Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

Рис.15. Автономный инвертор тока, выполненный на запираемых тиристорах

В АИТ используется междуфазовая коммутация, при которой одновременно открыты два тиристора: один в анодной группе и один в катодной. Время открытого состояния каждого тиристора равно Т2 /3=1/3 f2. При такой коммутации токи в АИТ соответствуют токам, показанным на рис. 16: входной ток при постоянном задании (I2У=const) — постоянный (Id=const), выходной ток представляет собой импульсы практически прямоугольной формы, амплитуда которых всегда равна входномутокуI2м = Id. Управляемый выпрямитель в ПЧ с АИТ работает в режиме быстродействующего регулируемогоисточника тока, отуправляющегонапряжения которогозависит токId.

Форма тока па выходе АИТ не зависит от частоты f2, поэтому его гармонический состав, если пренебречь коммутационными интервалами, можно определить по уравнению:

i2= 1,11Id (sinω2t-0,2 sin5ω2t+0,14 sin7ω2t-…)

где ω2 = 2π f2.

Наличиев токегармоникнизкочастотнойчастиспектра вызываетпульсации момента двигателя счастотой 6f2 и на низких частотах колебания скорости. Гармонический состав тока улучшается при увеличении длительности коммутационных интервалов, что достигается путем увеличения емкости коммутирующих конденсаторов или конденсаторов на выходеАИТ. Одновременноэтоуменьшаетамплитудукоммутационных импульсов напряжения на обмоткедвигателя и на элементах АИТ, но приводит к ограничению выходной частоты по верхнему пределу (обычно f2max < 100 Гц) и к ухудшению массогабаритных и стоимостных показателей ПЧ.

Рис.16. Токи на входе и выходе АИТ

Аппаратная симметричность ПЧ с АИТ по отношению к промежуточномуконтурупостоянного тока (реактору L) обеспечивает его полную реверсивность. При работе двигателя в первом или третьем квадрантах электромеханиче-

ской характеристики (двигательный режим) полярность напряжения Ud соответствует показанной на рис. 14 и 15 без скобок (УВ работает в режиме выпрямления, АИТ — в режиме инвертирования). Если двигатель работает в генераторном режиме (второй или четвертый квадранты электромеханической характеристики), то система управления переводит УВ в инверторный режим (α > π/2), а АИТ — в выпрямительный и напряжение Ud меняет полярность (показана в скобках на рис. 14и 15). Изменение полярности напряжения Ud при неизменном направлении токаId обеспечиваетпередачуэнергии в питающую сеть. РеакторL обеспечиваетрежим непрерывноготока, поэтомув ПЧ с АИТ I1 ≈ I2, т.е. входной ток зависит толькоот выходноготока.

Коэффициент мощности ПЧ с АИТ определяется в основном углом регулирования УВ и меняется в широких пределах.

Преобразователь частоты с АИТ является практически идеальным источником переменного тока с регулируемымиамплитудой и частотой, чтоделает невозможной работу егов разомкнутой системе ЭП, нообеспечивает возможность прямого управления током двигателя и упрощает синтез частотно-токовых систем управления. Так какмомент коммутации тока определен системой управления, т.е. АИТ задает не только частоту, но и фазувыходного тока, ПЧ с АИТ удобны для синтеза векторных систем управления.

Основные достоинства ПЧ сАИТ:

–полная реверсивность;

–достаточноблизкая к синусоидальной формавыходного напряжения;

–устойчивость каварийным режимам двигателя. Недостатки ПЧ с АИТ:

–ограниченность диапазона регулирования частоты;

–невозможностьработыв режимехолостогохода преобразователя;

–значительные масса, габаритные размеры и стоимость пассивных элементов (реактора и конденсаторов).

Особенности применения в электроприводе статических ПЧ различных типов. Все рассмотренные типы статических ПЧ находят применение в современных системах управляемого ЭП переменного тока. Втабл. 4 приведено примерное распределение применения статических ПЧ в зависимости от технологических требований к параметрам ЭП. Указанный в табл. 4 диапазон регулирования D подразумевает рабочий диапазон угловых скоростей, в котором обеспечиваетсявыполнение технологических требований пожесткости механических характеристик, перегрузке и т.п.

Таблица 4.

Условия применения статических ПЧ

293

	Параметры электропривода	НПЧ	ПЧ с АИН	ПЧ с АИТ
	Мощность двигателя:	-	+	-
	100 кВт и менее
			+
	0,1—1 МВт	+		+
	1,0 МВт и более		-
		+		+
	Частота на выходе ПЧ:
	f2<50Гц	+	+	+
	f2 = 50—100 Гц	-	+	+
	f2> 100 Гц	-	+	-
	Диапазон регулирования:	+		+
	D< 10:1		+
	0=10:1—100:1	+	+	-
	D> 100:1	-	+	-
	Режим генераторного	+	-	+
	торможения
	Много двигательный	-	+	-
	электропривод

Примерреализациичастотно-управляемогоЭПсиспользованиемПЧсАИН

Электрическая функциональная схема ЭП с серийным ПЧ типа АРДН (автоматический регулятор для насосов) приведена на рис. 17.

В ПЧ применена наиболее распространенная для управления короткозамкнутым АД схема ПЧ с АИН и ШИМ напряжения на выходе, неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых приборов новогопоколения — биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

Основные элементы, входящие в эту схему (рис. 17):

UZ— неуправляемый выпрямитель; L0, C0 — фильтр; RT— термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 — разрядное сопротивление для конденсатора С0; FU1, FU2, FU3 — предохранители; R, С — цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на транзисторах IGBT; RS — датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT–VD—трехфазныйинверторнаIGBT собратным диодным мостом.

Рис. 17. Функциональная электрическая схема асинхронного ЭП с ПЧ

Основные блоки в системе управления:

–блок питанияБП, состоящий извосьмигальванически развязанных источников постоянногонапряжения;

–микроконтроллер AD на базе сигнальногопроцессора 1899BE1;

–плата индикацииDSспереключателем способауправления: местное или дистанционное;

–блок сопряженияТВдляработысвнешнимисигналами или командами;

–согласующие усилителиUD—драйверыIGBT.

Электропривод работает следующим образом.

294

При подаче напряжения 380 Вна силовой входПЧ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра С0, который определяется значениями RT, L0, C0. Одновременно с этим в информационную часть схемы подается питание (напряжения U1 – U8). В процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания U1 – U4 аппаратная защита FA блокирует открывание ключей инвертора и происходит запуск программы управления процессором поаппаратноформируемой команде «Рестарт».

Выполняется инициализация. Производится запись начальных условий в ячейки ОЗУ процессора и определяется способ управления — местное или дистанционное. Если с датчиков тока фаз двигателя ТАА, ТАВ, ТАС, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uc, а также от всехканалов вторичногоисточника питания поступает информация онормальных параметрах, то ЭП готов к работе и на цифровой индикатор выводятся нули, светится светоизлучающий диод «Подача». В противном случае загорается светоизлучающий диод «Авария» и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.

Для управления двигателем процессор формирует системутрехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами — «стойками» инвертора, состоящими из последовательновключенныхключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 до 15 кГц. Одновременное замыкание двух ключей в «стойке» инвертора блокируется, для учета реального времени запирания транзисторов в процесс переключения вводится «мертвое» время, составляющее единицымикросекунд, в течениекоторого оба ключа разомкнуты.

Микропроцессор 1899ВЕ1 позволяет реализовать только скалярное управление координатами двигателя. Структура системы автоматического управления технологическим объектом, в которую включен данный ПЧ, может быть самой разнообразной — от разомкнутой системы до замкнутой обратными связями по нескольким сигналам. Алгоритм управления также зависит от требований технологического объекта. Структура и алгоритм могут быть перепрограммированы.

