Universitatea ‘’Dunarea de Jos’’

Facultatea de ‘’Automatica,Calculatoare,Inginerie Electrica si Electronica’’

Specializarea ‘’Electronica de Putere si Actionari Electrice’’

Anul III , Grupa 2531

Proiect

Proiectarea unui invertor trifazat

Prof. Indr., Student,

-2011-

Etapele proiectului

1

Trebuie mentionat ca etapele de calcul se vor desfasura in urmatoarea ordine :

1 Tema proiectului

2 Calculul datelor principale

3 Calculul redresorului si al filtrului

4 Calculul invertorului propriuzis

5 Calculul chopper de franare

6 Schema de comanda

7 Simularea convertorului

Etapa 1

Proiectarea unui invertor trifazat

Tema de proiect : Sa se proiecteze un convertor pentru alimentarea unui sistem de actionare cu motor asincron trifazat avand urmatoarele date :

- Putere nominala : PN= 2,2+0,5● N = 13, 7 Kw;

- Tensiune nominal : U N , 400/230 Y/Δ ; 50 Hz;

- Turatia nominal : ηN= 0,82+0,001●N = 0,843;

- Factor de putere nominal : cos φN= 0,82 ;

- Reglarea vitezei (0,1-1); U/f=ct. ;

- Cuplul maxim: MK=3 ●M N= 276,39 [N m] ;

- Cuplul de mers in gol : M o= 0,05●M N = 4,6065 [N m] ;

- Se considera urmatorul ciclu de functionare:

t p= t p= 1 sec ;

M p=M f=1,9●M N= 175,047 [N m] ;

I P

I f =1,8 ● IN= 51,49 A;

- Momentul de inertie al motorului :

JM= 0,0047+0,0005● N =0,0162 [Kg m2] ;

- Momentul de inertie al masini de lucru :

JML=3J M= 0,0486 [Kg m2] ;

2

- Tensiunea retelei 3x 400/230, la o frecventa de 50 Hz;

- N= 23.

Etapa 2

2.1 Calculul datelor principale Schena convertorului :

Obs: La puteri de peste 10 Kw, tensiunea din primarul transformatorului este egala cu 400 V (U P=400V) se foloseste un redresor monofazat. La puteri de peste 30 Kw , tensiunea din primarul transformatorului este egala cu U P=400V se utilizeaza un redresor trifazat.

2.2 Date principale:

- Puterea nominal absorbita de motor : P1N= PN

ηN =

13,70,843 =16,25

Kw ;

3

- Curentul nominal absorbit de motor : IN= P1N

√3U l ●cosφN =

16251,4

√3●400●0,82

= 28,6 A; - Curentul maxim absorbit : I S= IP=I f= 1,8● IN= 1,8 ● 28,6 = 51,4 A;

- Viteza unghiulara nominal : ΩN=π ●nN

30 =148,7 ;

- Cuplu nominal : MN=PN

ΩN =

13,7148,7 = 9,213 [N m] ;

-Momentul inertiei totale : JT = JM+ JML = 4 JM= 4 ● 0,0162 = 0,0648 [Kg m2]

2.3 Calculul circuitelui intermediar (Alegerea transformatorului).

Se considera fie comanda PWM.

U f = 0,353 ● nA● V d″ => V d″=U f

0,353●nA =

2200,353●0,9

= 692 V

4

U f =220 V ; V d″- tensiunea redresata fara a tine cont de caderile de tensiune din invertor; nA - modulatia prin amplitudine ≤ 0,9; Tensiunea redresata tinand cont de caserile din invertor este : V d' = K ● V d″ +ΔV F= 719,68+13,84 = 734 V K=1,04 – coefficient ce tine cont de caderile de tensiune pe cablurile matorului , de caderea de tensiune pe tranzistor ,de caderea de tensiune datorita timpului mort . ΔV F= 0,02 ● V d″ =13, 84 V – caderea de tensiune pe filtru. Tensiunea reala este: V d = V d' +V γ + Δ V diode = 734+22,03+3,6=760 V V γ = 0,03 ● V d'=22,02 V –caderea de tensiune reactiva datorata comutatiei ; V diode =2 ● 1,8 = 3,6 V –caderea de tesiune pe diode ; Curentul in circuit intermediar : I d = IN = 29 A ; Curentul maxim din circuitul intermediar : I ds=I s= 51 A ; Puterea in circuitul intermediar : Pd = V d ● I d = 760 ● 29 = 22, 04 Kw; Trebuie asigurata tensiunea nominal a motorului in conditile cele mai nefavorabile.

