变频器调爆谐波

变频器调爆谐波摘 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控制算法的交直交电压型矿用隔爆型变频调速装置的软硬件设计，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波研究的意义。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。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，本文主要的研究内容有以下几个方面：(1)交直交电压型变频器的硬件设计，完成了采用 V/F 控制技术的软件设计.(2)采用无源 LC 滤波技术和 RFI 滤波技术解决了变频器的谐波污染和 EMC 问题。(3)文章最后对该变频器装置能较好地满足工程实践要求进行了总结，但依然有许多工作值得开展。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 chip in SA8282, control algorithm of VVVF into - straight pay voltage type flameproof variable frequency variable speed device, In this paper, first, from the principle on SPWM control technology, a detailed description of the harmonic problems pointed out the research direction and the significance of harmonic research. 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. Combining this topic research achievement, gives using passive LC filtering technology, RFI filtering technology solved inverter harmonic pollution, EMC (the electromagnetic compatibility) questions.This paper mainly studies the content in the following aspects:(1) Completed pay - straight into the voltage type inverter - hardware design, completed using V/F control technology of software design.(2) Using passive LC filtering technology and RFI filtering technology solved inverter harmonic pollution and EMC problem.(3h) In the end, the essay this converter device can well satisfy engineering practice demands are summarized, but still have a lot of work is worth development. 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 new range of control methods are constantly emerging, ac motor of frequency conversion technology will show more broadprospect.Key Words Frequency converter Speed adjustmen Flameproof Harmoni57目 录第一章 绪论51.1课题研究的背景和意义51.1.1煤矿电力拖动系统直接启动害51.1.2各种软启动装置的性能分析51.1.3交流变频器概况61.1.4课题研究的意义71.1.5课题的提出81.2矿用隔爆变频器的发展现状81.3论文的内容及结构9第二章 矿用变频器隔爆及本安设计112.1隔爆型外壳设计112.1.1隔爆壳体材质的选择122.1.2隔爆壳体的刚度和强度122.1.3隔爆性能132.2本安电源的设计132.2.1本质安全电路概述132.2.2 软起动器本质安全型先导电路的设计14第三章 矿用隔爆变频器的硬件设计183.1系统框图183.2矿用变频器的主电路设计193.2.1矿用变频器的主电路193.2.2 