Силовая часть ПЧ неизменна и пригодна для других способов управления координатами электродвигателя с применением более совершенных микропроцессорных средств.

Расчет преобразователя частоты общего назначения

Методика расчета приведена для ПЧ с АИН (см. рис. 17), выполненного с использованием гибридныхмодулей, состоящих из ключей IGВТ и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей теплоотводящей пластине.

Расчет инвертора. Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:

									(3)
I c max			P ном	k 1		2 k 2
				cos			3U
			ном						л

где Рном — номинальная мощность двигателя, Вт; k1 = 1,2–1,5 — коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики ЭП; k2= 1,1 –1,2 — коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; ηном — номинальный КПД двигателя;Uл —линейное напряжение двигателя, В.

КлючиIGBTвыбираютсяспостоянным(номинальным)током коллектора Ic ≥Ic max.

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерьIGBT в проводящем состоянии и прикоммутации, а также потерь обратного диода.

ПотеривIGBT впроводящем состоянии

P	I U		1			D		(4)
							cos
				8		3
SS	ср	ce(sat)

где Icр = Ic max/k1 — максимальная амплитуда тока на входе инвертора, A; D = tр/T ≈ 0,95 — максимальная скважность; cosθ ≈ cosφ — коэффициент мощности; Uce(sat) — прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Icр и Тj = 125 °С(типовое значениеUce(sat)= 2,1—2,2В).

Потери IGBT при коммутации

PSW		1				(IсрUсс )(tc(on) tc(off ) ) fsw	(5)
						2
			2

где tс(on), tс(off) — продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание tс(on) и закрывание tс(off) транзистора, с (типовое значение tс(on) = 0,3–0,4 мкс; tс(off) = 0,6–0,7 мкс); Uсс — напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН—ШИМ); fsw— частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычноот 5000 до15 000 Гц.

Суммарные потери IGBT

PQ = PSS + PSW

(6)

Потери диода в проводящем состоянии

295

P	I	U		1			D		(7)
								cos
							3
DS		eр	ec	8

где Iер ≈ Icр — максимальная амплитуда тока через обратный диод, А; Uе — прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) приIер, В.

Потери при восстановлении запирающих свойств диода

PDR = (Irr Ucctrr fsw)/8	(8)
где Irr — амплитуда обратного тока через диод, А(Irr ≈ Iср); trr. — продолжительность импульса обратноготока, с
(типовое значение 0,2 мкc). Суммарные потери диода
PD = PDS + PDR	(9)
Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:
PT=PQ +PD =PSS +PSW +PDS +PDR.	(10)

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель—окружающая среда Rth(f-a), °С/Вт, в рас-

	чете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)
			Tc Ta	(11)
	Rth( f a)			Rth(c f )
			PT

где Та = 45—50 °С — температура охлаждающего воздуха; Тс = 90—110 °С —температура теплопроводящей пластины; РT—суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD; Rth(c-f)— термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару

IGBT/FWD, °С/Вт.

Температура кристалла IGBT, °С, определяется по формуле

Tja=Tc + PQ Rth(j-c)q	(12)
где Rth(j-c)q — термическое переходное сопротивление кристалл—корпус для IGBT части модуля, °С/Вт. При
этом должно выполняться условие Tja < 125 °С.
Температура кристалла обратного диода FWD, °С,
Tjd=Tc + PDRth(j_c)d,	(13)

где Rth(j_c)d — термическое переходное сопротивление кристалл—корпус для FWD части модуля, °С/Вт.

Должно выполняться условие Тjd < 125 °С.

Если Тjd ≥ 125 °С или опасно приближается к этой максимально допустимой температуре кристалла, то нужно улучшить теплоотдачу за счет использования охладителя с меньшим значением сопротивления Rth(f-a), т. е. задавшись меньшей температурой корпуса Тс.

Расчет выпрямителя.

