Глава 1. Расчет управляемого выпрямителя для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода
Задание 1
1. Спроектировать управляемый выпрямитель (УВ) для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Вычертить принципиальную электрическую схему УВ с соблюдением правил выполнения типовых электрических схем [15]. Технические данные электродвигателя даются в табл.7.5.
2. Построить регулировочную характеристику выпрямителя.
3. Вычислить минимальное 
и максимальное 
значения углов включения тиристоров, которые должна сформировать СИФУ для стабилизации выходного напряжения УВ 
на уровне 0,7 
при нестабильном фазовом напряжении вентильной обмотки 
изменяющемся от 
до 
. Потери напряжения в фазах УВ не учитывать.
4. Вычертить кривые мгновенных значений фазных напряжений 
и 
( 
, масштаб 30 эл. градусов в 1 см. или 
рад. в 1 см.) и напряжения 
на выхода тиристорной группы при минимальном 
и максимальном 
значениях фазного напряжения. Отметить уровень 0,7 
и значения углов и .
5. Вычислить наибольшую мощность потерь в тиристорах за счет прохождения прямого тока и коэффициент использования вентильных обмоток трансформатора.
Технические данные двигателей постоянного тока серии 2П
| № | Ud,В | Pн,кВт | Тип двигателя | η, % | Lя.ц.,мГн | nном, об/мин | ξп | ξм |
| 2ПН200М | 0,9 | 0,75 | 1,1 |
Глава 1. Расчет управляемого выпрямителя для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода
Выбор тиристора
Среднее значение прямого тока тиристора в заданной схеме управления определяется по формуле
(1.9)
-коэффициент запаса по току, учитывает кратность пускового тока; 
число фаз преобразовательного силового трансформатора; 
коэффициент, учитывает интенсивность охлаждения силового тиристора ( 1,0 при принудительном и 0,33-0,35 при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором, соответствующим данному типу полупроводникового прибора).
Расчетное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к тиристорам, вычисляется по формуле
(1.10)
коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы 
,обусловленные процессом коммутации вентилей; 
(табл.7.2)-коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений 
для принятой схемы выпрямителя; 
-напряжение на выходе преобразователя при α=0.
По полученным данным выбираем силовой тиристор: Т171-320
(1.11)
Параметры тиристора Т171-320/6 класс/стандартное охлаждение
А
B
Описание работы схемы УВ
Схема приведена в конце курсового проекта. Приложение 1
На схеме:
- входной согласующий трансформатор ТV;
- автоматический выключатель QF;
- силовые предохранители FU;
- контактор КМ;
- блок силовых полупроводниковых приборов UZ;
- дроссель L;
- приборы индикации тока и напряжения на выходе устройства RS;
- органы контроля и управления устройства SB;
- блоки системы управления преобразователем U;
- блоки источника питания системы управления G;
- входные и выходные зажимы силовых цепей X1, Х2.
Трехфазное напряжение питания Uc=380 В промышленной частоты f=50 Гц, через входные клеммы подается на разъединитель, предназначенный для предотвращения подачи напряжения на установку при наладке, профилактических осмотрах с целью обеспечения видимого разрыва электрической цепи. При включении разъединителя напряжение подается на согласующий трансформатор (схема соединения звезда-звезда), осуществляющий гальваническое разделение и согласование напряжения сети с входным напряжением выпрямителя. При замыкании автоматического выключателя, установленного для защиты питающих сетей и цепей нагрузки от токов короткого замыкания и тепловой защиты от длительной перегрузки, напряжение через предохранители подается на входные клеммы силового контактора. Силовой контактор предназначен для автоматического и дистанционного включения установки на нагрузку и отключения вторичных цепей. При включении силового контактора и подачи управляющих выходных импульсов СИФУ на силовые полупроводниковые приборы за счет регулирования электрического угла открытия тиристоров происходит регулируемое преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Преобразователь выполнен по трехфазной, полностью управляемой тиристорной мостовой схеме, что позволяет при работе на электрическую машину постоянного тока получать как выпрямительный, так и инверторный режим работы или потреблять и отдавать энергию в сеть, обеспечить как двигательный, так и генераторный режим работы двигателя. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепь нагрузки включен дроссель. Устройство позволяет регулировать напряжение в пределах 0 – Ud. Так как номинальное напряжение катушки контактора, цепей управления преобразователя и источников питания U=220 В, то для обеспечения такого уровня напряжения предусмотрен нулевой провод РЕ. Для сигнализации наличия напряжения включения и отключения преобразователя на нагрузку в схеме установки предусмотрены сигнальные индикаторы HL.
