Реферат конденсаторные двигатели: Реферат %d0%9a%d0%be%d0%bd%d0%b4%d0%b5%d0%bd%d1%81%d0%b0%d1%82%d0%be%d1%80%d0%bd%d1%8b%d0%b9 %d0%b4%d0%b2%d0%b8%d0%b3%d0%b0%d1%82%d0%b5%d0%bb%d1%8c

50.Конденсаторные асинхронные двигатели.

Конденсаторным называют асинхронный электродвигатель, который питается от однофазной сети, имеет на статоре 2 обмотки: первая питается от сети непосредственно, а вторая — последовательно с электроконденсатором, чтобы создавать вращающееся магнитное поле. Конденсаторы образуют сдвиг по фазе токов обмоток, оси у которых повернуты в пространстве.

Максимальная величина вращающегося момента достигается при сдвиге фаз токов на 90°, причем именно в тот момент, когда их амплитуды подбираются так, чтобы вращающееся поле было круговым. Во время пуска конденсаторных асинхронных двигателей оба конденсатора подключены, но сразу же после разгона один из них обязательно отключают. Это объясняется тем, что для номинальной частоты вращения необходима значительно меньшая емкость, нежели при самом пуске. Конденсаторный асинхронный электродвигатель по своим пусковым и рабочим параметрам очень похож на трехфазный асинхронный двигатель.

Его используют в электроприводах небольшой мощности; если необходима мощность свыше 1 кВт, такой электродвигатель использовать нецелесообразно, ввиду высокой стоимости и размеров конденсаторов.

Асинхронный электродвигатель, питаемый от однофазной сети и имеющий на статоре две обмотки, одна из которых включается в сеть непосредственно, а другая — последовательно с электрическим конденсатором для образования вращающегося магнитного поля. Конденсаторы создают сдвиг фаз между токами обмоток, оси которых сдвинуты в пространстве. Наибольший вращающий момент развивается, когда сдвиг фаз токов составляет 90°, а их амплитуды подобраны так, что вращающееся поле становится круговым. При пуске К. а. д. оба конденсатора включены, а после его разгона один из конденсаторов отключают; это обусловлено тем, что при номинальной частоте вращения требуется значительно меньшая емкость, чем при пуске. К. а. д.

по пусковым и рабочим характеристикам близок к трёхфазному асинхронному двигателю.

Применяется в электроприводах малой мощности; при мощностях свыше 1 квт используется редко вследствие значительной стоимости и размеров конденсаторов.

Трёхфазный асинхронный электродвигатель, включаемый через конденсатор в однофазную сеть.

Рабочая ёмкость конденсатора для 3-фазного двигателя определяется по формуле Ср = 2800 1/U мкф, если обмотки соединены по схеме «звезда», или Ср = 48001/U (мкф), если обмотки соединены по схеме «треугольник». Ёмкость пускового конденсатора Сп=(2,5 — 3)Ср. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети; конденсаторы устанавливаются обязательно бумажные.

Эти двигатели используются в устройствах автоматики, служат для преобразования подводимого к ним электрического сигнала в механическое перемещение вала. Исполнительные двигатели являются управляемыми двигателями. При заданном моменте нагрузки скорость двигателя должна строго соответствовать подводимому напряжению и меняться при изменении его величины и фазы.

В качестве исполнительных двигателей применяются, главным образом, двухфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 2.19а).

Рис. 2.19. Принципиальная схема асинхронного исполнительного двигателя (а)

и векторные диаграммы его напряжений при амплитудном (б) и фазовом (в) методах управления.

 Одна из обмоток статора B, называемая обмоткой возбуждения, подключается к сети переменного тока с постоянным действующим значением напряжения . Ко второй обмотке статора У, называемой обмоткой управления, подключается напряжение управления , от управляющего устройства 

УУ.

Различают три основных способа изменения напряжения на обмотке управления: амплитудное, фазовое и амплитудно-фазовое.

При амплитудном управлении изменяется лишь величина амплитуды напряжения управления или пропорциональное ей действующее значение этого напряжения (рис. 2.19б). Величина напряжения управления может быть оценена коэффициентом сигнала .

Векторы напряжений управления и возбуждения при всех значениях коэффициента образуют угол .Фазовое управление характерно тем, что напряжение управления остается неизменным по величине, а регулирование скорости достигается изменением угла сдвига фаз между векторами управления и возбуждения (рис. 2.19в). В качестве коэффициента сигнала при фазовом управлении принимается величина, равная синусу угла сдвига фаз между векторами напряжений управления и возбуждения , т. е. .

При амплитудно-фазовом управлении изменяется как амплитуда напряжения управления, так и угол сдвига фаз между напряжениями и , подаваемыми на обмотки статора. Этот способ осуществляется практически путем включения в цепь обмотки возбуждения конденсатора, поэтому схема амплитудно-фазового управления часто называется конденсаторной.

При всех методах управления скорость асинхронного двигателя изменяется за счет создания несимметричного эллиптического магнитного поля.

Синхронные двигатели (компенсаторы) и конденсаторные установки. Область и особенности применения — Мегаобучалка

Большая часть промышленных приемников в процессе работы потребляет из сети помимо активной, реактивную мощность. Основными потребителями реактивной мощности являются: асинхронные двигатели, трансформаторы, воздушные электрические сети, реакторы, преобразователи и другие установки. Передача значительного количества реактивной мощности по линиям и через трансформаторы системы электроснабжения невыгодна по следующим основным причинам: 1) Возникают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. 2) Возникают дополнительные потери напряжения. 3) Уменьшается пропускная способность систем электроснабжения и трансформаторов. Поэтому целесообразно снижать потребляемую реактивную мощность. В качестве компенсирующих устройств применяются батареи конденсаторов, синхронные двигатели и синхронные компенсаторы.

Синхронные двигатели, применяемые для электропривода, обычно изготовляются с номинальным коэффициентом мощности 0,9 при опережающем токе. Они являются эффективным средством компенсации реактивной мощности нагрузки. Развиваемая ими реактивная мощность определяется параметрами и режимом работы двигателей и сети. Они должны быть связаны по возможности короткой сетью. Применение синхронных двигателей в условиях промышленных предприятий может быть целесообразным в случаях когда:1) установка синхронных двигателей на приводных механизмах вместо асинхронных там, где это возможно по технологическим условиям; 2) установка синхронных двигателей большей мощности, чем требует приводной механизм. Синхронные двигатели по сравнению с асин­хронными имеют следующие преимущества: а) возможность использования их в качестве компенсирующих устройств при сравнительно небольших дополнительных первоначаль­ных затратах. б) экономичность изготовления на небольшое число оборотов, при этом отпадает необходимость в промежуточных передачах м/у двигателем и рабочей машиной в) меньшая зависимость вращающего момента от колебаний напряжения г) более высокая производительность рабочего агрегата при син­хронном электроприводе, поскольку скорость двигателя не зависит от нагрузки; д) меньшие потери активной мощности, так как к.

п. д. синхрон­ных двигателей выше кпд асинхронных двигателей.

Компенсирующая способность двигателя определяется нагрузкой на его валу, напряжением, подведенным к зажимам двигателя, и то­ком возбуждения. С уменьшением тока возбуждения ниже номиналь­ного компенсирующая способность двигателя снижается. Обычно в практических условиях нагрузка синхронных двигате­лей на валу составляет (50—100)% от номинальной. При такой нагруз­ке, а также при регулировании напряжения, подводимого к электро­двигателю можно использовать электроприводы с син­хронными двигателями в качестве компенсаторов реактивной мощно­сти при работе их с опережающим коэффициентом мощности.