Среднее выпрямленное напряжение

Ud=k

где kc.н— коэффициент схемы для номинальной нагрузки; kc.н = 0,9 для мостовой однофазной схемы

Максимальное значение среднеговыпрямленного тока

c.н Uл,

(14)

1,35 для мостовой трехфазной схемы; kc.н =

I c max

3

U л

cos

nP T

(15)

2

I

dm

U d

где n—количествопарIGBT/FWDв инверторе.

Максимальный рабочий ток диода

Iνm=kcc Idm

(16)

где ксс — 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установ-

ленногона выходе выпрямителя;ксс =1,57для мостовой однофазной схемы.

Максимальное обратное напряжение диода (для мостовых схем)

Uvm = kзн√2Uлkснkc +

Un

(17)

296

где кс≥ 1,1 — коэффициент допустимого повышения напряжения сети; кзн > 1,15 — коэффициент запаса по напряжению; Un = 100—150В—запас на коммутационные выбросы напряжения в звенепостоянного тока.

Диоды выбираются попостоянномурабочемутоку(не менееIvm) и по классунапряжения (неменее Uvm/100). Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы ЭП (Id= Idm /k1):

		Idm		Idm	(18)
PDV m kcs U j	Ron	k		k
		1		1

где kcs = 0,577 для мостовой трехфазной схемы; kcs =0,785длямостовойоднофазной схемы;Ron — динамическое сопротивление полупроводниковогоприбора в проводящем состоянии, Ом; Uj — прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (Uj + RonIdm / ki ≤ 1 В для диода или 1,3 В для тиристора); mv — число полупроводниковых приборов в схеме.

Тепловой расчет параметров охладителя выпрямителя следует проводить аналогичноприведенномувыше расчетудля инвертора.

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель—окружающая среда в расчете на выпрями-

тель

		Tc Ta		(19)
	Rth( f a)			Rth(c f )
			PDV

где Rth(c-f)— термическое переходное сопротивление корпус—поверхность теплопроводящей пластины модуля, °С/Вт. Если не все полупроводниковые приборы моста размещены в одном модуле, то необходимо PDV привести к числу

приборов, расположенных в одном корпусе. Температура кристалла

	PDV	(20)
TjDV Tc		Rth( j c)DV
	nD

где Rth(c-f)DV — термическое переходное сопротивление кристалл—корпус для одного полупроводникового прибора модуля, °С/Вт;nD —количествополупроводниковых приборов в модуле.

Необходимо, чтобы выполнялось условие: TjDV < 140 °С.

Расчетпараметров охладителя.

Предварительно определяется требуемое суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель— окружающая среда в расчете на суммарную мощность, выделяемую всеми устанавливаемыми на данный охладитель силовыми полупроводниковыми приборами (модулями). При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов:

Rth( f a)		Rth( f a)1	Rth( f a)2	(21)
		R	R
		th( f a)1	th( f a)2

Как правило, на один охладитель удается установить все приборы при мощности инвертора до 55 кВт. Критерием перехода к применению двух и более охладителей служит длина требуемого профиля охладителя, которая для эффективного использования поверхности профиля должна быть не более 1 м.

Площадь охладителя (рис. 18), наиболее широко применяемого в рассматриваемых ПЧ, участвующая в излучении тепла, определятсяпоформуле:

Arad=2d(b + h),

(22)

где d,b и h —габаритные размеры профиля.

Рис. 18. Охладитель (гребенка) Площадь данного охладителя, участвующая в конвекции,

Aconv=2d(b +m(h-c)),

(23)

где т — число ребер.

Переходное сопротивление излучению тепла

297

(24)

RQrad			T
			T	4		T	4
	5,1A
			c			a
	rad		100		100

где Тс — температура поверхности охладителя, К; Тa — температура окружающего воздуха, К; ΔT = = Тс - Та; Е

— коэффициент излучения поверхности (Е = 0,8 для алюминия).

Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией (при d< 1 м)

R		1		d		0,25	(25)
Qconv		1,34AconvFred T

где Fred — коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции) при расстоянии между ребрами охладителя 20 мм и менее. График зависимости Fred от расстояния между ребрами дан на рис. 19.

Переходное температурное сопротивление охладитель—окружающая среда при естественном охлаждении

Rth( f a)	RQrad RQconv		(26)
	R	R
	Qrad	Qconv

Следовательно, для данного типа охладителя имеем следующую зависимость:

Rth( f a)	BCd0,25	f d	(27)
	Ad C Bd0,25

где A, В, С— коэффициенты, получаемые при подстановке (24) и (25) в (26).

Температурное сопротивление является при прочих неизменных условиях нелинейной функцией длины охладителя d при расположении ребер вертикально. Для конкретного типа охладителя требуется рассчитать зависимость Rth(f-a)=f(d) и выбрать длину охладителя d так, чтобы температурное сопротивление было не более расчетного значения (19) для всех приборов, установленных на охладителе. Например, для ПЧ на мощность двигателя 55 кВт Rth(f-a)≈0,03 °С/Вт, а на мощность двигателя 2,2 кВт — Rth(f-a)≈ 0,8 °С/Вт.

Рис. 19. Зависимость коэффициента Fred ухудшения конвекции от расстояния между ребрами охладителя

Ряд фирм, производящих профили для охладителей, дают на свою продукцию зависимости Rth(f-a)=f(d) или значения Rth(f-a) на единицу длины профилей, а также зависимости Rth(f-a) от скорости охлаждающего воздуха. При скорости охлаждающего воздуха 3 м/с тепловое переходное сопротивление уменьшается в среднем в 1,7—2 раза. Следовательно, по сравнению с расчетной длиной профиля для естественного охлаждения длина охладителя при принудительном воздушном охлаждении со скоростью воздуха 3 м/с может быть уменьшена также в 1,7—2 раза.

Расчет фильтра.

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

q	ВХ		2		(28)
1			m2 1

где т — пульсность схемы выпрямления (т = 6 для трехфазной мостовой схемы, т = 2 для однофазной мостовой схемы).

Параметр сглаживания LС-фильтра

L0C01	S 1				(29)
	2 mfs 2
где S = q1вх/ q1вых— коэффициент сглаживания по первой гармонике; fs — частота сети, Гц.
Параметр сглаживания С-фильтра					(30)
LsC02			S 1
		2 mfs 2

где Ls — индуктивность сети, Гн, приведенная к звену постоянного тока. Значения коэффициента сглаживания 5 лежат в диапазоне от 3 до 12.

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя Kм =0,95 определяется по формуле

L0≥3 L0min		(31)
L0min	0,013Uл	(32)
	2 fs Id

где Id — номинальный средний ток звена постоянного тока.

В трехфазных инверторах с ШИМ по синусоидальному закону реактивная энергия полностью скомпенсирована по выходной частоте. Это означает, что Км зависит преимущественно (без учета запаздывания открывания полупроводниковых приборов) от индуктивности фильтра L0 и индуктивности питающей сети Ls, зависимость Км =f(L0/L0min) для трехфазногомостовоговыпрямителя приведена на рис. 20.

298

ЗначениеминимальнойиндуктивностиL0min фильтра определяется из (31).

Из рис. 20 видно, что для обеспеченияКм = 0,95 необходимоиметь индуктивность дросселяфильтра L0 =3 L0min. Емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выра-

жения:

			3Ism1 sin2				1
											(33)
						2
C03									12
				2Ud fswq1

где Ism1 — амплитудное значение тока в фазе двигателя, А; φ1— угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазноготока; q1 —коэффициент пульсаций;fsw —частота ШИМ, Гц.

После выбора типа фильтра (LC или С) рассчитывается емкость конденсаторов C01 или С02 и сравнивается с емкостью С03, рассчитанной по (33). Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости С0i; (i=1, 2 или 3).

