礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置定稿-蔣新國

1、湖 南 科 技 大 學畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）題 目礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置作者蔣新國學院信息與電氣工程學院專業(yè)通信工程學號0954040202指導教師周明輝二一 年 月 日湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書 信息與電氣工程 院 通信工程 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 徐莎 學號: 0804040130 專業(yè): 通信工程 1 設計（論文）題目及專題： 礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置 2 學生設計（論文）時間：自 2012 年 2 月 20日開始至 2012 年 6 月 8 日止3 設計（論文）所用資源和參考資料： (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 (2)ARM技術(shù)

2、開發(fā) (3)自填 (4)自填 (5)自填 (6)自填 4 設計（論文）應完成的主要內(nèi)容： (1) 礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置概況， (2) 礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)與設計目標， (3) 礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置模塊電路、通信電路， (4) 礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置開發(fā)環(huán)境。 5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求： (1) 電路圖。 要求：基本正確可行。 (2) 畢業(yè)論文。 要求：正確，規(guī)范，通順。 (3) 可供發(fā)表的研究論文（可選）。要求：規(guī)范，新意 均需提交電子版和紙質(zhì)版。 6 發(fā)題時間： 2012 年 2 月 20 日指導教師： （簽名）學 生： （簽名）湖 南 科 技 大

3、學畢業(yè)設計（論文）指導人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價指導人： （簽名）年 月 日 指導人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）評閱人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價評閱人： （簽名）年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：1 設計（論文）說明書共頁2 設計（論

4、文）圖 紙共頁3 指導人、評閱人評語共頁畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要本文介紹了采用32位ARM處理器為核心，配以SPWM專用芯片SA8282，以VVVF控制算法的交一直一交電壓型礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置（以下簡稱：變頻器）的軟硬件設計，采用熱管散熱技術(shù)解決了煤礦井下變頻器隔爆與散熱的矛盾。為了消除諧波，節(jié)能降耗，我們做了大量的研究和分析。本文首先對SPWM控制技術(shù)從原理上進行

5、了詳細的描述，指出了諧波問題的研究方向和諧波研究的意義。然后針對逆變器_電動機系統(tǒng)，利用貝塞爾函數(shù)和傅里葉級數(shù)理論，分別對單相二階SPWM逆變器和三相SPWM逆變器的輸出電壓諧波的產(chǎn)生、大小和分布進行了細致而具體的 分析和計算。通過計算所得到的結(jié)果，以圖文的形式對諧波問題進行了分析，得出了相應的結(jié)論，并且對影響SPWM輸出電壓諧波頻譜分布的因素進行了詳細的討論。本文還討論了諧波對感應電動機繞組磁動勢、旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)矩以及銅耗的影響，為感應電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計、電機供電電壓諧波分析及附加損耗計算提供了參考。結(jié)合本課題的研究成果，給出了采用無源LC濾波技術(shù)、RFI 濾波技術(shù)解決了變頻器的

6、諧波污染、EMC (電磁兼容）問題，以湘潭平安電氣集團有限公司為平臺研制出煤礦井下用風機專用變頻器45KW/660V樣機，可為國內(nèi)礦用隔爆變頻器的設計、應用提供參考?？傊殡S著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在電氣控制技術(shù)工程等方面的不斷滲透，多種新型控制理論、技術(shù)和方法的不斷涌現(xiàn)，交流電動機的變頻調(diào)速技術(shù)將展現(xiàn)出更廣闊的前景（社會效益和經(jīng)濟效益）。關鍵詞：變頻器；調(diào)速；隔爆；諧波ABSTRACTThis paper introduced the 32-bit ARM processor as the core, match with SP

7、WM special-purpose chip 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 un

8、derground coal mine with 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

9、research direction and 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 a

10、nd specific analysis 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 mo

11、tor winding harmonic 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 thi

12、stopic research achievement, 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 / 660

13、V prototype, but for 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 e

14、lectrical 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 adjustment; Flameproof; Harmonic湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）目 錄第一章 緒論11.1變頻器概況11.2變頻控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.2.1變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀11.2.2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)

15、展11.3變頻器的分類及市場需求21.3. 1變頻器的特點以及分類21.3.2市場的需求3第二章 礦用變頻器的系統(tǒng)設計42.1設計依據(jù)42.2調(diào)頻原理42.3設計原則42.4總體方案52.5系統(tǒng)的硬件電路設計52.5.1電流、電壓、溫度檢測電路52.5.2 IGBT驅(qū)動電路72.5.3 32位主控 CPU電路82.5.4 SPWM波形成電路及處理電路102.5.5面板鍵盤電路112.5.6 面板顯示電路112.5.7 485接口電路132.5.8 系統(tǒng)各種電源電路132.6系統(tǒng)的主要功率器件選型142.6.1 45KW主電路設計142.6.2 IGBT 選型142.6.3三相整流橋選型152.

