矿用隔爆型变频调速装置定稿-蒋新国

1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目矿用隔爆型变频调速装置作者蒋新国学院信息与电气工程学院专业通信工程学号指导教师周明辉二一 年 月 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 信息与电气工程 院 通信工程 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 徐莎 学号: 专业: 通信工程 1 设计（论文）题目及专题： 矿用隔爆型变频调速装置 2 学生设计（论文）时间：自 2012 年 2 月 20日开始至 2012 年 6 月 8 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料： (1) 变频调速系统设计 (2)ARM技术开发 (3)自填 (4)自填 (5)自填

2、(6)自填 4 设计（论文）应完成的主要内容： (1) 矿用隔爆型变频调速装置概况， (2) 矿用隔爆型变频调速装置结构与设计目标， (3) 矿用隔爆型变频调速装置模块电路、通信电路， (4) 矿用隔爆型变频调速装置开发环境。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： (1) 电路图。 要求：基本正确可行。 (2) 毕业论文。 要求：正确，规范，通顺。 (3) 可供发表的研究论文（可选）。要求：规范，新意 均需提交电子版和纸质版。 6 发题时间： 2012 年 2 月 20 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业

3、设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕

4、业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要本文介绍了采用32位ARM处理器为核心，配以SPWM专用芯片SA8282，以VVVF控制算法的交一直一交电压型矿用隔爆型变频调速装置（以下简称：变频器）的软硬件设计，采用热管散热技术解决了煤矿井下变频器隔爆与散热的矛盾。为了消除谐波，节能降耗，我们做了大量的研究和分析。本文首先对SPWM控制技术从原理上进行了详细的描述，指出了谐波问题的研究方向和谐

5、波研究的意义。然后针对逆变器_电动机系统，利用贝塞尔函数和傅里叶级数理论，分别对单相二阶SPWM逆变器和三相SPWM逆变器的输出电压谐波的产生、大小和分布进行了细致而具体的 分析和计算。通过计算所得到的结果，以图文的形式对谐波问题进行了分析，得出了相应的结论，并且对影响SPWM输出电压谐波频谱分布的因素进行了详细的讨论。本文还讨论了谐波对感应电动机绕组磁动势、旋转磁场的转差率、转矩以及铜耗的影响，为感应电动机变频调速系统的设计、电机供电电压谐波分析及附加损耗计算提供了参考。结合本课题的研究成果，给出了采用无源LC滤波技术、RFI 滤波技术解决了变频器的谐波污染、EMC (电磁兼容）问题，以湘潭

6、平安电气集团有限公司为平台研制出煤矿井下用风机专用变频器45KW/660V样机，可为国内矿用隔爆变频器的设计、应用提供参考。总之，伴随着现代电力电子技术的迅速发展，特别是大规模集成电路和微型计算机的迅速发展，现代控制理论在电气控制技术工程等方面的不断渗透，多种新型控制理论、技术和方法的不断涌现，交流电动机的变频调速技术将展现出更广阔的前景（社会效益和经济效益）。关键词：变频器；调速；隔爆；谐波ABSTRACTThis paper introduced the 32-bit ARM processor as the core, match with SPWM special-purpose ch

7、ip in SA8282, control algorithm of VVVF into - straight - pay voltage type flameproof variable frequency variable speed device (hereinafter referred to as: the design of the software and hardware converter), the heat pipe cooling technology solved inverter isolating esplosion underground coal mine w

8、ith heat of conflict. In order to eliminate harmonic, saving energy and reducing consumption, the researchers did a lot of research and analysis. In this paper, first, from the principle on SPWM control technology, a detailed description of the harmonic problems pointed out the research direction an

9、d the significance of harmonic research. Then for inverter -motor systems, using Bessel function and Fourier theory respectively, the single-phase second-order SPWM inverter and three-phase SPWM inverter output voltage harmonic generation, size and distribution in the detailed and specific analysis

10、and calculation. Through the calculation results obtained in the form of pictures, the harmonic problem is analysed and corresponding conclusion, and influence SPWM output voltage harmonic spectrum distribution factors are discussed in detail. The paper discussed on induction motor winding harmonic