三相整流桥选型193.2.3 IGBT 选型203.2.4 母线滤波电容的选择213.3系统的硬件电路设计213.3.1 电流、电压检测电路213.3.2 IGBT 驱动电路243.3.3 32 位主控 CPU 电路253.3.4 SPWM 波形成电路及处理电路273.3.5 面板键盘电路283.3.6 面板显示电路283.3.7 485 接口电路293.3.8 系统各种电源电路31第四章 系统的软件设计324.1 系统主流程图324.2 7841 A/D子程序324.3 SPWM 芯片的工作流程38第五章 矿用变频器的谐波治理及 EMC 设计405.1 变频器的谐波治理405.1.1 谐波的产生机理405.1.2 电力谐波的治理415.2 EMC 设计445.2.1 电磁干扰 (EMI) 危害以及产生的机理445.2.2 EMC 的系统设计47第六章 MATLAB系统仿真486.1 MATLAB软件介绍486.2 仿真变频系统496.3 逆变后相电压波形496.4 逆变后线电压波形50第七章 结论51参考文献52致 谢55附 录156附 录257附 录358CatalogThe first chapter of introduction51.1 The background and significance of the research51.1.1 Coal mine electric power drag system and direct start51.1.2 A variety of soft start device performance analysis51.1.3 AC frequency converter of61.1.4 The significance of the research71.1.5 Paper81.2 Mine explosion-proof frequency converter development present situation81.3 The content and structure of9The second chapter of flameproof and intrinsically safe design of mine frequency converter112.1 Flameproof enclosure112.1.1 Flameproof shell material selection122.1.2 Flameproof shell stiffness and strength122.1.3 Flameproof performance132.2 Intrinsically safe power supply design132.2.1 Intrinsically safe circuit overview132.2.2 Soft starter of intrinsically safe pilot circuit design18The third chapter : mine explosion-proof inverter hardware design183.1. System block diagram193.2 Mine used frequency converter main circuit design193.2.1 Mine-used inverter main circuit193.2.2 Three-phase rectifier bridge type selection203.2.3 IGBT selection213.2.4 Bus filter capacitor selection213.3 System hardware circuit design213.3.1 Current, voltage, temperature detection circuit243.3.2 IGBT driving circuit243.3.3 32 CPU control circuit253.3.4 SPWM wave forming circuit and a processing circuit273.3.5 Panel keyboard circuit283.3.6 Panel display circuit283.3.7 The 485 interface circuit293.3.8 System power circuit31The fourth chapter system software design324.1. System flow diagram324.3 The working flow of SPWM chip32The fifth chapter of mine frequency converter harmonic and EMC design385.1 The frequency converter harmonic governance405.1.1 Harmonic generation mechanism405.1.2 Power harmonic governance405.2 EMC design415.2.1 Electromagnetic interference ( EMI ) hazard and producing mechanism445.2.2 EMC system design44The sixth chapter MATLAB system simulation476.1 MATLAB software introduction486.2 Simulation system of frequency conversion486.3 Phase voltage waveform of inverter496.4 After the line voltage waveform of inverter50The seventh chapter is the conclusion51Reference52Thank55 Appendix 156Appendix 257Appendix 358第一章 绪论1.1课题研究的背景和意义 1.1.1煤矿电力拖动系统直接启动危害煤矿井下带式输送机、刮板输送机、风机、水泵、绞车的电力拖动广泛使用隔爆型交流鼠笼电动机。如果直接启动，由于启动电流为额定电流的5一7倍，这样会对电网造成很大的冲击。因此煤矿的许多设备都需要配备软启动装置。其目的：一是减少电动机启动时对电网的污染;二是为了减少对设备的机械冲击;三是为了达到满载启动的目的;四是随着环保节能意识的提高，为了合理地利用电能而减少能源的浪费。1.1.2各种软启动装置的性能分析1).液力偶合器液力偶合器是一种有近100年历史的液力传动装置，主要利用液力偶合器泵轮和涡轮之间的液体动压将来自输入轴的动力传递到输出轴。调速型液力偶合器可通过调节工作腔液体的充满度来改变输出转速和转矩，具有一定软启动功能和调速能力。目前，调速型液力偶合器是我国大中型机械设备普遍采用的一种软启动传动装置。长期的理论研究和应用实践表明，调速型液力偶合器在软启动的功能和性能上远远无法满足要求。l)从机械结构和工作原理的角度来看，液力偶合器的输出转速和输入转速之比通常不能高于97%，即无法实现输入和输出轴的同步运行，因而必然存在较大的功率损失，发热十分严重，这将会显著降低传动系统的效率。对于长期运行的大功率传动来说，这种功率损失会显著增加企业的生产成本、降低企业的经济效益。2)当采用调速型液力偶合器作为软启动装置时，电动机的启动电流仍然较大(5一7倍的额定电流)，因此电动机的启动次数要受到严格限制。由于原理结构的制约，调速型液力偶合器的有效调速范围较小，与其它调速方式相比，其可控性也较差。3)调速型液力偶合器体积庞大、系统复杂，并且具有高速旋转的大直径部件，当它分别与电动机和减速机联接之后，所占空间更大，往往难以满足对安装空间有一定限制的应用场合的安装要求。2).液粘软启动液体粘性传动是70年代中期发展起来的一种新型流体传动形式。川在结构上，它与湿式多盘摩擦离合器相似，又称液体粘性离合器。所不同的是，液体粘性传动利用存在于主、从动摩擦片之间油膜的粘性剪切作用力来传递动力，能够实现主、从动轴夕之间的无级调速和同步运行，并且也能对传动系统进行过载保护。液粘软启动是根据牛顿内磨察定律而设计的一种软启动装置。合理地控制油膜间隙是可以达到恒扭矩输出的，进而控制启动时间就可以控制设备的启动加速度的大小的。液粘软启动是继液力偶合器之后比较理想的软启动控制装置。但是，由于，液压系统的响应滞后于电气系统的响应，使得精确的控制液粘软启动的油膜间隙是很难实现的。加之液压系统的故障率频繁，维护的工作量大。使得设备的使用效率大大降低。3).可控硅调压调速可控硅交流降压调速技术得到了一些应用，但由于交流降压软起动自身起动特性较差，对电网的冲击大，对移动变电站的容量要求也大，使其使用场合受到一定限制。1.1.3交流变频器概况三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，备受人们青睐。与其他电动机相比，它在工农业生产设备中占有绝对领先的地位。随着工农业生产的不断发展和进步，人们对电动机的调速要求越来越高。长期以来，异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。虽然改变定子侧的电流频率就可以调节电动机的转速。然而变频调速技术的迅速普及却是在20世纪80年代。从目前迅速普及的“交一直一交”变频器的基本结构来看，“交一直(由交流变直流)的整流技术是很一早就解决了的。而“直一交”(由直流变交流)的逆变过程实际上是不同组合的开关交替地接通和关断的过程，它必须依赖于满足一定条件的开关器件。这些条件是:a)能承受足够大的电压和电流;b)允许长时间频繁地接通和关断;c)接通和关断的控制必须十分方便。直到20世纪70年代，电力晶体管(GTR)的开发成功，比较满意地满足了上述条件，从而为变频调速技术的开发、和普及奠定了基础。20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极型晶体管(工GBT)，其工作频率比GTR提高了一个数量级，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。由于电动机绕组中的反电动势的大小是和频率成正比，因此在改变频率的同时还必须改变电压，所以变频器常简写成VVVF。VVVF的实现虽然不如逆变电路那样对于开关器件具有强烈的依赖性，但简化到足以推广普及的阶段，确是在20世纪70年代提出了正弦波脉宽调制技术(SPWM)并不断完善的。另外，在不采取任何措施的情况下，异步电动机在变频(同时也变压)后的机械特性远逊色于直流电动机变压后的机械特性。这必将大大影响变频调速技术的应用范围。20世纪70年代末，矢量技术的提出和实现，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。与此同时，计算机技术和大规模集成电路的飞速发展，极大地简化了实现SPWM及矢量控制等复杂技术的方法，增强和扩展了变频器的功能，使变频调速技术迅猛地发展了起来。1.1.4课题研究的意义变频器与其他软启动装置相比，除了具有他们的软启动功能外，还可以根据载荷情况动态地调整设备的运行转速，达到了很好的节能效果。1)变频器的调速范围变频器的调速范围广。1一60HZ连续可调，启动时间 1205-60005连续可调，从而可实现启动加速度在一定范围内连续可调。2)、调速的平滑性调速的平滑性好。在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为0.05HZ，如频率给定信号为数字量时，其输出频率分辨率可达0.002HZ。3)、软起性能由于采用了转矩补偿和矢量控制而使得变频器的机械性能和直流调速系统不相上下的程度。即可以在启动过程中保持恒扭距输出，实现设备的软启动要求。而且可以在运行过程中根据负荷的变动，动态地调整转速，从而达到节能的效果。并且在额定输出电流连续工作时，允许施加非周期性过载。过载能力为120%，额定电流历时30s。每次过载的间隔时间应大于 20min。4)、经济性分析经济性方面，变频器的价格明显高于其他几种软启动装置。但在故障率方面，变频调速系统具有较大的优势。因为电气系统，一旦运转平稳后，就很少需要进行维护工作，从而降低了设备的维护费用。从长远投资来看，选用变频器是最经济、实用的。5)、节能分析对于煤矿所使用的输送系统来说，使用隔爆变频器并不是最经济实惠的。因为一台输送系统很少因为负载的变化而非要进行必要的调速。从节能上看，输送系统选择隔爆变频器的效果不是很明显的。因此有些煤矿的输送系统虽然使用了变频器。实际上只是利用了其软启动的效果。但是，如果在煤矿的风机、水泵系统推广使用隔爆变频器。那么变频器的节能效果是显著的。因为风机、水泵系统的输出扭矩是和速度成正比的，从而使其输出功率和速度成二次方的关系。1.1.5课题的提出随着煤矿生产的不断发展，安全、高产、高效、节能已经越来越引起人们的重视，各种矿用设备对电力拖动系统的要求也越来越高。变频器以其优越的调速性能和节能效果而在各种矿用设备的电力拖动系统中被广泛地推广和使用。煤矿井下存在瓦斯甲烷和粉煤尘爆炸的危险，因此对煤矿井下使用的变频器提出了隔爆性能的要求。本文对660V/45KW的变频器进行了分析和设计。1.2矿用隔爆变频器的发展现状通用变频器不论是国产的(包括国内组装)，还是进口的，一般电压等级为220V、380V，有些厂家如西门子公司生产的变频器可用于660V。目前我国煤矿普遍使用的电压等级为660V、1140V，随着煤矿生产能力的不断提高，生产设备单机功率的不断增大，防爆变频器不仅需要大功率，其1140V工作电压尤为需要。国内变频器的引进是在上个世纪七十年代。而变频器的迅速发展只是近十年的时间。由于煤矿工作条件的特殊性，使得矿用隔爆变频器在煤矿的使用也只有三、五年的时间。虽然时间不长，但是国内有很多厂家己经相继推出了自己的矿用隔爆变频器。这些变频器的散热问题解决方法大多是采用热竹的方式，也有热管+风冷方式，也有水冷方式的散热方法。1.3论文的内容及结构本文在分析矿用隔爆变频器散热问题的基础上，设计了一种隔爆变频器的新结构。采用水冷+风冷的散热方式。进行了详细的部件结构设计并对所设计的结构进行实例验证。根据上述研究内容，论文共分五章，各章主要内容如下:第一章:绪论主要介绍了国内外矿用隔爆变频器技术的发展及现状，并且对煤矿用隔爆变频器散热问题和隔爆问题的解决可能性进行了详细地分析，介绍了本课题研究的内容。第二章:矿用变频器隔爆及本安设计1隔爆的设计2本安的设计（本安供电电源的设计）研究了变频器的隔爆的基本方法和发热机理及耗散功率的确定方法，通过对比分析几种不同隔爆、散热形式的效果，确定采用壳体高强度密封和强制水循环十风冷的形式，通过具体实例分析、计算解决了隔爆变频器的隔爆和散热问题，并确定了矿用隔爆变频器具体散热结构。第三章:矿用隔爆变频器的硬件设计系统框图整流设计及选型逆变设计及选型驱动电路的设计控制电路的设计直流电压检测设计直流电流检测设计输出电流检测保护（直流过、欠压保护）IGBT保护第四章:矿用隔爆变频器的软件设计系统主流程图SPWM 芯片的工作流程第五章:抗干扰（EMI）第六章:MATLAB仿真第七章:总结对本论文完成的工作进行简要的总结，并指出进一步研究的方向 第二章 矿用变频器隔爆及本安设计矿用防爆电器主要使用在煤矿井中，矿井下含有主要成份是甲烷的爆炸性气体混合物。甲烷的引燃温度低于450度，一般要求矿用防爆电器设备的允许最高表面温度为l50度。爆炸性气体发生爆炸必须同时具备一定的气体浓度(c场为5至1.5%)和足够的火花或高温能量。采取一定的安全技术措施，使产生爆炸的两个特定条件不同时存在，这就是矿用防爆电器外壳设计的基本出发点。当前，煤矿井下防爆电气设备常用以下类型:增安型正常工作条件下不会产生电弧、火花或危险温度。本安型正常运行或规定的故障状态下产生的电火花或热效应均不能点燃甲烷混合物。隔爆型外壳内部混合气体一旦发生爆炸，通过隔爆结合面逸出的火花不会引爆壳外的爆炸性气体。混合型主要是由以上三种类型的混合结构。本文中设计的矿用变频器为隔爆兼本安型。在设计隔爆壳体时我们必须弄清楚以下几个概念:(l)容积:外壳的内部总容积;(2)隔爆接合面:隔爆外壳不同部件相对应的表面配合在一起(或外壳连接处)并且火焰或燃烧生成物可能会由此从外壳内部传到外壳外部的部位;(3)间隙(直径间隙):表面相对应隔爆接合面之间的距离;(4)火焰通路长度(接合面宽度):从隔爆外壳内部通过接合面到隔爆外壳外部的最短通路长度。2.1隔爆型外壳设计由于该变频器所使用的环境有爆炸性气体或粉尘较多，所以变频器外壳不能用普通的壳体，本设计使用标准的密封隔爆腔，把变频器所有的元件都装在隔爆腔体.内。隔爆外壳的几何形状多种多样，大量的理论研究和实践证明，在不同形状的隔爆外壳、相同容积情况下，球形外壳的爆炸压力最大，长方体外壳爆炸压力最小，并且长方体外壳的内腔安装电气和机械零部件方便，可以充分利用内腔空间、造型美观，这样可以提高外壳的耐爆能力。因此，隔爆外壳宜采用长方体形。隔爆外壳必须具有隔爆性，既在壳内发生爆炸时，隔爆壳体能有效地阻止内部的爆炸混合物向外壳周围传播;具有耐爆性，外壳要有足够的强度和刚度能够承担内部爆炸压力，不会发生明显的破裂或变形;具有热传导性，能够保证变频器的正常运行。隔爆型壳体实际产品中其外壳与门盖结构大致有两类，即快开门与螺栓紧固式。2.1.1隔爆壳体材质的选择根据煤矿电气设备的补充规定，采掘工作面用电气设备(包括装在装岩机、输送机、采煤机等机械上的电气设备)的外壳须采用钢板或铸钢制成。其他零部件或容积不大于 2000cm3的外壳以及装配后外力冲击不到的，可用HT250牌号以上的灰铸铁制成。还有非采掘工作面用电气设备的外壳，可用牌号不低于HT250的灰铸铁制成;电动机除机座须采用钢板或铸钢制成外，其他零部件也可以使用HT250灰铸铁制成。另外防爆壳体容积不大于 2000cm3时，可采用非金属材料制成，但不允许直接在非金属外壳上制作紧固用螺纹(出线口除外)。矿用隔爆变频器除了材质上应符合以上的要求，而且还应满足强度、力学性能和弯曲性能的要求。对于隔爆壳体的组成件，应满足焊接性能要求。采用钢板或钢管制造隔爆壳体时，其材质表面不允许有裂纹、气泡、夹渣、结疤、分层等缺陷。锻件主要用于制作隔爆壳体快开门装置、法兰、联接螺栓、隔爆套等，锻造过程中必须控制终端温度，不允许有锻造缺陷。2.1.2隔爆壳体的刚度和强度隔爆外壳为了当发生爆炸时，不产生变形和损坏，从而导致爆炸火焰引爆煤矿内的瓦斯混合物。就要求隔爆外壳必须能承受耐压试验，试验的目的就是证明外壳能否有效的承受内部爆炸。通常用水压试验和爆炸试验。水压试验也就是静压试验压力为参考压力的1.5倍，最小为0.35MPa，加压时间为1005。在参考压力不容易测定时取IMPa进行试验。爆炸试验也称为动压试验，进行爆炸试验时外壳承受的最大压力为参考压力的1.5倍，压力上升速度与测定参考压力时的上升速度相当。2.1.3隔爆性能隔爆性能的好坏关键在于隔爆参数的设计。任何形状的隔爆外壳都是由零部件连接而成，连接时肯定存在间隙。当壳内部发生爆炸将产生火花，这样就就可能通过间隙引爆外部的爆炸性气体。隔爆间隙对隔爆性能起着决定作用。隔爆接合面分平面式、圆筒形和止口式结构，隔爆面常用的是法兰联接保护。隔爆参数也就是隔爆间隙具有的结构尺寸，主要包括隔爆接合面的长度、隔爆间隙和隔爆接合面的表面粗糙度。