Tensiunea in secundar : U s=V d

0,9●0,95 = 760

0,855 = 889 V ;

Factorul de transformare : K =UP

U s =

400889

= 0,4499 ;

U P = 400 V , daca PN > 10 Kw ; Puterea transformatorului : ST = 1,1 ● Pd= 24, 46 Kw ;

Inductivitatea de dispersie Lτ =π

2●ω● I dm ● V d=

760●3,142●314●3●29

= 0,04;

Se alege o valoare de 0,0454 a " Lτ , pentru a avea o valoare buna

a " γ " . ω = 2πf = 314 ; MK = 3MN => I dm= 3IN = 87 A;

Curentul nominal din secundarul transformatorului : I SN =ST

U s =

24460889

= 28 A ;

Tensiunea de scurtcircuit : uK= ω ●Lτ ● I SN =314 ● 0,0454 ● 28 = 399 V ;

uK =399●100

889 = 35% ;

Verificarea unghiului de comutatie :

5

1- cos γ =2ω●Lτ

√2U s

● I dm= 2480,4744

1257,23 => 1- cos γ =1,9729=>cos γ

=0,9729=>γ= 13,36º.

Etapa 3

3.1. Calculul redresorului3.1.1 Alegerea diodelor :

a) in current – curentul mediu pe o perioada : IFAV=I d●K c

Kn●n = 14,5 A ;

unde : n =1, nr. de diode aflate in paralel Kn=1, coeficient ce tine cont de schema redresorului , cat dintr-o perioada conduce o diode

KC= 12 , coeficient ce tine cont de schema redresorului

Diodele se aleg astfel incat sa indeplineasca conditia : IFAVM ≥ KS ● IFAV [A]IFAVM – curentul direct ,mediu maxim ;IFAV – curentulmediu pe o perioada ;

KS =[1,1…..1,8] – coeficientul de supradimensionare; IFAVM= 15,95 A pt. KS =1,1 ; IFAVM= 26,1 A pt. KS =1,8 b) in tensiune trebuie indeplinita urmatoarea conditie : V RRM≥ 1,05●KV ●V RM [V] V RRM –tensiunea de varf repetitive ; KV=[1,5…..2,5] – coeficientul ce tine cont de supratensiunile de comutatie ; V RM =√2U s =1257 V; V RRM=1980 V pt. KV=1,5 ; V RRM=3300 V pt. KV=2,5 c)Alegerea diodelor Se alege diodele IRKE 235 pag B3 / D233 din catalogul de diode , Dimensiunile diodei L= 94 mm, l= 34 mm.

3.1.2. Verificarea termica a diodelor in regim stationar. θ j=θA+PFAV● Rthjc +RthCR +RthRA +ΔR ≤ θ jmax

θ j= 40 +12,5● 0,17 +0,035 +0,46 +0,016= 42,636 ºC θ j- temperatura jonctiuni ; θA- temperature mediului ambient 20 ºC pt. incaperi climatizate, 40 ºC pt. incaperile neclimatizate. PFAV – puterea disipata in jonctiune, se allege din catalog in functie de (IFAV, δ ,n) ;

6

δ =180 – perioada de conductie ; n – forma pulsului , sinosoidala ; Rthjc=0,17 ºK/w–rezistenta termica jonctiune capsula ( in foile de catalog); RthCR= 0,035 ºK/w - rezistenta termica capsula radiator ; RthRA= 0,46 ºK/w –rezistenta termica radiator aer ; ΔR = 0,016 ºK/w;

R 'thRA ≤ θ jmax−θA

PFAV -Rthjc-RthCR - ΔR ≤ 8,7823 Ω

Se alege radiatorul "R1" cu L= 100 mm de la pag 373 din catalogul de radiatoare (in functie de rezistenta termica radiator aer rezultata)

3.1.3. Verificarea la suprasarcina se face pt curentul maxim (I dm> Id)

IFAVS=I dm ●Kd

K n●n =

29●32 = 43,5 A ;

Kn= n = 1; Kd =12 ;

Se allege din catalog PFAVS in functie de (IFAVS , δ ,n) ; PFAVS = 40 w Se calculeaza diferenta de putere : ΔP =PFAVS -PFAV = 40 -12,5 =27,5 w ; Se calculeaza cresterea de temperature : ΔθS= ΔP● Z th= 27,5 ●0,11= 3,025 K ; Z th=0,11K/w – impedanta termica a diodei , se alegein functie de timpul de pornire oprire : t p=t f= 1 s

3.2.Circuitul de protective la suprasarcini. Protectia la suprasarcina si la supracurenti se face cu sigurante fuzibile ultrarapide , ele se conecteaza inaintea diodelor redresor.