11、MMF, rotating magnetic field an induction, torque and the influence of copper consumption for induction motor, the design of variable frequency speed regulation system, motor power supply voltage harmonic analysis and additional loss calculation provides reference. Combining thistopic research achie

12、vement, gives using passive LC filtering technology, RFI filtering technology solved inverter harmonic pollution, EMC (the electromagnetic compatibility) questions to xiangtan peace electric group Co., LTD. As a platform developed by fan inverter underground coal mine 45KW / 660V prototype, but for

13、the domestic mining flame-proof frequency converter design, applied to provide the reference.In short, with modern power electronic technology, especially the microcomputer and large scale integrated circuit, the rapid development of modern control theory in the penetration of electrical control, a

14、new range of control methods are constantly emerging, ac motor of frequency conversion technology will show more broadprospect.Key words: Frequency converter; Speed adjustment; Flameproof; Harmonic目 录第一章 绪论11.1变频器概况11.2变频控制技术的现状及发展趋势11.2.1变频调速技术的现状11.2.2变频调速技术的发展11.3变频器的分类及市场需求21.3. 1变频器的特点以及分类21.3.

15、2市场的需求3第二章 矿用变频器的系统设计42.1设计依据42.2调频原理42.3设计原则42.4总体方案52.5系统的硬件电路设计52.5.1电流、电压、温度检测电路52.5.2 IGBT驱动电路72.5.3 32位主控 CPU电路82.5.4 SPWM波形成电路及处理电路102.5.5面板键盘电路112.5.6 面板显示电路112.5.7 485接口电路132.5.8 系统各种电源电路132.6系统的主要功率器件选型142.6.1 45KW主电路设计142.6.2 IGBT 选型142.6.3三相整流桥选型152.6. 4母线滤波电容的选择152.6.5集中式缓冲电路选型162.7系统的软

16、件设计162.7.1 开发环境162.7.2 Code Warrior IDE介绍172.7.3 AXD调试器介绍172.7.4系统主流程图182.7.5 SPWM芯片的工作流程18第三章 矿用变频器逆变模块选择及功耗计算203.1逆变器件IGBT模块主要参数203.1.1IGBT模块的主要参数203.2矿用变频器逆变模块电压电流的选择203.2.1电压规格选择213.2.2电流规格选择223.3功耗计算223.3.1通态功耗223.3.2开关功耗223.3.3逆变模块的总功耗233.4 WLD-6型小电流接地系统微机选线233.5 实际运行情况23第四章 矿用变频器的谐波治理及EMC设计27

17、4.1变频器的谐波治理274.1.1谐波的产生机理274.1.2电力谐波的危害以及谐波治理的标准284.1.3电力谐波的治理304.2 EMC设计324.2.1电磁干扰（EMI)危害以及产生的机理334.2. 2 EMC的系统设计36第五章 结论40参考文献41致谢42第一章 绪论1.1变频器概况近些年以来，伴随控制技术、计算机技术、电力电子技术的发展迅速，电气技术将面临着一场革命，即交流调速技术替代直流调速技术、数字控制技术替代模拟控制技术。在现代工业控制中，交流变频调速技术实现节约能源、改进控制工艺流来提高产品的性能、质量，改善工人工作环境、推动科学技术进步的主要手段和方法。交流变频调速技

18、术以他优越的调速性能、启动性能以及制动性能，高工作效率、高功率因数以及节约电能的效果，广泛的适用能力等等优点，因而被国内外的企业公认为最具有应用市场和发展空间的调速技术。目前煤矿井下交流变频调速技术的应用尚在起步阶段，在煤矿井下的风机、水泵、皮带机、刮板机、采煤机、压缩机等机械负载都比较适用于变频调速控制气如果使用变频调速技术将在节能，无级调速，转矩控制等多个方面取得显著成效。1.2变频控制技术的现状及发展趋势1.2.1变频调速技术的现状上个世纪90年代以来，伴随着集成门极换向性晶闸管（IGCT)、绝缘门极晶体管(IGBT)、大功率晶体管（GTR)等最新型的电力电子器件快速发展、专用集成电路（