16、6. 4母線濾波電容的選擇152.6.5集中式緩沖電路選型162.7系統(tǒng)的軟件設計162.7.1 開發(fā)環(huán)境162.7.2 Code Warrior IDE介紹172.7.3 AXD調(diào)試器介紹172.7.4系統(tǒng)主流程圖182.7.5 SPWM芯片的工作流程18第三章 礦用變頻器逆變模塊選擇及功耗計算203.1逆變器件IGBT模塊主要參數(shù)203.1.1IGBT模塊的主要參數(shù)203.2礦用變頻器逆變模塊電壓電流的選擇203.2.1電壓規(guī)格選擇213.2.2電流規(guī)格選擇223.3功耗計算223.3.1通態(tài)功耗223.3.2開關功耗223.3.3逆變模塊的總功耗233.4 WLD-6型小電流接地系統(tǒng)微機

17、選線233.5 實際運行情況23第四章 礦用變頻器的諧波治理及EMC設計274.1變頻器的諧波治理274.1.1諧波的產(chǎn)生機理274.1.2電力諧波的危害以及諧波治理的標準284.1.3電力諧波的治理304.2 EMC設計324.2.1電磁干擾（EMI)危害以及產(chǎn)生的機理334.2. 2 EMC的系統(tǒng)設計36第五章 結(jié)論40參考文獻41致謝42- ii -xv第一章 緒論1.1變頻器概況近些年以來，伴隨控制技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展迅速，電氣技術(shù)將面臨著一場革命，即交流調(diào)速技術(shù)替代直流調(diào)速技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)替代模擬控制技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，交流變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)約能源、改進控制工藝

18、流來提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量，改善工人工作環(huán)境、推動科學技術(shù)進步的主要手段和方法。交流變頻調(diào)速技術(shù)以他優(yōu)越的調(diào)速性能、啟動性能以及制動性能，高工作效率、高功率因數(shù)以及節(jié)約電能的效果，廣泛的適用能力等等優(yōu)點，因而被國內(nèi)外的企業(yè)公認為最具有應用市場和發(fā)展空間的調(diào)速技術(shù)。目前煤礦井下交流變頻調(diào)速技術(shù)的應用尚在起步階段，在煤礦井下的風機、水泵、皮帶機、刮板機、采煤機、壓縮機等機械負載都比較適用于變頻調(diào)速控制氣如果使用變頻調(diào)速技術(shù)將在節(jié)能，無級調(diào)速，轉(zhuǎn)矩控制等多個方面取得顯著成效。1.2變頻控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀上個世紀90年代以來，伴隨著集成門極換向性晶閘管（IGCT)、絕緣

19、門極晶體管(IGBT)、大功率晶體管（GTR)等最新型的電力電子器件快速發(fā)展、專用集成電路（ASIC) 和數(shù)字信號處理器（DSP)的迅速發(fā)展及其新型控制技術(shù)和控制理論（直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、磁場定向矢量控制技術(shù)等）的不斷完善，使得交流調(diào)速技術(shù)在調(diào)速精度、調(diào)速范圍、使用性能、運行效率、功率因數(shù)以及動態(tài)響應等等性能指標遠遠的超過了直流調(diào)速技術(shù), 已經(jīng)達到了替代直流調(diào)速技術(shù)的應用領域，受到企業(yè)等各行業(yè)的喜歡，也取得最可喜的社會效益和經(jīng)濟效益.1.2.2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展1.變頻調(diào)速技術(shù)中PWM控制技術(shù)的發(fā)展PWM控制技術(shù)是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一，幾乎所有控制技術(shù)的算法都是以各種PWM 控制技術(shù)方式來實現(xiàn)

