Расчет преобразователя частоты для электропривода переменного тока презентация

ЦЕЛЬ и СОДЕРЖАНИЕ РГР
Цель. Ознакомление и приобретение курсантами навыков по расчету и проектированию электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты, в том числе с возможностью рекуперации энергии в питающую сеть.
Содержание. Расчетно-графическая работа состоит из таких разделов:
выбор силовой схемы частотного преобразователя и законов управления ключами;
расчет параметров и выбор основного электрооборудования, включая транзисторы, тиристоры, трансформаторы, дроссели, конденсаторы, предохранители, автоматические выключатели;
расчет мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, анализ режимов работы инвертора;
разработка силовой электрической схемы преобразователя, выбор элементов силовых ключей и драйверов;
разработка алгоритмов управления инвертором и выпрямителем;
построение механических характеристик частотно-управляемых электроприводов для трех значений частоты при выполнении одного из законов частотного регулирования;
выбор комплектного частотно-регулируемого электропривода.

ОБЪЕМ РГР
Основная часть записки РГР содержит:
титульный лист;
содержание;
вступление;
техническое задание;
обоснование выбора схемы преобразователя и ее краткое описание;
расчет параметров составных узлов преобразователя частоты;
выбор элементов электрооборудования, выбор элементов силовых ключей и драйверов;
расчет мгновенных значений напряжения и тока преобразователя частоты;
построение механических характеристик частотно-регулируемого электропривода при выполнении одного из законов частотного регулирования;
выбор комплектного частотно-регулируемого электропривода;
выводы по курсовой работе;
спецификацию выбранного комплектного электропривода, защитную и коммутационную аппаратуру;
список использованной литературы;
графическую часть РГР, которая включает электрическую схему силовой части преобразователя и подключения защитной и коммутационной аппаратуры, а также функциональную схему системы управления.

ЗАДАНИЕ

Схема ПЧ с АИН для АД

Варианты применения ПЧ в электроприводе
Преобразователь частоты в ЭП
Включение ПЧ в статорную а) и роторную б) обмотку двигателя
а)
б)

Варианты применения ПЧ в электроприводе
В настоящее время в зависимости от мощности и технологических требований к ЭП используется один из трех типов статических ПЧ:
- непосредственный ПЧ (в минимальной конфигурации содержит m2 – по числу фаз двигателя – отдельных реверсивных преобразователей постоянно тока, управление которыми осуществляется переменным модулирующим напряжением);
- двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения (состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В – управляемого или неуправляемого), автономного инвертора напряжения (АИН), и промежуточного контура постоянного тока, включающего фильтрующий конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя);
- двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока (состоит из управляемого выпрямителя, автономного инвертора тока (АИТ), сглаживающего реактора L и конденсаторов С, являющихся источником реактивной энергии для двигателя).

Варианты применения ПЧ в электроприводе
Двухзвенный ПЧ с АИН

Конструктивные решения преобразователей частоты (ПЧ)
Варианты конструктивного исполнения ПЧ:
Конструктивные исполнения ПЧ
Бескорпусные
ПЧ
Встраиваемый модуль ПЧ
в электродвигатель
В корпусе для установки
в шкафу IP00
В корпусе для установки вне шкафа, на стене, ΙΡ20
Разд. уст. цифровой панели управления и блока ПЧ
В корпусе для установки силовой части ПЧ вне шкафа, IP54
В корпусе для напольного монтажа

Бескорпусные ПЧ
Характерными особенностями этих изделий являются:
1. Использование только в качестве встраиваемых элементов в маломощные приводные устройства, как правило, до 1,5 кВт;
2. Отсутствие цифрового пульта управления (ЦПУ);
3. Задание режимов работы и параметрирование производится с помощью выносного ЦПУ либо с персонального компьютера через коммуникационный интерфейс.

