煤矿提升机毕业论文1 精品.docx
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煤矿提升机毕业论文1精品
毕业设计
专题题目矿山提升机
摘要
本文介绍了矿山提升机变频调速系统，对设计中的一些技术问题进行了讨论，实现了转速连续可调，并且输出转矩大，再生能量能够回馈电网。
本设计采用intel公司的低功耗16位单片机N87C196MC作为主控芯片，其内部集成了三相波形发生器，非常适合三相异步电机的变频调速。
功率器件采用EUPEC公司（欧派克）的第三代IGBT（FF400R12KE3）,导通压降低1.7V,使功率器件的自身功耗大幅度降低。
控制信号采用光纤传输，实现了高压部分和低压部分的隔离，提高了抗干扰能了。
关键词：
矿山提升机变频调速系统能量回馈
Abstract:
Thepaperintroducesminehoistvariablefrequencyspeedregulationsystem,sometechnicalproblemsinthedesignisdiscussed,thecontinuousadjustablespeedandtorque,renewableenergytobeabletogivebacktothegrid.
ThisdesignUSEStheIntelcompanylow-power16-bitsinglechipN87C196MCascontrolchip,itsinternalintegrationofthethree-phasewaveformgenerator,verysuitableforthree-phaseasynchronousmotorinverter.PowerdevicesusingEUPECcompany（thethirdgenerationofEuropeanparker）FF400R12KE3）,IGBT（conductionpressure,reducingpowercomponentsand1.7Voftheirconsumptiongreatlyreduced.Byusingopticalfibertransmissioncontrolsignals,andlowvoltageisolation,improvethepartialinterference.
Keywords:
minehoistspeed-adjustedsystemenergyfeedback
目录
1矿山提升机………………………………………………………………7
1.1引言…………………………………………………………………7
1.2矿山提升机对变频器的要求………………………………………7
2提升机变频器主电路……………………………………………………8
2.1功率器件……………………………………………………………8
2.2变频调速的原理……………………………………………………9
2.3主回路原理图………………………………………………………12
2.4逆变单元并联………………………………………………………14
3提升机变频器的制动……………………………………………………16
3.1直流制动……………………………………………………………16
3.2能耗制动……………………………………………………………16
3.3能量回馈……………………………………………………………16
4外围硬件电路……………………………………………………………19
4.1IGBT驱动电路………………………………………………………19
4.2光纤接受电路………………………………………………………22
4.3过欠压及死机保护电路……………………………………………23
4.4短路、过流及温度保护……………………………………………24
4.5交流接触器延时自充电延时板…………………………………26
5微机电路…………………………………………………………………29
5.1交－直变换部分………………………………………………………29
5.2能耗电路部分………………………………………………………30
5.3直－交变换部分……………………………………………………30
5.4缓冲电路……………………………………………………………30
6参考文献…………………………………………………………………32
7致谢…………………………………………………………………33
第一章矿山提升机
1.1引言
交-直-交变频调速系统已在泵类、风机类负载上得到广泛应用，并且还在大面积的推广。
但大多数矿山提升机还在沿用着传统的绕线式异步电动机，用转子串电阻的方法调速，低速转矩小，转差功率大，能量处理不利，运行中调速不连续，故障率高。
矿山生产是24小时连续作业，即使段时间停机维修也会给生产带来很大损失。
矿山对提升机的技术改造要求迫切，迫在眉睫。
那么，为什么变频调速未能及时抢占这块市场呢？
这是因为矿山提升机对变频器的要求确实难了些，不可能把风机、水泵用的变频器直接用到提升机上。
1.2矿山提升机对变频器的要求
