煤礦提升機(jī)畢業(yè)論文

1、. . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān) 題 題 目 礦山提升機(jī) 摘要本文介紹了礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)中的一些技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，并且輸出轉(zhuǎn)矩大，再生能量能夠回饋電網(wǎng)。本設(shè)計(jì)采用intel公司的低功耗16位單片機(jī)N87C196MC作為主控芯片，其部集成了三相波形發(fā)生器，非常適合三相異步電機(jī)的變頻調(diào)速。功率器件采用EUPEC公司（歐派克）的第三代IGBT (FF400R12KE3),導(dǎo)通壓降低1.7V,使功率器件的自身功耗大幅度降低?？刂菩盘?hào)采用光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)了高壓部分和低壓部分的隔離，提高了抗干擾能了。關(guān)鍵詞：礦山提升機(jī) 變頻調(diào)速系統(tǒng) 能量回饋Abstract:The paper

2、 introduces mine hoist variable frequency speed regulation system, some technical problems in the design is discussed, the continuous adjustable speed and torque, renewable energy to be able to give back to the grid.This design USES the Intel company low-power 16-bit single chip N87C196MC as control

3、 chip, its internal integration of the three-phase waveform generator, very suitable for three-phase asynchronous motor inverter. Power devices using EUPEC company (the third generation of European parker) FF400R12KE3), IGBT (conduction pressure, reducing power components and 1.7 V of their consumpt

4、ion greatly reduced. By using optical fiber transmission control signals, and low voltage isolation, improve the partial interference.Keywords: mine hoist speed-adjusted system energy feedback目錄1 礦山提升機(jī) 71.1 引言71.2 礦山提升機(jī)對(duì)變頻器的要求72 提升機(jī)變頻器主電路 82.1 功率器件82.2 變頻調(diào)速的原理92.3 主回路原理圖122.4 逆變單元并聯(lián)143 提升機(jī)變頻器的制動(dòng) 163

5、.1 直流制動(dòng)163.2 能耗制動(dòng)163.3 能量回饋164 外圍硬件電路 194.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路194.2 光纖接受電路 224.3 過(guò)欠壓與死機(jī)保護(hù)電路 234.4 短路、過(guò)流與溫度保護(hù) 244.5 交流接觸器延時(shí)自充電延時(shí)板 265 微機(jī)電路 295.1交直變換部分295.2 能耗電路部分 305.3 直交變換部分 305.4 緩沖電路 306 參考文獻(xiàn) 327 致 33第一章 礦山提升機(jī)1.1 引言交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)已在泵類(lèi)、風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載上得到廣泛應(yīng)用，并且還在大面積的推廣。但大多數(shù)礦山提升機(jī)還在沿用著傳統(tǒng)的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，能量

6、處理不利，運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)，故障率高。礦山生產(chǎn)是24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，即使段時(shí)間停機(jī)維修也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大損失。礦山對(duì)提升機(jī)的技術(shù)改造要求迫切，迫在眉睫。那么，為什么變頻調(diào)速未能與時(shí)搶占這塊市場(chǎng)呢？這是因?yàn)榈V山提升機(jī)對(duì)變頻器的要求確實(shí)難了些，不可能把風(fēng)機(jī)、水泵用的變頻器直接用到提升機(jī)上。1.2 礦山提升機(jī)對(duì)變頻器的要求主井絞車(chē)的主要任務(wù)是向上提煤，提升方式采用一噸標(biāo)準(zhǔn)式礦車(chē)串車(chē)提升，一次提升量為6噸，根據(jù)絞車(chē)的工作狀況，對(duì)配用的變頻器用如下要求：1、 礦山電壓波動(dòng)大，要求變頻器在380 +20%能正常工作。2、運(yùn)行平穩(wěn)，盡量減少運(yùn)行中的機(jī)械沖擊。3、能夠四象線運(yùn)行。4、要求變頻器在整個(gè)工作過(guò)程中提

