通風(fēng)機的變頻調(diào)速驅(qū)動及保護

1、離心式和軸流式通風(fēng)機的工作原理1.1特性曲線在通風(fēng)機系統(tǒng)中，通風(fēng)機的靜壓是控制機外管路損失壓力的動力，而動壓部分一 般難以利用，即都是損失的能量。據(jù)介紹，因為，通風(fēng)機在最佳工況時的動壓頭Pfdy能占到總壓力的10%20%所以,靜壓效率 st是衡量實際經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)。離心式通風(fēng)機的特性曲線前向?qū)~和后向?qū)~有明顯差異如圖1所示。圖1離心式通風(fēng)機特性曲線前者則壓力一流量(Pf (qv)曲線有駝峰形，功率一流量(P qv )曲線呈 上升形，大流量時風(fēng)機有過載產(chǎn)生。后者則壓力一流量(Pf qv)曲線呈遞降形, 功率一流量(P qv)曲線有峰值，大流量時不會過載，效率比前向風(fēng)機稍高一 些。軸流式風(fēng)機

2、典型的特性曲線如圖 2所示。圖2軸流式通風(fēng)機特性曲線其特點：一是升壓曲線有駝峰形。在這一狀況下各種流動損失比較小 ，風(fēng)機 可達最佳狀態(tài)，升壓特性也有良好的穩(wěn)定性；二是在較小流量區(qū)壓力 一流量 (Pf qv)曲線曲線跌落明顯，是不穩(wěn)定工況區(qū)；三是零流量時功率值較大，有 些風(fēng)機還可能處于最大功率狀態(tài)。軸流式通風(fēng)機的特性曲線陡斜有駝峰，工況點只能在駝峰右側(cè)，相對應(yīng)用范 圍較小，適用于礦井阻力變化大而風(fēng)量變化不大的礦井。還有一部分軸流式通風(fēng) 機，在改進裝置后，性能曲線已無駝峰。因離心式通風(fēng)機的特性曲線較平緩，一般沒有駝峰，適用于風(fēng)量變化較小而 阻力變化不大的礦井，所以，離心式通風(fēng)機可用閘門調(diào)節(jié)風(fēng)量，應(yīng)

3、用范圍較廣。 雖然離心式通風(fēng)機最高效率比軸流式通風(fēng)機要高 ，但離心式通風(fēng)機的平均效率 不如軸流式通風(fēng)機高。1.2通風(fēng)機運行 工況點的調(diào)節(jié)在運行中，用戶人為地去改變系統(tǒng)的平衡工作點就是工況的調(diào)節(jié)。 實現(xiàn)調(diào)節(jié) 的途徑：一是改變管網(wǎng)特性，使風(fēng)機特性遷移變化；二是改變風(fēng)機特性，使工作 點沿管網(wǎng)特性曲線遷移變化。前者可通過調(diào)節(jié)閘門開度實現(xiàn) ，方便但不經(jīng)濟；后 者與前者相比有一定的節(jié)能性。調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速對離心式通風(fēng)機和軸流式通風(fēng)機都適用 ，經(jīng)濟性能良好，但投 入較大。軸流式通風(fēng)機性能還可通過改變動葉或靜葉安裝角度、改變?nèi)~輪級數(shù)、改變?nèi)~輪數(shù)量等方法進行調(diào)節(jié)，經(jīng)濟性能良好。離心式通風(fēng)機性能調(diào)節(jié)一般采用閘門調(diào)節(jié)法

