VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ - PDF

Description
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION

Please download to get full document.

View again

of 44
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Presentations & Public Speaking

Publish on:

Views: 11 | Pages: 44

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 3F. MĚNIČ S REGULACÍ OTÁČEK PRO POHON STOJANOVÉ VRTAČKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR MARTIN GROM BRNO 2013 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING 3F. MĚNIČ S REGULACÍ OTÁČEK PRO POHON STOJANOVÉ VRTAČKY 3F. INVERTER WITH DRIVE CONTROL FOR DRILL PRESS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR MARTIN GROM VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. PETR PROCHÁZKA, Ph.D. BRNO, 2013 Abstrakt Bakalárska práca sa zaoberá návrhom a realizáciou trojfázového meniča určeného pre pohon stojanovej vŕtačky s asynchrónnym motorom. Zapojenie je navrhnuté s vyuţitím integrovaného jednoúčelového riadiaceho obvodu a výkonového modulu s tranzistormi a budičmi. Sú popísané základné teoretické aspekty riadenia asynchrónneho motora a funkcie striedača, funkcia integrovaných obvodov, návrh celkového zapojenia a návrh dosky plošných spojov. Navrhnuté zariadenie bolo zhotovené a oţivené. Na vyrobenom meniči bolo vykonané skúšobné meranie. Abstract Bachelor thesis deals with the design and implementation of a three-phase converter designed for driving an electric drill with asynchronous motor. Converter is designed using a specialized integrated control circuit and transistor power module. The thesis also contains description of the induction motor control, description of the inverter internal operation, functions of integrated circuits, overall design description and design of the printed circuit board. The proposed device has been built and tested. The test measurements were done on a working sample of the converter. Klíčová slova trojfázový menič; striedač; asynchrónny motor; tranzistorový modul; nábojová pumpa Keywords three-phase converter; inverter; asynchronous motor; transistor module; bootstrap circuit Bibliografická citace GROM, M. 3f. měnič s regulací otáček pro pohon stojanové vrtačky. Brno: Vysoké učení technické v Brně,, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Procházka, Ph.D.. Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma 3f. měnič s regulací otáček pro pohon stojanové vrtačky jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne Podpis autora.. Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Petru Procházkovi, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne Podpis autora.. 7 Obsah ZOZNAM OBRÁZKOV... 8 ZOZNAM TABULIEK... 9 ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK ÚVOD TEORETICKÝ ZÁKLAD ASYNCHRÓNNY MOTOR SPÔSOBY REGULÁCIE OTÁČOK VÝKONOVÁ ČASŤ MENIČA NAPÁJAČ STRIEDAČ RIADENIE MENIČA OBVODOVÉ RIEŠENIE RIADIACA ČASŤ OBVOD MC3PHAC VÝKONOVÁ ČASŤ OBVOD FSBS10CH NÁVRH ZAPOJENIA RIADIACI OBVOD VÝKONOVÝ MODUL NAPÁJANIE NÁVRH KAPACITY MEDZIOBVODU MAXIMÁLNY VÝKON PRIPOJENÉHO MOTORA ORIENTAČNÝ VÝPOČET STRÁT BRZDNÝ REZISTOR NÁVRH DPS REALIZÁCIA MENIČA NAMERANÉ PRIEBEHY ZÁVER...42 POUŢITÁ LITERATÚRA...43 8 ZOZNAM OBRÁZKOV Obr Závislosť výstupného napätia meniča na výstupnej frekvencii Obr. 2.2-Závislosť momentu a výkonu motora na výstupnej frekvencii striedača Obr. 2.3-Principiálna schéma výkonovej časti meniča Obr. 2.4-Jednosmerný napájač meniča[1] Obr. 3.1-Katalógové zapojenie obvodu MC3PHAC v samostatnom móde [2] Obr. 3.2-Kontrola spomalenia[2] Obr. 