7、供所需的力矩特性:（1）啟動(dòng)力矩要大，特別是當(dāng)?shù)V車(chē)停在井筒中間時(shí)，要求啟動(dòng)力矩比額定力矩大的多，若力矩不足，可能出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)礦車(chē)下滑的現(xiàn)象。啟動(dòng)力矩大于2倍額定力矩，低速力矩要求在6HZ時(shí)大于1.6額定力矩。（2）運(yùn)行中若出現(xiàn)偶然事件，要求快速停車(chē)時(shí)，應(yīng)能給出大的制動(dòng)力矩。（3）當(dāng)下放絞車(chē)或減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)有可能處于發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)變頻器應(yīng)能把再生能量回饋導(dǎo)電網(wǎng)。（4）提升機(jī)一個(gè)提升周期約為 4分鐘，一天提升 250次左右，頻繁啟動(dòng)、頻繁加減速，要求變頻器具有很高的靈活性和可靠性。（5）過(guò)載能力:1、160% 額定電流，允許1分鐘2、220%額定電流，允許1.5秒三種制動(dòng)方式：（1）直流制動(dòng)（2）回

8、饋制動(dòng)，帶有能量回饋單元，將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量回饋給電網(wǎng)。（3）能耗制動(dòng)，用好能電阻絲消耗再生能量安全保護(hù)功能要求變頻器具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載 、短路、溫升等多種保護(hù)功能。第二章 提升機(jī)變頻器主電路2.1 功率器件電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論是變頻器發(fā)展的支柱。電力電子器件由最初的半控器件SCR，發(fā)展為全控器件GTO晶閘管、GTR、MOSFET、IGBT,到今年研制出的IPM，單個(gè)器件的電壓值和電流值的定額越來(lái)越大，工作速度越來(lái)越高，驅(qū)動(dòng)功率和管耗越來(lái)越小。變頻技術(shù)的核心控制由單片機(jī)完成，這些新技術(shù)和自動(dòng)控制理論使變頻器的容量越來(lái)越大，功能越來(lái)越強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用EUP

9、EC公司的第三代IGBT。下面簡(jiǎn)單談一下IGBT IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）全名絕緣柵極晶體管，它具有MOS和BJT雙重功效。它是八十年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合器件。由于它將MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)集于一身，從輸入上看，IGBT具有MOSFET的輸入特性：輸入阻抗高，屬電壓控制元件，因而驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，速度快、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，從輸出側(cè)看，它具有BJT的輸出特性：通態(tài)電壓低耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，倍受歡迎，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、中頻和開(kāi)關(guān)電源以與要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代MOSFET和GTR 的趨勢(shì)。現(xiàn)在IGBT耐壓有1200V,17

10、00V,3300V級(jí)，電流可達(dá)幾百安，上千安，開(kāi)關(guān)頻率十幾K,這些技術(shù)指標(biāo)均可滿足變頻器的要求。FF400R12KE3部封裝了兩個(gè)串聯(lián)的IGBT，額定電壓為1200V,額定電流為400A，導(dǎo)通壓降為1.7V。部電路如下圖： 部等效電路圖 外部俯視圖柵極驅(qū)動(dòng)電壓IGBT開(kāi)通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和 ，并使 通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。在任何情況下，開(kāi)通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓 ，應(yīng)該在12 20 V之間 。當(dāng)柵極電壓為零時(shí) IGBT處于斷 態(tài) 。 但 是 ， 為了保證IGBT在集電極發(fā)射極電壓上出現(xiàn) dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷 ，必須在柵極上施加

11、 一個(gè)反向關(guān)斷偏壓 ，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗 。反向偏壓應(yīng)該在 5 15 V之間 。2.2變頻調(diào)速的原理（1）VVVF 變壓變頻變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。提升機(jī)變頻器采用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency )調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p s=(n1-n)/n1 P:電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) n1:同步轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，由三種方法：1. 變p,只可跳變，不能連續(xù)調(diào)速，有局限性2. 變s,調(diào)速圍越寬，系統(tǒng)效率越低 3. 變f,可連續(xù)大圍調(diào)速，轉(zhuǎn)差率小，效率高n與f 成正比，通過(guò)改變f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)f

12、在0-50hz圍變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。 但僅改變頻率，電機(jī)將被燒壞，尤其當(dāng)頻率降低時(shí)，問(wèn)題更突出。 三相異步電動(dòng)機(jī)每相繞組的反電動(dòng)勢(shì)公式：E=4.44f*N*K*=c*E/f 與 V/F成比例 其中： E：為每相定子繞組的反電動(dòng)勢(shì) N：為每相定子繞組的匝數(shù) K：為系數(shù)為了保持磁通不變，故必須保持V/F恒比。 如果磁通太弱就等于沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，過(guò)大的勵(lì)磁電流會(huì)使繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變f的同時(shí)，也改變U.(2) 在頻率低于供電的額定電源頻率時(shí)屬