Встраиваемый в электродвигатель модуль ПЧ
Компоновка предусматривает монтаж модуля ПЧ на АД, на место расположения клеммной коробки.
К особенностям таких ПЧ следует отнести:
параметрирование (программирование) ПЧ производится только непосредственно на заводе-изготовителе на данный электродвигатель; отсутствует необходимость монтажа ПЧ в шкаф управления; простота при запуске в эксплуатацию; отсутствие силовых кабелей между ПЧ и электродвигателем; надежная стыковочная система позволяет проводить оперативный демонтаж ПЧ в случае ремонта или замены; значительные возможности для удовлетворения условий по электромагнитной совместимости.

Преобразователи частоты для установки в шкафу
Практически не менее 80 % производимых ПЧ выпускаются именно в таком корпусе. Независимо от конкретного типа или фирмы-производителя, изделия обладают общими характерными особенностями:
наличие встроенного ЦПУ со светодиодным или жидкокристаллическим дисплеем;
отличный дизайн и компактный корпус благодаря высокой удельной мощности;
простота монтажа и установки ПЧ;
как правило, модульное исполнение;
удобное подключение сетевого кабеля и кабеля электродвигателя благодаря клеммному блоку;
наличие встроенного охлаждающего вентилятора;
в большинстве случаев, возможность съема ЦПУ;
степень защиты лицевой панели IP54.

Преобразователи частоты для установки в шкафу
ПЧ классифицируются как устройство со степенью защиты IP 00 из-за возможности свободного доступа к клеммному блоку в нижней части корпуса

Преобразователи напольного исполнения
От 90 до 800 кВт

Преобразователи напольного исполнения
От 800 до 2400 кВт
Для такой конструкции характерно:
наличие вентиляторов на крыше шкафа;
установка ЦПУ на панели шкафа;
выносные варианты управления
автоматическим вводным выключателем;
наличие вентиляционных жалюзи в
нижней части шкафа.

Структура элементов ПЧ
Структура элементов ПЧ содержит модули, являющиеся обязательными практически для любой модели, независимо от назначения и фирмы-производителя:
силовой модуль, выполненный на базе гибридных силовых элементов, составляющих силовую схему ПЧ;
блок управления, представляющий программируемое устройство, реализованное на базе мощного микроконтроллера цифровой обработки сигналов;
цифровой пульт управления (ЦПУ);
клеммный блок для подключения силовых и управляющих цепей.

Структура элементов ПЧ
Элементы вносящие отличительные особенности, присущие конкретной модели ПЧ - это состав дополнительного оборудования, поставляемого с ПЧ, которое условно можно разделить на четыре основные функционально ориентированные группы:
средства расширения аппаратно-программных возможностей ПЧ;
аксессуары, обеспечивающие определенную динамику торможения комплектного частотно-регулируемого электропривода (КЧРЭ);
оборудование, поддерживающее реализацию коммуникационных возможностей ПЧ;
средства обеспечения электромагнитной совместимости ПЧ с сетью и нагрузкой.

Средства расширения аппаратно-программных возможностей ПЧ
Карты (электронные модули) расширения аналоговых и дискретных входов-выходов.
Дополнительные карты встроенного программируемого логического контроллера (PLC), позволяющие быстро адаптировать ПЧ к специальным применениям за счет некоторой децентрализации функций системы управления.
Интерфейсные модули импульсного датчика обратной связи (энкодера), обеспечивающие электрическое подключение определенных типов энкодеров, как правило, преобразователей кругового вращения.

Аксессуары режимов торможения электропривода
Тормозные модули, позволяющие ПЧ осуществлять управляемые режимы торможения и остановки, а также работу электропривода в генераторном режиме;
Тормозные сопротивления (резисторы), служащие для рассеивания мощности и обеспечивающие работу ПЧ при торможении до полной остановки или во время снижения скорости с реализацией максимального переходного тормозного момента.
Как правило, тормозные модули устанавливаются в соответствующих шкафных конструкциях (оболочках) на встроенных монтажных панелях, а сопротивления, в целях обеспечения условий рассеивания тепловой энергии, размещаются вне шкафа в непосредственной близости от него.