4、 ，通風(fēng)阻力較大，經(jīng)濟性能較差, 雖然也可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和采用導(dǎo)流器調(diào)節(jié)的方法，但有一定的局限性或較復(fù)雜性，還未普遍采用。總之，離心式通風(fēng)機的可調(diào)性不如軸流式通風(fēng)機。對現(xiàn)代大型軸流通風(fēng)機的葉輪葉片和導(dǎo)葉葉片的安裝角可以做成可調(diào)節(jié)的，這樣可提高風(fēng)機的運行范圍，使它在經(jīng)濟性能方面比離心式通風(fēng)機有了更廣的 適應(yīng)性。當(dāng)然，由于性能參數(shù)上的不同特點，二者必然有相互不可取代的地方。R為工作風(fēng)阻 H為風(fēng)壓 Q為風(fēng)量 M為工況點二、調(diào)速系統(tǒng) 在煤礦的安全生產(chǎn)中 ,礦井通風(fēng)系統(tǒng)起著極其重要的作用 ,它是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān) 鍵環(huán)節(jié) " 而礦井局部通風(fēng)機又是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一,因此對其進行PLC 控制

5、的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和研究 ,不僅可以大大提高煤礦生產(chǎn)的機械化 !自 動化水平 ,還能節(jié)省大量的電能 ,具有較高的經(jīng)濟效益 "本課題的研究目的是利用 PLC 控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù) ,設(shè)計 局部通風(fēng)機的變頻調(diào)速控制系統(tǒng) "當(dāng)井下掘進巷道延伸時 ,風(fēng)機的管網(wǎng)阻力增加 , 風(fēng)機的出氣風(fēng)量隨之減少 " 為了解決這一問題 ,本課題通過對風(fēng)機實驗特性曲線 的研究 ,提出了一種控制風(fēng)機風(fēng)量的算法 "該控制算法使用壓力傳感器采集管道 的出氣風(fēng)壓信號 ,根據(jù)風(fēng)機的比例定律求出風(fēng)量達到設(shè)定值時風(fēng)機需要達到的轉(zhuǎn) 速 ,再根據(jù)變頻器模擬輸入電壓與風(fēng)機轉(zhuǎn)速的線性關(guān)

6、系 ,求出變頻器模擬輸入電壓 與風(fēng)機出氣風(fēng)壓的理論擬合關(guān)系 " 根據(jù)此擬合關(guān)系 ,就可以由傳感器采集的風(fēng)壓 信號求出相應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓 ,從而改變風(fēng)機輸入電源電壓的頻率 ,調(diào)整風(fēng) 機的轉(zhuǎn)速 ,控制風(fēng)機的出氣風(fēng)量 "礦井通風(fēng)機按結(jié)構(gòu)來分 ,有離心通風(fēng)機和軸流通風(fēng)機 ,目前礦上使用最多的是 軸流通風(fēng)機 " 軸流通風(fēng)機是氣體沿軸向進入旋轉(zhuǎn)葉片通道 ,由葉片與氣體的相互 作用 ,使氣體被壓縮并沿軸向排出的通風(fēng)機 "在兩級的軸流通風(fēng)機中 ,有一種性能 比較好的軸流通風(fēng)機 ） 對旋式軸流通風(fēng)機 ,它的一個葉輪裝在另一個葉輪的后面 , 同時兩個葉輪的旋轉(zhuǎn)方向彼此

7、相反 " 它具有結(jié)構(gòu)尺寸短 ,效率高 ,反風(fēng)性能好的特 點 ,在礦井中的應(yīng)用最為普遍 "礦井通風(fēng)機若按其具體作用來分 ,有 兩種:一種是主通風(fēng)機 （主扇 ）,用來向井下輸送新鮮空氣 ,其流量較大 ,多采用軸流 式的 ,也有用離心式的 ;另一種是局部通風(fēng)機 （局扇 ）,用于礦井中掘進工作面的通風(fēng) 其流量!壓力均小 ,多采用防爆軸流通風(fēng)機。由于礦井通風(fēng)機是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一,其運行狀況直接影響著煤礦的安全生產(chǎn) "目前 ,許多煤礦的主通風(fēng)機控制系統(tǒng)采用繼電器控制 ,而局部通風(fēng) 機采用防爆開關(guān)直接控制供電 "風(fēng)機的啟動 ! 停止依然采用人工完成 ,不能做

