Преобразователи частоты

Уточнение коэффициента трансформации с учетом падения напряжения на элементах силовой схемы.

     Определяем значение выпрямленного  напряжения холостого хода с  учетом распределения падения  напряжения на элементах.

     Находим действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора на холостом ходу (воспользуемся таблицей 1).

    Тогда   U₂ /U_d0 = 0,855 , откуда U₂ = 0,855*110,367=94,364 B .

     Корректируем величину коэффициента трансформации:

к_тр. = U_{1n min} / U₂ = (220 – 0.15*220) / 94,364 =1,982

     Уточняем электрические и энергетические  параметры трансформатора.

     Определим действующее значение  тока в первичной обмотке трансформатора, используя данные таблицы 1:

I₁ = 0,45*I_d / k_тр. = 0,45*100 / 1,982 = 22,704 A.

     Габаритная мощность первичных обмоток трансформатора:

S₁ = 1,27*Р_d = 12700 BA.

     Габаритная мощность вторичных  обмоток трансформатора:

S₂ = 1,56*P_d = 15600 ВА;

     Полная габаритная мощность трансформатора 

S_ТР=(S1+S2)/2=(12700+15600)/2=14150 ВА.

     Эта величина близка к определенной ранее по коэффициенту схемы (см. таблицу 1), поэтому оставляем выбранный силовой трансформатор для работы в данном преобразователе.

     Уточняем величину активного сопротивления обмоток  – R_тр и реактивного сопротивления рассеяния X_s, приведенных к вентильной стороне силового трансформатора

.

     Итак:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приведение  сетевого напряжения к вентильной стороне  трансформатора.

     Преобразуем Т – образную схему замещения (рис.3), рассчитав комплексные сопротивления во всех ветвях схемы, получим следующую схему:

Рис. 5

Здесь    

= R₁ + jX_s1 =0,375 + j0,357 = 0,517 e^j43,557˚ Oм;

              

= R^’₂+ jX^’_s2=0,375 + j0, 357 = 0,517 e^{j43, 557}˚ Oм; 

     Приводим сетевое напряжение  трансформатора к вентильной  стороне по методу эквивалентного  генератора.

                                    В;         Ом.

     Рассмотрим приведение для фазы  А:  В.

     Следовательно, 

     Пересчитаем полученные значения  через коэффициент трансформации 

  В;

Определим индуктивность  рассеяния в каждой из шести фаз:

L_sф. = X_sф. / ω_сети = 0,09/314 = 2,866*10 ^–4 Гн

     Запишем систему всех приведенных  фазных напряжений:

, ,

, ,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Защита  тиристоров от перенапряжений.

     В силовых полупроводниковых  преобразователях различают следующие  виды перенапряжений:

• внешние перенапряжения, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки;
• внутренние перенапряжения, возникающие при коммутациях в преобразователях;
• перенапряжения, обусловленные эффектом накопления носителей в полупроводниковых приборов при коммутации тока.

  a) Для защиты силовых полупроводниковых вентилей от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, а также от коммутаций в цепи нагрузки, параллельно вентилям включают индивидуальные RC – цепочки.

     Конденсатор и резистор должны  как можно меньшую собственную индуктивность. Для того, чтобы защитная цепочка имела в целом возможно меньшую, она должна быть размещена непосредственно около вентиля.

     Произведем расчет параллельной  RC – цепочки для защиты прибора от коммутационных перенапряжений, возникающих при переключении тиристоров.

     При выходе вентиля из работы  на него действует величина  линейного напряжения U_2л.  Изобразим расчетную схему (рис .5)

Рис . 6

     На схеме L_sΣ = 2L_sф.=2*866*10^-4=5,732*10^-4 – суммарная индуктивность рассеяния двух соседних фаз.

     Применяемый тиристор имеет критическую  скорость нарастания напряжения, равную (du /dt )_кр. = 100 В/мкс. Выберем ограничение с запасом (du /dt ) =  50 В/мкс. Тогда   (*), т.к.    мало по сравнению с .

В момент коммутации  | U_{2m л} | = L(di/dt) (**).   Из выражений (*)  и  (**) выразим величину сопротивления RC – цепочки:

   Ом.

     Так как в схеме на рис  .5 есть два накопителя электромагнитной энергии, то в ней будут возникать колебания напряжения, что нежелательно. Поэтому ограничим выброс коммутационного перенапряжения величиной U_{vs max} = 1.25 U_{2m л}, что соответствует коэффициенту демпфирования , где Ом  – величина критического сопротивления.

     Выразим величину емкости конденсатора  в RC – цепочке

   Ф.

     Подставим числовые данные и  определим величины R и С:

;

.

     Мощность резистора определим из выражения

.

     Цепью разряда конденсатора RC – ветви являются резистор и включенный тиристор. Следовательно, вентиль будет испытывать дополнительную токовую нагрузку. Определим величину токовой добавки  

     Суммарная величина среднего  тока через вентиль и добавки  при разряде конденсатора не  должна превышать допустимого  значения I_п.к. = 80 А при заданных условиях охлаждения. Проверим это

   I_Σ = 33,3 + 1,9 = 35,150 A. << [I_п.к.] A.

   б)  Защита от перенапряжений, возникающих при коммутациях в цепи нагрузки.