19、ASIC) 和数字信号处理器（DSP)的迅速发展及其新型控制技术和控制理论（直接转矩控制技术、磁场定向矢量控制技术等）的不断完善，使得交流调速技术在调速精度、调速范围、使用性能、运行效率、功率因数以及动态响应等等性能指标远远的超过了直流调速技术, 已经达到了替代直流调速技术的应用领域，受到企业等各行业的喜欢，也取得最可喜的社会效益和经济效益.1.2.2变频调速技术的发展1.变频调速技术中PWM控制技术的发展PWM控制技术是变频技术的核心技术之一，几乎所有控制技术的算法都是以各种PWM 控制技术方式来实现。上世纪八十年代以后的产品中正弦形PWM (SPWM)调制解调方法已经被以下面方式所替代：1

20、)直接转矩控制PWM技术最常规的直接转矩控制PWM技术是没法区别磁链的很大偏差、转矩和磁链的较小偏差，直接造成电机的启动时期使控制系统停滞。若采用模糊控制（属于智能控制），就可以通过改变定子磁通的空间位置，而由一些偏差的正小和正大等等模糊的语言，依据模糊控制的规则推导出变频逆变器的开关模式，使其系统的性能得到改善。2）快速电流跟踪型控制PWM技术快速电流跟踪型控制PWM逆变器技术是电压源逆变器（电流控制型），他采用了闭环电流控制技术，使得对称三相电流快速的跟随其指令电流。电压源逆变器电流控制响应很快，硬件也简单，兼有电流控制和电压控制型逆变器等优点，广泛的用于异步电动机矢量变换控制技术和PMS

21、M伺服控制技术的系统中.3）双PWM变频控制技术交一直一交电压控制型逆变器是目前应用最广泛使用的逆变器，但是对电力网构成了谐波的污染。现在的双PWM变频控制技术的研究也很是活跃，他由PWM整流器和PWM 逆变器组成了双PWM变频控制器，不须要其他的附加电路就可使电力网侧的输入电流接近正弦波，其系统的功率因数接近1,很彻底的消除了电力网侧谐波的污染，并且也实现了四象限的运行。4）磁链跟踪型PWM控制技术磁链跟踪型PWM控制技术是把电动机和逆变器视作为一个整体，是以三相对称正弦波电源供电时，交流电动机其理想的圆形磁场作为基准，用其不同的开关模式下所产生实际磁链矢量去跟踪基准磁链圆，而其跟踪的结果决

22、定了逆变器的开关模式，得到PWM 波形。而磁链的运行轨迹是依靠空间矢量选择来实现的，所以也称之为电压空间矢量法。2.直接转矩控制技术和矢量控制技术1）无速度传感器矢量变换控制技术矢量变换控制技术在低速中的运行性能及速度传感器安装与维护直接影响了控制系统的可靠性、价格、性能等。因此无速度传感器矢量变换控制技术成为了研究的热门，受到企业界和学术界人事的高度重视。无速度传感器矢量变换控制技术的关键是如何获得其速度信号，最常见的方法有：从电机的基本方程式推导出速度方程式进行计算，依据自适应性能的控制理论，选取适当的参考模型，利用自适应性能的控制来识别速度；转子空间信息法：利用高频信号注入电流，识别出电

23、机的转子速度和位置，国外企业已经生产出相关产品，调速范围可达到1: 75。2）矢量变换技术上世纪七十年代，矢量变换控制理论建立以来，以电机的转子磁场定向，用矢量变换技术的方法，实现了三相异步电动机磁链和转速控制的完全对耦。所以使得异步电动机具有了跟直流电动机一样优越的控制性能。矢量变换技术在实际中广泛地得到了应用。1.3变频器的分类及市场需求1.3. 1变频器的特点以及分类变频器在结构形式上可分为交一交型和交一直一交型两种。1）交一交型变频器：中间环节并不经过直流，不需换流，直接把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、乳钢机等。但这种控制方式决定了最高