Синхронные компенсаторы. Компенсирующие устройства реактивных нагрузок.

Синхронный компенсатор представляет собой син­хронный двигатель облегченной конструкции, работающий в режиме холостого хода, т. е. без нагрузки на валу. При перевозбуждении синхронный компенсатор генерирует опере­жающую реактивную мощность, а при недовозбуждении потребляет отстающую реактивную мощность. Это свойство синхронных компен­саторов используется как для повышения коэффициента мощности, так и для регулирования напряжения в электрических сетях.

Положительными свойствами синхронных компенсаторов как источников реактивной мощности являются: а) возможность плавного и автоматического регулирования величины генерируемой реактивной мощности, б) независимость генерации реактивной мощности от напряжения на его шинах, достаточная термическая и динамическая устойчивость обмоток компенсатора во время коротких замыканий, возможность восстановления поврежденного синхронного компенсатора путем проведения ремонтных работ, в) высокая надежность.

Недостатками синхронных компенсаторов являются:

а) высокая удельная стоимость и, следовательно, высокие относительные капитальные затраты на компенсацию; б) значительно больший удельный расход активной мощности на компенсацию по сравнению со статическими конденсаторами; в) большая занимаемая производственная площадь и шум при работе.

Указанные особенности синхронных компенсаторов, а также воз­можность их пуска только от источников питания большой мощ­ности ограничивают их применение на подстанциях энергетических систем.

Однако компенсаторы установлены на открытом воздухе, что значительно удешевляет затраты.

Конденсаторные установки (другие названия: батарея статических конденсаторов «БСК», устройство компенсации реактивной мощности «УКРМ»)

Электроустановка, предназначенная для компенсации реактивной мощности. Конструктивно представляет собой конденсаторы (разг. «банки»), обычно соединенные по схеме треугольник и разделенные на несколько ступеней с разной емкостью, и устройство управления ими. Устройство управления чаще всего способно автоматически поддерживать заданный коэффициент мощности на нужном уровне переключением числа включенных в сеть «банок».

Дополнительно конденсаторная установка может содержать в себе фильтры высших гармоник.

Для безопасного обслуживания каждый конденсатор установки снабжается разрядным контуром для снятия остаточного заряда при отключении от сети.

Автоматическая система регулирования. Напряжение генератора

Если же под действием  какой-либо внешней силы вывести  ротор из состояния покоя, то двигатель  будет развивать вращающийся  момент. Отсутствие начального момента  является существенным недостатком  однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

Пуск однофазного двигателя  осуществляется включением двух обмоток  в одну общую для них однофазную сеть. Для получения угла сдвига фаз между токами в обмотках, примерно равного ±p/2 (четверть периода), одну из обмоток (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую обмотку (пусковую)  — последовательно  с катушкой или с конденсатором  (Рис.10).

Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В  момент когда ротор приобретает  определенную частоту вращения, пусковая обмотка отключается от сети центробежным выключателем или специальным реле  и двигатель работает как однофазный. В качестве однофазного двигателя  может быть использован любой  трехфазный асинхронный двигатель. При работе трехфазного двигателя  в качестве однофазного рабочая, или главная, обмотка, состоящая  из двух последовательно соединенных  фаз, являющаяся пусковой, или вспомогательной, обмоткой, включается в сеть через  пусковой элемент – резистор, катушку  или конденсатор.

Конденсаторный двигатель  представляет собой однофазный асинхронный  двигатель с двумя обмотками  на статоре и короткозамкнутым ротором. Вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и  остается включенной не только при  пуске в ход двигателя, но и  при работе. При работе конденсаторного  двигателя возникает вращающееся  магнитное поле, которое улучшает его рабочие свойства. При увеличении емкости конденсатора возрастает пусковой момент двигателя. Однако увеличение емкости  батареи конденсаторов в рабочем  режиме нежелательно, так как это  ведет к снижению частоты вращения и кпд. Поэтому конденсаторные двигатели  выполняют с двумя батареями  конденсаторов – рабочей и  пусковой.

Рис.10

 

Синхронные двигатели  переменного тока

Синхронные двигатели  получили менее широкое применение чем асинхронные двигатели.  В  основном их используют в электроустановках, где требуется постоянная частота  вращения. Они обладают высоким коэффициентом  мощности cosj и могут работать как  синхронные компенсаторы реактивной энергии.

Устройство. Синхронный двигатель  состоит из неподвижного статора  и вращающегося ротора. В пазах  статора размещена обмотка переменного  тока, получающая питание от сети, а  в роторе обмотка возбуждения. Синхронные двигатели средней и большой  мощности выполняют с электромагнитным возбуждением. В этом случае расположенная  на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного  тока через контактные кольца. Для  машин малой мощности применяют  постоянные магниты без обмотки  возбуждения. Ротор синхронного  двигателя с явновыраженными  и неявновыраженными полюсами.

Принцип действия.  В синхронном двигателе момент на валу машины создается  благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора и постоянного  магнитного поля ротора. Частота вращения ротора в синхронном двигателе не зависит от нагрузки и равна частоте  вращения поля статора. Вращение ротора только с синхронной частотой —  характерная особенность синхронного  двигателя.  Для пуска синхронного  двигателя в полюсных наконечниках ротора уложена пусковая обмотка, выполненная  наподобие короткозамкнутой обмотки  ротора асинхронных двигателей. Наличие  её позволяет пускать двигатель  как асинхронный. При достижении ротором угловой скорости 0,95w0  в его обмотку подают постоянный ток и двигатель входит в синхронизм.

Электрический привод

Современное промышленное и  сельскохозяйственное  производство  характеризуется большим многообразием  технологических процессов. Для  их осуществления человеком созданы  тысячи самых разнообразных машин  и механизмов.

Рабочая машина состоит из множества взаимосвязанных деталей  и узлов, один из которых непосредственно  выполняет заданный технологический  процесс или операцию, и поэтому  называется исполнительным органом (ИО).

Для совершения исполнительным органом технологической операции к нему должна быть подведена определенная механическая энергия от устройства, которое в соответствии со своим  назначением получило название привода. Привод вырабатывает механическую энергию, преобразуя её из других видов энергии. В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в других областях наибольшее применение имеет  электрический привод (ЭП).

Такое широкое применение электроприводов объясняется целым  рядом его преимуществ по сравнению  с другими видами приводов: использование  электрической энергии, распределение  и преобразование которой в другие виды энергии наиболее экономично; большой диапазон мощности и скорости движения; разнообразие конструктивных исполнений и др.

Энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический  уровень которого определяет эффективность  функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности  и надежности за счет дальнейшего      совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным  явлением в этом процессе является применение микропроцессоров и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить  функциональные возможности автоматизированного  электропривода и улучшить его технические  и экономические характеристики.

Электрический привод включает в себя ряд электротехнических, электронных  и механических устройств, в результате чего он представляет собой электромеханическую  систему. Общая структурная схема  приведена на рис.33, где утолщенными  линиями показаны силовые каналы  энергии, а тонкими линиями –  маломощные ( информационные) цепи.

Основным элементом любого электропривода  6 является электрический  двигатель 1, который вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет потребляемой электрической  энергии (ЭЭ), являясь электромеханическим  преобразователем энергии.

От электродвигателя механическая энергия через передаточное устройство 9  подается на исполнительный орган 7 рабочей машины 8, за счет чего он совершает  механическое движение. Функция передаточного  устройства заключается в согласовании движения электродвигателя и исполнительного  органа 7. Прогрессивным направлением развития электрического привода  является непосредственное соединение электродвигателя с исполнительным органом, что позволяет  повысить технико-экономические показатели работы комплекса «электропривод —рабочая машина».