Рис. 20. Зависимость Км =f(L0/L0min)для трехфазноговыпрямителя

Амплитуда тока, протекающего через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по первой гармонике)

IC0m q1ВХ Ud 2 mfsC0i

(34)

Далее в зависимости от значения С0i,- и амплитуды тока формируется батарея конденсаторов с емкостью С0i и более, допустимым по амплитуде током IC0m и более и напряжением 800 В и более для трехфазной мостовой схемы или 400 В для однофазной мостовой схемы выпрямителя. Запас по току принимается в зависимости от требуемого ресурса работы инвертора.

Некоторые фирмы, производящие электролитические конденсаторы, дают более подробную информацию по выбору конденсаторов по току. Например, для конденсаторов, изготовляемых по стандарту IEC 384-4, имеем допустимое амплитудное значение тока (при Т = 85°С и f= 100 Гц) I = 3,1А при следующих номинальных параметрах:U=450В,С = 470 мкФ. В каталоге фирмы «Siemens Matsushita Components» для электролитических конденсаторов приведена зависимость поправочногокоэффициента от частоты для приведения тока к частоте f = 100 Гц (табл. 5).

Например, для ПЧ на мощность двигателя 55 кВт С0i= 5540 мкФ (32 конденсатора с номинальными параметрами: 680 мкФ, 400 В, включенных парамипоследовательнодля повышениярабочегонапряжения — всего16 пар, которые включены параллельно для получения заданной емкости), а на мощность 2,2кВт С0i, = 235мкФ (2 конденсатора с параметрами 470мкФ, 400В, включенных последовательно). Применяются также электролитические конденсаторы на большие емкости и большие токи, например конденсаторы Rifa (4700 мкФ, 450 В) допускают амплитудное значение переменной составляющей тока: на 100 Гц — 14,8 А и на 10 кГц — 34,9 А и классифицируются как приборы Long Life (10 лет службы). Однако по цене и удобству распределенного размещения электролитических конденсаторов в ПЧ в целях уменьшения индуктивности монтажа, по ремонтопригодности и доступности приобретения «батарея» из «мелких» конденсаторов может оказаться более предпочтительной, чем из «крупных» конденсаторов.

Таблица 5. Зависимость поправочного коэффициента от частоты для приведения тока к частоте fi = 100 Гц.

	Частота, Гц	90	100	400	800	1000	2000
	Поправочный	0,8	1,0	1,2	1,3	1,35	1,4
	коэффициент

Расчет снаббера.

Так как IGBT коммутируется с высокой скоростью, то напряжение UСЕ быстро возрастает, особенно при запирании транзистора, и может достигнуть критического значения, способного вызвать пробой либо коллектора либо затвора транзистора (последнее возможно, если индуктивность цепей управления IGBT велика). Чтобы минимизировать превышение напряжения (перенапряжение) и предотвратить аварию IGBT, требуется установка снаббера (демпфирующей цепи). Типичные схемы снабберов и их особенности рассмотрены в табл. 6.

Для указанных схем необходимо выбирать конденсатор с хорошими высокочастотными характеристиками, малой собственной индуктивностью, высокими допустимыми импульсными токами и малым тангенсом угла потерь, например, К78-2 или Э63К.

Сопротивление резистора зависит от емкости конденсатора С и частоты коммутации IGBT fsw . Расчетные формулы для выбора мощности резисторов цепей снабберов приведенных в табл. 6 схем имеют следующий вид:

схемы 2, 3 и 5

Р = 0,5С U2fsw;

(35)