24、输出频率只能达到电源频率的一小部分，所以不能高速运行2）交一直一交型变频器：它根据直流部分电压、电流的不同形式，又可分为电流型和电压型两种。由于电压型变频器是应用电压源向交流电动机来提供交流电能，其主要的优点：其运行性能不受换流或负载功率因数的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。1.3.2市场的需求电机的控制系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一。国家发改委要求，当前社会应广泛的推广变频调速节能技术，压缩机、风机、水泵等都应当采用变频调速节能技

25、术，工业机械生产应广泛的采用交流电动机变频调速技术。在“十一五”期间，通用机械系统采用了交流电动机变频调速技术，我国实现电机系统运行效率提高了2个百分点，形成了年节电能力达到度电的目标。行业专家介绍，我国的电动机装机总容量约千瓦，占全国总耗电量的70%左右。交流电动机占90%以上。行业专家分析：目前电机的运行效率比国外低35个百分点，泵和风机等电动机运行效率要比发达的国家低2%3%，电动机的驱动系统运行效率比国外低近20%。若按电动机装机总容量的10%进行调速改造，按年平均运行4千小时、节电率20%25%计算的话，全国年节电潜力约为320亿千瓦时400亿千瓦时的能源。接近于1万兆瓦装机容量的火

26、力发电厂的年发电量的总和。因此，电动机运行系统的节能是当今中国节能市场上最具有社会效益和经济效益商业潜力的领域。我国是能量消耗的大国，在电动机总运行容量中，只有不到0.34%电动机是带变频调速控制的。中国的变频器市场在过去10年内保持26. 8%的增长。调查报告的数字分析,我国至少要在在10年以后，中国的变频器市场才能趋于成熟，市场潜力为1200亿1800 亿元。第二章 矿用变频器的系统设计2.1设计依据1）可行性研究报告和总体方案说明；2）方案阶段设计文件标准化要求；3）标准化大纲；4）电磁兼容性大纲；5）可靠性、维修性、保障性和测试性大纲；6）人机环境系统设计要求；7）相关的国家标准；2.

27、2调频原理1）异步电机（笼型或绕线转子）转速：n=60f(l-s)/p,其中：s为转差率。2）从原则上讲，改变极对数p,改变转差率s,改变频率f都可以实现调速。对异步电机而言，以上三种方式虽都可以采用，但变极对数的调速是有级调速。（不能实现平滑调速），电磁调速滑差电机、转子变阻调速都是耗能型调速方法。只有变频调速是最理想的调速方法。3）在电力电网中应用最普遍的是标准系列的普通笼型异步电机和同步电机。这些电机使用变频器进行变频调速是最为合理的。因此变频调速是交流调速中最理想的，最有发展前途的，也是发展最快的。4）PWM控制技术就是利用新型的半导体开关器件导通与关断把直流电压变换成电压脉冲列，通过

28、控制电压的脉冲宽度或周期达到变压的目的或者控制电压的脉冲宽度和脉冲列周期达到变频变压的目的一种新型的控制技术。2.3设计原则1）充分满足总工程的性能要求，严格控制系统部件的总重量和总体积，在此基础上挖掘系统硬件的潜力，实现更多的功能。2）设备的选型和操作软件在满足系统性能的前提下立足于国内外的成熟技术产品，以求达到较好的性能价格比和长期稳定的供货保证，便于采购、使用和维修。3）充分利用现有的研究成果，缩短研制周期，节省研制经费。4）系统的硬件和软件采用模块化、标准化、系列化的设计方法，并充分考虑系统的扩展能力。5）采用软件工程设计思想研制系统软件，保证软件开发过程的可管理、可追踪、可控制和可测

29、试性，以保证软件产品的质量和可靠性。6）充分注重系统的可靠性、维护性和可测试性，保证系统能够可靠工作和便于矿井的维修保养。7）在系统设计中充分考虑系统的电磁兼容性，保证系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时不干扰周边系统的工作。2.4总体方案图2-1系统原理图系统由电抗器、整流器、充电电阻、滤波电路、均压电阻、IGBT、电流互感器、电压检测电路、温度检测电路、CPU电路、SPWM产生电路、驱动电路、各种保护电路、面板显示电路、RS485通信接口电路等组成。系统的整体框图见图2-1所示：2.5系统的硬件电路设计2.5.1电流、电压、温度检测电路电压，电流数据采集：通过传感器检测输出电压和电