3.3-Kompenzácia úbytku napätia v statore [2] Obr. 3.4-Kompenzácia zvlnenia napätia medziobvodu[2] Obr. 3.5-Katalógové zapojenie obvodu FSBS10CH60[5] Obr. 3.6-Princíp nábojovej pumpy budičov horných tranzistorov [5] Obr. 4.1-Zapojenie riadiaceho obvodu Obr. 4.2-Zapojenie spínacieho modulu Obr. 4.3-Zapojenie napájacej časti Obr Priebeh prepínacích dejov [4] Obr. 4.5-Zapojenie spínača brzdného odporu Obr Návrh DPS - pohľad zo strany spojov Obr Návrh DPS - rozmiestnenie súčiastok - pohľad zo strany vývodových súčiastok Obr. 6.1-Meranie na meniči Obr. 6.2-Menič s provizórnymi ovládacími prvkami Obr. 6.3-DPS meniča zo strany spojov Obr. 7.1-Priebehy výstupných prúdov meniča Obr. 7.2-Priebehy výstupných združených napätí Obr. 7.3-Priebeh fázového napätia na vinutí motora zapojeného do hviezdy Obr. 7.4-Priebeh napätia na tranzistore pri vypínaní Obr. 7.5-Nábeh napätia nábojovej pumpy pri spustení Obr. 7.6-Zvlnnie napätia nábojovej pumpy pri výstupnej frekvencii 5 Hz Obr. 7.7-Zvlnenie napätia nábojovej pumpy pri výstupnej frekvencii 51 Hz Obr. 7.8-Priebeh napätia na vstupe nadprúdovej ochrany Obr. 7.9-Zobrazenie mŕtvej doby v PWM signáloch jednej vetvy... 41 9 ZOZNAM TABULIEK Tab Závislosť nosnej frekvencie PWM na nastavenom napätí Tab. 3.2-Vybrané parametre tranzistorov... 23 10 ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK relatívny pokles napätia [-] 1 uhlová rýchlosť sieťového napätia [rad s -1 ] s synchrónna uhlová rýchlosť točivého magnetického poľa statora [rad s -1 ] účinnosť meniča [-] mot účinnosť motora [-] C BS kapacita kondenzátora nábojovej pumpy [F] C m kapacita kondenzátora v medziobvode [F] cos mot účinník motora [-] f 1 frekvencia sieťového napätia [Hz] f 2 frekvencia 1. harmonickej výstupného napätia [Hz] f n menovitá frekvencia motora [Hz] I 2ef efektívna hodnota výstupného prúdu [A] I 2m amplitúda výstupného prúdu [A] I 2str stredná hodnota výstupného prúdu [A] I C maximálny trvalý kolektorový prúd tranzistora [A] I CP maximálny špičkový kolektorový prúd tranzistora [A] I d stredná hodnota prúdu v medziobvode [A] n otáčky motora [min -1 ] n S synchrónne otáčky motora [min -1 ] p počet pólových dvojíc [-] P mot výkon motora [W] P b straty na bočníku [W] P c celkové straty vedením na module [W] P c1 straty vedením prúdu na jednom prvku [W] P cv straty vedením prúdu v jednej vetve [W] P mod celkové straty na module [W] P sw celkové prepínacie straty na module [W] P sw1 prepínacie straty na jednom prvku [W] P usm straty na usmerňovači [W] R b odpor bočníka [Ω] r d dynamický odpor [Ω] s sklz [-] S 2 výstupný zdanlivý výkon meniča [VA] S mot zdanlivý príkon motora [VA] s nab strieda spínania v nabíjacom intervale [-] t nab doba nabíjania nábojovej pumpy [s] t OFF doba vypnutia tranzistora [s] t ON doba zopnutia tranzistora [s] U 2Z efektívna hodnota výstupného zdruţeného napätia [V] U 2Zm amplitúda výstupného zdruţeného napätia [V] U BSmin minimálne napätie nábojovej pumpy [V] U CC napájacie napätie budičov [V] U CES maximálne napätie kolektor - emitor [V] U CEsat maximálne saturačné napätie kolektor - emitor [V] U d stredná hodnota napätia medziobvodu [V] U m amplitúda sieťového napätia [V] U n menovité napätie motora [V] U p prahové napätie [V] U d zvlnenie napätia medziobvodu [V] U df úbytok napätia na Schottkyho dióde [V] U mod úbytok napätia na jednom prvku modulu [V] U nab úbytok napätia pri nabíjaní nábojovej pumpy [V] U usm úbytok napätia na usmerňovači [V] W OFF stratová energia pri vypnutí tranzistora [J] W ON stratová energia pri zopnutí tranzistora [J] 11 12 1 ÚVOD Úlohou tejto