Электрическая энергия потребляется электроприводом от источника 3 электроэнергии. Для получения электроэнергии требуемых  для электродвигателя параметров  и управления потоком этой энергии, что необходимо для управления движением  исполнительного органа, между двигателем и источником электроэнергии включается силовой преобразователь 2.

Управление преобразователем 2 осуществляется от маломощного блока 4 управления с помощью сигнала  управления Uу, который в общем  случае формируется от сигнала Uз, задающего  характер движения исполнительного  органа, и ряда дополнительных сигналов Uдс, дающих информацию о реализации технологического процесса рабочей  машины и характере движения исполнительного  органа, работе отдельных узлов электропривода, возникновении аварийных ситуаций и т.д. Преобразователь  2 вместе с  блоком 4 управления образуют систему 5 управления.

Отсюда следует, что:

Электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая  из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

В электроприводе наиболее характерным  является использование следующих  типов:

электродвигателей: постоянного  тока независимого, параллельного и  смешанного возбуждения, асинхронных, синхронных, шаговых и др.

механических передаточных устройств: цилиндрических и червячных  редукторов, цепных и ременных передач, электромагнитных муфт;

силовых преобразователей: управляемых  выпрямителей, инверторов тока и напряжения, регуляторов частоты и напряжения и импульсных регуляторов напряжения;

блоков управления: кнопок управления, командо-аппаратов, реле, логических элементов, микропроцессоров и управляющих  электронных машин.

Реализация электроприводов  может быть весьма разнообразной, что  находит отражение в классификации  электроприводов. Электроприводы классифицируют по характеру движения, видам и  реализации силового преобразователя, количеству используемых электродвигателей, видам источников электроэнергии, способам управления, наличию или отсутствию механической передачи и т. д.

По характеристике движения различают электроприводы вращательного  и поступательного движения, при  этом скорость исполнительного органа может быть регулируемой или нерегулируемой, а само движение – непрерывным  или дискретным, однонаправленным, двунаправленным (реверсивным) или  вибрационным (возвратно-поступательным).

По количеству используемых двигателей различают групповой, индивидуальный и взаимосвязанный электропривод.

Групповой электрический  привод характеризуется тем, что  один двигатель приводит в движение несколько исполнительных органов  одной или один исполнительный орган  нескольких рабочих машин.

 Индивидуальный электрический  привод обеспечивает  движение  одного исполнительного органа  рабочей машины.

 Взаимосвязанный электрический  привод представляет собой   два или несколько электрически  или механически связанных между  собой индивидуальных электрических  приводов, работающих совместно  на один или несколько исполнительных  органов.  Если двигатели связаны  между собой механически и  работают на общий вал, то  такой взаимосвязанный электрический  привод называется  многодвигательным,  а если двигатели связаны электрическими  цепями, то такой взаимосвязанный  электропривод называется электрическим  валом.

По виду силового преобразователя  электрический привод отличается большим  многообразием. По характеру преобразования  напряжения можно выделить четыре вида силовых преобразователей: управляемые  и неуправляемые выпрямители, которые  преобразуют напряжение переменного  тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока; инверторы, выполняющие обратное преобразование; преобразователи частоты  и напряжения переменного тока, изменяющие параметры напряжения переменного  тока; импульсные преобразователи напряжения постоянного тока с различным видом модуляции выходного напряжения постоянного тока.

Названные виды силовых преобразователей могут быть выполнены на различной  элементной базе, а именно, с использованием электрических машин, ионных и полупроводниковых  элементов. Современные силовые  преобразователи являются, как правило, полупроводниковыми, в которых используются главным образом силовые транзисторы, диоды, тиристоры и их разновидности.

Конкретная реализация электрического привода может быть очень разнообразной. Тем не менее, работа электрического привода подчиняется общим закономерностям, связанным с процессом преобразования энергии, определением характера механического  движения и его управления. 

 

 Разомкнутые схемы управления электропривода 

К разомкнутым относятся  схемы, в которых для управления электрическим приводом не используются обратные связи по его координатам  или технологическим параметрам приводимых в движение рабочей машины или производственного механизма. Эти схемы, отличаясь простотой  своей реализации, широко используются там, где не требуется высокое  качество управления движением электропривода, в частности  для пуска, реверса  и торможения.

Разомкнутые схемы, осуществляя  управление электрическим приводом, обеспечивают защиту электропривода, питающей сети и технологического оборудования при возникновении различных  ненормальных режимов – коротких замыканий, перегрузке двигателей, исчезновении питающего напряжения или обрыва фазы питающей сети и т. д. Для этого  они содержат соответствующие аппараты и устройства, находящиеся во взаимодействии с устройствами управления двигателями. В разомкнутых схемах управления главным образом используется релейно-контакторная аппаратура, в состав которой входят командные маломощные аппараты, силовые  коммутационные аппараты с ручным и  дистанционным управлением, реле управления и защиты.

Замкнутые структуры электрического привода применяются в тех  случаях, когда требуется обеспечить движение исполнительных органов рабочих  машин с высокими показателями –  большим диапазоном регулирования  скорости и точностью её поддержания, заданным качеством переходных процессов  и точностью остановки, а также  высокой экономичностью или оптимальным (наилучшим)  функционированием технологического оборудования и самого электропривода. Основным признаком замкнутых структур является такое автоматическое (без  участия человека) управление электропривода, при котором электрический привод наилучшим образом выполняет  свои функции при всевозможных  управляющих и внешних возмущениях, действующих на рабочую машину или  электрический привод.

США Электричество: зарядка или разрядка аккумулятора или конденсатора Патенты и патентные заявки (класс 320)

Первичная деполяризация клеток (класс 320/100)

Источник энергии ветра, солнца, тепла или топливных элементов (класс 320/101)

• С безшунтовым управлением источником заряда (Класс 320/102)

Один элемент или батарея заряжает другой (класс 320/103)

• Зарядка автомобильного аккумулятора (класс 320/104)

Средства для определения типа элемента или батареи (класс 320/106)

Структура зарядного устройства для элементов или аккумуляторов (класс 320/107)

• Зарядное устройство, индуктивно связанное с элементом или аккумулятором (класс 320/108)
• Зарядная станция для транспортных средств с электроприводом (класс 320/109)
• Для различных размеров элементов, батарей или батарейных блоков (класс 320/110)
• Наличие вилки для розетки переменного тока (класс 320/111)
• Для аккумуляторной батареи (класс 320/112)
• Для портативного устройства (класс 320/114)

Последовательно соединенные батареи или элементы (класс 320/116)

• Возможность переключения на параллельное соединение (класс 320/117)
• При разрядке элементов или батарей (Класс 320/118)
• С индивидуальной зарядкой нескольких аккумуляторов или элементов (Класс 320/119)
• Наличие переменного количества последовательно соединенных элементов или батарей (класс 320/120)
• С источником заряда генератора (класс 320/123)

Последовательная зарядка или разрядка батарей или элементов (класс 320/124)

Различные скорости зарядки или разрядки для нескольких аккумуляторов (класс 320/125)

Параллельно соединенные батареи (класс 320/126)

Разрядка аккумулятора или элемента (класс 320/127)

• С зарядкой (Класс 320/128)
• Регулируемый сброс (класс 320/135)

Зарядка аккумулятора или элемента (класс 320/137)