      Рассмотрим наихудший (с точки  зрения нагрузки на полупроводниковый  прибор) случай перенапряжения, когда  происходит отключение индуктивной  нагрузки от работающего преобразователя, и величина э.д.с. самоиндукции складывается с фазным напряжением, действующим на вентиль.

Для того, чтобы  использовать уже рассчитанную выше RCA – цепочку для данного вида перенапряжении, выполним проверочный расчет величины (du/DT) при воздействии суммарной э.д.с., равной

Е^пер_Σ = Е_2mф + Е_{н. max} =

·102 + 100 = 244,296 B.

     Тогда      

              

,

     Следовательно, данная RC – цепочка может служить защитой как от перенапряжений, вызванных коммутациями с вентиля на вентиль, так и в цепи нагрузки.

     На основе данных расчета выбираем  элементы защитной RC – цепи.

Выбор резистора.

     Из справочника выбираем металлооксидный  резистор с подавленной реактивностью  – тип МОУ: 

–  резистор имеет номинальное сопротивление R_н. = 150 Ом  ( );

–  номинальная  мощность Р_н =0,5 Вт;

• ТКС  в диапазоне температур от – 60 ˚ С до  + 200 ˚ С;
• температура  окружающей среды – Т_окр. =  ˚ С;
• предельное импульсное напряжение U_{и m} = 360 В.

     Геометрические размеры: наружный  диаметр D = 1,6 мм, длина L=16,5 мм , d = 3 мм.

Выбор конденсатора.

     Выбираем фторопластовый конденсатор  К72 – 11А  емкостью С=0,1мкФ  ( ).

Корпус типа ЦИ (Ц – цилиндрический, И –  изоляционный).

Параметры:

• номинальное напряжение U_н = 500 В;
• температура  окружающей среды – Т_окр. =  ˚ С;
• величина тангенса угла потерь – ;
• сопротивление изоляции вывод – вывод R_из. = 20 ГОм

Геометрические  размеры: диаметр D = 58 мм, длина L = 78 мм,

длина выводов  l = 18 мм.

     Так как были выбраны реальные  элементы цепи защиты, то необходимо  сделать оценку, как изменилась  скорость нарастания фронта напряжения  – (du /dt) для вариантов защиты а) и б):

     Для случая перенапряжения а):

<[(du /dt)_кр. =100

В/мкс]. 

Δ(du/dt)=68,652–50=18,652 В/мкс, т.е.  порог ограничения скорости нарастания напряжения при коммутации с вентиля на вентиль увеличился на 18,652 В/мкс.

для  случая перенапряжения  по пункту  б):

.

     Следовательно, порог  ограничения  скорости нарастания напряжения  при коммутациях в цепи нагрузки  повысился на Δ(du/dt)=67,126-58,648=8,478 В/мкс.

     в) Защита от перенапряжений, которые попадают в преобразователь из питающей сети, вследствие атмосферных разрядов, процессов переключения в соседних устройствах, например при работе выключателей или перегорании предохранителей, или из-за резонансных явлений, обусловленных наличием гармоник в сетях, склонных к резонансу.

     Длительные перенапряжения этого  типа опасны не только для  преобразователя, но и для других  потребителей, для их ограничения  необходимо использовать внешние  по отношению к преобразователю  устройства. Но по ТУ необходимо предусмотреть защиту преобразователя от кратковременных превышений напряжения в сети. 

     Параллельно каждому комплекту  вентилей  подсоединим RC – цепочки, объединенные в треугольник.  При расчете резисторов такого защитного устройства (ЗУ) будем исходить из условия, что при действии напряжения величиной U_{пер. m} = 3кВ в течение 1 мкс на резисторе должно выделиться порядка 1 Дж тепла.

     Итак,

                                        

Следовательно, величину сопротивления резистора  ЗУ определим как

     Величину емкости конденсатора  ЗУ определим, используя выражение,  полученное выше (коэффициент демпфирования  ξ и значение L_sΣ остаются теми же):

.

     По данным расчета выбираем элементы ЗУ (треугольник из RC – цепочек).

Выбор резистора  ЗУ:

     Тип резисторов треугольника  из RC –цепей выбираем таким же, что и для защиты приборов при внутренних коммутациях, т.е. резистор металлооксидный  типа МОУ с параметрами:

–  номинальное  сопротивление R_н. = 10 Ом  ( ) ;

–  номинальная  мощность Р_н = 25 Вт;

• ТКС  в диапазоне температур от – 60 ˚ С до  + 200 ˚ С;
• температура  окружающей среды – Т_окр. =  ˚ С ;
• предельное импульсное напряжение U_{и m} = 4000 В.

     Геометрические размеры:  наружный  диаметр D = 13 мм, длина L = 130 мм , d = 8 мм.

Выбор конденсатора.

Выбираем  комбинированный  конденсатор К75 – 25 емкостью С=1,2 мкФ ( ).

     Корпус типа ПМ ( П– прямоугольный,  М – металлический).

     Параметры:

• номинальное напряжение U_н = 3 кВ;
• температура  окружающей среды – Т_окр. =  ˚ С;
• величина тангенса угла потерь – ;
• сопротивление изоляции вывод – вывод R_из. = 5 ГОм.

     Геометрические размеры: ширина  В =90 мм, длина L =110 мм, высота Н =18 мм.