礦用變頻電源分析與設計論文

1、 2014屆畢業(yè)設計說明書課題名稱：礦用變頻電源分析與設計專 業(yè) 系 班 級 學生姓名 指導老師 完成日期 2014屆畢業(yè)設計任務書一 、 課題名稱：礦用變頻電源分析與設計二 、 指導老師：三 、設計內(nèi)容與要求 1、課題概述隨著我國煤炭生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，礦用變頻器在煤礦井下采、掘、運等機械設備和井上通、壓、排、提等四大件的調(diào)速應用中發(fā)揮了良好的調(diào)速性能和節(jié)能降耗的作用。本課程擬電力電子技術和自動控制課程基礎上分析設計出一礦用變頻電源，主要技術參數(shù)要求如下： 額定功率：500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW 額定電壓：3300V 電路形式：三電平或者多電平 散熱形式：熱

2、管 或 水冷 結(jié)構(gòu)形式：防爆 控制方式：矢量控制 使用環(huán)境：井下2、設計內(nèi)容與要求 第一章、前言1.1.意義及必要性1.2.需求分析1.3.變頻電源發(fā)展趨勢1.4.礦用變頻技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢第二章、變頻電源基礎2.1.整流電路基礎2.2.逆變電路基礎2.3.濾波電路基礎2.4.變頻控制電路基礎第三章、（500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW每四人一組）變頻電源分析設計3.1電源方案設計3.2.主電路分析設計3.3.各部分電路分析設計3.3.1.整流電路分析設計3.3.2.斬波電路分析設計3.3.3.逆變電路分析設計3.3.4.濾波電路分析設計3.4.控制電路方案分析設計第四章

3、、 結(jié)論與展望3、其它要求： 畫出系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電路圖或原理圖 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的原理介紹； 說明書中不能有復印與圖片出現(xiàn)四、設計資料 1、新型半導體器件及其應用實例 電子工業(yè)出版社 2、逆變器整流電源 機械工業(yè)出版社3、現(xiàn)代逆變技術及其應用 科學出版社4、新型開關電源設計與應用 科學出版社5、半導體變流技術 機械工業(yè)出版社6、電力電子設備設計和應用手冊 機械工業(yè)出版社 7、摘 要近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流

4、變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻器在各個領域中的應用都非常廣泛。例如：在冶金、石油、化工、紡織、電力、建材、煤炭等行業(yè)，有的工藝不允許電機直接啟動，需要由變頻器調(diào)速和協(xié)調(diào)工作才能滿足工藝要求。這是必須采用變頻器的。比如冶金行業(yè)需要采用變頻器的電機大概達到70%。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。AbstractIn recent years , with the rapid development

5、 of power electronics technology, computer technology , automatic control technology, the AC drive and control technology to become one of the fastest growing technology, electric drive technology is facing a historic revolution that replaced AC variable speed DC speed and computer numerical control

6、 technology to replace analog control technology has become a trend. Inverter applications in various fields are very extensive. For example: In metallurgy , petroleum, chemical , textile, electricity, building materials , coal and other industries , and some do not allow motor direct start the proc

7、ess requires coordination by the governor and the drive to meet the process requirements. This is a must drive. For example, the metallurgical industry probably need to use the drive motor to reach 70%. Drive is the use of power semiconductor devices role will be off -frequency power conversion powe

8、r control device to another frequency to achieve the AC induction motor soft starters , frequency control , improve running accuracy , changing the power factor , over current / overvoltage / overload protection and other functions.引 言 上世紀 80 年代以來，隨著電氣技術的發(fā)展，高壓大功率交流電動機變頻調(diào)速技術起到越來越大的作用，在能源、鋼鐵、機械、化工及交通等

9、領域中，處處可見大中容量的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。而電力電子技術在大中容量的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)是必不可少的環(huán)節(jié)，電力電子技術是運用電子技術、控制方法，通過功率開關器件將電能進行轉(zhuǎn)換、控制和優(yōu)化利用，通過與數(shù)字控制技術緊密結(jié)合，迅速發(fā)展成為一個跨學科的高新技術。 變頻器是通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。通常，把能將電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱為變頻器。目前用于交流同步或異步電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，是交流電動機調(diào)速方案中最理想的。而且變頻器節(jié)能效果非常明顯，在最近幾十年企業(yè)技術改造和生產(chǎn)設備更新中，起到很大的作用。 按照有關標準和國際慣例，供電電壓