30、流，首先采用运放对信号进行放大，阻抗转换等处理。然后采用Burr-Brown 公司的ADS7841E进行AD转换。ADS7841E 个16位精度4通道采用SPI传输方式的芯片。内部结构如下图2-2所示：图2-2 ADS7841E内部框图为了提供精确的参考电压这里选用了美信的电压基准专用芯片MAX6350。这是美信公司新推出的一款低噪声、高精度、受温度影响极小的电压基准芯片。它的误差低达0.02%。具体电路见图2 -3:图2-3数据采集电路温度采集电路：DS18B20具有3个外引脚，TO T92小的体积封装；温度测量的范围是负55C正125C, PLC是九位十二位A/D转换精度，测温的分辨率达到

31、了0. 0625C , 被测量的温度用16位数字量串行输出；工作电源可在远端子引入，也可就近由寄生的电源产生；多个使用时可并联在2根或3根线上，而CRJ只需要一根端口线就能跟诸多的DS18B20进行通信，即可节省引线以及逻辑电路。从而使DS18B20很适用于远距离多点温度检测的系统。电路图如下图2-4所示: 图2-4数据采集电路 图2-5直插DS18B20DS18B20的内部结构：温度传感器、64位ROM、TL、配置寄存器和非挥发的温度报警触发器TH等4部分组成。管脚如图2-5所示，VDD是外接供电电源输入端；GND是公共端; DQ是数字信号输入/输出端。ROM中的64位序列号是DS18B20

32、的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不同。64位ROM的排列为循环冗余校验码。ROM可实现一根总线挂接于多个DS18B20。2.5.2 IGBT驱动电路在实际中通过大量的比较，最终选择了瑞士CT-Concept公司所生产的SCALE驱动系列，SCALE驱动系列为西门子/EUPEC大电流、高电压IGBT的模块配套。SCALE驱动系列产品用ASIC设计，用直流15V电源驱动，开关频率达100KHZ，具有长寿命和高可靠等性能，可以驱动1200A、1700V的IGBT器件。电路如图2-6所示，其电路功能的特点是：1)接口简单、可以处理5V15V电平的标准信号。故障传送时集电极开路电压输出可

33、与常用逻辑电平相兼容。具有施密特触发器输入特性且对输入的信号没特殊要求。其驱动板具有智能化驱动的所有功能，且状态传送、驱动信号及功率部分与电源完全相隔离，从而使用极简单。2)应用范围很宽。可以应用在大功率（数兆瓦的功率）的范围以及实用的耐压值所要求的范围以内，任何厂家的模块都适用。3)结构紧凑、应用灵活、成本低、体积小巧。具有半桥模式和直接模式选择。在半桥模式下，可选择所要求达到的死区时间。具有极高的性价比。可以提供栅极驱动，还具有电源隔离以及检测状况显示等功能，是一种最经济实用的、可满足市场所有要求的驱动板。图2-6 IGBT驱动电路2.5.3 32位主控 CPU电路本系统是针对水泵、风机类

34、负载设计的，根据控制需要，控制的方式中采用V/F控制能达到设计要求，所以控制和算法相对较简单，微处理器的处理工作不算很重，微处理器选用LPC2132, LPC2132是一款基于16/32位ARM7TDMI- S,并支持跟踪和实时仿真的CPU，带有64KB嵌入式的高速 Flash存储器。独特的加速结构使32位代码和128位宽度的存储器接口能够在最大速率下运行。对代码规模有严格控制时可以使用16位Thumb模式，而且性能的损失很小。LPC2132采用64脚封装、多个32位定时器、极低的功耗、 PWM输出、8路10位ADC 及多达9个的外部中断，特别适用工业控制、医疗系统、自动化等应用领域。内部可以