20、。上世紀八十年代以后的產(chǎn)品中正弦形PWM (SPWM)調(diào)制解調(diào)方法已經(jīng)被以下面方式所替代：1)直接轉(zhuǎn)矩控制PWM技術(shù)最常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制PWM技術(shù)是沒法區(qū)別磁鏈的很大偏差、轉(zhuǎn)矩和磁鏈的較小偏差，直接造成電機的啟動時期使控制系統(tǒng)停滯。若采用模糊控制（屬于智能控制），就可以通過改變定子磁通的空間位置，而由一些偏差的正小和正大等等模糊的語言，依據(jù)模糊控制的規(guī)則推導出變頻逆變器的開關模式，使其系統(tǒng)的性能得到改善。2）快速電流跟蹤型控制PWM技術(shù)快速電流跟蹤型控制PWM逆變器技術(shù)是電壓源逆變器（電流控制型），他采用了閉環(huán)電流控制技術(shù)，使得對稱三相電流快速的跟隨其指令電流。電壓源逆變器電流控制響應很快，硬

21、件也簡單，兼有電流控制和電壓控制型逆變器等優(yōu)點，廣泛的用于異步電動機矢量變換控制技術(shù)和PMSM伺服控制技術(shù)的系統(tǒng)中.3）雙PWM變頻控制技術(shù)交一直一交電壓控制型逆變器是目前應用最廣泛使用的逆變器，但是對電力網(wǎng)構(gòu)成了諧波的污染。現(xiàn)在的雙PWM變頻控制技術(shù)的研究也很是活躍，他由PWM整流器和PWM 逆變器組成了雙PWM變頻控制器，不須要其他的附加電路就可使電力網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，其系統(tǒng)的功率因數(shù)接近1,很徹底的消除了電力網(wǎng)側(cè)諧波的污染，并且也實現(xiàn)了四象限的運行。4）磁鏈跟蹤型PWM控制技術(shù)磁鏈跟蹤型PWM控制技術(shù)是把電動機和逆變器視作為一個整體，是以三相對稱正弦波電源供電時，交流電動機其理想

22、的圓形磁場作為基準，用其不同的開關模式下所產(chǎn)生實際磁鏈矢量去跟蹤基準磁鏈圓，而其跟蹤的結(jié)果決定了逆變器的開關模式，得到PWM 波形。而磁鏈的運行軌跡是依靠空間矢量選擇來實現(xiàn)的，所以也稱之為電壓空間矢量法。2.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)1）無速度傳感器矢量變換控制技術(shù)矢量變換控制技術(shù)在低速中的運行性能及速度傳感器安裝與維護直接影響了控制系統(tǒng)的可靠性、價格、性能等。因此無速度傳感器矢量變換控制技術(shù)成為了研究的熱門，受到企業(yè)界和學術(shù)界人事的高度重視。無速度傳感器矢量變換控制技術(shù)的關鍵是如何獲得其速度信號，最常見的方法有：從電機的基本方程式推導出速度方程式進行計算，依據(jù)自適應性能的控制理論，選取適

23、當?shù)膮⒖寄Ｐ停米赃m應性能的控制來識別速度；轉(zhuǎn)子空間信息法：利用高頻信號注入電流，識別出電機的轉(zhuǎn)子速度和位置，國外企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出相關產(chǎn)品，調(diào)速范圍可達到1: 75。2）矢量變換技術(shù)上世紀七十年代，矢量變換控制理論建立以來，以電機的轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換技術(shù)的方法，實現(xiàn)了三相異步電動機磁鏈和轉(zhuǎn)速控制的完全對耦。所以使得異步電動機具有了跟直流電動機一樣優(yōu)越的控制性能。矢量變換技術(shù)在實際中廣泛地得到了應用。1.3變頻器的分類及市場需求1.3. 1變頻器的特點以及分類變頻器在結(jié)構(gòu)形式上可分為交一交型和交一直一交型兩種。1）交一交型變頻器：中間環(huán)節(jié)并不經(jīng)過直流，不需換流，直接把一種頻率的交流電變換成

24、另一種頻率的交流電。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、乳鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的一小部分，所以不能高速運行2）交一直一交型變頻器：它根據(jù)直流部分電壓、電流的不同形式，又可分為電流型和電壓型兩種。由于電壓型變頻器是應用電壓源向交流電動機來提供交流電能，其主要的優(yōu)點：其運行性能不受換流或負載功率因數(shù)的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中。1.3.2市場的需求電機的控制系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。國家發(fā)

25、改委要求，當前社會應廣泛的推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，壓縮機、風機、水泵等都應當采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，工業(yè)機械生產(chǎn)應廣泛的采用交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間，通用機械系統(tǒng)采用了交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)，我國實現(xiàn)電機系統(tǒng)運行效率提高了2個百分點，形成了年節(jié)電能力達到度電的目標。行業(yè)專家介紹，我國的電動機裝機總?cè)萘考s千瓦，占全國總耗電量的70%左右。交流電動機占90%以上。行業(yè)專家分析：目前電機的運行效率比國外低35個百分點，泵和風機等電動機運行效率要比發(fā)達的國家低2%3%，電動機的驅(qū)動系統(tǒng)運行效率比國外低近20%。若按電動機裝機總?cè)萘康?0%進行調(diào)速改造，按年平均運行4千小時、節(jié)電率20%25

