Jump to content
  • Sign in to follow this  

    Dimensionare sursa de alimentare motor c.c. alimentat prin chooper


    politehnica
    • Primul meu articol m-am gandit sa fie unul cu o tenta puternic practica, invitand tanarul electronist amator sa parcurga o mica teorie coroborata cu un altgoritm de calcul care sa va ajute la o alegere mai buna a puterii motoarelor de DC in corelatie cu caracteristicile tehnice a convertorului DC-DC. De multe ori se intampla sa gasim o punte integrata tip chooper (DC-DC) si sa nu stim ce putere maxima ar trebuia sa aiba motorul si nici transformatorul sau redresorul ! Iata un articol care vrea sa lamureasca aceste aspecte. 

    1. Generalitati 

    Convertoarele c.c.-c.c. bidirecţionale, de 4 cadrane  (chopper), alimentează sarcini de curent continuu cu tensiune reglabilă, permiţând funcţionarea în cele 4 cadrane ale planului US, IS. În cazul în care sarcina este o maşină de curent continuu, ea va funcţiona ca motor cu posibilitatea de frânare cu recuperare de energie (regim de generator) în ambele sensuri de rotaţie.

    Chopper-ele înlocuiesc convertoarele c.a.-c.c. comandate la puteri mici şi medii ca urmare a unor performanţe superioare:

    - funcţionare în conducţie neîntreruptă,

    - frecvenţa de comutaţie ridicată,

    - schema mai simplă,

    - reducerea costurilor echipamentelor.

    Realizarea convertorului se poate face utilizând comutatoare statice tip IGBT dar şi cu tranzistoare bipolare, MOSFET sau tiristoare GTO. Intrarea şi ieşirea din conducţie a IGBT-ului, avănd in vedere structura de comandă, este asemănătoare cu cea de MOSFET.

    Comanda IGBT şi MOSFET este aproape identică, realizându-se drivere de poartă integrate cu utilizare pentru ambele tipuri de tranzistoare.

    Schema unui asemenea convertor, cu utilizarea IGBT-urilor este urmatoarea:      

    255981925_Schemachopper-ului.png.4bd4f5e320125f0a58b9acb67e147c07.png

    Convertorul este alimentat de o sursă de tensiune continuă constantă (C-  condensator de filtrare).Sarcina, conectată la bornele A-B poate fi de tipul R+L sau R+L+E. Comanda este de tipul PWM (pulse wide modulation) bipolară sau unipolară.

    Faţă de comanda MOSFET-ului, la IGBT, in circuit mai apar :

    ·         filtrul RC bază-emitor pentru preântampinarea oscilaţiilor comenzii,

    ·         polarizarea negativă la ieşirea din conducţie pentru reducerea vârfului de curent de la începutul blocării.

    Din cauza impedanţei mari de intrare a circuitului de poartă pot apare oscilaţii ale comenzii, apărând necesitatea introducerii unor filtre, iar conexiunile circuitului de comandă se realizează cu lungime căt mai mică.

    Circuit de comandă pe poartă.png

    Convertorul este alimentat de o sursă de tensiune continuă constantă (C-  condensator de filtrare).Sarcina, conectată la bornele A-B poate fi de tipul R+L sau R+L+E.  Comanda este de tipul PWM (pulse wide modulation) bipolară sau unipolară.

    2. Estimarea puterii motorului ce poate fi alimentat de la un convertor c.c. – c.c. de 4 cadrane echipat cu module IGBT tip BSM 52 GB 120 DN 2

    In continuoare voi dimensiona sursa de alimentare a unui chopper integrat de patru cadrane utilizand bratul de punte BSM 25 GB 120 DN2 si voi determina puterea maxima nominala a unui motor care se poate conecta pe iesirea unui asemenea convertor DC-DC. Curentul de colector pentru IGBT-urile din aceasta semipunte este de 25A la temperatura de 800C. Iata schema electronica:

    Schema de alimentare a motorului cu ajutorul chooper-ului.jpg

    Tensiunea nominala necesara la iesirea convertorului UN este 110V. Alimentarea chopper-ului se face de la un redresor monofazat in punte. Tensiunea la intrarea in convertor trebuie sa aibă valoarea Vd1 va fi:

    1.png

    - căderea de tensiune pe tranzitoarele chopper-ului se calculează cu relatia:

    2.png

    - căderea de tensiune pe cablurile dintre convertor si motor:

    3.png

     4.png

    La iesirea redresorului vom avea căderea de tensiune pe filtru Vd2. si se calculează cu relatia:

    5.png

    6.png

    La intrarea convertorului vom avea tensiunea Vd:

    7.png

    unde primul termen din dreapta relatiei (7) este căderea tensiune reactivă si se estimează la 5-10% din Vd2.

