Разработка экспериментальной платы

2 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

2.1 Общее описание экспериментальной схемы

 

Физически экспериментальная схема представляет собой стандартную схему (рисунок 2.1), состоящую из неуправляемого выпрямителя, звена постоянного тока с фильтровыми конденсаторами, узла сброса энергии (УСЭ), инвертора и микропроцессорной системы управления (МПСУ). Мгновенные значения токов и напряжений контролируются посредством датчиков тока и напряжений на основе эффекта Холла.

В состав звена постоянного тока входят блок фильтровых конденсаторов и релейная защита от превышения тока при заряде конденсаторов, работающая следующим образом. В момент подачи питающего напряжения на неуправляемый выпрямитель ток, проходящий через выпрямитель, то есть ток заряда конденсатора крайне велик, ситуация близка к короткому замыканию. Чтобы предотвратить повреждение диодного моста на его входе устанавливаются сопротивления, в начальный момент времени они ограничивают ток заряда конденсаторов фильтра. После завершения заряда, ток, протекающий по обмотке катушки, включенной параллельно конденсаторам, достигает значения срабатывания контакта.

Три фазы на выходе инвертора питают подключенный к ним асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором АИР56В4,  технические характеристики которого приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 - Технические характеристики АИР56В4

Тип электро-двигателя		Мощ-ность, кВт				Синхронная частота вращения, об./мин.					Ток статора, А				KПД, %			Kоэф. Мощности					Iпуск./ Iном.				Масса, кГ (IM1081)
АИР56В4		0,18				1500					0,65				64			0,68					5				3,9
Число полюсов	Габаритные размеры, мм						Установочные и присоединительные  размеры, мм
	l30		l33	h31	d24		l1	l2	l10	l31		d1	d2	d10		d20	d22		d25	b1	b2	b10		h1	h2	h5		h6	h1 0	h
4	203		230	141	140		23	23	71	36		11	11	5,8		115	10		95	4	4	90		4	4	12,5		12,5	7	56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Электрическая принципиальная схема электропривода

 

 

2.2 Применяемые в экспериментальной плате элементы

Датчики тока на основе эффекта Холла

Существует  множество методов измерения  тока, однако в промышленности наиболее широко применяются три: резистивный, на основе эффекта Холла и трансформатора тока; последний может быть использован  только в цепях переменного тока. Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства  и недостатки, определяющие области  их применения. В таблице 2.2 представлены основные характеристики перечисленных методов измерения.

 

Таблица 2.2 – Методы измерения тока

Датчик	Ток	Диапа-зон измере-ния. А	Гальва-ничес-кая развязка	Вноси-мые потери	Внеш-ний источ-ник питания	Частот-ный диапа-зон. кГц	Погреш-ность измере-ния тока, %	Относи-тельная стои-мость
Резис-торный	Посто-янный	<20	Нет*	Есть	Нет	-100	<1	Очень низкая
	Пере-менный	Нет*				>500		Низкая
Ячейка Холла	Посто-янный и пере-менный	<1000	Есть	Нет	Есть	-200	<10	Средняя/высокая
Транс-форма-тор тока	Переменный	<1000	Есть	Есть	Нет	Сеть пере-менного тока	<5	Высокая

 

В данной работе был применен многопредельный компенсационный  датчик тока на эффекте Холла LTS 6-NP фирмы LEM.

Основные  характеристики датчика тока сведены  в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Характеристики датчика LTS6-NP

IPN	Номинальный входной ток,  эфф. значение	6  А*вит
IP	Диапазон преобразования	0.. ±19.2  А*вит
VOUT	Выходное напряжение при IP = 0 при IP = IPN	2,5 2.5±(0.625·IP/IPN)
N	Число вторичных витков	2000 (±0.1 %)
RT	Сопротивление нагрузки	> 2 кОм
RM	Встроенный измерительный резистор	208.33 Jм (± 0.5 %)
V	Напряжение питания	5 В   (±5 %)
VISO	Электрическая прочность изоляции	3  кВ
T	Время задержки	< 400  нс

 

Датчики напряжения на основе эффекта Холла

В данной работе был применен компенсационный  датчик напряжения на эффекте Холла LV 25-P/SP20 фирмы LEM. Основные характеристики датчика напряжения сведены в таблицу 2.4.

 

Таблица 2.4 – Характеристики датчика LV 25-P/SP20

IPN	Номинальный входной ток,  эфф. значение	10 мА
IP	Диапазон преобразования	0.. ±14  мА
ISN	Номинальный аналоговый выходной ток	25 мА
KN	Коэффициент преобразования	2500 :1000
RM	Величина нагрузочного резистора	100:340 Ом
V	Напряжение питания	±15 В
VISO	Электрическая прочность изоляции	2.5  кВ
T	Время задержки	40 мкс

 

   Силовые транзисторы

             В силовой электронике используют  несколько видов силовых транзисторов, отличающихся по принципу действия:

-биполярные  транзисторы (p-n-p и n-p-n приборы), в том числе транзистор Дарлингтона;

-полевые  транзисторы (на базе МОП, МОСФЕТ  и МДП структур);

-транзисторы  с изолированным затвором (IGBT).