26、%計算的話，全國年節(jié)電潛力約為320億千瓦時400億千瓦時的能源。接近于1萬兆瓦裝機容量的火力發(fā)電廠的年發(fā)電量的總和。因此，電動機運行系統(tǒng)的節(jié)能是當今中國節(jié)能市場上最具有社會效益和經(jīng)濟效益商業(yè)潛力的領域。我國是能量消耗的大國，在電動機總運行容量中，只有不到0.34%電動機是帶變頻調(diào)速控制的。中國的變頻器市場在過去10年內(nèi)保持26. 8%的增長。調(diào)查報告的數(shù)字分析,我國至少要在在10年以后，中國的變頻器市場才能趨于成熟，市場潛力為1200億1800 億元。第二章 礦用變頻器的系統(tǒng)設計2.1設計依據(jù)1）可行性研究報告和總體方案說明；2）方案階段設計文件標準化要求；3）標準化大綱；4）電磁兼容性大綱

27、；5）可靠性、維修性、保障性和測試性大綱；6）人機環(huán)境系統(tǒng)設計要求；7）相關的國家標準；2.2調(diào)頻原理1）異步電機（籠型或繞線轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速：n=60f(l-s)/p,其中：s為轉(zhuǎn)差率。2）從原則上講，改變極對數(shù)p,改變轉(zhuǎn)差率s,改變頻率f都可以實現(xiàn)調(diào)速。對異步電機而言，以上三種方式雖都可以采用，但變極對數(shù)的調(diào)速是有級調(diào)速。（不能實現(xiàn)平滑調(diào)速），電磁調(diào)速滑差電機、轉(zhuǎn)子變阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法。只有變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方法。3）在電力電網(wǎng)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(diào)速是最為合理的。因此變頻調(diào)速是交流調(diào)速中最理想的，最有發(fā)展前途的，也是發(fā)展最快

28、的。4）PWM控制技術(shù)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的目的或者控制電壓的脈沖寬度和脈沖列周期達到變頻變壓的目的一種新型的控制技術(shù)。2.3設計原則1）充分滿足總工程的性能要求，嚴格控制系統(tǒng)部件的總重量和總體積，在此基礎上挖掘系統(tǒng)硬件的潛力，實現(xiàn)更多的功能。2）設備的選型和操作軟件在滿足系統(tǒng)性能的前提下立足于國內(nèi)外的成熟技術(shù)產(chǎn)品，以求達到較好的性能價格比和長期穩(wěn)定的供貨保證，便于采購、使用和維修。3）充分利用現(xiàn)有的研究成果，縮短研制周期，節(jié)省研制經(jīng)費。4）系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化、標準化、系列化的設計方法，并充分考慮系統(tǒng)的擴

29、展能力。5）采用軟件工程設計思想研制系統(tǒng)軟件，保證軟件開發(fā)過程的可管理、可追蹤、可控制和可測試性，以保證軟件產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。6）充分注重系統(tǒng)的可靠性、維護性和可測試性，保證系統(tǒng)能夠可靠工作和便于礦井的維修保養(yǎng)。7）在系統(tǒng)設計中充分考慮系統(tǒng)的電磁兼容性，保證系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境中正常工作，同時不干擾周邊系統(tǒng)的工作。2.4總體方案圖2-1系統(tǒng)原理圖系統(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、CPU電路、SPWM產(chǎn)生電路、驅(qū)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。系統(tǒng)的整體框圖見圖2-1所示：2.5系統(tǒng)的

30、硬件電路設計2.5.1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(zhuǎn)換等處理。然后采用Burr-Brown 公司的ADS7841E進行AD轉(zhuǎn)換。ADS7841E 個16位精度4通道采用SPI傳輸方式的芯片。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示：圖2-2 ADS7841E內(nèi)部框圖為了提供精確的參考電壓這里選用了美信的電壓基準專用芯片MAX6350。這是美信公司新推出的一款低噪聲、高精度、受溫度影響極小的電壓基準芯片。它的誤差低達0.02%。具體電路見圖2 -3:圖2-3數(shù)據(jù)采集電路溫度采集電路：DS18B20具有3個外引腳，TO T92小的體積封