    8.png

    9.png

    Us - este tensiunea din secundarul transformatorului de alimentare si are valoarea 161,7V.

    Estimăm pierderile de putere in convertor

    Pierderile totale Pt au doua componente: pierderile de regim staţionar Pși pierderile in comutaţie PC:

    10.png

    11.png

    EC - reprezinta pierderile de energie în comutaţie care au valoarea 3,7mWla un curent de 25A

    f- este frecvenţa de comutaţie (2,5KHz)

    Ecuaţia regimului termic ne va ajuta la calculul pirderilor de putere admisibile:

    12.png

    - temperatura ambiantă este de 400C ;

    - rezistenţa termică joncţiune - capsulă (Rthjc) este de 0,60C/w

    - rezistenţa termică între capsulă si radiator (RthCR) are valoarea de 0,10C/W.

    -rezistenţa termică radiator- aer (RthRA) este 0.480C/W:

    13.png

    Temperatura admisibilă a joncţiunii  13-1.png este de 125OC

    14.png

    Considerăm un curent maxim de colector IC=25A. Vom calcula pierderile în tranzistor pentru acest curent de conducţie:

    15-16-17.png

    - curentul de sarcină a motorului:

    18.png

    - curentul nominal:

    19.png

    - puterea nominala a motorului va fi:

    20.png

    Deci, convertorul nostru va putea alimenta un motor de 1,5 KW (putere nominală).

    3. In continuoare se trece la dimensionarea puntii redresoare si a filtrului de pe iesirea punti, precum si calcul puterii aparente a transformatorului.

    a) Filtrul LC de pe iesirea redresorului. Spre exemplu, pentru reducerea armonicilor de tensiune folosim un filtru LC. Pentru redresorul cu două pulsuri în punte, principala armonică este cea de rang 2 (V2) , având o valoare de 0,33 din tensiunea redresată. Deci, va trebui să  reducem această armonică pană la o valoare de 0,01 din tensiunea dată de redresor. Deci, factorul de atenuare va fi:

    21.png

    Pentru dimensionarea bobinei de filtrare folosim relaţia:

    22.png

     – unde primul termen din stanga reprezina pulsaţia tensiunii pe iesirea circuitului redresor; iar indicele p reprezintă numărul de pulsuri al convertorului şi este egal cu ordinul primei armonici (2);

    23.png

     – RS rezistenţa de sarcină și w - pulsaţia tensiunii de alimentare;

     – IdM curentul maxim debitat de convertor.

    Rezulta Rs si LF:

    24.png

    25.png

    Iar condensatorul de filtrare va avea o valoare dată de relaţia:

    26.png

    Alegem următoarele valori pentru capacitate şi pentru inductivitate: C= 4700 uF;  L= 19 mH.

    b) Dimensionarea redresorului - calculul diodelor

    b1. Alegerea diodelor în curent

    Curentul nominal al diodei trebuie să îndeplinească următoarea condiţie:

    27.png

    unde:

    • IFAVM este curentul mediu prin diodă,
    • ks =1,1…1,3  coeficient de suprasarcină; dioda poate admite o suprasarcină de până la 30% un timp bine definit după care sarcina este izolată sau întreruptă de către protecţii,
    • kD - coeficient ce ţine cont de schema convertorului arătând cât dintr-o perioadă conduce o diodă,
    • n - numarul de diode în paralel ,
    • kn  -coeficient ce ţine cont de repartizarea curentului prin diodele în paralel.

    28.png

    b2. Alegerea diodelor în tensiune

    Tensiunea inversă repetitivă maximă de lucru  a diodelor trebuie să îndeplinească urmatoarea condiţie:

    29.png

    VRRM –tensiunea inversă repetitivă

    Coeficientul  ţine cont de supratensiunile de comutaţie şi se încadrează în intervalul 1,5…2,5. Deoarece nu se vor utiliza circuite de protecţie la supracurent şi supratensiune se alege coeficientul  =2,5.

    Redresorul se alimentează de la reţeaua obişnuită, în care se admit variaţii de 5%,de aceea se face corecţia cu factorul 1.05.

    30.png

    Vom alege din catalog puntea redresoare 25JB80L, cu următorii parametri:

    31.png

    c) Dimensionarea transformatorului

    c1. Tensiunea în secundarul transformatorului

    Cum:                  32.png

    Rezultă:         33.png 

    c2. Raportul de transformare:

    34.png

    UP -   reprezintă tensiunea din primarul transformatorulul     

    c3. Puterea aparentă totală a transformatorului:

    35.png

    Pd fiind puterea disipată în transformator. 

    c4. Inductivitatea de dispersie a transformatorului:

    Pentru calculul inductivităţii de dispersie a transformatorului impunem un unghi de comutaţie maxim:

      36.png.

    Atunci,                                          37.png

    Tensiunea de scurtcircuit exprimată in volţi pentru acest transformator va fi:

    38.png

    ISN - curentul secundar al transformatorului;

    uK [%] - tensiunea de scurtcircuit procentuală se încadrează în intervalul (6…10)%.

     c5. Verificare

    Tensiunea reactivă:

    39.png

    trebuie sa verifice inegalitatea :

    40.png

    Rezultă :  Vv < 27,73V.

    Bibliografie:

    • F. Ionescu, D. Floricău, S. Niţu, J.P.Six, Ph. Delarue, C. Boguş : Electronică de putere. Convertoare statice, 1998.
    • Mohan N., Underland T.M., Robins W.P : Power Electronics Converter, Aplications and design, 1989.
    • E.Roşu, M. Găiceanu : Electronică de putere. Dispozitive semiconductoare de putere, 1999.
    • Firma PHILIPS : Note de catalog.                                                 
    Sign in to follow this  


    User Feedback

    Recommended Comments

    Atunci cand a fost publicat textul de mai sus, am fost tentat sa intervin cu o recenzie, sau un comentariu. Am asteptat insa, in conformitate cu promisiunile autorului sa vad urmarea - cel de-al doilea episod. Dupa trei luni, aceasta urmare nu a venit. Am abandonat apoi varianta recenziei, deoarece practic nu aveam ce recenza.

    Un articol, atunci cand te hotarasti sa il publici, trebuie sa indeplineasca cateva calitati. Printre acestea, articolul trebuie sa aiba o tema de mica intindere. Daca articolul se refera la un aspect teoretic, atunci tema trebuie sa fie doar un aspect singular al acelei teorii, pe care autorul trebuie sa il dezvolte cat mai pe larg, implicand toate aspectele pe care aceasta frantura teoretica le poate lua. Asadar, nu ne vom apuca sa facem o prezentare a unui capitol teoretic intreg si cu atat mai putin o lucrare teoretica complexa structurata pe capitole, fiecare capitol putand fi el insusi structurat in mod complex.

    La un moment dat, pe sectiunea bloguri (desfiintata intre timp) un utilizator fara nici o postare in forum, s-a apucat sa publice un articol asemanator ca tematica. Am intervenit atunci cu un scurt comentariu si i-am spus ca ceea ce s-a apucat sa faca, reprezenta o lucrare foarte complexa si ii va fi foarte greu sa sustina in cateva pagini pa acel blog ceea ce isi propusese. Nu mai stiu cum se numea acel utilizator, dar aproape un an, nu a mai adaugat ninic la seria de articole pe care o planificase. Intre timp sectiunea bloguri a fost desfiintata.

     Parerea mea sincera este ca politehnica ar trebui sa reevalueze atat tema, cat si forma de publicare in cadrul sectiunii Articole a portalului TA. Cu alte cuvinte, daca vrea ca primul sau articol sa fie unul cu o "tenta puternic practica", atunci sa urmeze spre exemplu modelul acestui articol. In acest scop sa ia legatura cu donpetru si sa stabileasca ce modificari ar trebui facute din punct de vedere organizatoric, astfel incat sa poata modifica inclusiv titlul articolului. Sa nu imi ia in nume de rau acest comentariu, dar ceea ce a publcat deja, risca sa devina de un penibil din ce in ce mai mare, cu cat trece mai mult timp, fara ca articolul sa mai aiba si alte urmari. Daca va lua o asemenea decizie, si articolul va avea o finalitate, atunci eu voi sterge acest comentariu.

    • Thanks 1

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    Articolul ar trebui continuat. 

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites

    In primul rand scuze de intarziere. Am fost destul de ocupat dar astazi mi-am facut timp sa atasez tot articolul. Am modificat si titlul acestuia ca sa fie mult mai aproape de tema tratata. Sper sa va placa! 

    Share this comment


    Link to comment
    Share on other sites


    Create an account or sign in to comment

    You need to be a member in order to leave a comment

    Create an account

    Sign up for a new account in our community. It's easy!

    Register a new account

    Sign in

    Already have an account? Sign in here.

    Sign In Now



×
×
  • Create New...

Important Information

We use cookies and related technologies to improve your experience on this website to give you personalized content and ads, and to analyze the traffic and audience of your website. Before continuing to browse www.tehnium-azi.ro, please agree to: Terms of Use.