В состав трехфазного мостового тиристорного преобразователя (рис.7.1) входят две группы тиристоров – катодная VS1, VS3, VS5 и анодная VS2, VS4, VS6, трансформатор и система импульсно-фазового управления СИФУ. Система вырабатывает импульсы управления тиристорами с заданной фазой по отношению к напряжению сети. Тиристоры в каждой группе открываются с интервалом 2π/m (m=6). Углы открытия тиристоров в обеих группах отсчитываются от моментов естественного включения, соответствующих моменту равенства фазных или линейных ЭДС. Ток в преобразователе всегда протекает по двум тиристорам, принадлежащим к различным вентильным группам, и по двум обмоткам трансформатора.
Поэтому при открывании тиристора в фазе а импульсом, поступающим от СИФУ в момент Ue+α (где Ue – угол естественного включения неуправляемого преобразователя) необходимо также подать импульс управления на VS6 фазы в. ЭДС в цепи нагрузки е2d становится равной линейной ЭДС е2аb=ea– eb. В режиме непрерывного тока в момент открывания очередного тиристора ток еще продолжает протекать через ранее открытый тиристор. Время, в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой, называется интервалом коммутации γ.
Необходимость одновременного открывания двух тиристоров, принадлежащих разным группам, требует наличия широких импульсов управления (λу > 60°) или сдвоенных узких импульсов, сдвинутых друг от друга на 60°. Выпрямленное напряжение ud описывается кривой линейного напряжения. Пульсации кривой соответствуют шестикратной частоте по отношению к частоте переменного тока (m=6). Длительность протекания тока в каждом тиристоре равна γ+2π/3. Среднее значение тока IVS=Id/3. При больших углах управления (α>90°) тиристор до подачи импульса управления должен выдерживать без преждевременного открытия максимальное значение прямого напряжения, а после его закрытия максимальное значение обратного напряжения и начальный скачок обратного напряжения.
Обратное напряжение определяется линейным напряжением, так как в непроводящую часть периода неработающие тиристоры присоединены к двум фазам трансформатора через работающие. Ток во вторичной обмотке трансформатора переменный и равен сумме токов тиристоров, присоединенных к данной фазе. Поток вынужденного намагничивания в магнитопроводе не возникает, поскольку по вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях, всегда протекают противоположные по направлению и равные по величине токи.
§1.6 Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет и
§1.6 Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет 
и 
(1.15)
Т.к. выходной ток выпрямителя с активно – индуктивной нагрузкой непрерывный(отсутствуют безтоковые паузы)
(1.16)
где 
для трех фазной мостовой схемы и 
для трех фазной нулевой схемы.
В
=243,2В
=198,6В
=140,4В
=0В
| a | 00 | 300 | 450 | 600 | 900 |
| U0,a | 280,8 | 243,2 | 198,6 | 140,4 |
При уменьшении 
, получается выпрямленное напряжение
(1.17)
В
Регулировочная Характеристика измерится 
(1.18)
В
В
В
В
| a | 00 | 300 | 450 | 600 | 900 |
| U0,Мин | 210,6 | 182,41 | 148,9 | 105,3 |
При повышении 
, получается выпрямленное распределение
(1.19)
В
Регулировочная Характеристика измерится 
(1.20)
В
В
В
В
| a | 00 | 300 | 450 | 600 | 900 |
| U0,Max | 308,9 | 267,5 | 218,4 | 154,4 |
В
Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной группы при
Строим кривые мгновенных значений фазных U и U на выходе тиристорной группы при
Расчёт инвертора
Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:
(2.1)
где Pн – номинальная мощность двигателя, Вт; kI = (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; ηн – номинальный КПД двигателя; Uл – линейное напряжение двигателя, В.