8、到根 據(jù)故障情況自動開停風(fēng)機 ,這不利于通風(fēng)機機房管理水平的提高和煤礦的自動化 安全生產(chǎn) 3" 另外,為了控制掘進工作面上的風(fēng)量 ,傳統(tǒng)的方法多采用增阻法 !減阻 法和輔助通風(fēng)機調(diào)節(jié)法 "當(dāng)掘進巷道開始掘進時 ,管網(wǎng)阻力比較小 ,風(fēng)機的出氣風(fēng) 量比較大 ,可減小局部通風(fēng)機橡膠管道的直徑 ,從而間接增加管網(wǎng)的阻力 ,減小風(fēng) 機的出氣風(fēng)量 ;當(dāng)井下掘進巷道延伸時 ,通風(fēng)管網(wǎng)的阻力不斷增加 ,掘進巷道中的 風(fēng)量隨之不斷減少 ,可增加局部通風(fēng)機橡膠管道的直徑 ,從而間接減小管網(wǎng)的阻力 增加風(fēng)機的出氣風(fēng)量 " 若橡膠管道的直徑恢復(fù)到原始大小 ,仍不能滿足掘進工作 面上風(fēng)量的

9、要求時 ,需要串級局部通風(fēng)機或更換大功率的局部通風(fēng)機 "無論使用 何種傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 ,風(fēng)機依然處于工頻恒速運行 ,使得大量的能量從流中損失掉 了 ,這不利于能源的節(jié)約利用 ,而且這種調(diào)節(jié)只適合較長階段的風(fēng)量調(diào)節(jié) ,不能根 據(jù)井下掘進工作面的狀況進行風(fēng)量的及時調(diào)節(jié) "隨著可編程控制器(PLC)和變頻技術(shù)的快速發(fā)展，PLC和變頻器己經(jīng)廣泛應(yīng) 用于各種自動化控制領(lǐng)域 "在煤炭行業(yè)中 ,利用 PLC 控制的變頻器驅(qū)動局部通風(fēng) 機運行,不僅可以實現(xiàn)局部通風(fēng)機的無級平滑調(diào)速 ,還可以根據(jù)管網(wǎng)阻力和瓦斯?jié)?度的變化大小進行風(fēng)量的及時調(diào)節(jié) ,降低風(fēng)機的能耗 ,節(jié)省大量的電能 &

10、quot;同時,該控 制系統(tǒng)具有較高的可靠性和較完善的報警功能 "若再使用組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通 訊技術(shù)對局部通風(fēng)機的運行進行監(jiān)控 ,可使其達到高效 !節(jié)能!安全運行的效果 ,大 大提高煤礦自動化安全生產(chǎn)的水平 "2.2 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用概述 變頻調(diào)速技術(shù)是根據(jù)交流電機電源頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 ,通過改變電源頻率來改變 電機轉(zhuǎn)速的一種技術(shù) "它是隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展,而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能的控制技術(shù) "這項技術(shù)自上個世紀(jì) 80 年代投入工業(yè)應(yīng) 用以來 ,顯示了強勁的競爭力和很大的發(fā)展空間 ,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各種工業(yè)

11、生產(chǎn)領(lǐng)域 ,取得了顯著的高效節(jié)能效果 "。變頻器是變頻調(diào)速技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果 "近幾年來 ,隨著電力電子技術(shù)和計算 機控制技術(shù)的迅速發(fā)展 ,變頻器的價格不斷下降 ,可選擇的類型不斷增多 ,其可靠 性和功能性得到了不斷提高和完善 ,使其在水泵 !風(fēng)機!電梯!空調(diào)等設(shè)備上得到了 廣泛的應(yīng)用 "目前國內(nèi)耗電量最大的電機 ,幾乎一半為風(fēng)機 !泵類負(fù)載 ,因此變頻器 在它們上的應(yīng)用和推廣 ,有利于能源的節(jié)約利用 "。通風(fēng)機在煤礦上的使用占有很大的份量 ,是煤礦生產(chǎn)中最大的耗電設(shè)備 "采用 傳統(tǒng)的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量 ,使得大量能量從節(jié)流中損失掉了 "據(jù)

