Управляемый выпрямитель для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Преобразователь частоты с автономным инвертором для электропитания асинхронного двигателя (стр. 4 из 6)
- блок сопряжения ТВ по работе с внешними сигналами или командами;
- согласующие усилители UD – драйверы IGBT.
2.2 Структура и принцип действия преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока
В преобразователе применена наиболее распространенная для управления асинхронным короткозамкнутым двигателем схема ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения на выходе и неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых вентилей нового поколения – биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.
Основные элементы, входящие в схему (2): UZ – неуправляемый выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.
Основные блоки в системе управления:
- блок питания, содержащий восемь развязанных между собой источников напряжения;
- микроконтроллер AD на базе сигнального процессора 1899BE1;
- плата индикации DS с переключателем способа управления местное / дистанционное;
- блок сопряжения ТВ по работе с внешними сигналами или командами;
- согласующие усилители UD – драйверы IGBT.
Работает электропривод следующим образом. При подаче силового напряжения 380В на вход выпрямителя UZ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра C0, который определяется величинами 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 по аппаратно-формируемой команде "Рестарт". Выполняется предустановка ряда ячеек ОЗУ процессора (установка начальных условий), определяется способ управления "Местное/Дистанционное", "по умолчанию" устанавливается режим работы "Подача" (Q). Если с датчиков тока фаз двигателя ТАА – ТАС, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uс поступает информация о нормальных параметрах, то привод готов к работе, на цифровой индикатор выводятся нули, светится светодиод "Подача". В противном случае загорается светодиод "Авария" и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.
Для управления двигателем процессор формирует систему трехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами – “стойками” инвертора, состоящими из последовательно включенных ключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 кГц до 15 кГц.
Методика расчета приводится для ПЧ с АИН (рис. 7.2), выполненного на гибридных модулях, состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей тепловыводящей пластине.
2.3 Расчёт инвертора
Максимальный ток через ключи инвертора определяется из выражения:
(2.1) 
А 
Агде 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) 
Вгде 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
| Типприбора | Предельныепараметры | Электрические характеристики | Обратный диод | Тепловыеи механические параметры | Масса,г | |||||||||||||
| UCE(sat), B | Cies, нФ | Cоes, нФ | Cres,нФ | td(on),нс | tr, нс | td(off), нс | tf,нс | |||||||||||
| UCES, B | IC, A | PC, Вт | типовое | максимальное | Uf,B | trr,нс | Rth(c-f),oC/Вт | IGBT | Диод | |||||||||
| Rth(j-f),oC/Вт | ||||||||||||||||||
| CM100D-Y-12H | 600 | 100 | 400 | 2,1 | 2,8 | 10 | 3,5 | 2 | 120 | 300 | 200 | 300 | 2,8 | 110 | 0,15 | 0,31 | 0,7 | 190 |
Примечание: UCES – максимальное напряжение коллектор-эмиттер; IC – макси мальный ток коллектора; PC – максимальная рассеиваемая мощность; UCE(sat) – напряжение коллектор-эмиттер во включенном состоянии; Cies – входная емкость; Cоes – выходная емкость; Cres – емкость обратной связи (проходная); td(on) – время задержки включения; tr – время нарастания; td(off) - время задержки выключения; tf – время спада; Uf – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора; trr – время восстановления обратного диода при выключении; Rth(c-f) – тепловое сопротивление корпус-охладитель; Rth(j-f) – тепловое сопротивление переход-корпус.
2.4 Потери мощности в IGBT
Потери в IGBT в проводящем состоянии
(2.3) 
А (2.4) 
Вт 
Втгде 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) 
Втгде 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) 
ВтПотери диода в проводящем состоянии
(2.7) 
Втгде 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) 
Втгде 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) 
ВтРезультирующие потери в IGBT с обратным диодом определяются по формуле
(2.10) 
ВтМаксимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда
°C/Вт, в расчете на пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод)