矿用通风机变频调速装置设计

矿用通风机变频调速装置设计沈振强1 2 周少武1 陈婷1 刘兵 2（1，湖南科技大学信息与电气学院，湖南 湘潭 411201）（2，湖南机电职业技术学院电气工程系，湖南 长沙 410151）摘 要：电机的变频调速是当代交流调速系统中性能最优越的一种电力拖动系统。本文采用32位ARM处理器为核心，IGBT为主功率器件，配以SPWM专用芯片SA8282，实现了系统的信号采集、处理以及系统保护、交流电动机的变频调速等功能。关键词：通风机；变频调速；IGBTO引言在电力系统拖动中，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。SPWM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,通过控制电压的脉冲宽度或周期达到变压或者控制电压的脉冲宽度和脉冲列周期达到变频变压，是一种新型的控制技术2。1 系统总体方案设计矿用通风机是矿山安全的重要设备，传统的矿用通风机采用直流驱动，故障率高，维护困难。交流电传动已成为电气传动的主要手段。本文应用交流变频技0术，以ARM处理器为核心，设计出矿山通用通风机的控制装置。系统总体方案设计如图1所示。图1 系统总统设计方案图系统由电抗器、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。2系统的硬件电路设计2.1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一个16位精度4通道采用SPI传输方式的芯片4。内部结构如图2所示： 图2 ADS7841E内部框图2.2 IGBT驱动电路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5。电路如图3所示：图3 IGBT驱动电路2.3 32位主控CPU电路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，内部可以用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。3系统的主要功率器件选型 本文针对矿用主流45KW通风机进行分析设计。31主电路设计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。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。系统主电路如图4所示。 图4 系统主电路 32 IGBT选型1电压规格选择 Vces Vcep, VcespEd=1.1U1.12.34U1.12.84380V933V注：1.1：线路电压波动因数：安全因数（通常1.1） Vcesp=(9331.15+100)注： 1.15：过压保护水平(115%)：安全因数（通常1.1）100：线路电感产生的尖峰电压(Ldi/dt)所以Vces=1700V (IGBT电压规格)2电流规格选择 IcIoV(Input)nom =660Vrms电机输出=45kW变频器容量：60kVAP=VoIoVo=0.9VinIo=Ic/(1.51.4)注：P：变频器容量0.9：低于额定电压10%1.5：容量过载（150%. 1min）1.4：IcCos=0.62(电机容量/变频器容量) Io=50A Ic=148A（IGBT电流规格）IGBT模块选用FF200R170KE3（1700V，300A）33三相整流桥选型1整流输出的电压平均值为： U2.34U2.342.2380V2000V2电流平均值 ： 输出电流平均值为=/ R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l/3，即 =/3=/33二极管D可能承受的最大正向电压为线电压峰值的1/2，即（）/2，即380V/2465V。 4二极管D可能承受的最大反向电压为线电压峰值2.2U=2.2380V2000V。 根据工艺要求三相整流桥选用2000V耐压，200A电流的模块DD200-20-Io14。4系统的软件设计系统的软件设计，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。系统主程序流程见图5。图5 系统主程序流程图 5结论本文采用32位ARM处理器为核心，IGBT为主功率器件，配以SPWM专用芯片SA8282，完成了矿用变频调速装置软硬件的设计，并成功应用于矿山通风机交流变频调速控制系统。参考文献1 张立等.现代电力电子技术器件、电路及应用M.北京:科学出版社,2002：6 19.2 达善荣.煤矿风机变频调速的研究J.煤矿机电2000年第四期：37.3 彭 军.三相交流电机SPWM变频调速系统设计及研究D.电子科技大学,2005.4 How to choose frequency converters intended for electric drives operating with constant torqueM. V. Andrianov, V. I. Afonin and R. V. RodionovRussian Electrical Engineering, 2008, Volume 79, Number 5, Pages 262-267.5 A new approach to the optimization of resistive frequency converters based on Schottky barrier diodesYu. A. Nemlikher and I. A. StrukovJournal of Communications Technology and Electronics, 2009, Volume 54, Number 2, Pages 218-224.作者简介沈振强，男，1973-，湖南湘潭人，硕士研究生，副教授，研究方向为电机及电气工程应用技术周少武，男，1964-，湖南湘潭人，博士研究生，教授，研究方向为计算机控制工程与技术陈 婷，女，1977-，湖南长沙人，硕士研究生，讲师，研究方向为电子与信息工程技术刘 兵，男，1974-，湖南隆回县，高级工程师，研究方向为楼宇智能化技术