Расчетная часть. 
Расчёт и проектирование инвертора напряжения с ШИМ для асинхронного двигателя

Обоснование и выбор элементов силовой части

Выбор и расчёт асинхронного двигателя

Исходными данными для проектирования являются:

• 1) напряжение трехфазной сети U_c = 380 В;
• 2) мощность асинхронного двигателя Р = 65 кВт.

Выбираем трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором RA280S2.

Технические характеристики:

Номинальная мощность, Р₂ 65 кВт Номинальное напряжение, U_1ф/U_1л 220/380 В Скольжение, s 3%.

Скорость, n 3000 об/мин Коэффициент полезного действия, КПД 94%.

Коэффициент мощности, Cos 0,89.

Мощность и напряжение короткого 7 кВт/55 В замыкания, P_k/U_k

Мощность и ток холостого хода, P₀/U₀ 3,5 кВт/100 А Т — образная схема замещения асинхронного двигателя представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 — Т — образная схема замещения двигателя Пользуясь программой Mathcad произведём расчёт.

1) Опыт короткого замыкания:

P_k = 7 кВт, I_k = I_n = 110 А, U_k = 55 В, f_n = 50 Гц.

Z_k =, Z_k = Ом,.

R_k =, R_k = Ом,.

X_k =, X_k = Ом,.

R_s = R_r = = 0,096 Ом,.

X_s = X_r = = 0,231 Ом,.

L_s = L_r =, L_s = L_r = мГн.

2) Опыт холостого хода:

P_о = 3,5 кВт, I_о = 40 А, U_о = U_n = 220 В, f_n = 50 Гц.

Z_о =, Z_о = Ом,.

R_о =, R_о = Ом,.

X₀ =, X₀ = Ом,.

R_m = R₀ — R_s, R_m = 0,729 — 0,096 = 0,633 Ом,.

X_m = X₀ — X_s, X_m = 5,451 — 0,231 = 5,221 Ом,.

L_m =, L_m = мГн.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения для одной фазы двигателя:

Z = Z_s +, Z = 0,186 + 0,452i Ом,.

R = 0,186 Ом,.

X = 0,452 Ом,.

,.

.

L = 1,439 мГн.

Расчёт выпрямителя

Выпрямитель собран по трёхфазной мостовой схеме (схема Ларионова).

Среднее значение идеального выпрямленного напряжения в многофазной схеме:

В трехфазной мостовой схеме m = 6, тогда.

Среднее значение выпрямленного тока:

Среднее и амплитудное значения тока через вентиль:

Амплитуда напряжения на вентиле:

Частота напряжения на выходе в 6 раз больше:

Теперь можно выбрать полупроводниковые диоды.

Выбираем диодный полумост M5060CC600 производителя Crydom с параметрами:

Максимальный постоянный выходной ток, А 125.

Максимальное обратное напряжение U, В 600.

Рисунок 2.1.2 — Диодный полумост M5060CC600.

Расчёт LC — фильтра

Г-образные фильтры обеспечивают достаточно хорошее сглаживание и находят широкое применение, когда требуется более высокое качество постоянного напряжения. Они применяются в мощных двухзвенных преобразователях частоты на выходе выпрямительного звена.

Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:

S_LC = ,.

где q_вх — коэффициент пульсаций на входе фильтра; q_вых — коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01…0,1; выберем q_вых = 0,01.

Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению):

q_вх = ,.

где n — число пульсаций выпрямителя; для трёхфазной мостовой схемы.

n = 6; - угол управления вентилей выпрямителя; = 0є т.к. выпрямитель диодный неуправляемый.

q_вх = = 0,057.

Численное значение коэффициента сглаживания:

S_LC = = 5,7.

При проектировании фильтра должны выполняться следующие соотношения, обеспечивающие индуктивный характер нагрузки для выпрямителя и шунтирование активного сопротивления нагрузки по.

переменной составляющей:

Таким образом подбираем значение ёмкости С = 0,16 мкФ, и индуктивность L = 10 Гн.

Выбираем из справочника металлобумажный конденсатор типа.

МБГВ-1−400 В 0,22 мкФ ± 5%.

Расчёт инвертора напряжения (АИН)

Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

I_{с, макс} = ,.

где Pн — номинальная мощность двигателя, Вт; k_I = (1,2−1,5) — коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода; k₂ = (1,1−1,2) — коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; з_н — номинальный КПД двигателя; U_л — линейное напряжение двигателя, В.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя:

В.

Выбираем IGBT модуль при условии Iс? Iс.макс. и U_ce?U_d

Выбрали 3 модуля CM100D-Y-12H (одна ветвь моста, два транзистора) с параметрами:

Напряжение коллектор-эмиттер U_ces, В 600.

Ток коллектора I_c, А 300.

Рисунок 2.1.3 — IGBT — модуль CM100D-Y-12H (полумост).

Расчёт тормозного резистора

Для выбора тормозного модуля нам потребуется:

• — период включения тормозного резистора ED,
• — тормозной ток I_в,
• — время торможения t_в.

Необходимые параметры для расчёта смотрим в технической документации нашего двигателя RA280S2:

Мощность двигателя: 65 кВт Номинальная скорость двигателя: 3000 об/мин Номинальный момент: 260 Нм Номинальное напряжение питания: 380 В Тормозной момент: 120% от номинального момента Время цикла: 30 сек.

Момент инерции нагрузки: 2 кгм²

Требуемое время торможения:

t_в =, t_в = сек.

Значение тормозного цикла:

ED =, ED =.

Рассчитаем номинальную мощность тормозного резистора:

P_Bmax =, P_Bmax = .

Определяем максимально-допустимое значение тормозного сопротивления:

R_B, R_B .

Тормозной ток:

I_B =, I_B =.

Согласно перегрузочной способности тормозного модуля VFDB-4030 с временем торможения 2,9сек. и током торможения 19А, тормозной цикл 23% возможен.

Т.обр. для этого применения были выбраны VFDB-4030 и тормозной резистор 20 Ом/15 кВт.