12、統(tǒng)計 ,使用傳統(tǒng)的方法 調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)量 ,運行效率通常為 40%60%,只有少數(shù)能達到 70%,有的僅是 30%, 甚至更低 ,因此變頻器在礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用很有必要 "一般地來講 ,將變頻器應(yīng) 用在礦井通風(fēng)機上 ,具有以下的功能和優(yōu)點。(1) 可以實現(xiàn)風(fēng)機的無級平滑調(diào)速 ,及時滿足礦井生產(chǎn)的風(fēng)量需求 ,提高 風(fēng)機的運行效率 ,節(jié)省大量的電能損耗 "。(2) 限制風(fēng)機的啟動電流 ,減少啟動時的峰值功率損耗 ,消除電機起動和 停止時 ,對機械和電氣元件的沖擊 ,延長其使用壽命 "。(3) PLC 控制技術(shù)和變頻器結(jié)合使用 ,可以使通風(fēng)系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功 能和高可靠

13、性 ,減少通風(fēng)機的檢修和維護的工作量 ,節(jié)約設(shè)備的費用 "。(4) 變頻器自身的保護功能齊全 ,有欠電壓保護 !過電壓保護 !過電流保 護、短路保護、風(fēng)機軸承過熱保護等 ,使風(fēng)機安全運行的可靠性得到大大提高II"。基于以上的優(yōu)點 ,國內(nèi)有許多研究所和高校都在致力于變頻調(diào)速技術(shù)在礦井 通風(fēng)機上的應(yīng)用和研究"如變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合模糊控制在礦井局部通風(fēng)機上應(yīng)用 以及重慶煤研所設(shè)計的 KXJT型礦用通風(fēng)機自動調(diào)速裝置，在煤礦的安全生產(chǎn)中 都具有比較好的節(jié)能！自動化控制效果11.H.21"近年來，有些老煤礦在引進礦井通 風(fēng)機的成套通風(fēng)設(shè)備時，還對舊的通風(fēng)機繼電器控制

14、系統(tǒng)進行變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 地改造"如神火煤炭公司楊村礦南風(fēng)井的主通風(fēng)機，實施變頻調(diào)速技術(shù)改造后，每 年可節(jié)約電費約56萬元1.3,大同市馬口煤礦和常圈溝煤礦對井下軸流通風(fēng)機進 行變頻調(diào)速改造后，風(fēng)機啟動平穩(wěn)，無沖擊電流，并可及時調(diào)節(jié)風(fēng)壓，風(fēng)量?？傊?，許多己經(jīng)改造過的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過多年的投入運行表明，變頻調(diào)速技 術(shù)在礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用，不僅節(jié)省了大量的資金和電能，還大大提高了煤礦安全 生產(chǎn)的自動化!機械化水平"。2.3風(fēng)機變頻調(diào)速原理及系統(tǒng)設(shè)計2.3.1變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用2.3.2變頻調(diào)速的基本原理在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，生產(chǎn)機械需要電機拖動來滿足生產(chǎn)工藝的要求&quo

15、t;交流異步電機以其體積小！重量輕！價格低廉!運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在機械的電力傳動中 應(yīng)用最為普遍"但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調(diào)速，它的調(diào) 速問題一直比較困難"經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機的調(diào)速方 式，如異步電機的變極調(diào)速！定子電壓調(diào)速！轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速！串級調(diào)速！變頻調(diào)速等 "目前,使用最廣泛,效果最好的還是變頻調(diào)速，變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電 機調(diào)速困難的問題得以解決"。由電動機的拖動原理，可知交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達式為：n60pf1(1 s)601 (1 s)2 Pfi 定子電源頻率；1相應(yīng)的角頻率；p -異步