10、若小于 1kV 時稱為低壓，若在 1kV10kV 之間稱為中壓，大于 10kV 以上則稱為高壓，但是，由于中壓和高壓的變頻器或電機有著許多共同的特點，控制策略類似，所以統(tǒng)稱中高壓變頻器或中高壓電機。中高壓變頻器能夠使電機無級調(diào)速，在工業(yè)生產(chǎn)中，能夠滿足對電機調(diào)速控制的要求，不僅可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又降低生產(chǎn)成本，而且大幅度節(jié)約能源資源。目前，在煤炭、冶金、石油、化工等行業(yè)，大量大功率傳動系統(tǒng)占主導作用，如大功率風機、泵類電機，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，中高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用其中；在社會方面，為解決環(huán)境污染、資源浪費，變頻調(diào)速系統(tǒng)也是一種最直接、最有效的方法之一，如高速電氣化

11、鐵路、城市輕軌以及電動汽車等，不僅可以大大減少空氣污染，而且節(jié)能效果顯著。由此可見，高性能的中高壓大功率變頻調(diào)速裝置的市場潛力巨大，應用前景十分廣闊。論文目錄摘 要引 言第一章 前 言 1.1.意義及必要性 1.2.需求分析 1.3.變頻電源發(fā)展趨勢 1.4.礦用變頻技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢第二章 變頻電源基礎 2.1.整流電路基礎 2.2.逆變電路基礎 2.3.濾波電路基礎 2.4.變頻控制電路基礎第三章 變頻電源分析設計 3.1.電源方案設計 3.2.主電路分析設計 3.3.各部分電路分析設計3.3.1.整流電路分析設計3.3.2.斬波電路分析設計3.3.3.逆變電路分析設計3.3.4.濾波電路

12、分析設計 3.4.控制電路方案分析設計第四章 結(jié)論與展望第一章 前 言1.1.意義及必要性意義隨著電力電子技術、微電子技術及計算機技術的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術和矢量控制技術得到了日益完善。變頻器以其卓越的性能和優(yōu)點，動搖了直流調(diào)速系統(tǒng)長期以來在提速系統(tǒng)中的統(tǒng)治地位。近幾年來，變頻器在國民經(jīng)濟各行業(yè)中得到了廣泛的應用和推廣，變頻器在皮帶運輸機上的應用便是其中一例。煤炭企業(yè)是耗電大戶，其電耗成本占其生產(chǎn)成本相當大的比例，其中有很大一部分電能是白白浪費掉的，因此其節(jié)電潛力是很大的。煤礦生產(chǎn)中可使用變頻調(diào)速的設備很多，如通風機、空氣壓縮機、水泵、給煤機、調(diào)車絞車、輸送機(皮帶、刮板)、提升機、采煤機以

13、及焦化廠鼓風機等2-4。利用變頻調(diào)速技術對煤礦企業(yè)現(xiàn)有設備進行改造，完全能達到改善工況、節(jié)省電費、提高效率的目的。必要性隨著社會的發(fā)展和科技的進步，煤炭行業(yè)市場的競爭也越來越激烈。煤礦的安全生產(chǎn)和產(chǎn)量任務在不斷增加，對安裝工程的質(zhì)量標準化也在提高，如何在工作中提高業(yè)務能力和學習理論知識是廣大機電工人的重要話題。當前，在適應高標準機械化礦井的發(fā)展，改變陳舊思想理念的同時，努力提高安裝質(zhì)量是非常重要的。因此，加強改變礦用變頻電源必要的。1.2.需求分析機遇與挑戰(zhàn)：核心器件依賴進口成國產(chǎn)發(fā)展瓶頸高壓和中壓變頻器有長足發(fā)展市場前景廣闊。市場數(shù)據(jù)： 我國每年需求形成約100億元市場空間。隨著電力電子技術