主井绞车的主要任务是向上提煤，提升方式采用一吨标准式矿车串车提升，一次提升量为6吨，根据绞车的工作状况，对配用的变频器用如下要求：
1、
矿山电压波动大，要求变频器在380+20%能正常工作。
2、运行平稳，尽量减少运行中的机械冲击。
3、能够四象线运行。
4、要求变频器在整个工作过程中提供所需的力矩特性:
（1）启动力矩要大，特别是当矿车停在井筒中间时，要求启动力矩比额定力矩大的多，若力矩不足，可能出现启动时矿车下滑的现象。
启动力矩大于2倍额定力矩，低速力矩要求在6HZ时大于1.6额定力矩。
（2）运行中若出现偶然事件，要求快速停车时，应能给出大的制动力矩。
（3）当下放绞车或减速时，电动机有可能处于发电状态，这时变频器应能把再生能量回馈导电网。
（4）提升机一个提升周期约为4分钟，一天提升250次左右，频繁启动、频繁加减速，要求变频器具有很高的灵活性和可靠性。
（5）过载能力:
1、160%额定电流，允许1分钟
2、220%额定电流，允许1.5秒
三种制动方式：
（1）直流制动
（2）回馈制动，带有能量回馈单元，将制动时产生的再生能量回馈给电网。
（3）能耗制动，用好能电阻丝消耗再生能量
安全保护功能
要求变频器具有过压、欠压、过载、短路、温升等多种保护功能。
第二章提升机变频器主电路
2.1功率器件
电力电子器件是变频器发展的基础，计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱。
电力电子器件由最初的半控器件SCR，发展为全控器件GTO晶闸管、GTR、MOSFET、IGBT,到今年研制出的IPM，单个器件的电压值和电流值的定额越来越大，工作速度越来越高，驱动功率和管耗越来越小。
变频技术的核心控制由单片机完成，这些新技术和自动控制理论使变频器的容量越来越大，功能越来越强。
本设计采用EUPEC公司的第三代IGBT。
下面简单谈一下IGBT
IGBT（IsolatedGateBipolarTransistor）全名绝缘栅极晶体管，它具有MOS和BJT双重功效。
它是八十年代中期发展起来的一种新型复合器件。
由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，从输入上看，IGBT具有MOSFET的输入特性：
输入阻抗高，属电压控制元件，因而驱动简单，速度快、热稳定性好的优点，从输出侧看，它具有BJT的输出特性：
通态电压低耐压高的优点，因此发展很快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有取代MOSFET和GTR的趋势。
现在IGBT耐压有1200V,1700V,3300V级，电流可达几百安，上千安，开关频率十几K,这些技术指标均可满足变频器的要求。
FF400R12KE3内部封装了两个串联的IGBT，额定电压为1200V,额定电流为400A，导通压降为1.7V。
内部电路如下图：
内部等效电路图
外部俯视图
栅极驱动电压IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。
在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12～20V之间。
当栅极电压为零时IGBT处于断态。
但是，为了保证IGBT在集电极发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。
反向偏压应该在－5～－15V之间。
2.2变频调速的原理
（1）VVVF变压变频
变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。
提升机变频器采用VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）调速
异步电动机的转速n=60f（1-s）/ps=（n1-n）/n1
P:
电动机极对数n1:
同步转速
调节转速n，由三种方法：
1.变p,只可跳变，不能连续调速，有局限性
2.变s,调速范围越宽，系统效率越低
3.变f,可连续大范围调速，转差率小，效率高
n与f成正比，通过改变f即可改变电动机的转速，当f在0-50hz范围变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
但仅改变频率，电机将被烧坏，尤其当频率降低时，问题更突出。
三相异步电动机每相绕组的反电动势公式：
E=4.44f*N*K*Φ
Φ=c*E/f与V/F成比例
其中：
E：
为每相定子绕组的反电动势
N：
为每相定子绕组的匝数K：
为系数
为了保持Φ磁通不变，故必须保持V/F恒比。
如果磁通太弱就等于没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流会使绕组过热而损坏电动机。
为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变f的同时，也改变U.