• Несколько источников зарядки (класс 320/138)
• Импульсный (класс 320/139)
• Газовый контроль (Класс 320/147)
• С определением пикового значения тока или напряжения (например, используется дельта-V или дельта-I и т. д.) (класс 320/148)
• С определением интеграла тока или напряжения (например, полного заряда и т. д.) (класс 320/149)
• С определением теплового состояния (класс 320/150)
• Контроль времени (класс 320/155)
• Многотарифная зарядка (например, несколько тарифов перед платой за обслуживание и т. д.) (класс 320/160)
• С обнаружением перепада тока или напряжения (например, наклона и т. д.) (класс 320/161)
• С определением амплитуды тока или напряжения (класс 320/162)
• С измерением тока для определения правильного подключения батареи (например, полярность, пульсация, обратный ток и т. д.) (класс 320/165)

Зарядка или разрядка конденсатора (класс 320/166)

• Для большой емкости (например, «супер» конденсатор, резервный конденсатор памяти и т. д.) (класс 320/167)

---

Коллекции иностранных патентов

Иностранные документы, относящиеся к классу (Класс 320/FOR000)

Зарядка и/или разрядка конденсатора (320/1) (Класс 320/FOR100)

Зарядка и/или разрядка аккумулятора (320/2) (класс 320/FOR101)

• Включая сухие элементы или первичные батареи (320/3) (класс 320/FOR102)
• Комбинированная зарядка и разрядка (320/5) (Класс 320/FOR104)
• Множественные батареи с различной обработкой (320/15) (Класс 320/FOR114)
• Высокоскоростные системы кратковременной зарядки (320/20) (класс 320/FOR119)
• Периодическая или прерывистая зарядка или разрядка (320/21) (класс 320/FOR120)
• Множественные скорости зарядки или разрядки (320/22) (класс 320/FOR121)
• С контролем полярности (320/25) (Класс 320/FOR124)
• Комбинированное управление источником и цепью зарядки (320/27) (Класс 320/FOR126)
• Регулирование комбинированной цепи и замыкание и/или отключение цепи (320/29) (Класс 320/FOR128)
• Управление, реагирующее на заданные условия (320/30) (класс 320/FOR129)
• Со средствами индикации, сигнализации и/или тестирования (320/48) (Класс 320/FOR147)
• Контроль цепи батареи (320/49) (Класс 320/FOR148)
• Множественные, разнообразные или по-разному обработанные источники питания для зарядки (320/56) (Класс 320/FOR155)
• Выпрямительные системы для зарядки аккумуляторов (320/57) (Класс 320/FOR156)
• Системы генерации для зарядки аккумуляторов (320/61) (Класс 320/FOR160)

---

Дайджесты

Небатарейная нагрузка контролирует зарядку (класс 320/DIG10)

Приоритетная подача питания или компенсация питания (класс 320/DIG11)

Анализ предварительной зарядки (например, определение наличия батареи и т. д.) (класс 320/DIG12)

Обнаружение неисправностей (класс 320/DIG13)

Аккумулятор действует как буфер (класс 320/DIG14)

Контроль полярности (Класс 320/DIG15)

Устранение эффекта памяти в батареях (класс 320/DIG16)

Определение напряжения «газовыделения» (класс 320/DIG17)

Индикатор или дисплей (класс 320/DIG18)

• Состояние зарядного устройства (например, вольтметр и т. д.) (класс 320/DIG19)
• Полярность (Класс 320/DIG20)
• Состояние заряда батареи (класс 320/DIG21)

Полное сопротивление линии (например, резистор и т. д.) (класс 320/DIG22)

• Конденсатор (класс 320/DIG23)
• Индуктор (класс 320/DIG24)

Оптопара (класс 320/DIG25)

Кнопка или тип слухового аппарата (класс 320/DIG26)

Бестрансформаторный (класс 320/DIG27)

Регулирующий трансформатор (например, с высокой утечкой, феррорезонансный и т. д.) (Класс 320/DIG28)

Трансформатор с несколькими вторичными обмотками (класс 320/DIG29). )

Многократные трансформаторы (класс 320/DIG30)

Системы с несколькими выпрямителями (класс 320/DIG31)

Делитель напряжения с различными элементами, отличными от нескольких резисторов (класс 320/DIG32)

Применение в самолетах или космических кораблях (класс 320/DIG33)

Роботизированный, гибридный, рекреационный или аварийный автомобиль (класс 320/DIG34)

Домашняя электростанция (класс 320/DIG35)

Распределительная система (например, железнодорожное освещение и т. д.) (класс 320/DIG36)

АНАЛИЗ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С НЕКВАДРАТНЫМИ ОБМОТКАМИ

• DOI:10. 1080/03616967808955323
• Идентификатор корпуса: 109947933

 @article{Guru1978REVOLVINGFIELDAO,
  title={АНАЛИЗ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С НЕКВАДРАТУРНЫМИ ОБМОТКАМИ},
  автор={Бхаг Сингх Гуру},
  journal={Электрические машины и энергетические системы},
  год = {1978},
  объем = {3},
  страницы = {11-20}
} 

• B. Guru
• Опубликовано 1 октября 1978 г.
• Инженерия, физика
• Электрические машины и энергетические системы

представлены квадратурные обмотки с использованием теории вращающегося поля. Поскольку конденсаторный двигатель представляет собой особый случай в семействе однофазных асинхронных двигателей, основное внимание уделяется расчету его рабочих характеристик. Также включена процедура, организованная в очень систематизированных шагах, чтобы помочь проанализировать асинхронный двигатель. Чтобы продемонстрировать влияние… 

View via Publisher

Анализ оборотного поля двухступенчатых моторов, не связанных с не-скоростями, с невыразовыми обмотками

• B. Guru

• Физика

• 1982

Аннотация Основная цель. -известная теория вращающегося поля для общего развития так называемых аналитических уравнений для прогнозирования характеристик двухскоростных…

Анализ поперечного поля конденсаторного двигателя с неквадратурными обмотками, их расширения на 1- и 2-фазные

• B. Guru

• Физика, инженерия

  IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems

• 1979

Уравнения для прогнозирования производительности однофазного асинхронного двигателя, разработанные на основе неквадратурной концепции с обмотками представления обмотки двумя взаимно перпендикулярными обмотками,…

Анализ вращающегося поля Т- и Г-образных конденсаторных двигателей с произвольным смещением обмоток -основная и вспомогательная обмотки, расположенные произвольно в пространстве от основной обмотки, представлены в…

Расчет асинхронных двигателей с несимметричными обмотками

Уравнения вращающейся связанной цепи и соответствующие схемы замещения разработаны для однофазных и многофазных асинхронных двигателей. Для целей нашего общего анализа трехфазный асинхронный…

Анализ вращающегося поля двигателя с экранированными полюсами двухполюсные двигатели с одиночной экранирующей катушкой. Анализ может,…

Анализ вращающегося поля асимметричных трехфазных машин и его распространение на однофазные и двухфазные машины

• B. Guru

• Машиностроение

• 1979

Теория вращающегося поля в приложении к теории одного поля фазных асинхронных двигателей расширена для разработки краткой, но всеобъемлющей теории асимметричных трехфазных асинхронных двигателей. Каждая фаза представлена…

Унифицированный анализ однофазных двигателей переменного тока с конденсаторами во вспомогательных обмотках

• И. Болдеа, Т. Думитреску, С. Насар

• Инженерия, физика

  1997 IEEE International Electric Machines and Drives Record Record

• 1997

Стабильные рабочие характеристики двигателя единая компьютерная программа, которая в конечном итоге дает справедливое сравнение двигателей.

