actionari electrice - sistem de actionare in patru cadrane

Proiect Actionari Electrice

SISTEM DE ACTIONARE IN PATRU CADRANE

Date de proiectare

Se cunosc :

Io = 3 %

Usc= 6 %

PROIECTAREA PARTII DE FORTA

ALEGEREA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE DE

PUTERE

Convertoarele statice cu stingere naturala pot fi realizate cu diferite tipuri de dispozitive semiconductoare de putere. Dintre acestea se pot aminti: diodele, tiristoarele, IGBT-urile (Insulated-Gate Bipolar Transistor - tranzistoare de putere cu poarta izolata), BJT-urile (Bipolar Junction Transistor - tranzistoare de putere), MOSFET-urile (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor - tranzistoare cu efect de camp), GTO-urile (Gate Turn-Off thyristor - tiristoare cu stingere pepoarta), TAO-urile (tiristoare cu aprindere optica) si altele.

In lucrarea de fata se va considera convertorul realizat cu tiristoare, fiind vorba de un convertor static trifazat cu stingere naturala complet comandat in punte (CTCCP).

Alegerea tipului de tiristor presupune calcularea valorii medii a curentului

( ITAV - unde T provine de la "thyristor" adica tiristor, iar AV provine de la "average"adica valoare medie) si respectiv a valorii tensiunii inverse repetitive maxime ( URRM - unde RRM provine de la "reverse repetitive maxim" adica valoarea repetitiva inversa maxima).

Convertor static trifazat cu stingere naturala complet comandat in punte

(CTCCP).

Relatiile dintre ITAV , ITRMS si I An pentru CMCCP si CTCCP.

Prin considerarea conditiei de proiectare (curentul de accelerare al motorului trebuie limitat prin sistemul de reglare automata la 2 × I An ), valoarea curentului mediu si cea corespunzatoare valorii efective vor fi multiplicate cu 2.

Un = 270 V ITAV I An / 3 = 29 / 3 = 9.7 A

In = 29 A ITRMS = I An / = 29 / = 16.76 A

De asemenea, daca tinem cont si de posibila variatie pozitiva a tensiunii de alimentare a convertorului, este recomandabil ca acele doua valori sa fie marite cu 10%.Asadar din catalog se va alege tiristorul care va avea cele doua valori decurenti superioare valorilor calculate anterior si anume:

( ITAV )catalog > 2 ×1,1× ITAV = 2*1.1*9.7 = 21.34 A

( ITRMS )cata log > 2 ×1,1× ITRMS = 2*1.1*16.76 = 36.87 A

Cu datele calculate am ales din cataloagele de tiristoare SKT40, tiristorul cu datele nominale : ITRMS = 63 A

ITAV = 40 A

Pentru calculul tensiunii inverse repetitive maxime se pleaca de la relatia:

URRM × ×U l = 852 V

unde:

2,5 ) este un coeficient de siguranta;

1 este un coeficient care tine cont de posibila variatie pozitiva a tensiunii de alimentare a convertorului;

U2l este valoarea efectiva a tensiunii de linie din secundarul transformatorului de alimentare

Pentru determinarea tensiunii secundare de linie se considera urmatoarea relatie:

UAn UA cosa -UR Ug = 281 V

unde:

UAn valoarea nominala a tensiunii masinii de curent continuu considerata; tensiunea UA0 se determina cu relatia:

p reprezinta numarul de pulsuri al convertorului;

UR reprezinta caderea de tensiune rezistiva;

Uγ reprezinta caderea de tensiune datorata comutatiei;

a reprezinta unghiul de comanda al convertorului;

Caderea de tensiune rezistiva se poate determina cu relatia:

unde:

pierderile din dispozitivul semiconductor de putere (puterea medie disipata de catre tiristor sau puterea de disipare a tiristorului - care poate lua valoarea maxima PTAV max ) se vor calcula cu relatia:

VT reprezinta tensiunea de prag in stare de conductie (este un parametru al tiristorului ales si se ia din catalogul de tiristoare);

rT reprezinta rezistenta aparenta in stare de conductie (este un parametru al tiristorului ales si se ia din catalogul de tiristoare);

tc parametru ce depinde de tipul capsulei ales, procesul de racire folosit pentru tiristorul ales este unidirectional tc=1;

k p este un coeficient care tine cont de arhitectura convertorului utilizat.

Astfel pentru CMCCP k p =1 , iar pentru CTCCP k p =1,05 (pentru transformatoare cu conexiunea D − Y , D −D sau Y − Y );

2 este un coeficient care tine cont de valoarea curentului de accelerare acceptata prin tema (a se vedea conditia de proiectare prezentata in cadrul Anexei 1);

1 este un coeficient care tine cont de posibila variatie pozitiva a tensiunii de alimentare a convertorului;

Psiguranta =0 pierderile in sigurante se pot considera neglijabile;

Pentru calculul caderii de tensiune datorate fenomenului de comutatie se va utiliza relatia:

Uγ = 0,5 × usc ×UA0 = 0.5*0.06*201.15 = 10 V

usc reprezinta tensiunea nominala de scurtcircuit a transformatorului de alimentare ;

Dupa calcularea tensiunilor, puterilor si determinarea parametrului , tiristorul ales poate avea urmatorul simbol :

T40N852

unde:

reprezinta valoarea curentului mediu al tiristorului ( ITAV );

reprezinta valoarea tensiunii inverse repetitive maxime a tiristorului ( URRM );

N constructie normala in ceea ce priveste panta de crestere a curentului prin dispozitiv (di / dt - "slew rate" si se masoara in A/ μs ). In cazul unei pante de valoare foarte mica, in locul literei N apare litera F .