7

3.2.1.Alegerea sigurantelor fuzibile ultrarapide : a) in current INT≥ KS● IFRMS≥ 396 A ; KS= 1,1 ; IFRMS=360 A -valoarea efectiv maxima a curentului admisa de diode, se allege din catalogul de diode ; b) in tensiune U NF≥ U S , 900 V > 889 V ; U NF=900 V , U S = 889 V ; 3.2.2.Verificarea sigurantelor fuzibile : a) Verificarea la supratensiuni, trebuie indeplinita conditia U arc≤ V RRM, 1600 V < 2400 V ; U arc=1600 V –tensiunea de arc a sigurantei fuzibile ; V RRM = 2400 V . b) Verificarea la integral de current : K1(I

2t )F ≤ (I 2t)dioda , 202000 < 214000 ; K1 =1 – coeficientul de multiplicare se allege din catalogul fuzibilului

in functie de( U S

U Nr) ;

(I 2t)F =202000 – integrala de curent al fuzibilului si este dat in catalogul fuzibilului ; (I 2t)dioda = 214000 – integrala de curent al diodei , se alege din catalogul diodelor . c) Verificarea la curent de rupere : Trebuie indeplinita conditia : I limF ≤ IFSM, 4000 A < 6850 A ;

8

I limF= 4000 A –valoarea maxima a curentului pe carel poate intrerupe fuzibilul, se alege din catalogul fuzibibilului in functie de curentul de scurtcircuit IK ;

IK= I SN ●US

UK = 62, 38 A

Toate cele trei conditii trebuiesc indeplinite in caz contrar se alege alta siguranta fuzibila sau alta dioda si se refac calculele.

3. 3. Calculul filtrului. 3.3.1. Scopul filtrului este de a reduce armonicile de tensiune. 3.3.2. Principala armonica pentru redresorul cu 2 pulsuri in punte este armonica de rang 2 - V ( 2).

√2V( 2)

V d

= 0,667 ne propunem sa reducem armonicile astfel in cat

√2V( 2)

V d

= 0,02

- Coeficientul de atenuare impus : K1= √2V(2 )

√2V ( 2) ' = 33,35

3.3.3. Dimensionarea filtrului :

ω p● LF ≤ 2,5 ● RS =>LF ≤ 2,5● RS

ωp => LF ≤ 0,104H

ω p= p ●ω = 628 , p= 2 – nr. de pulsuri

RS =V d

I d =

76029

=26, 2 Ω –rezistenta echinalenta a sarcini

ω p● CF≥ 10RS

=> CF≥ 10

RS●ω p => CF≥ 0,0006077 F

3.3.4.Calculul coeficientului de atenuare: Se alege o valoare mai mare a CF=0,0009 F , pentru a avea un coeficient de atenuare dorit .

ω0 =1

√LF●CF

=1

√0,104●0,0009 = 104 – pulsatia de rezonanta a filtrului

Q = ω0●LF

RS = 104●

0,10426,2 = 0,41 –factor de calitate

K1' =√(1−ωp

2

ω02 )

2

+(Q−ω p

ω0)

2

=√ (35,4 )2 +(2,47 )2 = 35,49

-Verificare : Q trebuie sa fie ≤ 0,5 ω p>>ω0pentru a se evita fenomenul de rezonanta

ωp

ω0Є [5÷10] ,

ωp

ω0 =

628104

= 6,03

9

Coeficientul de atenuare K1' trebuie sa fie mai mare ca coeficientul K1 impus Etapa 4

4. Calculul convertorului propriuzis 4.1. Schema :

4.2. Alegerea tranzistoarelor a) in curent: I c > I dm , I c- current de transistor. I dm = 3IN = 87 A b) in tensiune: V CES > C γ● V d" => V CES > 1,5 ●692 =1038 V C γ = [1,5…. 2,5] – coeficient de corectie care ea in calcul diversele variatii ale comutatiei. c) Se alege tranzistorul IRGTINO75M12 din catalogul de tranzistoare de la pag. B-6 / C541 cu I c= 140 A , V CES =1200V si PD =600 w. 4.3.Verificarea tranzistoarelor a) Se calculeaza rezistenta radiatorului RthRA care sa radieze caldura provenita de la transistor,

10

in timpul functionari.