bakalárskej práce je návrh, zostrojenie a oţivenie trojfázového meniča pre napájanie asynchrónneho motora. Menič je určený na pohon stojanovej vŕtačky s výkonom asi do 1 kw. Zariadenie bude konštruované s vyuţitím integrovaných obvodov. Jednoúčelové integrované obvody zjednodušujú návrh a výrobu zariadení pre nenáročné aplikácie. Aj vďaka tomu mohli pohony s asynchrónnymi motormi preniknúť do malých aplikácií s poţiadavkou na plynulú reguláciu otáčok ako sú vŕtačky, klimatizácie alebo práčky. Obvod MC3PHAC je určený na riadenie asynchrónnych motorov v otvorenej slučke. Riadenie v otvorenej slučke je pri pohone obyčajnej vŕtačky vyhovujúce. Vo výkonovej časti je pouţitý tranzistorový modul FSBS10CH60 obsahujúci v jednom puzdre 6 tranzistorov a nulových diód spolu s budičmi na princípe nábojovej pumpy. Prvú časť práce tvorí teoretický popis riadenia asynchrónneho motora a funkcie striedača. Nasleduje popis obvodového riešenia navrhovaného meniča, popis vlastností a činnosti pouţitého riadiaceho obvodu a výkonového modulu. Ďalej je navrhnutá celková schéma zapojenia a plošný spoj. Posledná časť je venovaná realizácii navrhnutého meniča a zhodnoteniu skúšobných meraní. 13 2 TEORETICKÝ ZÁKLAD 2.1 Asynchrónny motor Asynchrónne motory sú v súčasnosti najpouţívanejším druhom motora pre pohon pracovných strojov, elektrických dopravných prostriedkov ale aj zariadení v domácnosti. Vynikajú jednoduchou konštrukciou a spoľahlivosťou hlavne v prevedení s rotorom nakrátko. Princíp je zaloţený na indukcii napätia v rotore prostredníctvom točivého magnetického poľa statora. V magnetickom obvode statora trojfázového motora sú umiestnené tri vinutia napájané trojfázovým harmonickým napätím. Vinutia sú usporiadané tak aby výsledný vektor magnetickej indukcie budený statorom vytváral točivé magnetické pole. Vinutie rotora je tvorené skratovanými tyčami alebo trojfázovým vinutím z izolovaných vodičov vyvedeným na zberné krúţky. Točivé magnetické pole statora s počtom pólových dvojíc p sa otáča tzv. synchrónnou rýchlosťou danou vzťahom (2.1) Pokiaľ sa rotor neotáča rovnakou mechanickou rýchlosťou, indukuje sa v ňom striedavé napätie. Prúd v rotore vyvolaný týmto napätím potom v spolupôsobení s magnetickým tokom statora vytvára silový účinok a tým točivý moment rotora. Frekvencia indukovaného napätia odpovedá rozdielu uhlovej rýchlosti točivého magnetického poľa statora a mechanickej uhlovej rýchlosti rotora. Ak sa rotor otáča rovnakou rýchlosťou ako magnetické pole, neindukuje sa v ňom ţiadne napätie, nevzniká silové pôsobenie a motor nevyvodzuje moment. Pri zaťaţení teda musia byť otáčky rotora niţšie ako synchrónne otáčky magnetického poľa statora S. Tento rozdiel je charakterizovaný sklzom (2.2) Spôsoby regulácie otáčok Základné moţnosti regulácie otáčok vyplývajú zo vzťahu pre mechanické otáčky asynchrónneho motora ( ) ( ) ( ) (2.3) kde f 1 je napájacia frekvencia, p je počet pólových dvojíc motora a s je sklz. Synchrónne otáčky magnetického poľa statora je moţné meniť skokovo zmenou počtu pólov. Regulácia je jednoduchá a bezstratová avšak regulačný rozsah je len pár diskrétnych hodnôt. Zmena sklzu umoţňuje spojitú reguláciu. Môţe byť realizovaná zmenou rotorového odporu alebo zmenou statorového napätia podbudením motora. V prípade zmeny odporu kotvy je vinutie rotora vyvedené cez krúţky na svorky a regulácia prebieha zmenou pripojeného odporu alebo meničom. Tento spôsob však vyţaduje zloţitejšiu konštrukciu stroja a v prípade odporovej regulácie je principiálne stratový. Pri motoroch s rotorom nakrátko je zmena sklzu moţná