16、電機的磁極對數(shù):1f電動機的轉(zhuǎn)差率"sns n1ns1ns -異步電機的同步轉(zhuǎn)速:1固有角頻率"60 fi60 1nsP2 P可以看出，如果改變輸入到異步電機定子繞組的電源頻率廠，就可以改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n:和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速""由電機學(xué)知識可知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速"總是小 于同步轉(zhuǎn)速n:,而且它是隨著同步轉(zhuǎn)的變化而變化的"當(dāng)電源頻率五增加時，同步 轉(zhuǎn)速n:增加，交流異步電機的實際轉(zhuǎn)速"也增加"反之，當(dāng)電源頻率廠降低，同步轉(zhuǎn)速 n,降低，交流異步電機的實際轉(zhuǎn)速n也降低"這種通過改變電源頻率來改變交流電動機

17、轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速 "在變頻調(diào)速技術(shù)中，使用變頻器向電動機提 供頻率可變的電源，去改變電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速的驅(qū)動變頻調(diào)速的驅(qū)動一般用IGBT來驅(qū)動，IGBT是一個三端器件，具有柵極G、 集電極 C和發(fā)射極 E。圖3-3給出了一種由 N溝道VDMOSFET( Virtical Double Diffused MOSFET)與雙極型晶體管組合而成的 IGBT的基本結(jié)構(gòu)。通 過比較可以看出，IGBT比VDMOSFET多了一層P+注入?yún)^(qū)，因而形成了一個 大面積的P+ N+結(jié)J1。這樣使得FIGBT具有很強的通流能力，其等效簡化電路 如圖3-4所示，可以看出這是雙極型晶體管與 MOS

18、FET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相 當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。圖中RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的 調(diào)制電阻。因此，IGBT同MOSFET 樣是場控器件。其開通和關(guān)斷是由柵極 和發(fā)射極間的電壓 Uge決定的，當(dāng) Uge為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。當(dāng)柵極和發(fā)射極施 加反相電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管舞基極電流，IGBT 關(guān)斷。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū) 來回轉(zhuǎn)換。圖3 3 IGBT結(jié)構(gòu)圖圖3 4 IGBT等效簡化圖電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接

19、口，對整個裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義，所以電力電子器件都有一定 的驅(qū)動要求，根據(jù)IGBT的工作特性，可以將IGBT驅(qū)動電路的要求歸納如下：1）IGBT是電壓型驅(qū)動器件，柵射極之間存在數(shù)千皮法左右的極間電容。 因此，驅(qū)動電路的內(nèi)阻應(yīng)盡可能小，以提供足夠大的充放電電流，縮短開關(guān)時間 和降低開關(guān)損耗。因此驅(qū)動電路與 IGBT的連線應(yīng)盡可能的短。2） 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容放電，以保證柵極控制電壓UGE足夠陡 的前后沿，降低IGBT的開關(guān)損耗；IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠 電壓，使IGBT工作在飽和狀態(tài)，減少損耗。3）驅(qū)動電平UGE要綜合考慮，當(dāng)UGE正向增大時，IGB

20、T通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時的集電極電流IC增大，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此 Uge不能過大，一般選1520V。在IGBT反 向關(guān)斷時，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，須施加一負(fù)偏壓UGE，但它受IGBT的柵射極間最大反向耐壓限制，一般取110V。4） 需要提供良好的過電壓和過電流保護功能，同時du/dt保護和di/dt保 護也是必要的。IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能使用簡單，并有很強的抗干擾能力。驅(qū)動電路同時還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。柵極電壓進入穩(wěn)定階段，柵極幾乎不從驅(qū)動電路取電流，因此場控器件所要求的 驅(qū)動功率不大，人們把門極驅(qū)動電路集