14、、計算機技術以及自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術正面臨一場新革命。在電氣傳動領域，變頻調(diào)速系統(tǒng)因效率高、性能好而成為主流。受益于節(jié)能減排、綠色環(huán)保等戰(zhàn)略的拉動作為變頻調(diào)速的重要設備，變頻器產(chǎn)業(yè)成為未來幾年市場潛力非常巨大的產(chǎn)業(yè)之一。變頻器技術新動向:信息技術的發(fā)展帶動了變頻技術的發(fā)展，變頻調(diào)速因具有調(diào)速精度高、啟動能耗低，占地少、工藝先進、功能豐富、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等特點，被認為是最理想的調(diào)速方案，代表電氣傳動的發(fā)展方向。高壓大功率變頻器因其在電磁兼容、電磁輻射、串聯(lián)技術等方面存在很大的技術開發(fā)難度，因此也成為世界各大電氣公司競爭的熱點。目前國內(nèi)諸多變頻器生產(chǎn)廠家都在高壓

15、變頻器領域投入大量的人力與物力，力求在目前變頻器技術方面占領制高點。盡管如此，變頻器的核心器件始終依賴進口，成為制約國產(chǎn)變頻器發(fā)展的瓶頸。為應對來自不同應用領域的挑戰(zhàn)，變頻器也在不斷更新?lián)Q代，產(chǎn)品越來越多樣化?？偟膩碚f，新一代的變頻器應具有以下特點：一是全數(shù)字化、功能齊全，能夠補償負載變化，特別是分布式的具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能并具有可編程功能。二是簡單或行業(yè)專用的變頻器以及實現(xiàn)了機電一體化、小型化。三是網(wǎng)絡化和系統(tǒng)化，通過網(wǎng)絡連接減少生產(chǎn)成本，通過現(xiàn)場總線模塊，將不同型號的變頻器以同一種編程語言和通信協(xié)議進行組態(tài)。此外，伴隨新型高壓電力電子器件的問世，高壓和中壓變頻器也有長足的發(fā)展。在今后的幾年內(nèi)

16、，矩陣式變頻器、綠色變頻器等新型變頻器將很快面世。國內(nèi)變頻器現(xiàn)狀:目前國內(nèi)市場上的變頻器廠家有300多家。由于我國變頻器配套產(chǎn)業(yè)的實力相對較弱，國產(chǎn)品牌無論在加工制造、工業(yè)設計等技術方面都與國外品牌存在一定差距。目前，外資品牌在國內(nèi)變頻器市場的占有率約為7成，本土變頻器企業(yè)主要生產(chǎn)V/F控制產(chǎn)品，對于性能優(yōu)越、技術含量高的矢量變頻器，國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品還不夠成熟。因此，中國的變頻器市場依舊以價格導向為主，但隨著本土品牌的興起，內(nèi)資變頻器企業(yè)的市場份額正逐步擴大，特別是近幾年出現(xiàn)加速替代外資品牌的趨勢。雖然尚未具備和國際頂級品牌展開全面競爭的實力，但在部分細分產(chǎn)品和市場上顯示出一定的競爭

17、優(yōu)勢，市場份額逐步擴大。從整體看，目前我國變頻器行業(yè)的競爭日趨激烈。由于市場極具吸引力，不但市場已形成一定規(guī)模，而且潛在容量也十分可觀，不斷吸引著行業(yè)新參與者。隨著國內(nèi)廠家的技術進步和質(zhì)量穩(wěn)定性的提升，加上服務和價格方面的優(yōu)勢，預計未來幾年高端產(chǎn)品被國外廠家壟斷的市場局面將有所改觀。變頻器市場前景廣闊:變頻器技術的發(fā)展，使變頻器在電力、水泥、電梯、礦山、冶金、交通等現(xiàn)代化領域得到空前的推廣和應用。據(jù)中國工業(yè)電器協(xié)會變頻器分會統(tǒng)計，近年來，我國變頻器市場每年需求大約形成100億元的市場空間。而且，隨著用戶需求的進步和多樣化，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化程度也越來越高，并且

18、已經(jīng)出現(xiàn)某些專用變頻器產(chǎn)品，這都為我國變頻器市場的進一步擴大奠定了基礎。資料顯示，近年來，我國變頻器市場一直保持著12%15%的增長率，預計至少在今后5年內(nèi)，變頻器市場需求仍將保持10%以上的增長率。而在10年以后，變頻器市場才能飽和。我國變頻器總的潛在市場空間大約為1200億800億元，其中常壓變頻器約占市場份額的60%左右，中、高壓變頻器需求數(shù)量相對比較少，但由于單臺變頻器功率大、售價高，只占市場的40%左右。目前國內(nèi)帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8億千瓦，由此為變頻器的應用提供了極為巨大的市場。1.3.變頻電源發(fā)展趨勢我國電力能源十分短缺，已經(jīng)成為制約生產(chǎn)發(fā)展的重要因素，合理開