13、于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。變頻器設(shè)計(jì)時(shí)為維持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，必須維持每極氣隙磁通不變，從公式可知，也就是要使E/f=常數(shù)。這是在忽略定子漏阻抗壓降的前提下，可以認(rèn)為供給電機(jī)的電壓U與頻率f按一樣比例變化，即U/f=常數(shù)。    但是在頻率較低時(shí)，定子漏阻抗壓降已不能忽略，從而導(dǎo)致主磁通和輸出轉(zhuǎn)矩下降，因此要人為地提高定子電壓U，以作漏抗壓降的補(bǔ)償，維持E/f常數(shù),保證主磁通基本不變。因此這種方法被稱為電壓補(bǔ)償（轉(zhuǎn)矩提升）。此時(shí)變頻器輸出U/f關(guān)系如下圖中的曲線2，而不再是曲線1。（3）控制方式SPWM微機(jī)控制的SPWM算法有多種，常用的有自然取樣法和規(guī)則取樣法。自然取樣法圖

14、（a）采用計(jì)算的方法尋找三角載波U與參考正弦波UR的交點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)值以確定SPWM的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，但是計(jì)算量大，難以做到實(shí)時(shí)控制，用查表法將占用大量存，調(diào)速圍有限，一般不采用。規(guī)則取樣法圖（b）采用近似求U和UR交點(diǎn)的方法，通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線與UR的交點(diǎn)作水平線與兩個(gè)三角波分別交于A和B點(diǎn)，由交點(diǎn)確定SPWM的脈寬，這種方法計(jì)算量相對(duì)自然取樣法小的多，但存在一定誤差。本設(shè)計(jì)采用第二種方法。1.2 等效面積法把一個(gè)正弦半波分為N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積一樣的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合，這樣，由N個(gè)等幅而不等

15、寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形就與正弦半波等效，顯然這一系列脈沖波形的寬的和開(kāi)關(guān)時(shí)刻可以嚴(yán)格地用數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到。如圖2所示，在區(qū)間t,t+t，正弦波面積為S1,則有：式中M為調(diào)制深度，Us為直流電源電壓。對(duì)應(yīng)圖中脈沖面積S2=*Us/2將正弦信號(hào)的正半周N等分，則每份為/N弧度，由圖知脈沖高度為,設(shè)脈沖寬度為2/SUK，則第K份正弦波面積與對(duì)應(yīng)的第K個(gè)SPWM脈沖面積相等，解得：如下圖所示，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間按如下計(jì)算：IGBT開(kāi)啟時(shí)刻：Ton=(t-k)/2=1/(2Fn)-k/2IGBT關(guān)斷時(shí)刻：Toff=(t+k)/2=1/(2Fn)+k/22.3 主回路原理圖根據(jù)直流濾波環(huán)節(jié)的不同，交-直

16、-交調(diào)速可以分為電壓型和電流型。直流環(huán)節(jié) 主回路原理圖 （1）交-直-交變頻器的主回路先把工頻交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電送入到逆變電路 ，由于剛上電時(shí)，電解電容兩端的電壓為零，所以直流回路和回饋輸出部分都串有限流電阻，防止充電電流過(guò)大損壞電解電容和整流二極管，延時(shí)一段時(shí)間后并聯(lián)在限流電阻兩端的交流接觸器會(huì)降其短接。變頻器主電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)，逆變幾部分組成，而提升機(jī)變頻器多了回饋部分。整流部分為三相橋式不可控整流電路，逆變部分為IGBT三相逆變器，輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)采用電解電容濾波，直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率.當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)

17、處于發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)逆變電路的與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管在完成續(xù)流的同時(shí)，又起到了三相全波整流的作用，使得再生能量能夠倒灌，為電解電容充電，使母線電壓升高，但升高到一定程度時(shí)，回饋電路工作，把再生能量回饋導(dǎo)電網(wǎng)。制動(dòng)電阻：再生制時(shí)，雖然回饋電路工作把再生能量回饋導(dǎo)電網(wǎng)，但并不能保證完全回饋，如果母線電壓繼續(xù)上升，這時(shí)對(duì)IGBT和電解電容都非常危險(xiǎn)。因此，須將再生到直流電路的能量消耗掉電阻上，使母線電壓不至于過(guò)高，這樣提高了提升機(jī)變頻器的安全。主回路IBGT吸收電路，其中圖3A是由一個(gè)無(wú)感電容組成，適用于小功率設(shè)計(jì)，用作對(duì)瞬變電壓有效吸收而低成本的控制。隨著功率級(jí)別的增大，這種緩沖電路可能會(huì)同母