35、用GPIOs，范围为48脚。内置宽范围的串行通信接口，所以也非常适应于协议转换器、嵌入式调制解调器、通信网关以及其它各种类型的广泛应用。ARM内部结构图2-7所示：守图2-7 ARM内部结构图所以主CPU选用LPC2132 (温度范围为负40C 125C)，能够满足设计要求和恶劣环境。为了使面板和主CPU之间通讯简单、可靠，他们之间采用RS485通讯，在面板上设计也选用LPC2132。LPC2132采用JTAG调试方式，支持在线调试，并且已经成功应用于军品项目和电力电子项目上，可靠性和稳定性都非常好。LPC2132系统图2- 8所示: 图2-8 LPC2132 系统（主CPU)2.5.4 SP

36、WM波形成电路及处理电路脉宽调制(PWM)控制技术在逆变电路中得到广泛的应用，其波形产生方法有两种：一是模拟方法，二是数字方法。模拟方法电路结构复杂，有温漂现象，难以实现精确控制。数字方法则克服了上述缺点。MITEL公司生产的SA系列SPWM波形产生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中SA8282是主要用于变频调速、逆变电源及UPS等工业领域的高精度SPWM波形产生器。SA8282可与微控制器连接，完成外围控制功能，使系统智能化。微控制只用很少的时间去控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制、显示等。而且与其他产生SPWM相比，只需书写少量的代码，即可产生所需的高精度、

37、可靠的SPWM信号。基于上述原因，控制电路采用SA8282和 ARM相搭配的模式。电路如图2-9所示：图2-9 SPWM产生部分2.5.5面板键盘电路该变频控制系统采用了六个按钮，分别实现变频器的编程、选择、上调、下调、开机、停机。电路如下图2-10所示：图2-10 键盘电路2.5.6 面板显示电路本面板同时米用LED显示和 LCD显示，LED显示用来显示当前频率数值，当前温度，当前操作权限等。LCD 显示用来提示操作员进行操作。数码管电路如图2 -11所示，液晶显示如图2 -12所示： 图2-11数码管显示电路图2-12液晶LCD显示电路2.5.7 485接口电路485接口芯片采用 sipe

38、x 公司的SP485E芯片，该芯片广泛应用与各个领域。传输速度可达到10Mbps。采用隔离电源DCP010505P为该芯片提供隔离电源。电路如图2 13所示：图2-13 RS485接口电路2.5.8 系统各种电源电路图2-14电源电路2.6系统的主要功率器件选型2.6.1 45KW主电路设计图2-15 主电路在交流变频调速系统中，主电路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接影响整个系统的运行。本课题研究的是电压型交一直一交变频调速装置，主电路一般是由整流电路、中间直流滤波电路和三相桥式逆变器三部分组成。如图2-15所示：2.6.2 IGBT 选型1）电压规格选择 ， 注：1.1:线路电压波动因

39、数a:安全因数（通常1.1)Vcesp =(933 *1. 15+100)* a注：1.15:过压保护水平（115%)a :安全因数（通常1. 1)100：线路电感产生的尖峰电压所以Vces=1700V (IGBT电压规格）2）电流规格选择V (Input) nom =660Vrms 电机输出=45kW 变频器容量：60kVA注：P:变频器容量0.9:低于额定电压10%1.5：容量过载(150%. lmin) 1.4: IcCos =0. 62 (电机容量/变频器容量）Io=50A Ic=148A (IGBT电流规格）3）综上：IGBT模块选用英飞凌研发的第3代FF200R170KE3(170

40、0V, 200A (85C) /350A (25摄氏度)， (功耗比普通的1GBT 降低 30%以上）)。4）IGBT模块的VGE保证值一般最大为士20V。在IGBT的G -E间外加超过VCES保证值的电压时，IGBT的门极就有损坏的危险。请注意不要在G-E间外加超出保证值的电压。特别注意IGBT的门极对静电等非常敏感，因此在使用产品时遵守以下所述的注意点。a.使用模块时，先让人体和衣服上所带的静电通过高电阻（左右）接地线放电后，再在接地的导电性垫板上进行操作。b.使用IGBT模块时，要拿封装主体，不要直接触碰端子（特别是控制端子）部。c.对IGBT端子进行锡焊作业的时候，为了避免由烙铁、烙铁