RthRA ≤ θ jmax−θ jamb

P jon●P jc -Rthjc-RthCS ≤

150−4034,1649●264

−¿ 0,188 – 0,041 =>RthRA≤

0,1399Ω P jon= V CEON ● I dS ●D = 2,1 ●51 ● 0,319 = 534,1649 w

D = UN +2V CEON

V d ' =

230+4,2734

= 0,319

P jc=ω j ● f c = 88 ● 3 = 264 w θ jmax=150ºC – temperatura la care poate functiona IGBT in conditi normale; θ jamb= 40ºC – temperatura mediului ambient aceiasi ca la diode; P jon - puterea disipata in jonctiune in starea de conductive; P jc- pierdere de putere in comutatie V CEON- se ea din catalog in functie de (I s, θ jmax); f c= [3….10] KHz, (fast f c ) se ea in functie de tranzistorul ales. In functie de RthRA se alege un radiator. Radiatorul este de tip R cu sectiune transversala cu L= 100mm si RthRA =0,1 .

b) Perioada de conductive pentru modulatia IGBT : T c= 1f c

= 13 =

0,3 [ms] c)Durata de conductive : t c=D ● T c= 0,3 ● 0,3162 = 0,1053 [ms]

Etapa 5

5. Calculul chopperului de franare.

11

Avem doua regimuri de functionare :

- functionarea masini ca motor,

- regim de generator sau de frana .

Curentul de franare IFse inchide prin condesatorul de franare CFsi

produce incarcarea acestuia cu o energie de valoare w c=12 CF● U c

2

U c= V di+ ΔV – se comanda intrarea in conductive a tranzistorului T f , tensiunea U cscade si are loc descarcarea condesatorului CF. U c= V di – ΔV – se comanda iesirea din conductive a tranzistorului T f , urmand ca condesatorul sa se incarce din nou. Obs: Reglarea este de tip bidirectionala intre V di+ ΔV si V di – ΔV , si se poate realize fie printr-un regulator bipolar fie prin histerezis. In ambele cazuri este necesara masurarea tensiuni V di. Obs: Metoda de franare nu este economica deoarece energia de franare nu se recupereaza . Aceasta variant se practica la puteri mici si mijlocii. Pe perioada de franare miscarea este asigurata de inertia sistemului.

12

Cuplul intrun motor: M =MR±JT ●dw

d t

MR- cuplul static rezistent JT -momentul de inertie a sistemului

dw

d t - viteza unghiulara la arbore

La franare ωN> 0 , MR= M 0 => 0 = M 0±JT ●dw

d t => MF=JT ●

dw

d t

MF=JT ●ωN

tf=0,0648●

148,71

= 9,6357

ωN= ΩN= 148,7 t f = 1s -Calculul cuplului de franare a masini : MFM = MF−¿ M 0 = 9,6357 – 4,6065 =5,0292 [N m] M 0 = 0,05 ●M N = 4,6065 [N m] - Puterea de franare instantanee : PF = MFM ●ΩN=5,02926 ● 148,7 = 747,85 w

- Curent de franare : IF = MFM

K f =

5,02923,22

=1,5618 A

K f = MN

IN =

92,1328,6

= 3,22 – constanta motorului

- Puterea se franare medie : PFm = 12 PF = 373,92 w

- Rezistenta de franare : R f= V di

IF =

871,5618

= 55,7 Ω

V di= V d 0 – V γ – ΔV F – ΔV D = 801– 696 – 15, 2 – 2,8 = 87 V V d 0 = 0,9U S = 801V

V γ = 2π

●ω ● I dm ● Lτ = 2π

●314 ● 87 ● 0,04 = 696V

ΔV F= 0,02 ● V d = 0,02 ● 760 = 15, 2 V

ΔV D= 2 ● 1,4 = 2,8 V V di – tensiunea de iesire ideala a tranzistorului V γ – tensiunea de cadere reactiva ΔV F – caderea de tensiune pe filtru ΔV D – caderea de tensiune pe diodele redresorului - Puterea rezistentei de franare:

PRf ≥ PFm● t f

Tc ≥ 373,92 ●

142

≥ 8,9 w

t p= t f = 1s , t s= 40 s T c =t p+ t f + t s= 42 s - Alegerea tranzistorului :

13

V CE > V di + ΔV > 87 +8,7 > 95,7 V ΔV = [0,05….0,1]●V di

IC > IF

14