（2）在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。
变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Ф不变，从公式可知，也就是要使E/f=常数。
这是在忽略定子漏阻抗压降的前提下，可以认为供给电机的电压U与频率f按相同比例变化，即U/f=常数。
但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，从而导致主磁通Ф和输出转矩下降，因此要人为地提高定子电压U，以作漏抗压降的补偿，维持E/f≈常数,保证主磁通Ф基本不变。
因此这种方法被称为电压补偿（转矩提升）。
此时变频器输出U/f关系如下图中的曲线2，而不再是曲线1。
（3）控制方式SPWM
微机控制的SPWM算法有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。
自然取样法图（a）采用计算的方法寻找三角载波UΔ与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。
规则取样法图（b）采用近似求UΔ和UR交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差。
本设计采用第二种方法。
1.2等效面积法
把一个正弦半波分为N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽的和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。
如图2所示，在区间[t,t+Δt]，正弦波面积为S1,则有：
式中M为调制深度，Us为直流电源电压。
对应图中脉冲面积
S2=δ*Us/2
将正弦信号的正半周N等分，则每份为π/N弧度，由图知脉冲高度为,设脉冲宽度为2/SUKδ，则第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得：
如下图所示，IGBT的开关时间按如下计算：
IGBT开启时刻：
Ton=（Δt-δk）/2=[1/（2Fn）-δk]/2
IGBT关断时刻：
Toff=（Δt+δk）/2=[1/（2Fn）+δk]/2
2.3主回路原理图
根据直流滤波环节的不同，交-直-交调速可以分为电压型和电流型。
直流环节
主回路原理图
（1）交-直-交变频器的主回路
先把工频交流电通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电送入到逆变电路，由于刚上电时，电解电容两端的电压为零，所以直流回路和回馈输出部分都串有限流电阻，防止充电电流过大损坏电解电容和整流二极管，延时一段时间后并联在限流电阻两端的交流接触器会降其短接。
变频器主电路一般由整流、中间直流环节，逆变几部分组成，而提升机变频器多了回馈部分。
整流部分为三相桥式不可控整流电路，逆变部分为IGBT三相逆变器，输出为PWM波形，中间直流环节采用电解电容滤波，直流储能和缓冲无功功率.
当电动机的转子转速大于旋转磁场的转速时，电动机处于发电状态，这时逆变电路的与IGBT反并联的续流二极管在完成续流的同时，又起到了三相全波整流的作用，使得再生能量能够倒灌，为电解电容充电，使母线电压升高，但升高到一定程度时，回馈电路工作，把再生能量回馈导电网。
制动电阻：
再生制时，虽然回馈电路工作把再生能量回馈导电网，但并不能保证完全回馈，如果母线电压继续上升，这时对IGBT和电解电容都非常危险。
因此，须将再生到直流电路的能量消耗掉电阻上，使母线电压不至于过高，这样提高了提升机变频器的安全。
主回路IBGT吸收电路，其中图3A是由一个无感电容组成，适用于小功率设计，用作对瞬变电压有效吸收而低成本的控制。
随着功率级别的增大，这种缓冲电路可能会同母线寄生电感作减幅振荡，此时采用如图3B所示的电路结构，使用快恢复二极管箝住瞬变电压，从而抑制谐振的发生。
（2）直流电抗器
二极管镇流器虽然是全波整流，但由于其输出端有滤波电容的存在，只有当交流电压大于电容两端的电压时，才有电流流通，交流电压低于电容两端的电压时，电流终止，因此输入程脉冲波形，加输入电抗器功率因数提升65%-75%，而直流电抗器可提升90%。
电抗器的阻抗Z=JwL=J2Л*L/T
电抗器的阻抗压降U=2Л*f*L*I
因为是电压型的变频器，所以要求电抗器的阻抗压降U=2Л*f*L*I〈3%*母线电压。
2.4逆变单元并联
由于提升机变频器输出功率大，工作电压为380V，这就要求提升机变频器有很大的输出电流的能力。