            Основными факторами, определяющими выбор типа транзистора, являются надежность системы, возможность реализации предполагаемых алгоритмов управления электроприводом, коэффициент полезного действия преобразователя энергии, затраты. В настоящее время в электроприводе используются полевые, либо IGBT-транзисторы.

Основные  преимущества полевых транзисторов:

 

 

-высокое  быстродействие (доли нс);

-управляются  очень малыми мощностями;

-имеют высокое  входное сопротивление;

-могут управляться  непосредственно от микросхемы  без дополнительных усилительных  каскадов;

-имеют высокую  температурную стабильность.

          Одна из распространенных серий полевых транзисторов является IRF. N-канальные ключи этой серии имеют следующие параметры:

Uси от 100 до 500 В;

Iси от 0,6 до 40 А;

Rси от 0,055 до 3,6 Ом.

         Самым перспективным силовым элементом преобразовательной техники является IGBT-транзистор. Он выполняется на базе биполярного транзистора и схемы управления, содержащей один или несколько МДП-транзисторов, выполненных технологически на одном кристалле. Исходя из этого, получается, что эти транзисторы сочетают в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов.

         Одной из распространенных серий  IGBT-транзисторов является IRG. 

Для управления  двигателем на 0,18 кВт считаю нужным использовать следующий вид транзисторов:

IRG4PC50UD – 600 В, 27 А, 100 Вт. 

         На рисунке 2.2 представлена зависимость прямого протекающего тока через переход от частоты коммутации.

  

              Рисунок 2.2 - Зависимость прямого протекающего тока через переход от частоты коммутации

 

            Диодный мост

            Диодный мост - электронная схема, предназначенная для преобразования ("выпрямления") переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

           

          Выделим два варианта включения мостовых схем однофазную и трехфазную. В нашей экспериментальной плате используется однофазное включение. В данной работе был использован диодный мост МВ156 фирмы CHENYI ELECTRONICS. Технические параметры представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 -  Технические параметры диодного моста МВ156

 

Максимальное постоянное обратное напряжение, В	600
Максимальное импульсное обратное напряжение, В	720
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А	15
Максимальный допустимый прямой импульсный ток, А	300
Максимальный обратный ток, мкА	10
Максимальное прямое напряжение, В	1.1
при Iпр, А	7.5
Рабочая температура, С	-55…125
Способ монтажа	клеммы
Корпус	MB-25
Количество фаз	1

 

        Фильтрующие конденсаторы

        Выпрямитель выдает пульсирующее напряжение постоянного тока, которое не годится для питания большинства электронных цепей, поэтому в блоках питания, как правило, после выпрямителя стоит фильтр. Фильтр преобразует пульсирующее напряжение в гладкое напряжение постоянного тока. Простейшим фильтром является конденсатор, включенный параллельно входу выпрямителя.

           Исходя из экономических соображений, выбираем аналог конденсатора ECAP 470/450V с маркировкой 3545 105C HU5 (HIT-AIC). Технические параметры представлены в таблице 2.6.

        

Таблица 2.6 -  Технические параметры конденсатора ECAP 470/450V

 

Номинальная ёмкость	470 мкФ
Номинальное напряжение	450 В
Срок службы	6000 ч
Рабочая температура	-40…105 °C

   

      Для уменьшения паразитной ёмкости  ножек конденсатора и снижения  протекающего через них тока  используется их параллельное  соединение. Для обеспечения заданной  емкости требуется включить параллельно  4 конденсатора. Общая ёмкость фильтра  будет равна 1880 мкФ.      

 

 

     Расчет параметров пускового сопротивления

      Так как в конденсаторном фильтре напряжение возрастает по экспоненте до заданного значения, пока не зарядится конденсаторный фильтр, постоянная времени Т, определяется по формуле

                                               с,                                    (2.1)

где     – пусковое сопротивление (на силовой схеме R1 и R2), Ом;

     Так как в каждую стойку ставим параллельно 4 фильтровых конденсатора, то общая емкость 1880 мкФ.

Из формулы (2.1) выразим R_ПУСК, Ом

                                               ,                                        (2.2)

     Время переходного процесса с, за которое заряжается конденсаторный фильтр принимаем равным 1 с, что соответствует приблизительно быстрому нажатию на кнопку «Пуск». Известно, что = (4÷5)Т. Следовательно

                                             с,

Подставим численные  значения в формулу (2.2)

                                         Ом,

Пиковую мощность пускового резистора выбираем по формуле