礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置設(shè)計

1、礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置設(shè)計沈振強(qiáng)1 2 周少武1 陳婷1 劉兵 2（1，湖南科技大學(xué)信息與電氣學(xué)院，湖南 湘潭 411201）（2，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 長沙 410151）摘 要：電機(jī)的變頻調(diào)速是當(dāng)代交流調(diào)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(hù)、交流電動機(jī)的變頻調(diào)速等功能。關(guān)鍵詞：通風(fēng)機(jī)；變頻調(diào)速；IGBTO引言在電力系統(tǒng)拖動中，應(yīng)用最普遍的是標(biāo)準(zhǔn)系列的普通籠型異步電機(jī)和同步電機(jī)。這些電機(jī)使用變頻器進(jìn)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

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(shù)就是利用新型的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)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(dá)到變壓或者控制電壓的脈沖寬度和脈沖列周期達(dá)到變頻變壓，是一種新型的控制技術(shù)2。1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計礦用通風(fēng)機(jī)是礦山安全的重要設(shè)備，傳統(tǒng)的礦用通風(fēng)機(jī)采用直流驅(qū)動，故障率高，維護(hù)困難。交流電傳動已成為電氣傳動的主要手段。本文應(yīng)用交流變頻技0術(shù)，以ARM處理器為核心，設(shè)計出礦山通用通風(fēng)機(jī)的控制裝置。系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)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(qū)動電路、各種保護(hù)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(shè)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(jìn)行放大，阻抗轉(zhuǎn)換等處理。然后采用Burr-Brown公司的ADS7841E進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。ADS7841E一個16位精度4通道采用SPI傳輸方式的芯片4。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示： 圖2 ADS7841E內(nèi)部框圖2.2 IGBT驅(qū)動電路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(shè)計，用直流15V電源驅(qū)動，開關(guān)頻率達(dá)100KHZ，

4、具有長壽命和高可靠等性能，可以驅(qū)動1200A 、1700V的IGBT器件5。電路如圖3所示：圖3 IGBT驅(qū)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(dá)9個的外部中斷，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(yīng)于協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式調(diào)制解調(diào)器、通信網(wǎng)關(guān)以及其它各種類型的廣泛應(yīng)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(fēng)機(jī)進(jìn)行分析設(shè)計。31主電路設(shè)計在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主電路作為直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(hù)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(jī)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(jī)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(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計，建立在ARM開發(fā)平臺ADS1.2的基礎(chǔ)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(jié)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(diào)速裝置軟硬件的設(shè)計，并成功應(yīng)用于礦山通風(fēng)機(jī)交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 張立等.現(xiàn)代電力電子

8、技術(shù)器件、電路及應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社,2002：6 19.2 達(dá)善榮.煤礦風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的研究J.煤礦機(jī)電2000年第四期：37.3 彭 軍.三相交流電機(jī)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及研究D.電子科技大學(xué),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(qiáng)，男，1973-，湖南湘潭人，碩士研究