根据国家标准GB3836.2一2000爆炸性气体环境用电气设备第二部分中的隔爆型“d”中5.1条要求，。接合面表面平均粗糙度最大不超过6.3um。2.2本安电源的设计2.2.1本质安全电路概述根据国际电工委员会(简称 IEC)的定义，本质安全电路是指在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路。这里所说的“规定的试验条件”是指在考虑了各种最不利的因素(包括一定的安全系数，试验介质的浓度等)的试验条件。“电火花”是指电路中接点的动作火花(包括按钮、开关、接触器接点以及各种控制接点等动作时产生的电火花)以及电路在发生短路、断路或接地时所产生的电火花，也包括静电和摩擦产生的火花。“热效应”是指电气元件、导线过热形成的表面温度及热能量和电热体的表面温度及热能量。“正常工作”是指本质安全型电气设备在设计规定的条件下上作。“规定的故障状态”是指除了“可靠元件或组件”(“可靠元件或组件”是指在使用、存储和运输期间不会出现影响本质安全电路安全性能的故障的元件或组件)外，所有与本质安全性能有关的电气元件损坏或电路连接发生的故障，诸如电气元件短接、晶体管或电容击穿、线圈匝间短路等均视为规定的故障状态。本质安全电路是防爆电气设备中最安全的，因为即使在故障状态下，它也不会引起爆炸，也就是从“本质”上是安全的，故称为本质安全型(简称本安型)。全部电路均为本质安全电路的电气设备称为本质安全型电气设备，标志符号为“i”。本质安全型电气设备按型式可分为单一式和复合式。单一式本安型电气设备是指电气设备的全部电路都是由本质安全电路组成的，例如便携式仪表:复合式本质安全电气设备是指电气设备的部分电路是本质安全电路，另一部分为非本质安全电路，如调度电话系统。矿用隔爆兼本质安全型软启动器输入电路与动力电网关联，不能设计成单一式本质安全电路，只能是复合式本质安全型，对非本质安全部分须采用隔爆外壳、浇封等防爆措施。2.2.2 软起动器本质安全型先导电路的设计 控制系统在远方控制、程序控制和自动控制方式下工作时,它与远方控制按钮之间的联接电路称先导电路,而且必须是本质安全型的。它是控制主电路闭合(或)断开时最先接受指令信号的控制电路。在井下随着采掘功率的增大,控制方式越来越趋向集中化,起动器的远控距离越来越长,致使远控电缆被短接的概率增大,因此对本质安全火花电路的设计要求越来越高。可靠性是本安电路的基本要求之一。本文通过试验研究分析了常用先导电路的工作原理,在试验基础上设计了适用于微机保护用的本安先导电路并将其应用于矿用隔爆兼本质安全型软起动器中,验证了其有效性和实用性。 先导电路一般按 ib 等级设计为本质安全型电路。所谓 ib 等级是指电路在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体混合物的电器设备，正常工作时，安全系数为 2.0，一个故障时，安全系数为 1.5。在我国煤矿井下起动器中，常用的典型先导电路如图 2.1 所示。图中，有型直流继电器，SA、SB 分别为先导电路的远方起动和停止按钮，VD1 是远方控制二极管，VD2、VD3 为继电器的分流元件，还有电路的储能元件，KM 为主电路接触器的常开触点，在电路中作自保接点，先导电源变压器，它将 36V 交流转换为本安电路要求的电压。电路通过远方控制二极管将交流半波整流成直流，以形成先导控制信号。图 2-1 先导电路储存在线圈中的能量通过并联的二只二极管放电，储存在电容中的能量通过线圈释放，以维持线圈吸合，进行正常工作。此电路按 ib 等级设计但继电器直接串在本安回路当中，继电器本身线圈的电感导致本安性能差。当继电器储能过大，其线圈发生断路时火花能量达不到本安要求，为减小断路点的火花能量并接两个二极管分流元件作为保护性措施。因为本安先导电路按 ib 等级设计，所以设二个二极管分流以保证在一个二极管发生故障时，另外一个二极管能起作用，提高其保护的可靠性。但是带有分流元件的电感线圈置于危险场所时，当线圈内部断线时，保护性元件不起作用，会产生危险火花，因此要求将分流元件与电感线圈胶封为一体。生自起动，并产生剧烈抖动。图 2-2 本安变压器结构隔离变压器的一、二次绕组间要求设有铜质接地屏蔽层,屏蔽层的引出端与原绕组引出端需置于同一侧。变压器的铁心及屏蔽层必须可靠接地,以起到与电网的隔离作用。一、二次绕组的引出端要分布在变压器两侧。其后为两个整流桥，整流后的电压经是 C1、C2、C3、C4 滤波后送至 U1、U2、U3 三个稳压模块上，为整个本质安全型控制回路提供了两路12V 电源和一路5V 电源。本安回路最高开路电压：22 V（DC)，最大短路电流：75 mA。在布局上要求，本安与非本安的距离要大于 50mm，本安电路电气间隙要大于 30mm。设计安全火花型电路电源时,应考虑最严重的事故情况,即电源的短路电流不应超过安全火花电流允许值。电源的短路电流值应按最大可能出现的电源电压计算,外接电源变压器电压应按高于网络额电压值 10%计算。为了提高本安先导电路的工作可靠性,电路的电源经两级隔离后引入。电压等级一般与接触器控制电压相匹配。由于本安先导信号产生电路仅提供一个反映存在先导信号的直流信号,在满足电压降的基础上,不受电源输出功率的限制,所以限制远控电缆流过的电流容易实现。在确定电源电压之前应首先考虑远控电缆发生接地故障时的情况,此时 12V 直流电源接地,电路为一个简单的电阻性电路。由图 4.3 可知对应 12V 电源电压最小引爆电流为 4.5A左右,按 4.2A 计,根据 ib 等级要求计算,最大允许电流(Iamax)和最小点燃电流(Iimin)应满足：Iamax=Iimin/k式中,k 为可靠系数,若取 k=1.5 则最大允许电流为 2.8A。为了防止大电流长时间接地产生的热效应,本文按 1225mA 允许电流设计,这样 R 的取值可定。由于运算放大器电源电压为直流 12V,如果比较电压确定为 9V,那么直流先导信号至少要达到3.5V 才能保证运算放大器可靠翻转,因此先导电路的交流电源电压要大于等于 8V,经过试验可知电源电压在 812V 范围内选取为宜。现按 8V 来设计本安电路,并分析其本安性能。本安电路为整流桥整流电路,电源变压器电压按高于网络额定值 10%计算,直流电压为 3.96V 考虑控制电缆的电感,本安先导电路按电感性电路设计,取最大使用长度 200m 计算电感值,控制电缆参数为 5H/m,则电缆的电感 L 为 1000H,由电感电路最小引爆电流与电感关系曲线求得最小引爆电流为 112mA。考虑安全系数 1.5 后为 75mA。由以上分析可知,电路正常工作时无论远控电缆发生短接、断路还是接地等故障时，主电路会自动跳闸,保证故障停机。在停机状态时电路不会因故障发生自起动现象。第三章 矿用隔爆变频器的硬件设计3.1 系统框图直流电压检测32位CPU输入信号接线端子RS485操作面板输出信号接线端子综合诊断保护电路SPWM波驱动电路温度检测输出电流检测MRST电阻电阻图 3-1 系统框图3.2 矿用变频器的主电路设计3.2.1矿用变频器的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 32所示：图 3-2 主电路3.2.2 三相整流桥选型1） 整流输出的电压平均值为：Ud=U2.34660V=1544V2） 电流平均值 ： 输出电流平均值IR为：I =Ud/ R与单相电路情况一样，电容电流平均值Ic为零、因此Id=IR在一个电源周期中, Id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Id的 l/3，即IVD= Id/3=IR/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（U ）/2，即660V/21616V。4） 二极管 D 可能承受的最大反向电压为线电压峰值 1.2U=1.2660V1940V。根据工程设计技术经验和工艺要求,三相桥选用 2000V 耐压，200A 电流的模块DD200-20-Io14。3.2.3 IGBT 选型1）电压规格选择 Vces Vcep, VcespEd= Ud1.1U1.12.34U1.12.84660V1874V注：1.1：线路电压波动因数 ：安全因数（通常 1.1）Vcesp=(18741.15+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=VoIo Vo=0.9Vin Io=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）3）综上：IGBT 模块选用英飞凌研发的第 3 代 FF200R170KE3（1700V，200A（85）/350A（25），VCESET =1.75V（功耗比普通的 IGBT 降低 30%以上）。4）IGBT 模块的 VGE 保证值一般最大为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（ 1 M 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。3.2.4 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，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 Cd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RdCd=8/300。则Cd=2710-31/Rd=2710-3Id/Ud=2710-3Pd/Ud2=2710-360103/435600=3719(F) 耐压值为 1200V，可以选用 6800uF/400V 的电解电容 6 只（三串两并）。3.3 系统的硬件电路设计3.3.1 电流、电压检测电路 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。如下图 3-3所示：FourChannelMutplexerCD/ACCH0CH3CH1CH2COMVREFSARComparatorDCLKSerialInterfaceAndContralCSSHDNDINDOUTMODEBUSY图 3-3 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 34：图 3-4 数据采集电路温度采集电路： DS18B20具有3个外引脚，T0T92小的体积封装；温度测量的范围是负55正125，芯片是九位十二位A/D转换精度，测温的分辨率达到了0.0625，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CPU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3-5示：图 3-5 数据采集电路及直插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25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的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不同。64位RM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。3.3.2 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 26 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 3-6 IGBT驱动电路3.3.3 32 位主控 CPU 电路本系统是针对水泵、风机类负载设计的，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。所以主 CPU 选用 LPC2132（温度范围为-400C1250C），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 28 所示：图 3-7 主 CPU3.3.4 SPWM 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（如采用可编程的 SPWM 单片机 Intel 的 80C196MC 芯片）只需书写少量的代码即可产生所需输出的高精度、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 38 所示：图3-8 SPWM波产生3.3.5 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 39 所示：图3-9 键盘电路3.3.6 面板显示电路本面板同时采用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211所示，液晶显示如图310所示：图 3-11 数码管显示电路3.3.7 485 接口电路485接口芯片采用sipex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312所示：图3-12 R485接口电路3.3.8 系统各种电源电路图3-13 电源电路第四章 系统的软件设计4.1 系统主流程图开始初始化与SA8282通信设置参数A/D串行通信读取电压、电流数据处理过流否？停发脉冲键盘处理显示子程序图 4-1 主程序4.2 7841 A/D子程序#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ADS_S 0x80 #define ADS_MODE 0x08 #define ADS_S_D 0x04 #define ADS_POWER 0x00 #define DIR_CS P3DIR|=BIT0#define ADS_CS_1 P3OUT|=BIT0#define ADS_CS_0 P3OUT&=BIT0 #define ADS_DIR_IN P3DIR|=BIT1 #define ADS_DIN_1 P3OUT|=BIT1 #define ADS_DIN_0 P3OUT&=BIT1#define ADS_DIR_OT P2DIR&=BIT0 #define ADS_CLK_DIR P4DIR|=BIT4 #define ADS_CLK_1 P4OUT|=BIT4 #define ADS_CLK_0 P4OUT&=BIT4 #define DIR_