Межполевой анализ асимметричных трехфазных асинхронных двигателей, дополненных их однофазными и двухфазными машинами

Теория поперечного поля применительно к однофазным асинхронным двигателям расширена для разработки краткой, но всесторонней теории для асимметричных трехфазных асинхронных двигателей. Каждая фаза представлена…

Математическая модель малых асинхронных двигателей с магнитной асимметрией

• Лавриненко В.

• Инженерия

  Труды IPEMC 2000. Третья международная конференция по силовой электронике и управлению движением (IEEE Cat. No.00EX4035)

• 2000

В работе представлена ​​d-q модель для исследования установившихся характеристик конденсаторного асинхронного двигателя, в которой учитывается взаимное взаимодействие пространственных гармоник магнитных…

Однофазный асинхронный двигатель с регулируемой скоростью привод: прямое управление фазовым углом питания вспомогательной обмотки

• E. R. Collins, H. Puttgen, W.E. Sayle

• Физика, машиностроение

  Протокол ежегодного собрания IEEE Industry Applications Society 1988 г.

• 1988

Описан привод с регулируемой скоростью, воздействующий на вспомогательную обмотку однофазных асинхронных двигателей. Изменения скорости получают путем регулирования электромагнитного момента путем управления…

ПОКАЗАНЫ 1-4 ИЗ 4 ССЫЛОК

Анализ поперечного поля конденсаторного двигателя с неквадратурными обмотками, их расширения на 1- и 2-фазные

• B

• Физика, инженерия

  IEEE Transactions on Power Apparatation and Systems

• 1979

Уравнения для прогнозирования работы однофазного асинхронного двигателя с неквадратурными обмотками разработаны на основе представления обмотки двумя взаимно перпендикулярными обмотками,…

ДВУХУРАВНЕННЫЙ АНАЛИЗ КОНДЕНСАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО ТЕОРИИ ПЕРЕКРЕСТНОГО ПОЛЯ

• B. Guru

• Инженерное дело

• 1978

АННОТАЦИЯ В этой статье показано, что стандартное представление эквивалентной схемы конденсаторного двигателя на основе теории поперечного поля может быть сокращено. к другому такому представлению с помощью…

Конденсаторные двигатели с обмотками не в квадратуре

Довольно часто конструкция асинхронного двигателя с расщепленной фазой такова, что так называемая квадратурная обмотка смещена под углом, отличным от 90 градусов, относительно основной обмотки, и в этом случае двигатель…

Расчеты потерь в стали для асинхронных двигателей с дробной мощностью

• P. H. Trickey

• Engineering

  Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. Часть III: Силовые аппараты и системы

• 1958

DC Bus Concacitor для приводных инверторов

Jih-Sheng Lai and Heath Kouns
Blackburg и State University
768. , Inc.
526 Industrial Way West
Eatontown, NJ 07724

РЕЗЮМЕ

Для привода тягового двигателя с питанием от батареи шина постоянного тока инвертора представляет высокочастотный пульсирующий ток из-за переключения устройств. Конденсатор шины постоянного тока в традиционной конструкции инвертора, рассчитанный на основе пульсаций напряжения, больше не эффективен. Чтобы выдерживать большие токи в высокотемпературной среде, предлагается использовать сильноточные пленочные конденсаторы с малой индуктивностью для замены обычных электролитических конденсаторов большой емкости в инверторе привода тягового двигателя мощностью 75 кВт. Предлагаемая конструкция приводит к значительному уменьшению размеров и повышению производительности по сравнению с существующей. Представлены характеристики малоиндуктивного сильноточного пленочного конденсатора, демонстрирующие его превосходство над обычными электролитическими конденсаторами. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие необходимость использования предлагаемого конденсатора.

Ключевые слова: конденсаторы, тяговые электроприводы, конструкция инвертора

I. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в промышленности все больше внимания уделяется конденсаторной технологии. Для приложений с низким энергопотреблением, особенно в компьютерах и телекоммуникациях, критерии выбора и доступности обсуждались и резюмировались в [1]. Ожидаемый срок службы конденсатора звена постоянного тока применительно к приводам тяговых двигателей обсуждался в [2]. В связи с успешным развитием использования недавно разработанного сильноточного пленочного конденсатора с низкой индуктивностью в приводе тягового двигателя большой мощности (75 кВт) цель этой статьи состоит в том, чтобы предоставить теоретические основы и данные полевых экспериментов для потенциально лучшей шины постоянного тока. вариант конструкции конденсатора.

Конденсатор звена постоянного тока является наиболее важным пассивным компонентом привода тягового двигателя. В традиционных конструкциях используется набор электролитических конденсаторов большой емкости для сглаживания напряжения на шине постоянного тока. В результате исследования напряжения на шине постоянного тока и пульсаций тока было обнаружено, что один высокочастотный пленочный конденсатор с низкой индуктивностью можно использовать для замены оригинальной конструкции инвертора привода тягового двигателя мощностью 75 кВт, в которой использовались три громоздких электролитических конденсатора. Значительными результатами являются (1) уменьшение размера, (2) снижение стоимости и (3) повышение надежности. С использованием предлагаемого пленочного конденсатора большой мощности весь тяговый двигатель и инвертор могут быть интегрированы в компактный корпус, что устраняет значительное количество кабелей и связанные с ними затраты и потери.

Конденсатор шины постоянного тока в мощных тяговых электроприводах должен решать следующие проблемы: (1) пульсации тока из-за переключения инвертора, (2) флуктуации напряжения из-за индуктивности вывода источника, (3) переходные процессы напряжения из-за индуктивность рассеяния и быстрое переключение устройств, а также (4) перенапряжение из-за регенерации. Емкость, необходимая для решения первых трех проблем, может быть невелика, но основные проблемы вызывают способность выдерживать ток и частотная характеристика конденсатора. Для регенерации, если батарея напрямую подключена к шине постоянного тока, размер емкости не имеет значения. Таким образом, общая конструкция должна быть ориентирована на текущие возможности обработки в широком температурном диапазоне.

Наш инвертор привода тягового двигателя пережил несколько поколений. В нашей конструкции инвертора первого поколения шина постоянного тока состоит из четырех электролитических конденсаторов с номиналом 450 В, 6800 мкФ каждый. В нашей конструкции инвертора второго поколения шина постоянного тока состоит из трех электролитических конденсаторов, каждый на 450 В, 4700 мкФ. Размер каждого инверторного конденсатора второго поколения составляет 3 дюйма в диаметре и 5,125 дюйма в высоту, а ток пульсаций составляет 12,3 А при 85 °C [3]. При параллельном подключении трех из них общий ток составляет всего 36,9О. Несмотря на то, что рейтинг кажется низким, причина, по которой разрешено уменьшение емкости и размеров, заключается в том, что весь инвертор, включая конденсатор, охлаждался вентилятором мощностью 26 Вт, а температура не превышала предела. Пульсации напряжения на шине постоянного тока никогда не были проблемой при разработке первых двух поколений.

Для нового поколения идея конструкции инвертора состоит в том, чтобы интегрировать инвертор и двигатель вместе с одним комплектом жидкостного охлаждения, чтобы можно было еще больше уменьшить размер и вес всего привода тягового двигателя и, таким образом, увеличить запас хода. расширенный. Таким образом, недавно разработанный инвертор привода тягового двигателя использует один пленочный конденсатор 500 В, 200 мкФ для замены оригинальных громоздких электролитических конденсаторов. Имея физические размеры 3,6” × 4,5” × 1,4”, этот конденсатор имеет ток пульсаций 140 А при 85°C. Таким образом, этот новый инвертор не только уменьшает физический размер, но и улучшает способность обработки высокочастотных пульсаций тока.