19、發(fā)和利用能源已迫在眉睫。煤礦用的通風機、水泵和空氣壓縮機，電源浪費較嚴重，需重點治理，高壓變頻技術因其可以有效的節(jié)約能源，得到了廣泛應用。近幾年來我國變頻器銷售量逐年高速增長，變頻器在煤炭、冶金、石化行業(yè)都有良好的應用，其2006 年的市場占有率分別為 4.3%, 11.55%, 8.1%，也就是說這三個行業(yè)使用的變頻器的總和約占全國變頻器總量的 23.95%。但很遺憾的是國產(chǎn)變頻器的占有量不到 20%，這里面的原因比較復雜。煤炭行業(yè)前幾年效益不佳，技術改造較少，變頻器使用不多。行業(yè)的特殊性，要求設備具有極高的可靠性并能夠在爆炸性的環(huán)境中工作。近幾年，煤炭行業(yè)加大了技術改造的力度，使用在礦井中

20、的國產(chǎn)變頻器口漸增多，國產(chǎn)變頻器在煤炭行業(yè)還有很大拓展空間。隨著新型電力電子器件向高電壓、大電流方向快速發(fā)展，多電平拓撲逆變器成為高壓變頻調(diào)速成為首選方案。高壓變頻技術在國外的研究已經(jīng)有三十年的歷史了，隨著開關器件和控制處理器件的成熟，國外的技術把我國已經(jīng)遠遠落在了后面。現(xiàn)在國內(nèi)大部分高壓變頻器都是從國外進口的，隨著開關器件的發(fā)展現(xiàn)在推出的最優(yōu)高壓變頻器是“完美無諧波”系列。國內(nèi)生產(chǎn)高壓變頻器的廠家還很少，大都采用國外的技術方案共同生產(chǎn)，因此我國發(fā)展高壓變頻器還是很必要的。高壓變頻器的發(fā)展趨勢：現(xiàn)在大部分高壓變頻器的開關器件都是用 IGBT 或 IGCT ，IGCT 的電壓電流承受能力更大，比

21、較適合在高壓大功率變頻器中應用且電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，因此其是開關器件的發(fā)展趨勢。因為開關器件所承受的電壓能力有限，因此減小其開關電壓是高壓變頻器的一個發(fā)展趨勢。要想減小開關器件所應承受的電壓，就要發(fā)展多電平技術，不僅減小電壓還能使電壓波形變得更加平滑，因此多電平技術勢必是將來的發(fā)展趨勢。高壓變頻器行業(yè)是一個有相當技術難度，投資強度大，風險大，成長周期長的領域。而且進入該領域的國內(nèi)生產(chǎn)廠商眾多，在相同的技術水平下，使得目前的競爭較為混亂。因此，具有技術優(yōu)勢和特點的產(chǎn)品在市場中才具有較大的發(fā)展前景。1.4.礦用變頻技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢能源是國民經(jīng)濟基礎，目前煤炭仍然是我國的主要能源，煤炭企業(yè)生產(chǎn)

22、要達到安全高效，對于創(chuàng)建節(jié)約型社會有著重要的意義。生產(chǎn)要安全高效，機電設備就必須做到經(jīng)濟運行、合理運行，對于流體機械采用變頻調(diào)速控制效果較理想。自上世紀8O年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應用與速度控制領域中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。變頻技術具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、可實現(xiàn)軟啟動等優(yōu)點，這些優(yōu)點使變頻器在實際應用中具有顯著的節(jié)能效果。變頻調(diào)速是目前交流電動機最理想、最節(jié)能的調(diào)速方案。1.4.1變頻技術在國內(nèi)的應用現(xiàn)狀隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和世界能源緊缺等客觀因素的影響,變頻節(jié)能技術得到了各國的高度重視.在我國,構(gòu)建節(jié)約型社會的號召極大地推動了變頻節(jié)能技術在礦山

23、、機械、電力等眾多行業(yè)的推廣.就煤炭企業(yè)而言,礦井(露天礦)各個生產(chǎn)系統(tǒng)的用電占到礦井企業(yè)用電量的70% 90%1.具體來說,在未采用變頻節(jié)能措施前,水泵、風機等流體機械,平均運轉(zhuǎn)效率只有20%50%2,對礦井提升機、空壓機、采掘機等動力負荷變化較大的機電設備在啟動、加減速、制動和設備維護等方面的浪費也是非常巨大的.明顯的節(jié)能效果和優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能,使變頻節(jié)能技術在我國礦山中的應用越來越廣泛,技術也越來越成熟. （1）風機中變頻調(diào)速的應用目前,變頻器在我國煤礦風機節(jié)能改造和新上項目中得到越來越多的應用,同時出現(xiàn)了為煤礦特殊環(huán)境專門設計的變頻調(diào)速裝置.據(jù)文獻介紹 8 ,楊村礦南風井在風機改造中,將

24、原來JRQ-1510-10型高壓繞阻式電動機換為JS157-10型低壓鼠籠式電動機,用1臺變頻器控制2臺電機.改造后,實際轉(zhuǎn)速較改進前最低轉(zhuǎn)速下降了70 r/min,電機實際輸出功率為改進前前導器半關閉時的1/3,風量和風壓更加適合礦井特性,每年可節(jié)約電費約56萬元.某省勞改局五礦與某電器公司合作,研制了ZJT - 30型隔爆兼本安智能變頻調(diào)速系統(tǒng),采取IGBT散熱方式,工作電壓為660 V,可帶動28 kW局部通風機,實現(xiàn)了載波頻率調(diào)整(250 Hz)功能、風電和瓦斯閉鎖功能、過流短路保護功能、超溫斷電功能及遠程和實地控制功能,其性能達到了防爆標準,為我國礦山巷道掘進的節(jié)能提供了有效手段.（

25、2）泵中采用變頻調(diào)速的應用變頻調(diào)速在礦區(qū)給水、給液用泵中應用靈活,明顯降低了設備的機械沖擊,增加了工藝系統(tǒng)控制的靈活性,提高了產(chǎn)品質(zhì)量.中國礦業(yè)大學宋杰等人,利用變頻器和PLC控制器,設計了一套煤礦井下排水泵站的監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)中變頻器靈活的控制抽水泵的平滑起停、適時加減速,保證了井下液位的恒定,降低了泵空轉(zhuǎn)時間和頻繁起停帶來的大量能耗,機械設備的損耗也相應降低.PLC控制器的加入,對變頻器的自動控制更加智能與靈活,保證了生產(chǎn)的安全高效運行.孔莊選煤廠在合格介質(zhì)泵上安裝變頻器,通過在線調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)重介旋流器的入料壓力,降低了因啟動電流過大造成的電耗增加,減少了頻繁開停車,避免了變壓器跳

26、電,提高了產(chǎn)品質(zhì)量.生產(chǎn)實踐表明,因引進變頻調(diào)速技術,該選煤廠每年新增精煤創(chuàng)收約216萬元.（3）在采煤機中的應用目前,采煤機變頻調(diào)速系統(tǒng)已從“一拖二”發(fā)展到“一拖一”.我國能量回饋型四象限運行的交流變頻調(diào)速采煤技術處于世界領先水平,國產(chǎn)電牽引采煤機行走功率最大2110 kW,變頻器電壓380V,能夠?qū)崿F(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速、額定轉(zhuǎn)速以上恒定功率調(diào)速及2臺變頻器之間的主從控制和轉(zhuǎn)矩平衡.太原礦山機器集團生產(chǎn)的MGTY300/7301.1D電牽引采煤機使用了回饋制動的四象限變頻器,在開灤集團范各莊礦進行了應用.采區(qū)的傾角為1218,局部達到2530,從現(xiàn)場運行情況來看,四象限變頻器調(diào)速電牽引采

27、煤機在大傾角工作面能較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)制動力矩,維持牽引速度基本不變,機器沒有發(fā)生下滑跑車的現(xiàn)象,而且結(jié)構(gòu)簡單,控制靈活,操作方便,速度調(diào)節(jié)可靠.（4）在提升機中的應用 新柏煤礦公司與唐山開誠電器公司合作,選用交流四象限變頻調(diào)速系統(tǒng)配套湖南株州力達公司生產(chǎn)的JKB22.5/315P型變頻防爆提升機,這是西北礦區(qū)首家選用交流四象限變頻調(diào)速技術的企業(yè)13.系統(tǒng)采用無速度傳感器矢量控制方式,四象限運行,設有過壓、欠壓、過流、電機缺相等保護.風光提升機變頻器作為提升機專用變頻器已有數(shù)百臺應用于各大礦山14,JD-BP32-185P型提升機變頻器就是其中的代表.該系統(tǒng)實現(xiàn)了全數(shù)字化控制,設計有專門的控制軟件

28、,同時具有很高的兼容性,提供了完善的輸入輸出接口電路,能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制.（5）在膠帶輸送機和電鏟中的應用 興隆莊煤礦西上山膠帶輸送機采用四象限變頻調(diào)速技術后,解決了采用液力耦合器裝置時下行運輸皮帶機在啟動、運行、制動中形成的電機失控問題15. 變頻器可隨時將電機產(chǎn)生的負力回饋到電網(wǎng)中,減少發(fā)熱損耗,解決了機械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的沖擊問題,延長了設備的使用壽命.電鏟(挖掘機)是露天礦山用于裝載礦石、巖石的大型設備,其工作條件非常惡劣,特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè),經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷,甚至堵轉(zhuǎn).上世紀90年代后期,我國有個別礦山從美國B - E公司引進了變頻器-鼠籠型電動機系統(tǒng)16,系統(tǒng)的機

29、械特性曲線面積大,四象限運行,能快速地進行加速、減速、反轉(zhuǎn)和制動.1.4.2變頻技術發(fā)展趨勢變頻技術在礦山機電設備中應用越來越多,但應用還不普及,如露天開采的牙輪鉆機,美國B - E公司已在55R型牙輪鉆機上應用,我國還在開發(fā)試驗之中,尚未推廣應用16.因此,變頻技術在我國礦山機電設備中還有很大的發(fā)展空間.(1)推廣面較廣.礦山中大小機電設備種類繁多,變頻器如能解決好與這些設備的匹配問題,就能得到更廣泛的推廣.(2)需求量很大.我國礦山基數(shù)大,在機電設備的改造中必然需要大量的變頻器,這就會極大地推動變頻技術在礦山的發(fā)展.(3)專業(yè)化得以加強.礦山有很多特殊工作環(huán)境,如井下工作等,需要具有特殊功

30、能的專業(yè)變頻器配置這些裝備.(4)多功能、網(wǎng)絡化的更新.電子技術日新月異,礦山改造過程中對變頻器的使用和控制也會呈現(xiàn)多功能化的趨勢,對變頻器的控制也會成為礦山網(wǎng)絡化管理中的一個重要環(huán)節(jié).第2章 變頻電源基礎2.1.整流電路基礎 2.1.1.單相可控整流電路 （1）單相橋式半波整流電路 a、帶電阻負載的工作情況變壓器T起變換電壓和隔離的作用。 圖1 單相半波可控整流電路及波形VT的移相范圍為180 電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同結(jié)合圖1進行工作原理及波形分析。幾個概念的解釋：Ud為脈動直流，波形只在U2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流。采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電

31、路為單相半波可控整流電路。Ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈波整流電路。 幾個重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發(fā)角或控制角。導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用表示。 基本數(shù)量關系。直流輸出電壓平均值為：（2-1）這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。直流回路的平均電流為： （2-2）回路中的電流有效值為： （2-3）由式2. 2、式2. 3可得流過晶閘管的電流波形系數(shù)： （2-4）電源供給的有功功率為： （2-5）其中U為R上的電壓有效值：電源

32、側(cè)的輸入功率為：功率因素為： （2-6）當=0時，越大，cos越低，=?？梢?，盡管是電阻負載，電源的功率因素也不為1。這是單相半波電路的缺陷。（2）單相橋式全控整流電路單相整流電路中應用較多的a 帶電阻負載的工作情況工作原理及波形分析見圖2：VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷；VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。 數(shù)量關系：a 角的移相范圍為180。圖2 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形 （2-10）（2-11） （2-12）（2-13） （2-14）不考慮變壓器的損耗時，要

33、求變壓器的容量為S=U2I2 。b 帶阻感負載的工作情況假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷。（2-15）晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。晶閘管導通角與a無關，均為180。變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。圖2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形c 帶反電動勢負載時的工作情況在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能，導通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E與電阻負載時相

34、比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角。 （2-16）圖2-7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負載時的電路及波形 在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。如圖2-7b所示id波形在一周期內(nèi)有部分時間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。與此對應，若id波形不出現(xiàn)為0的點的情況，稱為電流連續(xù)。當觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當wt=時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲為。負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機的機械特性將很軟。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器

35、，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與電感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式亦一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出： （2-17）圖2-8 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況 2.1.2.單相全波可控整流電路圖2-9 單相全波可控整流電路及波形 單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。 兩者的區(qū)別：（1）單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復雜，繞組及鐵芯對銅、鐵等材料的消耗多；（2）單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應地，門極驅(qū)動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓為 ，

36、是單相全控橋的2倍；（3）單相全波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個從上述（2）、（3）考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。2.1.3.單相橋式半控整流電路 圖2-10 單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管，為了對每個導電回路進行控制，只需1個晶閘管就可以了，另1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。 半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同，單相半控橋帶阻感負載的情況，假設負載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶

37、閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電u2過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導通，則向VT1加反壓使之關斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零續(xù)流二極管的作用。若無續(xù)流二極管，則當a突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保

38、持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，晶閘管關斷，避免了某一個晶閘管持續(xù)導通從而導致失控的現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗單相橋式半控整流電路的另一種接法相當于把圖2-4a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)。圖2-11 單相橋式半控整流電路的另一接法2.1.4.三相可控整流電路（1）三相半波可控整流電路a 電阻負載 電路的特點：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)三個晶閘管分別接a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接a =0時的工作原理分析

39、假設將電路中的晶閘管換作二極管，成為三相半波不可控整流電路。此時，相電壓最大的一個所對應的二極管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓一周期中，在t1wt2期間，VD1導通，ud=ua在wt2wt3期間， VD2導通，ud=ub在wt3 wt4期間，VD3導通，ud=uc二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a =0變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量晶閘管的電壓波形.b 阻感負載 特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直： a30時：整流電壓波形與電阻負載時相同；

40、 a 30時（如a=60時的波形如圖2-16所示）u2過零時，VT1不關斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，由VT2導通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷ud波形中出現(xiàn)負的部分阻感負載時的移相范圍為90。（2） 三相橋式全控整流電路的工作情況2.1.5.三相橋式全控整流電路a 帶電阻負載時的工作情況b 阻感負載時的工作情況 三相橋式全控整流電路的特點：（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發(fā)脈沖的要求：（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈

41、沖觸發(fā)另一種方法是雙脈沖觸發(fā)（常用）。（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同 a=30時的工作情況從wt1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表2-1的規(guī)律區(qū)別在于：晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點：在VT1處于通態(tài)的120期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負值。a=60時工作情況ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。a=60時ud出

42、現(xiàn)為零的點。2.1.6.變壓器漏抗對整流電路的影響變壓器漏抗對各種整流電路的影響： 單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等效為m=4； 三相橋等效為相電壓等于 的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論。出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態(tài)增多晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。2.2.逆變電路基礎變頻器直流側(cè)電壓為 Udc，其輸出的相電壓

43、有+Vdc/2、-Vdc/2 和 0 三種電平，這種電路就是三電平逆變電路，圖 1.1 所示就是二極管箝位型三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖。逆變器每個橋臂由兩個 IGBT 串聯(lián)和兩個續(xù)流二極管反并聯(lián)而成；其中每兩個 IGBT 中點通過箝位二極管與直流側(cè)兩個電容中點連接，并要求直流側(cè)的兩個電容 C1=C2。三電平電路與傳統(tǒng)的兩電平電路相比較優(yōu)點有以下優(yōu)點：用兩個 IGBT 串聯(lián)使得每個開關器件承受的電壓值為原來電壓的一半，并降低了開關頻率； dv/dt 比傳統(tǒng)的兩電平降低一半，di /dt 也得到了減小并降低了電機的絕緣性能要求；輸出由兩電平變到三電平使電壓變化減小和電流脈動減小。2.3.濾波電路基礎

44、(1) 濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。(2) 電容濾波電路現(xiàn)以單相橋式電容濾波整流電路為例來說明。電容濾波電路如圖，在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C。電容濾波電路 1. 濾波原理電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2，是正弦形。電容濾波波形圖

45、在剛過90時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90時二極管仍然導通。在超過90后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關斷。 所以，在t1到t2時刻，二極管導電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見圖。 需要指出的是，當放電時間常數(shù)RLC增加時，t1點要右移， t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然，當L很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見圖濾波曲線中的2。反之，當L很大，即IL很小時，盡管C較小,RLC仍很大,電

46、容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合 2.電容濾波的計算電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即另一種是在RLC=(35)T/2的條件下，近似認為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應滿足wRLC610。）外特性整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負載電流IO的變化關系曲線如圖15.09所示。整流濾波電路的外特性(3)電感濾波電路利用儲能元件電感器的電流不能突變的性質(zhì)，把電感與整流電路的負載L相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。電感濾波電路當

47、v2正半周時，D1、D3導電，電感中的電流將滯后v2。當負半周時，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3；D2、D4的導通角都是180。波形圖2.4.變頻控制電路基礎控制電路主要由單片機和檢測電路構(gòu)成。一個單片機控制IGBT觸發(fā)和關斷，使輸出為三相對稱交流電。改變輸出狀態(tài)，改變輸出電壓頻率。另一個單片機完成頻率設定同時完成對輸出三相交流電的頻率，電流測量。頻率檢測電路通過交流電流互感器得到小信號交流電然后經(jīng)過阻容濾波后得到與原信號同頻率的信號，再經(jīng)過過零比較器后輸出為規(guī)則變化的高低電平，即一個周期有兩個電平變化信號，這些信號可以為單片機

48、所識別。單片機通過檢測即可測的對應頻率。交流電流檢測也是通過交流電流互感器得到幅值較小的電壓信號，通過整流濾波后，得到直流電壓信號。直流電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換進入單片機進行數(shù)據(jù)處理后可得與原電流成比例的數(shù)字量。檢測和控制電路如圖4所示。圖4.1頻率檢測電路圖4.2電流檢測電路給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖1所示，控制電路由以下電路組成：頻率、電壓的運算電路、主電路的電壓、電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅(qū)動電路，以及逆變器和電動機的保護電路。圖1在圖1點劃線內(nèi)，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢

49、測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。第三章 變頻電源分析設計3.1電源方案設計采用單相橋式整流電路完成交流電變換成直流電任務。橋式整流電路優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，整流管所承受的最大反向電壓較低，效率較高。逆變電路采用全控型電力電子器件，控制電路使用AT89C51單片機。使用全控型器件可使逆變器主電路結(jié)構(gòu)簡單，而且控制和驅(qū)動靈活可靠、有效改善電路中的諧波和功率因數(shù)、提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度?？紤]到全控型器件的動靜態(tài)特性和安全性，我們采用智能功率模塊IPM。IPM即IntelligentPowerModule(智能功率模塊)的縮寫，是以IGBT為功率器件的

50、新型模塊。這種功率模塊是將輸出功率元件IGBT和驅(qū)動電路、多種保護電路集成在同一模塊內(nèi)，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高，而且由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故使整個系統(tǒng)尺寸減小。由一片單片機實現(xiàn)脈寬調(diào)制，控制功率器件的導通和關斷以及頻率設定。另一片單片機實現(xiàn)電壓電流頻率功率檢測和相應的保護以及人機交換。這種方案由于采用單片機技術，使得其具有智能化的特點，簡化了硬件電路，有效提高測量精度，同時也有利用軟件對系統(tǒng)誤差進行補償。電路原理框圖如圖2示。如圖2所示，系統(tǒng)主電路主要由整流、逆變、控制三部分構(gòu)成。圖23.2.主電路分析設計3.2.1 .主電路

51、的工作原理變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設計中采用圖3.1的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.2.2. 主電路各部分的設計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損

52、壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導致變頻器

53、本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。直交電路設計:選用逆變開關管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖

54、電路，來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱斈孀児荜P斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，

55、所以適用于中小功率變頻器。因本次設計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。3.3.各部分電路分析設計3.3.1.整流電路分析設計(1) 設計方案及原理方案：單相橋式全控整流電路圖1.1單相橋式全控整流電路此電路對每個導電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高，所以選擇此方案。(2) 設計方框圖該電路主要由六部分構(gòu)成，分別為交流電源，保護電路，整流電路，控制電路，驅(qū)動電路和負載電路構(gòu)成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證