41、焊台的泄漏产生的静电外加到IGBT上，烙铁前端等要用十分低的电阻接地。2.6.3三相整流桥选型1）整流输出的电压平均值为：2）电流平均值：输出电流平均值与单相电路情况一样，电容电流平均值为零、因此在一个电源周期中，有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为的1/3，即3）二极管D可能承受的最大正向电压为线电压峰值的1/2,即,即4）二极管D可能承受的最大反向电压为线电压峰值根据工程设计技术经验和工艺要求，三相桥选用2000V耐压，200A电流的模DD200-20-Iol4。2.6. 4母线滤波电容的选择电源采用三相660V交流电输入，经全桥整流后得到脉动的直流电压，

42、母线滤波电容Cin用来平滑这一直流电压，为了尽可能减小整流器直流输出电压中的纹波，通常在整流器直流一侧并联容量较大的滤波电容，本设计为三相桥式不可控整流电路。滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用三相桥式整流电路，其电压纹波脉动为300Hz，为保证给逆变电路提供稳定的直流电压，滤波电路的时间常数，也即滤波电容器Ca与直流电源的等效负载电阻Rd的乘积，必须为纹波中基波的周期时间的6倍以上，这里取8,即则：耐压值为1200V,可以选用6800uF/400V的电解电容6只（三串两并）。2.6.5集中式缓冲电路选型集中式缓冲电路常用的有如下两种：图2 16所示：图2-16 缓冲电路主电路寄生电

43、感兰0. 16uH、缓冲电容取0.47UF (1600V)具体型号为德国EPCOS无感电容器(0.47UF、1600V)。2.7系统的软件设计2.7.1 开发环境本系统的软件设计，主要建立在ARM开发平台ADS1. 2 的基础上。ADS1. 2 开发环境是ARM 核微控制器的集成开发工具。ADS1. 2也支持ARM10 以前所有ARM系列的微控制器，支持汇编C、C+源程序，支持JTAG硬件仿真调试以及软件调试；具有系统库功能强大、编译效率高等等特点；可以在 Red Hat Linux 以及WINDOWS系列98以上版本上正常运行。ADS 的功能非常强大。他的前身是SDT, SDT 是ARM公司

44、几年前的开发环境软件，目前SDT早已经不再升级。ADS 包括了四个模块分别是：SMULATOR; C编译器；实时调试器; 应用函数库。ADS的编译调试器较 SDT都有了很大的改观。ADS1. 2 提供了完整的WINDOWS界面软件开发环境。编译器效率很高，它支持C以及 C+，使技术员可以很便捷的使用C语言进行软件的开发。还提供了软件模拟仿真的功能，使从来没有Emulators 的学习者也能掌握熟悉ARM的指令系统。与 FFT-ICE配合使用，ADS1. 2提供了强大的实时调试跟踪功能。ADS1.2 是需要硬件的支持才能发挥强大功能。而简易下载电缆不能支持ADS1. 2。2.7.2 Code W

45、arrior IDE介绍ADS1. 2 在 Code Warrior IDE 集成开发环境下使用，集成了ARM连接器、Thumb的C / C+ 编译器、ARM的C/C+编译器和ARM汇编器，包含了语法敏感（以不同颜色显示）编辑器、代码生成接口、工程管理器、源文件和类浏览器等等。其主窗口如2-17所示：图2-17 Code Warrior IDE开发环境2.7.3 AXD调试器介绍AXD调试器是ARM扩展调试器，包括 ADW/ADU所有的特性，支持硬件仿真。AXD 能够装载文件到目标内存，具有断点、单步和全速等调试的功能，还可以观察寄存器、数据和变量等等。AXD调试器的主窗口如图2-18 所示：

46、图2-18 AXD调试器2.7.4系统主流程图系统主流程图见图2-19所示：图2-19系统主流程图2.7.5 SPWM芯片的工作流程SPWM芯片是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。下图2-20给出了本系统的程序流程图从程序流程图中可看出，单片机先将8282复位，在向其传送初始化参数和控制参数之后即可输出需要的波形，逆变器随后将处于工作状态，这时单片机应不断查询输出状态，以便随时调整8282 输出特性，以满足系统要求，只要系统工作正常，看门狗定时器就不断被更新，以防止其溢出而中断8282 的输出。开始将8282复位往R0-R5中写初始化参数写虚拟寄存器R14以完成数据传输往R0-R5