схема 4

299

				P = 0,5C(U+			U)2fsw,		(36)
где U — напряжение коллектор-эмиттер в установившемся режиме, В, которое равно напряжению звена по-
стоянного тока преобразователя системы АИН с ШИМ; U— перенапряжение, В (рис. 21).
		Типичные схемы снабберов и их особенности							Таблица 6.
	№ п/п	Схема	Особенности
	1		1.	Малое число элементов
			2.	Короткий провод снаббера
			3.	Большие пульсации тока через электролитиче-
				ский конденсатор
	2		1.	Малое число элементов
			2.	Более длинный провод снаббера, чем в схеме 1
			3.	Малые пульсации тока через электролитиче-
				ский конденсатор
	3		1.	Малое число элементов
			2.	Низкие потери мощности
			3.	Подходит для конденсаторов средней и малой
				емкости
	4		1.	Большое число элементов
			2.	Большие потери
			3.	Перенапряжения могут быть			эффективно
				ограничены
	5		1.	Большое число элементов
			2.	Низкие потери
			3.	Подходит для конденсаторов большой емкости
Выбор сопротивления резистора производится из условия минимума колебаний тока коллектора при вклю-
чении IGBT:
									(37)
				R 2		Lsn
						C

где Lsn— индуктивность цепей снаббера, Гн, которая должна быть 10 нГн или менее; С — емкость снаббера, Ф. Ток, протекающий через диод снаббера, импульсный. Он почти равен отключаемому току коллектора и

длится до 1 мкс.

Отношение максимума тока через диод снаббера к среднему около (20—50):1. Диод должен быть высокочастотным со временем восстановления запирающих свойств trr- 0,3 мкс и менее.

Значение U зависит от многих факторов, оно не должно превышать 60 В. Так, для схем в табл. 6 можно отметить следующее:

–бросок напряжения U (см. рис. 21) при запирании модуля определяется как параметрами схемы, так и характеристиками IGBT, поэтому U не может быть выражен математически;

–U зависит от индуктивности L1 проводов между электролитическим конденсатором и снаббером (значение L1 должно быть 50 нГн или менее);

–U существенно зависит от индуктивности L2, цепей снаббера (значение L2, должно быть 10 нГн или менее);

–U незначительно зависит от сопротивления резистора Rg на входе затвора и от температуры;

–U не определяется емкостью снаббера.

Рис. 21. Напряжение на коллекторе IGBT при его запирании

Следовательно, для ограничения U важно ограничить индуктивности L1 и L2 путем уменьшения длины

проводов и их бифилярного монтажа.
Емкость конденсатора снаббера определяется напряжением второго броска U' (см. рис. 21),	который не
должен превышать 25 В. Выражение для расчета емкости представляется в виде:
С = L1 (IС/ ΔU')2	(38)

где L1 — индуктивность проводов между электролитическим конденсатором и IGBT-модулем; IС — отключаемый ток.

Хотя емкость конденсатора снаббера определяется значением индуктивности L1 и может быть рассчитана по (38), окончательно уточнить значение емкости С можно, установив модуль и определив перенапряжение. Типичное значение емкости снаббера составляет 1 мкФ на 100 А коммутируемого транзистором IGBT тока.

300

Технические характеристики преобразователей частоты.

Преобразователи частоты (рис. 22—24) выпускаются сотнями фирм во всем мире в различных исполнениях, в диапазоне мощностей от долей киловатт до десятков мегаватт. Приведенные далее технические данные охватывают лишьнебольшуючастьнизковольтныхПЧ(до1000В)общегоназначения,выпускаемыхотечественнымиизарубежными производителями (табл. 7—33). Сведения о высоковольтных и мощных ПЧ можно найти в каталогах таких фирм, как

«Siemens», «ABB», «General Electric», «Allen Bradley» и др.

Рис. 22. Габаритные размеры ПЧ «Универсал»

Рис. 23. Габаритные размеры ПЧ и сопрягающих модулей МС серии «КЭУ»

Рис. 24. Кодировка размеров ПЧ VLT серии 3000

Преобразователи частоты «Универсал» (производство Института биологического приборостроения РАИ, Россия)

Таблица 7.