31、裝；溫度測量的范圍是負55°C正125°C, PLC是九位十二位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫的分辨率達到了0. 0625°C , 被測量的溫度用16位數(shù)字量串行輸出；工作電源可在遠端子引入，也可就近由寄生的電源產(chǎn)生；多個使用時可并聯(lián)在2根或3根線上，而CRJ只需要一根端口線就能跟諸多的DS18B20進行通信，即可節(jié)省引線以及邏輯電路。從而使DS18B20很適用于遠距離多點溫度檢測的系統(tǒng)。電路圖如下圖2-4所示: 圖2-4數(shù)據(jù)采集電路 圖2-5直插DS18B20DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：溫度傳感器、64位ROM、TL、配置寄存器和非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH等4部分組成。管腳

32、如圖2-5所示，VDD是外接供電電源輸入端；GND是公共端; DQ是數(shù)字信號輸入/輸出端。ROM中的64位序列號是DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不同。64位ROM的排列為循環(huán)冗余校驗碼。ROM可實現(xiàn)一根總線掛接于多個DS18B20。2.5.2 IGBT驅(qū)動電路在實際中通過大量的比較，最終選擇了瑞士CT-Concept公司所生產(chǎn)的SCALE驅(qū)動系列，SCALE驅(qū)動系列為西門子/EUPEC大電流、高電壓IGBT的模塊配套。SCALE驅(qū)動系列產(chǎn)品用ASIC設計，用直流15V電源驅(qū)動，開關頻率達100KHZ，具有長壽命和高可靠等性能，可以驅(qū)動1200A、1700V的IG

33、BT器件。電路如圖2-6所示，其電路功能的特點是：1)接口簡單、可以處理5V15V電平的標準信號。故障傳送時集電極開路電壓輸出可與常用邏輯電平相兼容。具有施密特觸發(fā)器輸入特性且對輸入的信號沒特殊要求。其驅(qū)動板具有智能化驅(qū)動的所有功能，且狀態(tài)傳送、驅(qū)動信號及功率部分與電源完全相隔離，從而使用極簡單。2)應用范圍很寬?？梢詰迷诖蠊β剩〝?shù)兆瓦的功率）的范圍以及實用的耐壓值所要求的范圍以內(nèi)，任何廠家的模塊都適用。3)結(jié)構(gòu)緊湊、應用靈活、成本低、體積小巧。具有半橋模式和直接模式選擇。在半橋模式下，可選擇所要求達到的死區(qū)時間。具有極高的性價比?？梢蕴峁〇艠O驅(qū)動，還具有電源隔離以及檢測狀況顯示等功能，是一

34、種最經(jīng)濟實用的、可滿足市場所有要求的驅(qū)動板。圖2-6 IGBT驅(qū)動電路2.5.3 32位主控 CPU電路本系統(tǒng)是針對水泵、風機類負載設計的，根據(jù)控制需要，控制的方式中采用V/F控制能達到設計要求，所以控制和算法相對較簡單，微處理器的處理工作不算很重，微處理器選用LPC2132, LPC2132是一款基于16/32位ARM7TDMI- S,并支持跟蹤和實時仿真的CPU，帶有64KB嵌入式的高速 Flash存儲器。獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼和128位寬度的存儲器接口能夠在最大速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制時可以使用16位Thumb模式，而且性能的損失很小。LPC2132采用64腳封裝、多個32位

35、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，特別適用工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、自動化等應用領域。內(nèi)部可以用GPIOs，范圍為48腳。內(nèi)置寬范圍的串行通信接口，所以也非常適應于協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式調(diào)制解調(diào)器、通信網(wǎng)關以及其它各種類型的廣泛應用。ARM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-7所示：守圖2-7 ARM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所以主CPU選用LPC2132 (溫度范圍為負40°C 125°C)，能夠滿足設計要求和惡劣環(huán)境。為了使面板和主CPU之間通訊簡單、可靠，他們之間采用RS485通訊，在面板上設計也選用LPC2132。LPC2132采用JTAG調(diào)試方式，支持在線調(diào)試，并且已經(jīng)成

