igbt直接高压变频器在煤矿主井皮带机中的应用设计

IGBT直接高压变频器在煤矿主井皮带机中的应用设计摘要近几年随着电子技术、微电子技术、控制技术和网络化技术的高速发展，交流变频调速技术也迅速提高，其性能胜过其他任何一种交流调速如降压调速、滑差调速、液力偶合器等方式，且结构简单，稳定可靠，调速范围广，节能显著。尤其是最近高压变频器的飞速发展，让高压电机高性能地调速变为现实。本课题设计的主要内容是以马脊梁矿煤矿主井皮带机上高压变频器调速的成功应用为设计背景，了解煤矿主井皮带机系统的工作原理，分析煤矿主井皮带机调速系统主电路，设计出以IGBT为主控器件的二电平主电路。并对主电路中的IGBT器件进行参数设计与选择，同时还包括IGBT器件的驱动电路和保护电路的设计。煤矿主井皮带机调速系统是将功率器件IGBT应用到高压变频器里，IGBT直接串联高压变频器的灵活应用，成为煤矿主井皮带机实现稳产、高产的基础。关键词煤矿主井皮带机变频器IGBT驱动芯片ABSTRACTINRECENTYEARS,ASELECTRONICTECHNOLOGY,MICROELECTRONICTECHNOLOGY,CONTROLTECHNOLOGYANDTHERAPIDDEVELOPMENTOFNETWORKTECHNOLOGY,THERAPIDDEVELOPMENTOFACFREQUENCYCONTROLTECHNOLOGY,ITSPERFORMANCEISBETTERTHANANYOTHERFORMOFCOMMUNICATIONSPEEDSUCHASSTEPDOWNSPEED,SLIPSPEED,FLUIDCOUPLING,ETCMETHODS,ANDTHESTRUCTUREISSIMPLE,RELIABLE,WIDESPEEDRANGE,SIGNIFICANTENERGYSAVINGINPARTICULAR,THERECENTRAPIDDEVELOPMENTOFHIGHVOLTAGECONVERTER,SOTHATHIGHSPEEDMOTORSFORHIGHPERFORMANCETOBECOMEAREALITYTHEMAINCONTENTOFTHETOPICDESIGNISMAJILIANGMINEMAINSHAFTBELTSPEEDONTHESUCCESSFULAPPLICATIONOFHIGHVOLTAGEINVERTERFORTHEDESIGNOFTHEBACKGROUNDTOUNDERSTANDTHEMAINSHAFTOFTHEWORKINGPRINCIPLEOFBELTCONVEYORSYSTEM,BELTCONVEYOROFMAINSHAFTSPEEDCONTROLSYSTEMMAINCIRCUIT,IGBTBASEDCONTROLLERDESIGNEDTOLEVELTHETWOPIECESOFTHEMAINCIRCUITTHEMAINCIRCUITANDIGBTDEVICEDESIGNANDCHOICEOFPARAMETERS,THEDEVICEALSOINCLUDESIGBTDRIVECIRCUITANDPROTECTIONCIRCUITDESIGNMAINSHAFTBELTDRIVESYSTEMISAPPLIEDTOTHEIGBTPOWERDEVICESINHIGHVOLTAGECONVERTER,IGBTINVERTERDIRECTLYTOTHEFLEXIBLEAPPLICATIONOFHIGHPRESSURESERIES,AMAINSHAFTBELTTOACHIEVESTABLEANDPRODUCTIVEBASISKEYWORDSTHEMINESMAINSHAFTDRIVINGBELTCONVEYOR；INVERTER；IGBT；DRIVECHIP目录摘要IABSTRACTIII1绪论111课题背景112课题的目的及意义113国内外分析研究现状214课题研究设计的主要内容32煤矿主井皮带机的工艺过程分析521煤矿主井皮带机的形式及工作过程522煤矿主井皮带机的工艺要求623变频器在主井皮带机上的应用特点73IGBT在主井煤矿皮带机调速上的应用931各种交流电机调速方式的比较932功率器件IGBT的介绍1033功率器件IGBT在直接高压变频器中的应用主电路14331单元串联多重化电压源型高压变频器14332中性点钳位三电平高压变频器17333多电平多重化高压变频器19334电流源型高压变频器1934功率器件IGBT直接串联的应用20341主电路简介20342核心关键技术介绍244IGBT驱动控制电路和保护电路的设计2741根据电机主要参数选择合适的IGBT2742IGBT的栅极驱动要求3043IGBT的驱动电路3544IGBT的保护电路设计38441IGBT过压保护电路38442IGBT过热保护41443IGBT的过流保护425设计出直接串联高压变频器的实用特点4551变频器的运行和操作4652变频器的主从控制4653实际实践中的技术效果486总结与展望49参考文献51致谢53附录55如有需要联系QQ9241099231绪论11课题背景主井皮带机系统是煤矿生产中的关键设备，主要作用是将煤矿生产的各种煤料源源不断地送出矿井，保证煤矿生产的正常运行，而整个煤矿系统的核心就是主井皮带机运输设备。它要求启动制动平稳、加减速均匀、可靠性高。煤矿主井皮带机系统里将IGBT深入到高压变频器系统，实现IGBT高压变频器控制正确应用，解决了因主井皮带机控制系统不稳定而造成的卡带、停产问题，提高了主井皮带机系统的稳定性，降低了主井皮带机运输的故障率。高效变频器的灵活应用，成为煤矿主井皮带机实现稳产、高产的基础。然而目前，在低压变频调速技术方面，变频调速技术的运用已经比较成熟。