len v obmedzenej miere zníţením statorového napätia. Zároveň dochádza ku zníţeniu momentovej charakteristiky. Technicky najvýhodnejším spôsobom regulácie je zmena frekvencie napájacieho napätia. Ako z hľadiska regulačného rozsahu a presnosti regulácie, tak z hľadiska účinnosti vďaka malým stratám. [6] Zachovanie konštantného momentu v celom rozsahu frekvencie napájacieho napätia je podmienené zachovaním konštantných amplitúd magnetického toku vybudeného jednotlivými fázovými vinutiami a teda konštantného magnetizačného prúdu. Keďţe reaktancia vinutia s klesajúcou frekvenciou lineárne klesá, vedie táto poţiadavka pri zanedbaní činného odporu vinutia k nutnosti zachovať konštantný pomer napätia a frekvencie podľa menovitého napätia motora U n a menovitej frekvencie f n 14 (2.4) Táto poţiadavka sa týka len 1. harmonickej napájacieho napätia, ktorá je ako jediná uţitočná pre tvorbu točivého momentu. Ostatné vyššie harmonické sú neţiaduce. Spôsobujú prídavné hysterézne straty, straty vírivými prúdmi a nerovnomernosť momentu. V skutočnosti však odpor vinutia môţe pri zníţení napájacej frekvencie a napätia spôsobovať nezanedbateľný úbytok. Preto je potrebné kompenzovať tento úbytok napätia na odpore navýšením napájacieho napätia nad hodnotu danú vzťahom (2.4). Na Obr. 2.1b) je naznačené zavedenie tzv. počiatočného napätia. Keďţe maximálna hodnota výstupného napätia meniča je obmedzená, nieje moţné od určitej frekvencie zachovať konštantný pomer U/f. Dochádza ku odbudzovaniu stroja. Magnetický tok a teda aj maximálny dosiahnuteľný moment hyperbolicky klesá. Obr Závislosť výstupného napätia meniča na výstupnej frekvencii U n - menovité napätie motora, f n menovitá frekvencia motora, U max maximálne výstupné napätie striedača, U poč počiatočné napätie a) ideálny priebeh pre ideálny motor b) skutočný priebeh s počiatočným napätím 15 Obr. 2.2-Závislosť momentu a výkonu motora na výstupnej frekvencii striedača 2.2 Výkonová časť meniča Na napájanie striedavých pohonov je v súčasnosti najpouţívanejší nepriamy napäťový menič frekvencie. Obr. 2.3-Principiálna schéma výkonovej časti meniča Nepriamy menič nespracováva priamo striedavé sieťové napätie ale vyuţíva jednosmerný medziobvod. Sieťové napätie je usmernené prostredníctvom diódového usmerňovača a nabíja kondenzátor medziobvodu. Následne je pomocou striedača vytvorené poţadované striedavé napätie pre napájanie motora. Princíp vytvorenia striedavého napätia je zaloţený na periodickom pripájaní a odpájaní jednosmerného napätia ku záťaţi. Na Obr. 2.3 je schéma výkonovej časti meniča frekvencie s jednofázovým usmerňovačom, kondenzátorom jednosmerného medziobvodu a trojfázovým striedačom. Vzhľadom k tomu, ţe neriadený diódový usmerňovač neumoţňuje rekuperáciu energie do siete, je v jednosmernom medziobvode zaradený brzdný odpor spínaný tranzistorom pri brzdení motora. 2.2.1 Napájač ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Napäťový medziobvod sa v ideálnom prípade chová ako ideálny zdroj konštantného napätia s nulovým vnútorným odporom. Zdroj musí byť schopný energiu vydávať aj prijímať. Funkciu medziobvodu plní vo väčšine prípadov výkonový elektrolytický kondenzátor umiestnený medzi usmerňovačom a striedačom. Kondenzátor je usmerňovačom pulzne dobíjaný na určitú strednú hodnotu napätia a zastáva funkciu napäťového zdroja. Krátkodobo dokáţe prijímať energiu späť od meniča ale dlhodobo sa musí energia dodávaná do kondenzátora rovnať energii odoberanej stredná hodnota prúdu kondenzátorom musí byť nulová. V prípade nerovnováhy napätie na kondenzátore vzrastá alebo klesá. 