Среднее выпрямленное напряжение
(2.2)
В.
где kсн = 1,35 для мостовой трехфазной схемы; kсн = 0,9 – для мостовой однофазной схемы.
Выбираем IGBT модуль при условии Iс ≥ Iс.макс. и Uce≥Ud
Выбрали 3 модуля CM100D-Y-12H для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ.
Параметры IGBT модуля CM100D-Y-12H
Потери в IGBT в проводящем состоянии
(2.3)
где Iср = Iс.макс/k1 – максимальная величина амплитуды тока на входе инвертора; D = (tp/T) – максимальная скважность, принимается равной 0,95; cos θ – коэффициент мощности, примерно равный cosφ; Uce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при Iср и Тj = 125 °С (типовое значение 2,1–2,2 В).
Потери IGBT при коммутации
(2.5)
где tc(on), tc(off) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT соответственно на открывание и закрывание транзистора, с (типовое значение tс(on) = 0,3 – 0,4 мкс, tс(off) = 0,6–0,7 мкс); Ucc – напряжение на коллекторе IGBT (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН–ШИМ), В; fsw – частота коммутаций ключей (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000Гц.
Суммарные потери IGBT
(2.6)
Потери диода в проводящем состоянии
(2.7)
где Iеp = Iср – максимум амплитуды тока через обратный диод, А; Uec – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при Iep, B.
Потери восстановления запирающих свойств диода
(2.8)
где Irr. – амплитуда обратного тока через диод (равные Icp), A; trr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).
Суммарные потери диода
(2.9)
Результирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле
(2.10)
Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда 
°C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)
(2.11)
где Та – температура охлаждающего воздуха, 45–50 °С; Тс – температура теплопроводящей пластины, 90–110 °С; Рm – суммарная рассеиваемая мощность, Вт, 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 определяется по формуле
(2.12)
где Rth(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для IGBT части модуля. При этом должно выполняться неравенство
Tja ≤ 125 0C.
Температура кристалла обратного диода FWD
(2.13)
где Rth(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для FWD части модуля. Должно выполняться неравенство Тj ≤ 125 0C.
§2.5 Расчет выпрямителя.
,
В
Максимальное значение среднего выпрямленного тока
(2.13)
62,5 А
где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.
Максимальный рабочий ток диода
(2.14)
65,3 А
где при оптимальных параметрах Г-образного LС-фильтра, установленного на выходе выпрямителя, kcc =1,045 для мостовой трехфазной схемы; kcc = 1,57 для нулевой трехфазной схемы.
Максимальное обратное напряжение вентиля (для мостовых схем)
(2.15)
1075,7 В
где kc ≥ 1,1– коэффициент допустимого повышения напряжения сети; k3H – коэффициент запаса по напряжению (>1,15); ΔUн – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (≈100–150 В).
Вентили выбираются по постоянному рабочему току (не менее Iv,m) и по классу напряжения (не менее Uνm/100).
Выбираем вентиль для функциональной электрической схемы АД эл. Привода с ПЧ. по следующим данным:
65,3 А
1075,7 В
Выбрали вентиль : RM100DZ-24 Имеет вид :
Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода ( 
)
(2.16)
245,3 Вт
где kcs = 0,577 для нулевой трехфазной схемы; kcs = 0,785 для мостовой трехфазной схемы; Ron – динамическое сопротивление в проводящем состоянии вентиля; Uj – прямое падение напряжения на вентиле при токе 50 мА (Uj + RonIdm/k1) – составляет около 1 В для диода или 1,3 В для тиристора; mv – число вентилей в схеме.
Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель-окружающая среда 
в расчете на выпрямитель
(2.17)
0,054 
где Rth(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля.
Температура кристалла
(2.18)
0C
где Rth(j-c)DV= 
oC/Вт – термическое переходное сопротивление кристалл–корпус для одного вентиля модуля; nD – количество вентилей в модуле. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство TjDV ≤ 140 0С.
§2.6 Расчет параметров охладителя
При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллелбном включении резисторов.
Т.к 
то необходим принудительный обдув охладителя.
Т.к мы предусматриваем общий охладитель для выпрямленного и автономного инвертора то тепловое сопротивление охладителя находится по формуле
(2.19)
Определяем
(2.20)
По полученным результатам выбираем охладитель для функциональной электрической схемы АД эл. привода с ПЧ.
Определяем
Принимаем к установке 7 штук охладителей, тип ТСМ-199-1,4-1,2
длина А=40мм;
ширина B=40мм;
высота H=3,6
R=1,6 Ом.
§2.7 Расчет сглаживающего фильтра
Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению)
(2.21)
где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы, m = 2 для однофазной мостовой схемы).
Параметр сглаживания LC-фильтра
(2.22)
где S = принимает значения 3…12; fs – минимальная частота выходного напряжения в ПЧ=30 Гц.
В качестве индуктивности используем паразитную индуктивность питающей кабельной линии, задаёмся длинной кабельной линии 
(50…100)м
Выбираем погонную индуктивность из справочника 
нГн.
Индуктивность питающей сети переменного тока
(2.23)
мкГн
Ёмкость конденсатора необходимой для реализации LC фильтра
(2.24)
; (2.25)
, (2.26)
= 
Гн
где Id – номинальный средний ток звена постоянного тока, А. Id= Idm
тогда
мкФ
Определяем ёмкость Со3 необходимую для возврата реактивной энергии в фильтр
(2.25)
80мкФ
-амплитудное значение тока, в обмотке низшего напряжения трансформатора = 
через IGBT ключ 
угол сдвига м/у первой гармоникой 
и 
на двигателе 
=270
коэффициент пульсаций на выходе LC фильтра
Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного напряжения.
(2.28)
А
-выбираем наибольшую ёмкость из 
и 
,тогда 
мкФ
Выбираем марку электролитического конденсатора для батареи конденсаторов на ёмкость не менее 2484 напряжением не менее (1,1…1,2)Ud=615,6 В запас по напряжению.
Составляем батарею
Выбираются небольшие конденсаторы электролитические с ёмкостью 680 мкФ напряжением 500 В, составляются пары из двух последовательно включённых конденсаторов, ёмкость такой пары 340 мкФ, рабочее напряжение 1000 В. Получается параллельно включённых порядка 4 пар, 8 конденсаторов марки Siemens Matsushita Components. Номинальный ток конденсатора свыше 300А, срок службы 15 лет.
§2.8 Расчет снабберной цепочки.
Снаббер защищает цепь от пробоя напряжения, а в частности защищает силовые транзисторы от выброса мощности вследствие паразитной индуктивности.
Рассматриваем для нашей схемы
| Схема | Особенности | |
| 1. Малое число элементов. 2. Низкие потери мощности. 3. Подходит для средней и малой емкости конденсатора. | ||
=1000 В
Выбираем ёмкость снабберной цепи из расчёта 1 мкФ на 100А коммутированного тока.
(2.27)
Ом
индуктивность цепей снаббера которая не должна быть >10 нГн
Мощность в резисторе
(2.28)
Вт
Выбираем высокочастотные резисторы R=49,5/5=10
Набрать снабберный резистор из резисторов типа МЛТ-1Вт, МЛТ-2Вт
Из стандартных значений по шкале сопротивлений с допуском номинала 5%
Соединяется последовательно или параллельно собрать резистор RCH
Для нашей схемы нам потребуется 12 пар резисторов.