21、成在一片芯片內(nèi)， 同時也增加了各種保護 功能和與微處理器接口的邏輯電路。目前，對IGBT都有現(xiàn)成的驅(qū)動模塊可供選用，如三菱公司專門為IGBT設(shè)計的專用集成驅(qū)動電路 M579系列。日本富士電機公司的 EXB驅(qū)動電路和 西安的HL402等驅(qū)動電路也有廣泛的應(yīng)用。市場上還有一種專用的驅(qū)動器，可 以驅(qū)動一個橋臂上的兩個 IGBT，如美國IR公司的IR2100。本文采用富士電 機公司的EXB841作為IGBT的驅(qū)動電路，EXB841與IGBT的實際接線圖 如圖3 5所示，EXB841的原理圖如圖3 6所示，驅(qū)動電路由信號隔離器、 驅(qū)動放大器、低速過流切斷電路、柵極關(guān)斷電源等五部分組成，下面簡單介紹一 下

22、其原理。-c，v IOBT圖3-5 EXB841接線圖1）正常開通過程當(dāng)控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15有10mA的電流流過時，圖中光 藕器ISOI就會導(dǎo)通，A點電位迅速下降到 0V，使V1和V2截止，V2截止 使D點電位上升到接近 20V, V4導(dǎo)通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電 阻RG向IGBT提供電壓及極間電容的充電電流，使之迅速導(dǎo)通。2）正常關(guān)斷過程控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光藕合器 ISOI不通，A 點電位上升使 V1和V2導(dǎo)通；2導(dǎo)通使V4截止，V5導(dǎo)通，IGBT柵極電 荷通過V5迅速放電，使 EXB41的腳3電位迅速下降至 0V（相

23、對于EXB841 腳1低5V），使IGBT可靠關(guān)斷，UCE迅速上升，使EXB841的腳6懸空” 與此同時，V1導(dǎo)通，C2通過V1更快放電，將B點和C點電位鉗在0V左 右，使VZ1仍不通，后繼電路不會動作，IGBT正常關(guān)斷。3）IGBT的過流保護IGBT模塊的耐壓值高、電流通斷能力強，但它的過流能力卻比較差，過流保 護顯得極其重要。IGBT通常只能承受10 fs的短路電流，因此，必須要有快速 保護電路才能有效地保護IGBT , EXB841驅(qū)動模塊內(nèi)含保護電路，在以上原理圖中，過流保護部分由 VI、V3、VD6、 VZI、 C2、R4、R5、R6、C3、R7、 R8、C4等組成，它們實現(xiàn)過流檢測

24、和延時保護功能，EXB 841的腳6通過快速二極管VD7接至IGBT的集電極，顯然它是通過檢測電壓 Uce的高低來判 斷是否發(fā)生短路。當(dāng)IGBT正常導(dǎo)通，則 V1和V2截止，V4導(dǎo)通，V5截 止，B點和C點的電位穩(wěn)定在8V左右，VZI不被擊穿，V3不通，E點電位 保持為20V,二極管VD6截止。當(dāng)發(fā)生短路時，IGBT承受大電流而退飽和， Uce上升很多，二極管 VD7截止，則EXB841的腳6懸空” B點和C點 電位開始由8V上升，當(dāng)上升至13V時，VZ1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7 和V3放電，E點電位逐漸下降，二極管VD6導(dǎo)通時，D點電位也逐漸下降， 從而使EXB 841的腳3電位也逐漸

