее значение тока диода обратного тока следует определять по формуле (73). Примем минимальное значение коэффициента модуляции равным 0,1.

I_{vд ср. max}= I_ф.m(1-μ)/2=5,5(1-0,1)/2=2,5А.

Для выбора диода обратного тока примем значение I_{vд.ср. max}=2,5А.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента запаса по току,

равного 2, транзистор следует выбирать на ток не менее 11А, а диод на ток не менее 5.

Обратное напряжение на транзисторах и диодах обратного тока инвертора равно максимальному значению напряжения на выходе выпрямителя с учетом колебания напряжения питающей сети, т.е. равно 563В. С учетом рекомендуемого значения коэффициента запаса по напряжению, равного 2, транзисторы и диоды инвертора следует выбирать на напряжение не менее 1140В.

Транзисторы и диоды обратного тока можно выбрать по справочным данным, приведенным в конце учебного пособия. Из таблицы 11 выбираем транзистор типа PM15CZF120, параметры которого:

-максимальное напряжение сток-исток, U_c-и=1200В;

-максимальный ток стока, I_c=15А;

-суммарное время включения и выключения, t_вкл. +t_выкл.=2,7мкс.

Из таблицы 16 выбираем диоды типа IDB09E120, параметры которых:

- максимальное обратное напряжение, U_обр.max=1200В;

- номинальное значение среднего тока, I_vд.ср.N=9А.

Далее определим загрузку диодов сетевого выпрямителя по току и напряжению.

Выпрямитель собран по трехфазной мостовой схеме, поэтому максимальное обратное напряжение на диодах выпрямителя определяется в соответствие с соотношением:

U_обр.max=1,045U_dmax=1,045•563=588В.

Среднее значение тока диода выпрямителя

I_в.ср..=0,33I_dN,

где I_dN – среднее значение входного тока инвертора

Значение тока на входе инвертора (I_d) определим по формуле:

Таким образом среднее значение тока диода выпрямителя равно

I_В.СР.=0,33I_dN=0,9А.

С учетом двойного запаса по току и напряжению диоды выпрямителя следует выбирать на ток не менее 2А и напряжение не менее 1200В.

Из таблицы 16 выбираем диоды типа IDB04E120 параметры которых:

- максимальное обратное напряжение, U_обр.max=1200В;

- номинальное значение среднего тока, I_vд.ср.N=4А.

Определим значение компенсирующего конденсатора, включенного на вход инвертора по формуле (77)

Выбираем компенсирующий конденсатор с двойным запасом по емкости, т.е. С₀=30мкФ на напряжение не менее 1200В.

Выполним расчет конденсатора сглаживающего фильтра, на выходе выпрямителя и сравним это значение с тем значением компенсирующего конденсатора, которое определено выше (С₀=15мкФ).

Примем амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения ΔU_П=0,1U_dN=0,1•515=51,5В.

Амплитуда выходного напряжения равна

Величину емкости конденсатора фильтра должна быть такой, чтобы запасенной им энергии на интервале квантования выходного напряжения выпрямителя [Т_кв=Т_с/(k_Тm₂)=0,02/6=0,0033с], было бы достаточно для питания нагрузки на этом временном интервале при условии провала амплитуды напряжения на величину, равную ΔU_П, т.е.:

( 117)

Откуда требуемая величина емкости конденсатора фильтра

.

( 118)

Сравним значения емкости конденсатора, рассчитанного по формуле (118) и рассчитанного по формуле (77). Эти значения оказались достаточно близкими. Окончательно принимаем решение по величине конденсатора на входе инвертора, С₀=30мкФ.

С учетом того, отношение несущей частоты к модулирующей

ε=f_нес./f_мод.=2500/50=50, т.е. более 10, гармонический состав выходного напряжения инвертора можно определить, воспользовавшись графиками, приведенными на рисунке 30. Наиболее сильно выраженными высшими гармониками являются гармоники, номера которых определяются по соотношениям:

ν=50±1, ν=50±2, т.е. гармоники ν=48, ν=49, ν=51 и ν=52, относительная величина каждой из которых, изменяется в зависимости от величины коэффициента модуляции (μ) так, как это показано на рисунке 30.