Оборудование, поддерживающее коммуникационные (сетевые) возможности ПЧ
Помимо встроенных сетевых портов, в качестве дополнительного оборудования поставляются специальные коммуникационные карты для промышленных применений, позволяющие организовать работу ПЧ в составе практически любой конфигурации сети по различным протоколам информационного обмена:
Ethernet TCP/IP
Modbus/Uni Telway
Fipio
Modbus Plus
Profibus DP
Device Net
Inter Bus
Использование сетевых возможностей ПЧ позволяет производить дистанционное управление, наблюдение, настройку и конфигурирование (параметрирование).

Средства обеспечения электромагнитной совместимости ПЧ с сетью и нагрузкой
1. Дроссели постоянного тока (ДПТ), подключаемые к силовым клеммам ПЧ:

Средства обеспечения электромагнитной совместимости ПЧ с сетью и нагрузкой
2. Сетевые дроссели, служащие для защиты от сетевых перенапряжений и уменьшения гармоник тока, вызванных работой ПЧ, подключаемые между питающей сетью и ПЧ:
Особо рекомендуется использовать сетевые дроссели в случаях:
параллельного включения нескольких ПЧ с достаточно близким (до 1,5÷2м) физическим соединением;
имеющейся асимметрии напряжения питания между фазами более 5 % от номинального значения;
питания ПЧ от силового трансформатора мощностью от 400 КВА и выше;
наличия в питающей сети значительных помех, вызванных работой другого электрооборудования;
подключения батареи конденсаторов для повышения cosφ рядом с технологической установкой (снижение перегрузки конденсаторов)

Средства обеспечения электромагнитной совместимости ПЧ с сетью и нагрузкой
5. Выходные фильтры (дроссели электродвигателя), включаемые между ПЧ и электродвигателем, необходимы для:
ограничения перенапряжения на зажимах электродвигателя до допустимых значений;
фильтрации помех, возникающих при срабатывании контактора, силовые контакты которого включены между фильтром и электродвигателем;
уменьшения токов утечки на землю обмоток электродвигателя.

Схемотехника преобразователей частоты
Элементы силовых и
управляющих схем:

ПЧ с АД
Функциональная схема

Схемы силового модуля ПЧ
Вариант принципиальной
электрической схемы с АИН:

Преобразователь частоты с АИН

Принцип работы ПЧ с АИН
Диаграмма состояния ключей инвертора при угловой длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния транзисторов, работающих в ключевом режиме), равной π, представлена на рис. В каждый данный момент времени замкнуты три ключа. Состояние ключей изменяется через каждую шестую часть периода, длительность которой в единицах времени Δt определяется заданным значением частоты на выходе инвертора как Δt=π⁄(3ω0эл ). Таким образом, изменение сигнала задания частоты на входе системы управления инвертором приводит к изменению этой длительности, т.е. изменению частоты ω0эл напряжения на выходе. Последовательность замыкания ключей 1—2—3—4—5—6.

Принцип работы ПЧ с АИН
Схемы включения обмоток статора при разных состояниях ключей инвертора и
соответствующие значения фазных напряжений.
Форма напряжений на выходе инвертора

Принцип работы АИН с ШИМ
Структура однофазного инвертора с ШИМ . Характеристики передаточного коэффициента инвертора: а – напряжение опорное и задания; б – регулировочная характеристика инвертора

Принцип работы АИН с ШИМ
Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ)на примере однофазного инвертора

Пример расчета ПЧ для АД типа 4А180М4У3, номинальная мощность Рном = 30 кВт, синхронная скорость вращения nсинх = 1500 об/мин, скольжение s = 2 %, номинальное КПД ηном = 91 %, напряжение двигателя U = 220/380 В, кратность пускового тока Iп/Iном = 7,0,коэффициент мощности cos φ1 = 0,89

Выбор силовых преобразователей

Выбор преобразователей для ЧРЭ
Для частотно-регулируемого асинхронного (ЧРЭ) электропривода также не­обходимо выбирать преобразователь частоты в соответствии с требуемым режимом работы электропривода и необходимой величиной пускового, тормозного и наибольшего момента. Кроме того, следует учитывать воз­можность реализации режима торможения, что требует усложнения и удорожания преобразователя частоты. В большинстве случаев применяют резистивные способы торможения частотно-регулируемых электроприводов с рассеиванием энергии торможения в самом двигателе, преобразователе частоты и тормозном сопротивлении.