16 Obr. 2.4-Jednosmerný napájač meniča[1] Jednofázový neriadený usmerňovač je tvorený štyrmi diódami. V kaţdej polperióde vedie prúd jedna dvojica diód. Kondenzátor pracuje v súčinnosti s diódami usmerňovača ako špičkový detektor. V časti polperiódy kedy okamţitá hodnota usmerneného napätia presiahne napätie na kondenzátore v medziobvode, snaţí sa kondenzátor nabiť na amplitúdu sieťového napätia. Vo vybíjacom intervale sa kondenzátor vybíja prúdom záťaţe. Záťaţ je tvorená tranzistorovým striedačom, ktorého vysokofrekvenčne zvlnený odoberaný prúd má obvykle za čas periódy konštantnú strednú hodnotu. Napätie na kondenzátore počas vybíjacieho intervalu pribliţne lineárne klesá. Výsledkom je zvlnené jednosmerné napätie. Veľkosť zvlnenia závisí hlavne od veľkosti kondenzátora a veľkosti strednej hodnoty odoberaného prúdu. Zväčšovaním kapacity klesá zvlnenie napätia, avšak nabíjacia doba kondenzátora sa zmenšuje a špičky odoberaného prúdu sa zväčšujú. Zvyšuje sa rušenie a vzrastajú straty. Takéto úzke pulzy nie je sieť schopná dodať kôli jej parazitnej indukčnosti L P. Preto sú impulzy dlhšie ale ich amplitúda a teda aj veľkosť napätia v medziobvode klesá. Optimálna hodnota relatívneho poklesu napätia ako pomeru poklesu ku maximálnej hodnote sa pohybuje v intervale 0,05 aţ 0,2. [1] V okamţiku pripojenia na napájaciu sieť, keď je kapacita medziobvodu úplne vybitá, pretečie obvodom veľký rázový nabíjací prúd. Príliš veľký rázový prúd môţe poškodiť hlavne usmerňovač a kondenzátory. Na obmedzenie nabíjacieho prúdu slúţi odpor R N. Odpor je na začiatku zaradený na vstup usmerňovača a obmedzuje nabíjací prúd kondenzátora na prípustnú hodnotu. Po uplynutí dostatočne dlhej doby alebo vzraste napätia na určitú úroveň je vhodné obmedzovací odpor premostiť. Na odpore by inak vznikali zbytočné straty a úbytok napätia. Odpor R N a kondenzátor C tvoria RC článok s časovou konštantou = R N C, ktorého výstup sa ustáli za dobu 3. Pre malé výkony moţno obmedzovací odpor nahradiť výkonovým termistorom s negatívnym teplotným koeficientom, ktorého odpor po zahriatí prevádzkovým prúdom klesne na veľmi malú hodnotu. Nevýhodou je zvýšenie strát a neúčinnosť opatrenia pri opätovnom pripojení zariadenia v prípade, keď termistor ešte nestihol vychladnúť Striedač Spínanie záťaţe na jednosmerné napätie medziobvodu zaisťuje striedač tvorený vhodným usporiadaním spínačov. Tie sú v súčasnosti najčastejšie realizované výkonovými IGBT tranzistormi a výkonovými spínacími diódami. Trojfázový striedač sa skladá zo šiestich spínačov ktoré spolu tvoria tri štvorkvadrantové meniče. Tak je moţné vytvoriť tri nezávislé napätia a záťaţ môţe pracovať vo všetkých štyroch kvadrantoch. Maximálna amplitúda výstupného zdruţeného napätia je obmedzená maximálnym napätím aké moţno pripojiť medzi dve fázy a teda odpovedá napätiu medziobvodu. Pri napájaní meniča jednofázovým napätím má napätie v medziobvode hodnotu asi 300 V. Potom najväčšie dosiahnuteľné zdruţené napätie 1.harmonickej má hodnotu 212 V. Beţné asynchrónne motory sú konštruované na napájanie napätím 400 V v zapojení do trojuholníka. Preto je nutné pri pouţití jednofázovo napájaného meniča zapojiť takýto motor do hviezdy. Maximálne zdruţené napätie je i tak asi o 8 % menšie ako menovité. Následkom je zníţenie momentu a zväčšenie sklzu uţ pri menovitej frekvencii Riadenie meniča Pre riadenie rýchlosti asynchrónnych motorov sú pouţívané metódy skalárneho riadenia, vektorového riadenia a priameho riadenia momentu. Vektoro
Related Search
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks