礦用通風機變頻調速裝置設計

1、礦用通風機變頻調速裝置設計沈振強1 2 周少武1 陳婷1 劉兵 2（1，湖南科技大學信息與電氣學院，湖南 湘潭 411201）（2，湖南機電職業(yè)技術學院電氣工程系，湖南 長沙 410151）摘 要：電機的變頻調速是當代交流調速系統(tǒng)中性能最優(yōu)越的一種電力拖動系統(tǒng)。本文采用32位ARM處理器為核心，IGBT為主功率器件，配以SPWM專用芯片SA8282，實現(xiàn)了系統(tǒng)的信號采集、處理以及系統(tǒng)保護、交流電動機的變頻調速等功能。關鍵詞：通風機；變頻調速；IGBTO引言在電力系統(tǒng)拖動中，應用最普遍的是標準系列的普通籠型異步電機和同步電機。這些電機使用變頻器進行變頻調速是最為合理的。因此變頻調速是交流調速中最

2、理想的，最有發(fā)展前途的，也是發(fā)展最快的。SPWM控制技術就是利用新型的半導體開關器件導通與關斷把直流電壓變換成電壓脈沖列,通過控制電壓的脈沖寬度或周期達到變壓或者控制電壓的脈沖寬度和脈沖列周期達到變頻變壓，是一種新型的控制技術2。1 系統(tǒng)總體方案設計礦用通風機是礦山安全的重要設備，傳統(tǒng)的礦用通風機采用直流驅動，故障率高，維護困難。交流電傳動已成為電氣傳動的主要手段。本文應用交流變頻技0術，以ARM處理器為核心，設計出礦山通用通風機的控制裝置。系統(tǒng)總體方案設計如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總統(tǒng)設計方案圖系統(tǒng)由電抗器、整流器、充電電阻、濾波電路、均壓電阻、IGBT、電流互感器、電壓檢測電路、溫度檢測電路、

3、CPU電路、SPWM產(chǎn)生電路、驅動電路、各種保護電路、面板顯示電路、RS485通信接口電路等組成。2系統(tǒng)的硬件電路設計2.1電流、電壓、溫度檢測電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集：通過傳感器檢測輸出電壓和電流，首先采用運放對信號進行放大，阻抗轉換等處理。然后采用Burr-Brown公司的ADS7841E進行AD轉換。ADS7841E一個16位精度4通道采用SPI傳輸方式的芯片4。內部結構如圖2所示： 圖2 ADS7841E內部框圖2.2 IGBT驅動電路SCALE驅動系列為西門子EUPEC大電流、高電壓IGBT的模塊配套。SCALE驅動系列產(chǎn)品用ASIC設計，用直流15V電源驅動，開關頻率達100KHZ，

4、具有長壽命和高可靠等性能，可以驅動1200A 、1700V的IGBT器件5。電路如圖3所示：圖3 IGBT驅動電路2.3 32位主控CPU電路LPC2132采用64腳封裝、多個32位定時器、極低的功耗、PWM輸出、8路10位ADC及多達9個的外部中斷，內部可以用GPIOs，范圍為48腳。內置寬范圍的串行通信接口，所以也非常適應于協(xié)議轉換器、嵌入式調制解調器、通信網(wǎng)關以及其它各種類型的廣泛應用。3系統(tǒng)的主要功率器件選型 本文針對礦用主流45KW通風機進行分析設計。31主電路設計在交流變頻調速系統(tǒng)中，主電路作為直接執(zhí)行機構，其可靠性及穩(wěn)定性直接影響整個系統(tǒng)的運行。主電路一般是由整流電路、中間直流濾

5、波電路和三相橋式逆變器三部分組成。系統(tǒng)主電路如圖4所示。 圖4 系統(tǒng)主電路 32 IGBT選型1電壓規(guī)格選擇 Vces Vcep, VcespEd=1.1U1.12.34U1.12.84380V933V注：1.1：線路電壓波動因數(shù)：安全因數(shù)（通常1.1） Vcesp=(9331.15+100)注： 1.15：過壓保護水平(115%)：安全因數(shù)（通常1.1）100：線路電感產(chǎn)生的尖峰電壓(Ldi/dt)所以Vces=1700V (IGBT電壓規(guī)格)2電流規(guī)格選擇 IcIoV(Input)nom =660Vrms電機輸出=45kW變頻器容量：60kVAP=VoIoVo=0.9VinIo=Ic/(1

6、.51.4)注：P：變頻器容量0.9：低于額定電壓10%1.5：容量過載（150%. 1min）1.4：IcCos=0.62(電機容量/變頻器容量) Io=50A Ic=148A（IGBT電流規(guī)格）IGBT模塊選用FF200R170KE3（1700V，300A）33三相整流橋選型1整流輸出的電壓平均值為： U2.34U2.342.2380V2000V2電流平均值 ： 輸出電流平均值為=/ R與單相電路情況一樣，電容電流平均值為零、因此 =在一個電源周期中，有6個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此二極管電流平均值為的l/3，即 =/3=/33二極管D可能承受的最大正向電壓為線電壓峰值

7、的1/2，即（）/2，即380V/2465V。 4二極管D可能承受的最大反向電壓為線電壓峰值2.2U=2.2380V2000V。 根據(jù)工藝要求三相整流橋選用2000V耐壓，200A電流的模塊DD200-20-Io14。4系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)的軟件設計，建立在ARM開發(fā)平臺ADS1.2的基礎上。ADS1.2開發(fā)環(huán)境是ARM核微控制器的集成開發(fā)工具。系統(tǒng)主程序流程見圖5。圖5 系統(tǒng)主程序流程圖 5結論本文采用32位ARM處理器為核心，IGBT為主功率器件，配以SPWM專用芯片SA8282，完成了礦用變頻調速裝置軟硬件的設計，并成功應用于礦山通風機交流變頻調速控制系統(tǒng)。參考文獻1 張立等.現(xiàn)代電力電子

8、技術器件、電路及應用M.北京:科學出版社,2002：6 19.2 達善榮.煤礦風機變頻調速的研究J.煤礦機電2000年第四期：37.3 彭 軍.三相交流電機SPWM變頻調速系統(tǒng)設計及研究D.電子科技大學,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.作者簡介沈振強，男，1973-，湖南湘潭人，碩士研究