Снабберный диод выбирается по таблице [4] диод должен быть сверх высокочастотным или из методички. Выбираем по току в 20-50 раз меньше среднего тока IGBT транзистора 
А, напряжение снабберного диода 
Вырали снабберный диод серии MBR10120E для функциональной электрической схемы АД эл. Привода с ПЧ.
IFAV=10А;URRM=1200 В;UFM=1.9В; tвкл=135 нс; tоткл=150 нс
Таблица алгоритма переключения силовых ключей с интервалом проводимости 180 эл.град.
Для нашей схемы нам потребуется 12 пар таких диодов.
Таблица алгоритмов переключения силовых ключей с инвертором проводимости. 
Строим временные диаграммы ступенчатых выходных напряжений П/Ч.
Строим временные диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.
( 
) (2.31)
(2.32)
В
; 
; 
(2.33)
где 
(2.34)
Рассчитываем текущие значения для каждого периода (всего 10)используя диаграммы выходного напряжения ПЧ с ШИМ регулированием.
Вт
Аналогично рассчитываем для остальных значений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте рассчитан УВ и ПЧ для функциональной электрической схемы асинхронного ЭП с ПЧ и электрической принципиальной схемы УВ.
Рассчитаны все основные параметры и выбраны все необходимые элементы схемы.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| КР-140610-2007-14 |
| Разраб. |
| Провер. |
| Т. Контр. |
| Н. Контр. |
| Утверд. |
| Расчёт УВ и ПЧ для электротехнического комплекса и системы. |
| Лит. |
| Листов |
| ОмГТУ-ЭЭб-319 |
| Масса |
| Масштаб |
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| КР-140610-3007-14 |
| Разраб. |
| Провер. |
| Т. Контр. |
| Н. Контр. |
| Утверд. |
| Расчёт УВ и ПЧ для электротехнического комплекса и системы. |
| Лит. |
| Листов |
| ОмГТУ-ЭЭб-319 |
| Масса |
| Масштаб |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Герасимов В.Г.,А.Ф.Дьяков,Н.Ф.Ильинский и другие. Электротехнический справочник Т2, МэИ, 2002
2. Герасимов В.Г.,А.Ф.Дьяков,Н.Ф.Ильинский и другие. Электротехнический справочник Т4, МэИ, 2002
3. Ю.З.Ковалёв, Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности Омск 2006
4. Справочник «Охладители воздушных систем для п/п приборов»
5. Чебовский О.Г. Моисеев Л.Г. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 512 с.
6. Охладители воздушных систем охлаждения для п/п приборов.Каталог 05.20.06-86 Информэлектра 1896 31с.
Задание 1
1. Спроектировать управляемый выпрямитель (УВ) для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Вычертить принципиальную электрическую схему УВ с соблюдением правил выполнения типовых электрических схем [15]. Технические данные электродвигателя даются в табл.7.5.
2. Построить регулировочную характеристику выпрямителя.
3. Вычислить минимальное и максимальное значения углов включения тиристоров, которые должна сформировать СИФУ для стабилизации выходного напряжения УВ на уровне 0,7 при нестабильном фазовом напряжении вентильной обмотки изменяющемся от до . Потери напряжения в фазах УВ не учитывать.
4. Вычертить кривые мгновенных значений фазных напряжений и ( , масштаб 30 эл. градусов в 1 см. или рад. в 1 см.) и напряжения на выхода тиристорной группы при минимальном и максимальном значениях фазного напряжения. Отметить уровень 0,7 и значения углов и .
5. Вычислить наибольшую мощность потерь в тиристорах за счет прохождения прямого тока и коэффициент использования вентильных обмоток трансформатора.
Технические данные двигателей постоянного тока серии 2П
| № | Ud,В | Pн,кВт | Тип двигателя | η, % | Lя.ц.,мГн | nном, < Наши рекомендации |