25、下降，緩慢關(guān)斷IGBT 。3.3保護電路的設(shè)計在變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路中， 由于電力電子器件頻繁工作在開通和關(guān)斷中，逆變器工作在一個電流電壓脈動比較大的環(huán)境下，為了保護這些電力電子器件，同時也為了調(diào)試上的方便， 需要設(shè)計許多保護電路， 如泵升回路、過壓和欠壓保護電路，過流保護電路。泵升回路和過壓、欠壓保護電路共用一個采樣點，而過壓、欠壓保護電路、過流保護電路共用一個 LM339模塊。3.3.1泵升回路的設(shè)計在主回路中，直流電源電壓 Ud兩端并聯(lián)較大容量的電解電容，它除了可以 減少直流電源電壓的脈動外，還可做儲能用。由于逆變器直流側(cè)采用三相不可控 整流，感應(yīng)電動機減速或停車時，存儲在電動機轉(zhuǎn)子和負(fù)

26、載中的機械能不可能回 饋給電網(wǎng)。大部分機械能變?yōu)殡娔芊答伒诫娙葜?，電容吸收了這些電能后，它兩端的電壓就會升高產(chǎn)生所謂的泵升電壓 U，如圖3-7所示。如果不對此電壓 進行限制，它將造成IGBT的永久性損害。發(fā)生泵升電壓是電動機制動過程不 可避免的現(xiàn)象，為此要給制動過程提供一條能量釋放的途徑（見主電路3-2的R4、Q2,）檢測、控制泵升電壓的電路如圖3-9所示。AUA?/rA1f0t圖3-7泵升電壓現(xiàn)象理J0%圖38泵升環(huán)寬上下限Bensli OUT圖39泵升電壓限制電路泵升電壓控制電路中滯環(huán)比較器的上、 下限是十分重要的，如圖3 8所示, 滯環(huán)的作用是保證功率管 Q2的開關(guān)頻率在允許的范圍內(nèi)。滯

27、環(huán)的選擇原則是： 泵升環(huán)寬的上下限 U2取正常直流電壓的1.15倍（即泵升電壓限制在15% Ud, 亦即618V）同時環(huán)寬上限要低于過電壓整定值（本系統(tǒng)過電壓整定值為 670V）。 下限U ,整定值略高于電網(wǎng)允許向上波動的最大值（即為10%）。因為電壓波動屬 于正?，F(xiàn)象，不能誤認(rèn)為是泵升。圖3 9的工作原理：當(dāng)回饋的能量使電容兩端電壓超過設(shè)定值的上限值 U2時，比較器的輸出為高電平，通過 Bensh_OUT驅(qū)動功率開關(guān) Q2使其飽和 導(dǎo)通，把反饋到電容 C上的能量消耗在分流電阻 R4上。R4阻值的選擇以分 流電流大于或等于電動機允許的最大制動電流為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)電容兩端電壓小于U1時，分流電路不能馬

28、上關(guān)斷，而是繼續(xù)分流，直到其電壓小于U1時，比較器的輸出為正信號，關(guān)斷功率管 Q2。若能量回饋沒有結(jié)束，電容電壓還會上升，當(dāng) 再次超過U1時，Q2將再次導(dǎo)通。當(dāng)沒有泵升現(xiàn)象發(fā)生時，泵升管 Q2截止， 放電電阻不消耗能量。3.3.2過壓及欠壓保護電路的設(shè)計如前所述，系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、欠壓保護電路。因為IGBT集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，在重負(fù)荷時線電 壓通常小于380-10%,而在用電低谷期線電壓高達 440V，如此大的電壓變化范圍，會導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、欠壓保護電路，如 圖3-10所示。直流電壓保護信號取自主回路濾波電容器兩端

29、，經(jīng)電阻R2, R3分壓和光耦隔離后送入控制電路。光電耦合器是用來抑制輸入信號的共模干擾。 利用光電耦合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信號源隔離開來，也就是把模擬地”與數(shù)字地”斷開。被測信號通過光電耦合獲得通路，而共模干擾由于形不成回路而 得到有效抑制。注意在這里此隔離光耦是工作在線性工作區(qū)內(nèi)。電壓保護電路的工作原理如下：正常狀態(tài)下，采樣電壓小于給定電壓，比 較器輸出高電平，當(dāng)故障發(fā)生時，采樣電壓大于給定電壓，比較器輸出低電平，發(fā)光二極管D1點亮。欠壓保護電路的工作原理如下：正常狀態(tài)下，采樣電壓 高于給定電壓，比較器輸出高電平，當(dāng)故障發(fā)生時，采樣電壓低于給定電壓，比 較器輸出低電平，發(fā)光二極管D2點亮