但在高压方面，由于变频器的核心器件功率器件耐压能力所限，造成了现在的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。组成高压变频器的功率器件的耐压能力在长时间内还不可能满足高压变频调速的需要。因此，如何解决高压变频器中的功率器件耐压能力问题，成为世界性的技术难题。在实际的生产过程中离不开电力传动，生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式，20世纪50年代以前，电动机的运行基本方式是转速不定的定速拖动。对于控制精度要求不高以及无调速要求的许多场合，定速拖动基本能够满足生产要求。随着工业化进程的发展，对拖动方式提出了可调速拖动的要求1。运用直流电动机可以方便的进行调速，但是直流电机的体积大，造价高，并且无节约效果。但是，交流电机的体积小，价格低廉，并且运行性能优良，重量轻，因此，对交流电机的调速更具有使用性。使用了调速技术后，生产机械的控制精度大大提高了，并能够较大幅度的提高生产效率和产品质量，且对诸多的生成过程实施自动控制。通过大量的理论研究和实验，认识到，对交流电机进行调速控制，不仅能够使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多生产场合中，还具有非常显著的节能效果。与传统的调速技术如直流电动机调速相比，变频器调速具有极大的优越性，整个调速系统体积小，重量轻，控制精度高，保护功能完善，工作安全可靠，操作过程简单，通用性强，使传动控制系统具有优良的性能。用变频器去驱动电动机去拖动风机，水泵以及其他机械时，与常规的不调速系统相比，节能效果十分可观。几十年以来，工业领域运用的一些节能技术数量级一般为几个百分点，但是，在采用变频调速技术后，在泵类及机械类工作运行中，可产生30到40的节能效果，使节能数量发生了飞跃。12课题的目的及意义在交流电动机的传动中，应用最多的功率器件就是GTO,GTR,IGBT以及智能模块IPM，后面两种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率元器件。IGBT集电极电压可小于3V，频率可达20KHZ，内含的集射极间超高速二极管TRR可达150NS，1992年以前后才开始在通用变频器中使用。其发展的方向是损耗更低，开关速度更快，饱和电压更高，和容量更大（33KV,1200A）。目前，采用的沟道型栅极技术，非穿通技术等方法大幅度降低了集电极发射极间的饱和电压的第四代IGBT。它的使用，使变频器的性能有很大的提高，其一是IGBT开关器件的发热减少；其二是高载波控制，使输出电流的波形有明显改善；其三是开关的频率提高以致超出人耳听力范围，做到了电机运行的静音化；其四是驱动功率减小，体积趋于更小。13国内外分析研究现状20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代，交流变频调速理论最初诞生于20世纪20年代，到80年代，变频器已经产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT、IGCT等的发展及性能的提高、微型计算机技术如DSP的发展，以及先进控制理论的发展和完善如磁场定向矢量控制、直接转矩控制等原因，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，变频调速技术取得了显著的成就并同臻成熟。目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。变频调速技术在电力、轧钢、造纸、化工、煤炭、纺织、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术中得到发展应用2。早在国家“八五”科技攻关计划中，交流调速技术就被列为重点科技攻关项目，但是由于我国电力电子器件总体水平很低，IGBT、GT0器件的生产虽引进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，几乎不具备变频器新产品的独立开发能力，这在一定程度上影响了国内变频调速技术的发展。在大功率交交变频技术、无换向器电机等方面，国内产品在数字化及系统可靠性方面与国外水平相比，还有相当差距；在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都采用普通VF控制，仅有少量样机采用矢量控制，品种与质量不能满足市场需要。而在国外，变频调速技术得到了充分的发展，并在各个方面取得了显著成就。在功率器件方面，高电压、大电流容量的SCR、GTO、IGBT、IGCT器件的出现和并联、串联技术的应用，高压大功率变频器产品得到生产和推广应用。在微电子技术方面，16位、32位高速微处理器以及DSP和ASICAPPLICATIONSPECIFICIC技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。在理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论都为高性能变频器的研制提供了相关理论基础。可以看出，总体上我国交流变频调速技术水平较国际先进水平有着很大差距。在现阶段，三相异步电动机的各种调速方案中，以变压变频调速性能最好。在低压变频调速完全成熟、获得广泛应用之后，近几年国外几家著名公司又相继推出中、高压的变频器，国内也有单位研制出自己的产品，已为在36KV甚至10KV等电压等级的中、高压电动机采用变频调速创造了条件在电气传动领域，将2310KV习惯上称作高压，而与电网电压相比，只能算作中压。现在不少电厂正跃跃欲试，犹如10多年前开始推广应用低压变频调速的情况一样。但是，中、高压变频器和低压变频器不