В дополнение к значительному улучшению устойчивости к току пульсации и уменьшению размера, недавно принятый пленочный конденсатор с низкой индуктивностью также продемонстрировал значительное снижение скачков напряжения по сравнению с традиционной конструкцией, в которой использовалась комбинация силовой шины и громоздких электролитических конденсаторов. Наш инвертор второго поколения на шинной основе с тремя электролитическими конденсаторами показал скачок напряжения более 33% во время переходного процесса выключения устройства. Благодаря пленочному конденсатору с низкой индуктивностью, интегрированному с толстой медной печатной платой (PCB), скачок напряжения снижается до 14 %, что позволяет отказаться от дополнительных снабберных конденсаторов на шине постоянного тока.

Также хорошо известно, что электролитический конденсатор имеет ограниченный срок службы, поскольку его электролит имеет тенденцию высыхать после 10 000 часов использования. Замена громоздкого электролитического конденсатора пленочным конденсатором позволяет увеличить ожидаемый срок службы до более чем 100 000 часов — улучшение на порядок.

В этой статье полная принципиальная схема инвертора привода тягового двигателя будет подробно описана с учетом причин пульсаций тока и всплесков напряжения, что обосновывает необходимость использования пленочного конденсатора с низкой индуктивностью. На основе информации о напряжении и токе инвертора можно определить характеристики конденсатора звена постоянного тока и выбрать тип конденсатора. Будут показаны характеристики выбранного пленочного конденсатора, чтобы увидеть, соответствует ли он проектным требованиям. Будет показана фотография силовой части инвертора тягового электропривода мощностью 75 кВт, чтобы показать все связанные компоненты и характер его низкой паразитной индуктивности. Наконец, будут показаны экспериментальные результаты, указывающие на преимущество использования предложенного сильноточного файлового конденсатора с малой индуктивностью.

II. НЕОБХОДИМАЯ ЦЕПЬ ИНВЕРТОРА И КОНДЕНСАТОРЫ

На рис. 1 показана упрощенная принципиальная схема инвертора с батарейным питанием для привода трехфазного двигателя переменного тока. По этой схеме нужен только один конденсатор. Строго говоря, даже этот конденсатор является избыточным, поскольку он подключен параллельно жесткому источнику постоянного тока. Вопрос зачем и какой конденсатор нужен при таком аргументе. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо хорошо разбираться в механизме переключения инвертора и паразитных компонентах схемы.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема инвертора.

 

Синтез плавного синусоидального тока для привода двигателя переменного тока с источником жесткого постоянного напряжения должен иметь высокую скорость переключения в различных комбинациях переключателей инвертора, чтобы выходной ток мог отслеживать требуемый синусоидальный ток для уменьшения пульсирующее содержимое. Величина этой пульсации зависит от напряжения постоянного тока, индуктивности двигателя, противоэлектромагнитной силы двигателя (ЭДС) и периода переключения. Каждый период переключения имеет напряжение на обмотке двигателя либо +V _{постоянного тока} , 0 или –V _{постоянного тока} . Когда подается +V _dc , ток двигателя возрастает. С другой стороны, когда применяется 0 или –V _dc , ток двигателя падает. Частота переключения в современных инверторах на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) обычно составляет от 10 кГц до 20 кГц. В зависимости от индуктивности обмотки двигателя и схемы модуляции пульсации колеблются от нескольких процентов до тока, близкого к полной нагрузке. В тяговом приводе электромобиля на базе асинхронного двигателя эта пульсация составляет от 25 до 65% от номинального тока нагрузки. В тяговом приводе электромобиля на основе двигателя с постоянными магнитами пульсации обычно выше, потому что индуктивность двигателя по своей природе ниже. Дело обстоит хуже на низких скоростях, когда противо-ЭДС двигателя также мала. Пульсирующие токи всех трехфазных ветвей в сумме весьма значительны и не приветствуются аккумуляторным источником. Следовательно, конденсатор шины постоянного тока C _dc , показанный на рис. 1, необходим для поглощения вышеупомянутого пульсирующего тока из-за переключения инвертора, которое имеет ±V _dc , приложенное к обмоткам двигателя, так что ток батареи является плавным постоянным током, и более длинный аккумулятор жизни можно ожидать. Однако нагрузка по поглощению пульсирующего тока, по-видимому, смещается на C _dc .

Пульсации тока конденсатора можно получить путем компьютерного моделирования всей системы тягового привода, включая инвертор и асинхронный двигатель. На рис. 2 показаны смоделированные входной постоянный и выходной переменный токи инвертора. Без сглаживающего конденсатора C _dc , ток батареи I _в равен току звена постоянного тока I _dc , который пульсирует между 0 и максимальным током нагрузки. На рисунке показано, что конденсатор шины постоянного тока потребляет ток I _cap , который поглощает значительную высокочастотную составляющую тока от I _dc и, таким образом, сглаживает входной ток батареи.

Рис. 2. Моделирование входного постоянного и выходного переменного тока в трех основных циклах. 9[4] .

Обратите внимание, что инвертор управляется схемой пространственно-векторной модуляции (SVM), при которой одна фаза остается непереключенной в течение одной шестой цикла сети, а две другие фазы переключаются с предварительно рассчитанным рабочим циклом. схему для обеспечения синусоидального тока на выходе.

На рис. 3 показаны подробные формы сигналов тока для пяти циклов переключения. Также показаны управляющие сигналы переключающих устройств, чтобы объяснить, как выходные переменные токи отражаются обратно в звено постоянного тока. Когда все верхние переключатели (S ₁ , S ₃ , S ₅ ) включены, как показано в узкой заштрихованной области, напряжения на клеммах двигателя равны нулю, а токи циркулируют через диоды. Таким образом, в этой узкой заштрихованной области ток в звене постоянного тока равен нулю. В широкой заштрихованной области переключите S ₅ остается включенным, но переключатель S ₃ выключается, а переключатель S ₆ включается. Это позволяет току нагрузки течь обратно в звено постоянного тока, т. е. ток звена постоянного тока равен току нагрузки, который является максимальным током среди трех фаз. Таким образом, ток звена постоянного тока I _dc всегда колеблется между нулем и максимальным током нагрузки в каждом периоде переключения. При батарее, потребляющей почти постоянный входной ток I _в , ток конденсатора шины постоянного тока I _cap , видит высокочастотный пульсирующий переменный ток, который является разницей между I _в и I _{в постоянном токе} . При смоделированной выходной мощности 37,5 кВт, которая является постоянной мощностью испытанного двигателя, среднеквадратичное значение тока конденсатора составляет 80 А, а входной ток батареи составляет 130 А. Отношение тока конденсатора шины постоянного тока I _cap и постоянного тока входной ток I _в оказался равным 61,5%. Можно легко спроектировать, чтобы показать, что при максимальной выходной мощности привода 75 кВт среднеквадратичное значение тока конденсатора составит 160 А.

Рис. 3. Сигналы управления и входные постоянные токи инвертора.

 

Традиционно размер C _dc выбирался произвольно. Для серийных тяговых электроприводов мощностью 75 кВт найдено значение от 15 мФ до 25 мФ с электролитическими конденсаторами. Философия конструкции с электролитическими конденсаторами большой емкости обычно унаследована от конструкции промышленных приводов, где C _dc рассчитывается для сглаживания 6 ^th гармонические пульсации, вызванные линией электропередач. В соответствии с приведенным выше исследованием моделирования необходимость сглаживания 6 гармоник ^и больше не требуется, когда источником является жесткая аккумуляторная батарея, и критерий выбора конденсатора теперь должен быть сосредоточен на способности выдерживать ток, а не на пульсациях напряжения.