30、。OV_OUT為過壓保護輸出端子，UV_OUT為欠壓保護電路輸出端子，再經(jīng)與門送中斷信號到控制電路。圖3 - 10過壓、欠壓保護電路及限流啟動電路3.3.3過流保護電路的設(shè)計IGBT雖可承受短時間的過流，但一旦超出安全區(qū)，則將被永久性地?fù)p壞， 所以要設(shè)置快速的過流保護電路。系統(tǒng)在變頻器直流回路設(shè)置一個電流霍爾元件 LA509P，把電流轉(zhuǎn)換成電壓信號后接入圖3-11所示的保護電路中，形成過流保護。當(dāng)發(fā)生過流故障，OC_OUT輸出低電平，發(fā)光二極管 D4被點亮，與其 它故障信號相與后送入微處理器的中斷口，響應(yīng)中斷服務(wù)程序，封鎖SPWM的輸出。334限流啟動電路的設(shè)計此電路是用來防止在電機起動過程中

31、，電容充電電流過大損壞硅堆，如圖 3-10所示。當(dāng)電機起動時，起動電流很大，為了保護整流硅堆，在主電路上串 接入限流電阻R1,當(dāng)濾波電容上電壓達到電機正常運行的65%時，電壓繼電器常開觸頭閉合，將電阻 R1短路，結(jié)束限流起動過程，進入正常運行狀態(tài)。限流啟動電路工作原理與過壓、欠壓保護相類似。控制信號也是從主回路濾 波電容器兩端取出，經(jīng)電阻 R10, R11分壓和光耦隔離后送入比較電路的。當(dāng)采 樣信號高于參考電壓，則運放輸出高電平，驅(qū)動管Q1導(dǎo)通，電壓繼電器動作，其常開觸點閉合，將主回路中的限流電阻R1短路。在繼電器吸合到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使晶體管集電極

32、承受 很高電壓，有可能損害驅(qū)動管，為此在線圈兩端并接一個續(xù)流二極管。2.4變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速分為基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速，基頻以下調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 方式，基頻以上調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控 制裝置。變頻器分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器， 我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 一直一交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻）， 先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、 電壓均可控制的交流電源以供給電動機。 變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán) 節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整

33、流部分為三相橋式不可控整流器， 逆變部分為 IGBT三相橋式逆變器，且輸出為 PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能 和緩沖無功功率。根據(jù)以上的分析可知，只要改變異步電動機的輸入電源頻率廠就可以改變電 機的轉(zhuǎn)速，但實際上，只改變廠并不能實現(xiàn)正常的調(diào)速"這是因為不的改變會引起 電動機一些物理量的變化，從而影響到電動機的機械特性和轉(zhuǎn)差率等調(diào)速指標(biāo)的 變化,所以我們必須采取一些控制方式來處理這個問題"一般地來說,VVVF變頻有以下三種情況的控制方式。1.電源頻率低于工頻范圍調(diào)節(jié)電機定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢公式：Ei 4.44 fWRw! !W電機定子繞組匝數(shù)的常數(shù)Rwi繞組系數(shù)i電機每極磁通 定子電壓認(rèn)與定子繞組感應(yīng)電動勢月的關(guān)系為：Zi 定子繞組每相阻抗ii 定子繞組相電流若忽略定子壓降IiZi，則UiEiKiU i Ei I iZiEi 4.44fiWRwi i，可簡化為:Kfi i(2-6)4.44WRwi