36、功應用于軍品項目和電力電子項目上，可靠性和穩(wěn)定性都非常好。LPC2132系統(tǒng)圖2- 8所示: 圖2-8 LPC2132 系統(tǒng)（主CPU)2.5.4 SPWM波形成電路及處理電路脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)在逆變電路中得到廣泛的應用，其波形產(chǎn)生方法有兩種：一是模擬方法，二是數(shù)字方法。模擬方法電路結(jié)構(gòu)復雜，有溫漂現(xiàn)象，難以實現(xiàn)精確控制。數(shù)字方法則克服了上述缺點。MITEL公司生產(chǎn)的SA系列SPWM波形產(chǎn)生器具有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，其中SA8282是主要用于變頻調(diào)速、逆變電源及UPS等工業(yè)領域的高精度SPWM波形產(chǎn)生器。SA8282可與微控制器連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化

37、。微控制只用很少的時間去控制它，因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制、顯示等。而且與其他產(chǎn)生SPWM相比，只需書寫少量的代碼，即可產(chǎn)生所需的高精度、可靠的SPWM信號。基于上述原因，控制電路采用SA8282和 ARM相搭配的模式。電路如圖2-9所示：圖2-9 SPWM產(chǎn)生部分2.5.5面板鍵盤電路該變頻控制系統(tǒng)采用了六個按鈕，分別實現(xiàn)變頻器的編程、選擇、上調(diào)、下調(diào)、開機、停機。電路如下圖2-10所示：圖2-10 鍵盤電路2.5.6 面板顯示電路本面板同時米用LED顯示和 LCD顯示，LED顯示用來顯示當前頻率數(shù)值，當前溫度，當前操作權(quán)限等。LCD 顯示用來提示操作員進行操作。數(shù)碼管電路如圖

38、2 -11所示，液晶顯示如圖2 -12所示： 圖2-11數(shù)碼管顯示電路- 12 -圖2-12液晶LCD顯示電路湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）2.5.7 485接口電路485接口芯片采用 sipex 公司的SP485E芯片，該芯片廣泛應用與各個領域。傳輸速度可達到10Mbps。采用隔離電源DCP010505P為該芯片提供隔離電源。電路如圖2 13所示：圖2-13 RS485接口電路2.5.8 系統(tǒng)各種電源電路圖2-14電源電路2.6系統(tǒng)的主要功率器件選型2.6.1 45KW主電路設計圖2-15 主電路在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主電路作為直接執(zhí)行機構(gòu)，其可靠性及穩(wěn)定性直接影響整個系統(tǒng)的運行。本課題

39、研究的是電壓型交一直一交變頻調(diào)速裝置，主電路一般是由整流電路、中間直流濾波電路和三相橋式逆變器三部分組成。如圖2-15所示：2.6.2 IGBT 選型1）電壓規(guī)格選擇 ， 注：1.1:線路電壓波動因數(shù)a:安全因數(shù)（通常1.1)Vcesp =(933 *1. 15+100)* a注：1.15:過壓保護水平（115%)a :安全因數(shù)（通常1. 1)100：線路電感產(chǎn)生的尖峰電壓所以Vces=1700V (IGBT電壓規(guī)格）2）電流規(guī)格選擇V (Input) nom =660Vrms 電機輸出=45kW 變頻器容量：60kVA注：P:變頻器容量0.9:低于額定電壓10%1.5：容量過載(150%.

40、lmin) 1.4: IcCos =0. 62 (電機容量/變頻器容量）Io=50A Ic=148A (IGBT電流規(guī)格）3）綜上：IGBT模塊選用英飛凌研發(fā)的第3代FF200R170KE3(1700V, 200A (85°C) /350A (25攝氏度)， (功耗比普通的1GBT 降低 30%以上）)。4）IGBT模塊的VGE保證值一般最大為士20V。在IGBT的G -E間外加超過VCES保證值的電壓時，IGBT的門極就有損壞的危險。請注意不要在G-E間外加超出保證值的電壓。特別注意IGBT的門極對靜電等非常敏感，因此在使用產(chǎn)品時遵守以下所述的注意點。a.使用模塊時，先讓人體和衣服

41、上所帶的靜電通過高電阻（左右）接地線放電后，再在接地的導電性墊板上進行操作。b.使用IGBT模塊時，要拿封裝主體，不要直接觸碰端子（特別是控制端子）部。c.對IGBT端子進行錫焊作業(yè)的時候，為了避免由烙鐵、烙鐵焊臺的泄漏產(chǎn)生的靜電外加到IGBT上，烙鐵前端等要用十分低的電阻接地。2.6.3三相整流橋選型1）整流輸出的電壓平均值為：2）電流平均值：輸出電流平均值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1/3，即3）二極管D可能承受的最大正向電壓為線電壓峰值的1/2,即,即4）二極管D可能承受的最大反向電