因此本设计采用逆变单元并联的方式。
四个相同的逆变单元并联输出，输出通过均流电抗器进行均流。
四单元并联接线如下图：
四单元并联接线图
均流电抗器的连接图
由于均流电抗器的作用，强制四个逆变单元的电流限等。
这种方法与功率器件的直接并联得到大容量输出相比，有以下优点：
1、功率器件直接并联运行，要求并联的器件参数一致性好，同时对于装配工艺要求特别高，而采用单元并联，由于均流电抗器的作用,可以不要求器件选配。
只要均流电抗器选的合适，可以很容易将均流误差限制在5%之内，这是功率器件直接并联难以达到的结果。
2、器件直接并联的总容量与个器件容量的总和并不相等，即功率器件直接并联时必须降额使用，并联数目越多，降额约大，但并联数量达到一定程度是之后，增加并联器件的数量，对增加容量的作用甚小。
即使说，器件直接并联器最大容量值是有限制的。
第三章提升机变频器的制动
3.1直流制动
直流制动是以pwm方式向电机的某一绕组施加一定占控比得直流脉冲，使电机气隙磁场维持某一恒定方向不变，对运动中的转子产生制动力矩而起到刹车作用
主令控制器给出“正转”或“反转”命令后，如果没有给出“松闸”信号，变频器会在电机上施加直流制动转矩，确保松开制动闸过程中重车不下滑。
在给出“松闸”信号后，变频器开始运行。
制动油泵开启后，若不小心松开制动闸触动“松闸”行程开关，变频器接收到“松闸”信号，同时在电机上施加直流制动转矩，确保重车不下滑。
当重车在井筒中间停车时，变频器由高速至停机后，随之施加直流制动转矩使电机停止转动，当机械制动起作用后，方去掉直流制动，使重车靠机械抱闸的作用停止，同时，由于直流制动提供的制动力矩能够平稳的对负载制动，缓冲了机械制动对闸皮的磨损。
如下图，制动时可以向V1
和V6的栅极输入一占空比可调的PWM信号，根据制动力矩的要求来调节占空比。
3.2能耗制动
电阻R2位耗能电阻，当回馈单元不能完全把再生能量回馈到电网时，母线电压过高会威胁功率器件IGBT和电解电容的安全，这时微机板会根据母线电压的上升的情况输出占空比可调的刹车信号，把多余的来不及回馈的能量消耗在电阻上。
电阻R2、C及二极管
3.3能量回馈
（1）能量回馈控制方式实现
要实现能量回馈，须保持与电网实现同频同相，若保持同频同相，则电抗上电压VL差90°，如下图：
V1:
电源基准电压V2:
回馈电压
只要保持90°的相位差，V2及V1V2的相位角和功率的关系，就能实现很好的回馈，调整这些参数的依据由母线电压的高低来决定。
（2）回馈电路的实现
电网电压的相位检测，三相输入正弦波互差120°共有六个交点，交点的相位30°90°150°210°270°330°是确定的，从第一个交点开始计数，则任一时刻的相位差就能计算出。
电网电压相位关系如下图
由于电源电压不一定是正弦波，它含有尖峰、毛刺、及谐波，造成交点不确定，则同步相位也不确定，于是，电路增加了带通滤波器，电路如下：
（3）.母线幅值检测
此电路分两部分差分放大器电压钳位调整R7可以调整母线电压，使显示值与实际值相一致。
（4）.输入电源幅值检测
此电路分三部分运算放大器取绝对值电压钳位调整R98可以调整输入电源电压与显示值相一致
（5）同步电源的产生
T7、T8、T9三个同步变压器输入与输出相差30°，输入为角接，输出为星接，星点为控制电路的地线，这样可以直接对电网进行跟踪。
第四章外围硬件电路
4.1IGBT驱动电路
（1）概述
本驱动单元主要是作为功率模块IGBT栅极的功率信号驱动。
此电路以M57959L驱动模块为核心，加上外围电路组成能满足IGBT工作的驱动单元。
它主要是将87C196MC芯片给出的SPWM信号，其信号为0V或5V的数字信号，经过功率放大后作为IGBT模块的栅极控制信号，其输出为+15V或-10V。
同时具有检测IGBT管的工作状态的功能。
（2）工作原理
低压中大功率变频器的驱动板采用磁环供电，经桥式整流管整流、电容滤波后的电压接入驱动模块M57959L的电源端。
M57959L内部电路组成及其特点：
1）高速输入输出隔离，绝缘强度高2500VAC／min；
（2）输入输出电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；（3）内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；（4）具有可靠通断措施（采用双电源）；（5）驱动功率大，可以驱动200A／600V或100A／1200V的IGBT模块。
M57959L是单列直插式封装，从左至右依次编号，其中9～12为空端。
1端和2端为故障检测输入端；4端：