Технические данные ПЧ «Универсал»

		Число фаз	3
		Выходное напряжение, В	0 — напряжение питающей сети
		Диапазон выходных частот, Гц	0,5—512
	Выход	Диапазон регулирования скорости:
		в разомкнутой системе	1:50
		в замкнутой системе
			1:100
		Принцип управления	Закон управления U/f
		Способ модуляции	Синусоидальная центрированная ШИМ
		Тактовая частота ШИМ, кГц	4,8
		Число фаз	3
		Напряжение питающей сети, В	380 ±20 %
	Вход
		Частота питающей сети, Гц	50 (60)
		Коэффициент мощности, cosφ	0,95
		Коэффициент полезного действия	0,97 при нагрузке 100 %

301

		Числовое задание с пульта оператора
	Задание частоты или технологической	Потенциометр (10 кОм)
		0—5 В, 0—10 В, ±5 В, ±10 В
	переменной
		0—5 мА, 4—20 мА
		Последовательный канал связи RS-232
	Уставки задания частоты или технологиче-	Восемь постоянных настраиваемых уставок, выбор через дискретные
	ской переменной	входы
	Дискретность задания частоты, Гц	Аналоговые входы: 0,02 для 100 Гц (максимум) Осталь-
		ные источники: 0,015
	Подача команд «Пуск» («Стоп»), «Запрет	С пульта оператора
		Через дискретные входы
	работы», «Реверс»
		По последовательному каналу связи RS-232
		Линейная или S-образная
	Тахограммы разгона (замедления)	Выбор одного или двух уровней интенсивностей (отдельно для разгона и
		для замедления)
		Выбор начальной частоты пуска
Рабочие функции		Блокировка инвертора и выбег двигателя Программное торможение до
	Торможение	минимальной частоты
		Динамическое торможение (торможение постоянным током)
	Подключение внешних устройств	Подключение внешнего тормозного резистора для приема энергии тор-
		можения
		Управление механическим тормозом
	Регулятор технологической переменной	Встроенный ПИД-рсгулятор с возможностью коррекции по возмуще-
		нию (ввод положительной обратной связи)
		Настраивается каждая составляющая
		Двунаправленное взаимодействие между СГУ и ПЧ посредством вход-
		ных и выходных дискретных сигналов Автоматическое обеспечение
	Встроенные функции: работа со станциями	резерва от ПЧ или от сети
	группового управления (СГУ) производства	Взаимодействие с системой автоматики центрального теплового пульта
	ИБП РАН	(БАТ, «Мастер»)
		Плавный перевод двигателя с сети на ПЧ и обратно
		Автоматический повторный пуск после некоторых видов аварий, коли-
		чество перезапусков настраивается
	Повторный пуск двигателя	Настройка времени выбега двигателя (до 4 мин) для защиты от пуска еще
		не остановившегося двигателя
		«Подхват» двигателя — перезапуск вращающегося двигателя с той же
		частоты
		Для контроля и диагностики работы привода во внутреннем ОЗУ за-
	Банк аварийных ситуаций	поминаются 20 последних
		аварийных ситуаций
Сервисные функ-
	Исключение резонансных зон	Настройка двух диапазонов запрещенных для работы частот
ции
		Коррекция выходного напряжения в зависимости от напряжения пи-
		тающей сети
		Коррекция интенсивности набора частоты при увеличении фазного тока
	Режимы коррекции	Коррекция интенсивности снижения частоты при увеличении напряже-
		ния в звене постоянного тока
		Коррекция задания выходной частоты (в установившемся режиме) при
		увеличении фазного тока
	Повышение крутящего момента при пуске	Кратковременное увеличение выходного напряжения для преодоления
		повышенного момента трогания
		Быстродействующая аппаратная защита силовых ключей
		От понижения или повышения напряжения в звене постоянного тока
	Защиты преобразователя	От неправильной работы входного тиристорного выпрямителя
Защитные функ-		При пропадании питания
ции		От короткого замыкания на корпус
		Максимально-токовая
	Защиты двигателя	От обрыва фазы, перекоса фаз
		Тепловая защита
Опции	Внешние	Возможность подключения датчика температуры двигателя

302