42、壓為線電壓峰值根據(jù)工程設計技術(shù)經(jīng)驗和工藝要求，三相橋選用2000V耐壓，200A電流的模DD200-20-Iol4。2.6. 4母線濾波電容的選擇電源采用三相660V交流電輸入，經(jīng)全橋整流后得到脈動的直流電壓，母線濾波電容Cin用來平滑這一直流電壓，為了盡可能減小整流器直流輸出電壓中的紋波，通常在整流器直流一側(cè)并聯(lián)容量較大的濾波電容，本設計為三相橋式不可控整流電路。濾波電容器主要起濾波和穩(wěn)定電壓的作用。由于采用三相橋式整流電路，其電壓紋波脈動為300Hz，為保證給逆變電路提供穩(wěn)定的直流電壓，濾波電路的時間常數(shù)，也即濾波電容器Ca與直流電源的等效負載電阻Rd的乘積，必須為紋波中基波的周期時間的6

43、倍以上，這里取8,即則：耐壓值為1200V,可以選用6800uF/400V的電解電容6只（三串兩并）。2.6.5集中式緩沖電路選型集中式緩沖電路常用的有如下兩種：圖2 16所示：圖2-16 緩沖電路主電路寄生電感蘭0. 16uH、緩沖電容取0.47UF (1600V)具體型號為德國EPCOS無感電容器(0.47UF、1600V)。2.7系統(tǒng)的軟件設計2.7.1 開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)的軟件設計，主要建立在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。ADS1. 2也支持ARM10 以前所有ARM系列的微控制器，支持匯編C、C+源程序，支持JTAG硬

44、件仿真調(diào)試以及軟件調(diào)試；具有系統(tǒng)庫功能強大、編譯效率高等等特點；可以在 Red Hat Linux 以及WINDOWS系列98以上版本上正常運行。ADS 的功能非常強大。他的前身是SDT, SDT 是ARM公司幾年前的開發(fā)環(huán)境軟件，目前SDT早已經(jīng)不再升級。ADS 包括了四個模塊分別是：SMULATOR; C編譯器；實時調(diào)試器; 應用函數(shù)庫。ADS的編譯調(diào)試器較 SDT都有了很大的改觀。ADS1. 2 提供了完整的WINDOWS界面軟件開發(fā)環(huán)境。編譯器效率很高，它支持C以及 C+，使技術(shù)員可以很便捷的使用C語言進行軟件的開發(fā)。還提供了軟件模擬仿真的功能，使從來沒有Emulators 的學習者也

45、能掌握熟悉ARM的指令系統(tǒng)。與 FFT-ICE配合使用，ADS1. 2提供了強大的實時調(diào)試跟蹤功能。ADS1.2 是需要硬件的支持才能發(fā)揮強大功能。而簡易下載電纜不能支持ADS1. 2。2.7.2 Code Warrior IDE介紹ADS1. 2 在 Code Warrior IDE 集成開發(fā)環(huán)境下使用，集成了ARM連接器、Thumb的C / C+ 編譯器、ARM的C/C+編譯器和ARM匯編器，包含了語法敏感（以不同顏色顯示）編輯器、代碼生成接口、工程管理器、源文件和類瀏覽器等等。其主窗口如2-17所示：圖2-17 Code Warrior IDE開發(fā)環(huán)境2.7.3 AXD調(diào)試器介紹AXD調(diào)

46、試器是ARM擴展調(diào)試器，包括 ADW/ADU所有的特性，支持硬件仿真。AXD 能夠裝載文件到目標內(nèi)存，具有斷點、單步和全速等調(diào)試的功能，還可以觀察寄存器、數(shù)據(jù)和變量等等。AXD調(diào)試器的主窗口如圖2-18 所示：圖2-18 AXD調(diào)試器2.7.4系統(tǒng)主流程圖系統(tǒng)主流程圖見圖2-19所示：圖2-19系統(tǒng)主流程圖2.7.5 SPWM芯片的工作流程SPWM芯片是整個逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。下圖2-20給出了本系統(tǒng)的程序流程圖從程序流程圖中可看出，單片機先將8282復位，在向其傳送初始化參數(shù)和控制參數(shù)之后即可輸出需要的波形，逆變器隨后將處于工作狀態(tài)，這時單片機應不斷查詢輸出狀態(tài)，以便隨