接正电源+15VDC；5端：
驱动信号输出端；6端：
接负电源-10VDC左右；8端：
故障信号输出；13端和14端：
驱动信号输入端，主要接收87C196MC芯片送出的SPWM信号。
M57959L的内部原理框图如下图：
M57959L外围应用电路如图二所示。
图所示实际应用电路具有IGBT过流过压保护功能。
当检测到输入1端的电压为某一电平时，模块判定为电路短路，立即通过光藕输出关断信号，从而使其5端输出低电平将IGBT的GE两端置于负向偏置，可靠关断。
同时，输出误差信号使故障输出端8端为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。
由于IGBT要求的驱动功率大，单靠M57959L的输出功率不能满足要求，通常的做法是采用PNP和NPN对管推挽输出，即在M57959L的输出端接入一个互补跟随器。
电阻R4、R3是输出限流电阻，防止电流过大损坏IGBT栅极。
稳压管1N4745和1N4741分别采用对接的形式，主要是对输出信号进行钳位，使IGBT的驱动信号不超过规定的幅度，从而保证驱动信号的可靠性。
当短路时，Vce（sat）急剧上升，设定一个Vref，一旦Vce（sat）大于Vref时，保护电路动作，注意的时检测工作必须用快恢复二极管。
其实有多种技术可用来避免IGBT受到短路的破坏，其中最基本的技术便是在10us内关断IGBT。
开通时的栅极驱动电压不能超过12V－20V的范围，开通时最佳栅极正向偏置电压为15V±10％，15V驱动电压足够使IGBT完全饱和导通，并使通态损耗减至最小，同时也限制了短路电流和它所带来的功率应力。
当栅极电压为0时，IGBT处于截止状态。
但是，为了保证IGBT在集电极－发射极电压上出现dv/dt噪声时仍能保持关断，必须在栅极上施加一个关断偏压，这样还可减少关断损耗。
反偏压应在（-5）V－（-15）V，一般取－10V。
选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。
因为IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，栅极电阻值对其动态特性产生极大地影响。
数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗，而且较小的栅极电阻还可避免dv/dt带来的误开通，但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并导致栅极－发射极电容同栅极驱动导线的寄生电感产生振荡问题，而且较小的栅极电阻会使得IGBT开通的di/dt变大，导致较高的dv/dt，增加IGBT反并联二极管恢复时的浪涌电压。
栅极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢栅极电压的上升、减少噪声损耗、降低栅极电源电压或减少栅极保护电路的动作次数有很大的影响。
因此布线时应考虑以下几点：
4.2光纤接受电路
（1）驱动板不能与IGBT控制端子直接相连时，应采用双股绞线（2转/cm），且距离尽量小。
（2）驱动器与屏蔽板放置要合理，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合；
（4）为了提高栅极抗干扰能力，一般在栅源之间并联电阻或双向箝位稳压管（约为18V），栅极箝位保护电路必须按低电感布线，并尽量放置于IGBT模块的栅极发射极控制端子及附近。
4.3过欠压及死机保护电路
母线过压保护、死机保护、中线不平衡保护母线过压保护、失机保护、中线不平衡保护电路图如下：
死机保护电路图
过欠压及中向不平衡保护电路图
死机保护：
只要变频器投入运行,电路就开始检测主控板上的PWM输出，检测的结果送PLC进行处理，在正常操作运行中，PWM信号一旦停止输出，PLC立即动作，输出一信号去起动安全回路，系统断电进行机械制动，将卷筒抱住，避免溜车。
母线过压保护：
它是检测母线电压的，若回馈或刹车任一电路出故障，造成制动力拒不够，母线电压会急剧上升，造成设备损害，甚至会造成事故。
中线不平衡保护：
它是针对三点平电路而言，若由于某种原因造成中点电位偏移，若偏移量超过极限，会造成功率器件的损坏，于是增加了这部分电路。
它是一个窗口比较器，它以负母线为基准，当检测到的电位高于某一个或低于某一个极限时，电路都会输出一个PLC能识别的信号，变频器急停，从而保护了变频器。
4.4短路、过流及温度保护
（1）
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