В дополнение к конденсаторам C _dc есть еще несколько конденсаторов, которые традиционно используются в инверторе для борьбы с паразитными компонентами и проблемами переключения. На рис. 4 подробно показаны паразитные компоненты тягового электропривода. Пассивные компоненты, обведенные пунктиром на рис. 4, являются паразитными компонентами, которые не показаны на принципиальной схеме, но вызывают некоторые нежелательные эффекты при переключении.

Рис. 4. Полная схема тягового инвертора, включая необходимые конденсаторы и все паразитные индуктивности рассеяния.

 

В качестве примера возьмем паразитную индуктивность. Паразитная индуктивность существует между фазами L _lk и всеми соединениями устройства. Эти индуктивности вызовут всплеск напряжения во время переключения устройств. Величина всплеска напряжения зависит от величины сосредоточенной паразитной индуктивности и скорости изменения тока. Ограничение по физическим размерам делает почти невозможным устранение паразитной индуктивности в инверторе большой мощности. Таким образом, снабберный конденсатор постоянного тока C _dc-sn , обычно добавляется к верхней и нижней шинам постоянного тока на каждой фазе для локального подавления скачков напряжения. Требования к C _dc-sn — способность выдерживать высокие пиковые токи и крайне низкая индуктивность. В зависимости от компоновки и упаковки, сосредоточенная паразитная индуктивность находится в диапазоне от десятков до сотен нГн. Индуктивность рассеяния и его межблочная индуктивность С _dc-sn должны быть не менее чем на порядок меньше сосредоточенной паразитной индуктивности; в противном случае это не поможет подавлению скачков напряжения.

Когда электролитические конденсаторы используются как C _dc , вышеупомянутый C _dc-sn неизбежен, поскольку паразитная индуктивность в электролите весьма значительна. Однако с использованием предложенного пленочного конденсатора с низкой индуктивностью и встроенной печатной платы принтера (печатной платы) из толстой меди также можно исключить демпфирующий конденсатор постоянного тока.

III. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРОВ

Хотя критерии выбора в первую очередь основаны на возможностях пульсаций тока и низкой индуктивности. Существуют и другие важные функции, которые необходимо включить в приложения тягового привода. Ключевые особенности включают в себя:

1. Диапазон рабочих температур от –55 °C до +105 °C.
2. Диэлектрическая прочность (максимум): 650 В пост. тока испытано при 25 °C в течение 60 секунд.
3. Э.С.Р. (максимум): 0,003 Ом, испытано при 10 кГц, 25 °C
4. E.S.L. (Типичный): 21 нГн
5. Пиковый ток (Максимум): 9818 А
6. Среднеквадратичное значение тока: 207 А при 10 кГц, 25 °C и 147 А при 10 кГц, 85 °C

На рис. вышеописанные особенности. Ключевые особенности его механической конструкции:

1. Пластина радиатора: нижняя алюминиевая пластина позволяет радиатору отводить тепло и поддерживать рабочую температуру конденсатора ниже максимальной температуры радиатора.
2. Низкий профиль: прямоугольный блок имеет форм-фактор, аналогичный большинству мощных модулей IGBT, что позволяет значительно упростить компоновку шины постоянного тока, поскольку конденсатор и модули IGBT могут быть установлены на одной пластине радиатора, чтобы избежать изгиба силовая шина.
3. Шпильки для тяжелых условий эксплуатации: Шпильки диаметром 5/8 дюйма изготовлены из меди с никелированным покрытием. Он обеспечивает непрерывный ток 200 А без значительного повышения температуры.

Рис. 5. Фотография сильноточного манипуляционного пленочного конденсатора.

 

На рис. 6 показана зависимость максимально допустимого тока конденсатора от рабочей частоты при температуре 55°C. Кривая показывает, что действующее значение номинального тока увеличивается с увеличением частоты. В источнике постоянного тока или инверторе с батарейным питанием конденсатор звена постоянного тока не должен выдерживать низкочастотные токи, но беспокоят высокочастотные пульсации. Разработанный пленочный конденсатор показывает допустимый ток более 200 А (среднеквадратичное значение) в диапазоне рабочих частот и температур и является желательным для конкретного применения в приводе тягового двигателя мощностью 75 кВт.

Рис. 6. Максимально допустимый ток.

 

На рис. 7 показано, что среднеквадратичное значение номинального тока конденсатора ухудшается с температурой точки перегрева. Следует отметить, что с помощью теплоотводящей пластины можно избежать горячих точек, а токовую способность можно поддерживать на желаемом уровне.

На рис. 8 показано сопротивление конденсатора в зависимости от частоты. Самая низкая точка импеданса — это резонансная частота, которая превращает характеристику конденсатора в характеристику катушки индуктивности. Любой высокочастотный шум или пульсирующие токи, особенно токи, связанные с электромагнитными помехами (EMI), не будут фильтроваться этим конденсатором звена постоянного тока. Таким образом, необходимо иметь дополнительные меньшие дифференциальные конденсаторы и синфазные конденсаторы для фильтрации шумовых токов, частота которых превышает 80 кГц.

Рис. 7. Номинальный ток в зависимости от точки перегрева.

 

Рис. 8. Импеданс как функция частоты.

 

На рис. 9 показан ожидаемый срок службы конденсатора звена постоянного тока. Инверторы привода тяговых двигателей обычно работают при температуре окружающей среды или радиатора 65°C. При повышении температуры от 10 до 15 °C ожидаемый срок службы сокращается примерно вдвое, или до 100 000 часов. Такой срок службы Cy по-прежнему намного выше, чем у электролитических конденсаторов, срок службы которых обычно составляет всего 10 000 часов. Фактически срок службы разработанного пленочного конденсатора намного превышает срок службы транспортного средства [2].

Рис. 9. Ожидаемая продолжительность жизни в зависимости от температуры.

 

IV.

ИНВЕРТОР НА ОСНОВЕ МАЛОЙ ИНДУКТИВНОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ На рис. обычная силовая шина. Все необходимые конденсаторы крепятся на печатной плате либо шпильками, либо пайкой. Заметил, что С _dc-sn и C _CM являются готовыми продуктами, и их номинальное напряжение не оптимизировано. Ключом к этому блоку является конденсатор звена постоянного тока C _dc , специально изготовленный для работы с большими токами в условиях высокой рабочей температуры. Он имеет опорную пластину, которая позволяет устанавливать радиатор для удобного управления температурой.

Рис. 10. Фотография инвертора в сборе.

 

На рис. 11 показаны кривые экспериментального выходного тока инвертора и тока конденсатора звена постоянного тока при выходной нагрузке 13,7 кВт. Выходной ток нагрузки представляет собой коммутационные пульсации 10 кГц поверх синусоидальной волны. При напряжении на шине постоянного тока 217 В измеренный входной постоянный ток и ток конденсатора составляют 69А и 42,3 А соответственно. Соотношение колпачка I и I _в составляет 61,3%, что согласуется с результатами моделирования.

Рис. 11. Экспериментальный выход инвертора и токи конденсаторов шины постоянного тока.

 

На рис. 12 показан экспериментальный ток конденсатора на шине постоянного тока в расширенном временном масштабе. Верхняя кривая верхнего окна показывает ток конденсатора в течение 2/3 основного цикла, а верхняя кривая нижнего окна показывает ток конденсатора в течение двух циклов переключения. Конденсатор заряжается, когда все верхние выключатели инвертора включены; он разряжается при включении одного верхнего переключателя и включении хотя бы одного нижнего переключателя. Форма волны тока конденсатора очень хорошо согласуется с смоделированным результатом.