47、中写控制参数写虚拟寄存器R15以完成数据传输允许输入更新看门狗定时器处理采样结果并比较是否需要更新图2-20 SA8282操作流程第三章 矿用变频器逆变模块选择及功耗计算3.1逆变器件IGBT模块主要参数 在选型或设计时，必须考虑逆变器件IGBT模块参数的最大额定值，它是指对一个IGBT模块而言达到其极限工作能力或期限工作条件（最大或最小）的规定值。该值对于IGBT模块的运行和环境条件极为重要，只有在不超出其最大或最小额定值的条件下才能正确使用IGBT模块。3.1.1IGBT模块的主要参数：1）集电极发射极额定电压Uces电压Uces是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是在栅极发射极短路时I

48、GBT模块能承受的耐压值，即Uces值应小于等于雪崩击穿电压；2）栅极发射极额定电压UgesIGBT模块是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT模块的导通和关断，而Uges就是栅极控制信号电压的额定值，导通时其控制电压一般在+15+20V之间，IGBT关断的栅极驱动负电压Vge应大于-5V；3）额定集电极电流Ic是指IGBT模块在导通时能流过管子的持续最大Uges的设计电流；4）额定集电极峰值的电流Icm是指IGBT模块当结温tj150C时，最大允许的集电极峰值电流；5）集电极发射极饱和电压Uce（sat） 是指IGBT模块在正常饱和导通时，集电极发射极之间的电压降，此值越小，管子的功

49、耗越小，Uce（sat）一般为2.53.5V；6）开关频率是指IGBT模块的工作开关频率，在IGBT模块的使用手册中开关频率是由导通时间ton、下降时间tf和关断时间toff给出的，根据这些参数，可估计IGBT的开关频率，IGBT的开关频率与集电极电流Ic和运行温度和栅极电阻有关，可达3040KHz7）集电极功耗Pc是指在模块壳温Tc=25C条件下，每个IGBT模块开关最大允许的功率损耗；8）Fwd电流Ie是指续流二极管最大允许的直流Fwd电流；9）续流二极管的峰值电流Iem是指结温tj150C时续流二极管最大允许的峰值电流Fwd；10）绝缘电压Uiso是指在IGBT模块所有端子在短路条件下，

50、基片与模块端之间的最大绝缘电压。3.2 矿用变频器逆变模块电压电流的选择3.2.1电压规格选择逆变环节的输入电压为经过整流滤波后的直流电压，用Ed表示： Ed= 2Uin 1式中：K线路电压波动因数，选K=1.1； 线路电压安全系数，选1.1； Uin输入变频器的交流电网电压，V。 当直流电压超过一定数量时，应进行过电压保护。取过电压保护动作值为直流电压的1.15，同时考虑到IGBT关断时，电路电感产生的电压尖峰脉冲为100V，则IGBT承受的电压峰值为： Ucep=（1.15Ed+100） 2 取Uin=660V，则：Ed=2Uin Ed=1129.4（V） Ucep=（1.15Ed+100

51、） Ucep=1538.7（V） IGBT模块的电压值（Uces）必须选大于Ucep的值，根据IGBT的规格得：Vces=1700（V）的元件。对1140V供电系统，可计算求得IGBT承受的电压峰值Ucep为： Ucep=2577.6（V），这样可选取Vces=3300（V）的元件。3.2.2电流规格选择变频器额定集电极峰值电流Icm对于变频器来说很重要，在正确选用IGBT时有两个关键的因素，这两个关键因素都与IGBT在其运行期间要始终保持在最大额定值之内相关。首先，在关断时，包括任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流Ic必须处在开关安全工作区的规定范围之内，即小于两倍的额定电流；其次，IGBT的工作结温必须工作在150C以下，在任何情况下，包括电机过载时都必须如此。