VERIFICAREA TERMICA A DISPOZITIVELOR ALESE

Verificarea consta de fapt in dimensionarea unui radiator pentru racirea dispozitivului, astfel incat sa nu se atinga temperatura virtuala maxima a jonctiunii sale.Temperatura virtuala a unei jonctiuni depinde de natura materialului semiconductor din care este realizat dispozitivul. Ea are urmatoarele valori:

. dispozitive cu germaniu: 80 ÷ 100 oC;

. dispozitive cu siliciu: 100 ÷ 125 oC.

Pentru tiristoarele cu care sunt realizate convertoarele statice tratate in aceasta lucrare, temperatura maxima virtuala a jonctiunii este data de relatia:

Tvjmax =130 °C

Daca temperatura jonctiunii depaseste aceasta valoare atunci pot aparea fenomene periculoase cum ar fi: ambalarea termica, cresterea valorii curentilor reziduali sau pierderea capacitatii de blocare a dispozitivului etc.De asemenea, daca temperatura jonctiunii scade sub o valoare limita precizata de catre fabricantul de dispozitive semiconductoare de putere( Tvjmin ), atunci pot apare contractii neuniforme care pot duce la distrugerea dispozitivului.Pentru dispozitivele normale (adica nu acelea care trebuie sa satisfaca cerintele din aparaturile militare) Tvjmin = −40 °C.

Tvjmax − Tc = PTAV × Rthj−c => 50 = 49.5

Se cunosc Tvjmax si PTAV , iar Tc si Rthj−c sunt dati de catre producatorii de tiristoare, se aleg din catalog :

Tc = 80 °C  temperatura capsulei ;

Rthj−c = 0.66 k/W rezistenta jonctiune-capsula;

Tvjmax − Ta _max = PTAV × Rthj−a => 90 = 90

Rthj−a reprezinta rezistenta termica jonctiune - mediu ambiant si se masoara in °C/W. Acest parametru este precizat de catre fabricantul de dispozitive semiconductoare si se determina de pe caracteristica putere disipata in functie de temperatura mediului ambiant (Rthj−a = 1.2 k/W);

Regimul permanent de functionare

Tvj 0,9 ) ×Tvj max=0.8*130=104 C

unde: ( 0,70,9 ) este un coeficient de siguranta care uzual se alege 0,8 .

ΔTj−a _max = Tvj − Tambiant = PTAV × ( Rthj−c + Rthc−k + Rthk−a +Δr )=60 °C

Tambiant Ta _max C

Rthc−k reprezinta rezistenta termica capsula - radiator si se masoara in °C/W;

Rthk −a  reprezinta rezistenta termica radiator - mediu ambiant si se masoara in °C/W;

Δr reprezinta rezistenta termica aditionala care depinde de unghiul de conductie al dispozitivului si se masoara in °C/W ;

Cele doua rezistente termice sunt date de producatorul de tiristoare si se aleg din catalog :

Rthc−k=2.4 °C/W

r=0.021°C/W

Regimul tranzitoriu de functionare

Pentru calculul puterii disipate in regim tranzitoriu trebuie mai intai calculate curentul direct de suprasarcina ( IT(OV ) - unde T provine de la "thyristor" adica tiristor, iar OV provine de la "overload" adica suprasarcina).Valoarea acestui current depinde de conditiile de incarcare anterioare aparitiei unei solicitari si de caracteristicile ansamblului format din dispozitivul semiconductor de putere si radiator. Curentul direct de suprasarcina poate fi calculat prin doua metode.Se va utiliza un radiator cu racire prin aer din catalogul de radiatoare EXK075R, profil R.

Metoda 1

Se poate determina din diagrama IT(OV )/ ITSM = f ( tOV )

ITSM reprezinta curentul de suprasarcina accidentala in stare de conductie;

tOV reprezinta timpul corespunzator prezentei curentului de suprasarcina;

T - perioada

n - numarul de perioade

Din catalogul SK40 se alege raportul in functie de pe baza unui grafic dat de producator.

Metoda 2

Se poate calcula cu relatia:

IT(OV ) = 2 × ITAV ×1,1 = 2*40*1.1=88 A

Pe baza diagramei furnizata de producatorul de dispozitive Zthj−c = f ( tOV ) si a valorii de catalog Zthc−a se va verifica daca radiatorul ales pentru regimul permanent de functionare corespunde si pentru acest regim.Verificarea se va face cu ajutorul relatiei:

Zthj−c=0.6 k/W

Zthc−a=0.65 k/W

Din verificarea termica de mai sus se observa ca nu se indeplineste conditia, si va trebui aplicata una din urmatoarele conditii :

. sa se mareasca lungimea radiatorului pentru fiecare dispozitiv semiconductor in parte;

. sa se utilizeze sistemul de racire fortata;

. sa se schimbe tipul radiatorului;