Рис. 12. Экспериментальный ток конденсатора шины постоянного тока.

 

Ток конденсатора зависит от различных условий тока нагрузки. На рис. 13 показаны измеренные значения тока конденсатора шины постоянного тока в зависимости от входного постоянного тока. Как правило, в этом приводе тягового двигателя на базе асинхронной машины среднеквадратичное значение тока пульсаций конденсатора шины постоянного тока составляет приблизительно 61% от входного постоянного тока. Этот процент согласуется с результатами моделирования, показанными на рис. 2 и 3. Результат дает хорошее представление о конструкции конденсатора звена постоянного тока. При использовании инвертора мощностью 75 кВт, 300 В в качестве проектной цели необходим конденсатор звена постоянного тока с допустимой нагрузкой по току 150 А при рабочей температуре 65 °C.

Рис. 13. Измеренный ток конденсатора звена постоянного тока в зависимости от входного постоянного тока.

 

Всплеск напряжения из-за переключения устройств и паразитной индуктивности можно свести к минимуму за счет хорошей компоновки схемы и конденсаторов звена постоянного тока с низкой индуктивностью. В традиционной компоновке на основе медных стержней с электролитическим конденсатором с высоким ESL в качестве конденсатора шины постоянного тока скачок напряжения составляет более 30% от напряжения на шине постоянного тока. С использованием многослойной печатной платы в качестве силовой шины и комбинации высокочастотного конденсатора шины постоянного тока C _dc и демпферный конденсатор постоянного тока C _dc-sn , скачок напряжения значительно снижается. На рис. 14 показаны экспериментальные результаты с различными конфигурациями C _dc и C _dc-sn .

На рис. 14(а) показано, что при работе схемы без C _dc-sn , но с вышеупомянутым сильноточным малоиндуктивным C _dc выброс напряжения составляет 56 В или 14 % от напряжения на шине постоянного тока. напряжение, которое составляет 400 В. На рис. 14(b) показаны результаты с C _dc + C _дк-сн . C _dc-sn состоит из двух соединенных параллельно высокочастотных пленочных конденсаторов емкостью 1 мкФ [5]. Каждый используемый здесь демпферный конденсатор имеет удлиненные, но приспособленные площадки, которые можно установить на модуль IGBT. Всплеск напряжения при такой конфигурации падает до 38 В или 9,5%. На рис. 14(c) снова показаны результаты испытаний с C _dc + C _dc-sn , но C _dc-sn не имеет соединительной площадки. Вместо этого он имеет набор монтажных отверстий, что позволяет монтировать конденсатор непосредственно поверх модуля IGBT [6], как показано на рис. 10. Значение емкости этого прямого монтажа C _dc-sn составляет 2 мкФ, а результирующее перенапряжение дополнительно снижается до 30 В или 7,5%. Сравнение результатов этих испытаний указывает на значимость компоновки и снижения паразитной индуктивности для снижения выбросов напряжения.

Рис. 14. Выброс напряжения при отключении устройства: (а) с C _dc , но без C _dc-sn ; (б) с C _dc и 2 × 1 мкФ C _dc-sn . (б) с C _dc и с низкомк C _dc-sn .

 

В таблице 1 сравниваются пики напряжения в трех различных конфигурациях. Первая конфигурация относится к нашей конструкции инвертора первого поколения с тремя электролитическими конденсаторами емкостью 4700 мкФ и традиционной компоновкой медных шин. Его скачок напряжения составляет более 33 % при номинальном напряжении и токе. Поскольку этот всплеск напряжения слишком велик, он не тестировался в условиях 400 В. Вторая конфигурация заключается в использовании рекомендуемого сильноточного пленочного конденсатора с малой индуктивностью. Результат показывает 15% при номинальном напряжении и токе. Условия испытаний были расширены до напряжения шины 400 В, и всплеск напряжения не превышал номинального напряжения конденсатора. Последняя конфигурация заключается в добавлении 2-мкФ C _dc-sn поверх IGBT, скачок напряжения был снижен до уровня менее 8%.

 

Таблица 1. Сравнение всплесков напряжения с различными конденсаторами звена постоянного тока

В таблице 2 сравниваются всплески напряжения с одним и тем же конденсатором C _dc емкостью 200 мкФ, но с тремя разными конфигурациями C _{dc-0s. Первая конфигурация имеет только один конденсатор на 1 мкФ. Результирующий скачок напряжения составляет 11,5%. Вторая конфигурация имеет два параллельно установленных конденсатора емкостью 1 мкФ, и результирующий всплеск напряжения уменьшен до 9.5%. Последняя конфигурация заключается в добавлении сквозного монтажа 2-мкФ C dc-sn поверх IGBT, а скачок напряжения был снижен до 30 В или 7,5%.}

 

Таблица 2. Сравнение всплесков напряжения с различными демпфирующими конденсаторами sc

 

и многослойная компоновка печатной платы, производительность уже выдающаяся. Судя по таблицам 1 и 2, уменьшение выброса напряжения за счет замены электролитического конденсатора предлагаемым высокочастотным пленочным конденсатором является достаточно значительным, поэтому дальнейшее снижение выброса напряжения от снаббер-конденсатора постоянного тока может не потребоваться. Из соображений производительности предпочтительно дальнейшее снижение скачков напряжения, но из соображений стоимости оказывается, что C _dc-sn можно исключить.

V. ВЫВОДЫ

В работе продемонстрировано использование малоиндуктивных сильноточных пленочных конденсаторов в мощном инверторе для приводов тяговых электродвигателей с батарейным питанием. Как смоделированные, так и экспериментальные формы сигналов тока конденсатора звена постоянного тока инвертора с пространственно-векторной модуляцией показывают, что конденсатор должен выдерживать высокочастотный ток со среднеквадратичным значением примерно 61% от среднего тока звена постоянного тока. Хотя этот процент отличается для разных машин и разных схем модуляции, его величина всегда нетривиальна в большинстве приводных систем инвертор-двигатель. Очевидно, что с таким высоким током, протекающим в конденсаторе постоянного тока, традиционная конструкция с использованием электролитического конденсатора не только громоздка по размеру, но и неадекватна по току.

В результате обширного компьютерного моделирования и проверки аппаратной реализации можно сделать несколько выводов:

1. Выбор конденсатора звена постоянного тока должен основываться на способности выдерживать ток, а не на пульсациях напряжения в приводной системе инвертора с батарейным питанием. Таким образом, традиционная конструкция, использующая несколько громоздких электролитических конденсаторов, может быть полностью заменена одним сильноточным пленочным конденсатором.
2. Сильноточный пленочный конденсатор удовлетворяет не только требованиям по току пульсаций, но и ожидаемому сроку службы, необходимому для привода тягового двигателя.
3. Сильноточный пленочный конденсатор имеет низкую индуктивность, что позволяет существенно уменьшить выбросы напряжения при переключении устройства.
4. Благодаря конструкции силовой шины с малой индуктивностью и использованию пленочного конденсатора шины постоянного тока с низкой индуктивностью можно отказаться от демпферного конденсатора постоянного тока, что позволяет увеличить размер и снизить стоимость.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы хотели бы поблагодарить доктора Чарльза Э. (Бада) Конрада из VPT Inc. и г-на Джеймса А. Мерритта из Министерства энергетики США (DOE) за их решительную поддержку в рамках программы DOE Cooperative Automotive.