47、時調(diào)整8282 輸出特性，以滿足系統(tǒng)要求，只要系統(tǒng)工作正常，看門狗定時器就不斷被更新，以防止其溢出而中斷8282 的輸出。開始將8282復位往R0-R5中寫初始化參數(shù)寫虛擬寄存器R14以完成數(shù)據(jù)傳輸往R0-R5中寫控制參數(shù)寫虛擬寄存器R15以完成數(shù)據(jù)傳輸允許輸入更新看門狗定時器處理采樣結(jié)果并比較是否需要更新圖2-20 SA8282操作流程第三章 礦用變頻器逆變模塊選擇及功耗計算3.1逆變器件IGBT模塊主要參數(shù) 在選型或設計時，必須考慮逆變器件IGBT模塊參數(shù)的最大額定值，它是指對一個IGBT模塊而言達到其極限工作能力或期限工作條件（最大或最?。┑囊?guī)定值。該值對于IGBT模塊的運行和環(huán)境條件極

48、為重要，只有在不超出其最大或最小額定值的條件下才能正確使用IGBT模塊。3.1.1IGBT模塊的主要參數(shù)：1）集電極發(fā)射極額定電壓Uces電壓Uces是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是在柵極發(fā)射極短路時IGBT模塊能承受的耐壓值，即Uces值應小于等于雪崩擊穿電壓；2）柵極發(fā)射極額定電壓UgesIGBT模塊是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT模塊的導通和關斷，而Uges就是柵極控制信號電壓的額定值，導通時其控制電壓一般在+15+20V之間，IGBT關斷的柵極驅(qū)動負電壓Vge應大于-5V；3）額定集電極電流Ic是指IGBT模塊在導通時能流過管子的持續(xù)最大Uges的設計電流；4）

49、額定集電極峰值的電流Icm是指IGBT模塊當結(jié)溫tj150°C時，最大允許的集電極峰值電流；5）集電極發(fā)射極飽和電壓Uce（sat） 是指IGBT模塊在正常飽和導通時，集電極發(fā)射極之間的電壓降，此值越小，管子的功耗越小，Uce（sat）一般為2.53.5V；6）開關頻率是指IGBT模塊的工作開關頻率，在IGBT模塊的使用手冊中開關頻率是由導通時間ton、下降時間tf和關斷時間toff給出的，根據(jù)這些參數(shù)，可估計IGBT的開關頻率，IGBT的開關頻率與集電極電流Ic和運行溫度和柵極電阻有關，可達3040KHz7）集電極功耗Pc是指在模塊殼溫Tc=25°C條件下，每個IGBT模

50、塊開關最大允許的功率損耗；8）Fwd電流Ie是指續(xù)流二極管最大允許的直流Fwd電流；9）續(xù)流二極管的峰值電流Iem是指結(jié)溫tj150°C時續(xù)流二極管最大允許的峰值電流Fwd；10）絕緣電壓Uiso是指在IGBT模塊所有端子在短路條件下，基片與模塊端之間的最大絕緣電壓。3.2 礦用變頻器逆變模塊電壓電流的選擇3.2.1電壓規(guī)格選擇逆變環(huán)節(jié)的輸入電壓為經(jīng)過整流濾波后的直流電壓，用Ed表示： Ed= 2·Uin·· 1式中：K線路電壓波動因數(shù)，選K=1.1； 線路電壓安全系數(shù)，選1.1； Uin輸入變頻器的交流電網(wǎng)電壓，V。 當直流電壓超過一定數(shù)量時，應進行過

51、電壓保護。取過電壓保護動作值為直流電壓的1.15，同時考慮到IGBT關斷時，電路電感產(chǎn)生的電壓尖峰脈沖為100V，則IGBT承受的電壓峰值為： Ucep=（1.15·Ed+100） 2 取Uin=660V，則：Ed=2·Uin·· Ed=1129.4（V） Ucep=（1.15·Ed+100） Ucep=1538.7（V） IGBT模塊的電壓值（Uces）必須選大于Ucep的值，根據(jù)IGBT的規(guī)格得：Vces=1700（V）的元件。對1140V供電系統(tǒng)，可計算求得IGBT承受的電壓峰值Ucep為： Ucep=2577.6（V），這樣可選取Vces=3300（V）的元件。3.2.2電流規(guī)格選擇變頻器額定集電極峰值電流Icm對于變頻器來說很重要，在正確選用IGBT時有兩個關鍵的因素，這兩個關鍵因素都與IGBT在其運行期間要始終保持在最大額定值之內(nèi)相關。首先，在關斷時，包括任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流Ic必須處在開關安全工作區(qū)的規(guī)定范圍之內(nèi)，即小于兩倍的額定電流