18、線寄生電感作減幅振蕩，此時(shí)采用如圖3B所示的電路結(jié)構(gòu)，使用快恢復(fù)二極管箝住瞬變電壓，從而抑制諧振的發(fā)生。 （2） 直流電抗器二極管鎮(zhèn)流器雖然是全波整流，但由于其輸出端有濾波電容的存在，只有當(dāng)交流電壓大于電容兩端的電壓時(shí)，才有電流流通，交流電壓低于電容兩端的電壓時(shí)，電流終止，因此輸入程脈沖波形，加輸入電抗器功率因數(shù)提升65%-75%，而直流電抗器可提升90%。電抗器的阻抗 Z=JwL=J2*L/T電抗器的阻抗壓降 U=2*f*L*I 因?yàn)槭请妷盒偷淖冾l器，所以要求電抗器的阻抗壓降 U=2*f*L*I3%*母線電壓。2.4 逆變單元并聯(lián)由于提升機(jī)變頻器輸出功率大，工作電壓為380V，這就要求提升機(jī)

19、變頻器有很大的輸出電流的能力。因此本設(shè)計(jì)采用逆變單元并聯(lián)的方式。四個(gè)一樣的逆變單元并聯(lián)輸出，輸出通過(guò)均流電抗器進(jìn)行均流。四單元并聯(lián)接線如下圖： 四單元并聯(lián)接線圖 均流電抗器的連接圖由于均流電抗器的作用，強(qiáng)制四個(gè)逆變單元的電流限等。這種方法與功率器件的直接并聯(lián)得到大容量輸出相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：1、功率器件直接并聯(lián)運(yùn)行，要求并聯(lián)的器件參數(shù)一致性好，同時(shí)對(duì)于裝配工藝要求特別高，而采用單元并聯(lián)，由于均流電抗器的作用,可以不要求器件選配。只要均流電抗器選的合適，可以很容易將均流誤差限制在5%之，這是功率器件直接并聯(lián)難以達(dá)到的結(jié)果。2、器件直接并聯(lián)的總?cè)萘颗c個(gè)器件容量的總和并不相等，即功率器件直接并聯(lián)時(shí)必須

20、降額使用，并聯(lián)數(shù)目越多，降額約大，但并聯(lián)數(shù)量達(dá)到一定程度是之后，增加并聯(lián)器件的數(shù)量，對(duì)增加容量的作用甚小。即使說(shuō)，器件直接并聯(lián)器最大容量值是有限制的。第三章 提升機(jī)變頻器的制動(dòng)3.1 直流制動(dòng) 直流制動(dòng)是以pwm方式向電機(jī)的某一繞組施加一定占控比得直流脈沖，使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)維持某一恒定方向不變，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)力矩而起到剎車(chē)作用 主令控制器給出“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”命令后，如果沒(méi)有給出“松閘”信號(hào)，變頻器會(huì)在電機(jī)上施加直流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，確保松開(kāi)制動(dòng)閘過(guò)程中重車(chē)不下滑。在給出“松閘”信號(hào)后，變頻器開(kāi)始運(yùn)行。制動(dòng)油泵開(kāi)啟后，若不小心松開(kāi)制動(dòng)閘觸動(dòng)“松閘”行程開(kāi)關(guān)，變頻器接收到“松閘”信號(hào)，同時(shí)在電機(jī)上

21、施加直流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，確保重車(chē)不下滑。當(dāng)重車(chē)在井筒中間停車(chē)時(shí)，變頻器由高速至停機(jī)后，隨之施加直流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械制動(dòng)起作用后，方去掉直流制動(dòng)，使重車(chē)靠機(jī)械抱閘的作用停止，同時(shí)，由于直流制動(dòng)提供的制動(dòng)力矩能夠平穩(wěn)的對(duì)負(fù)載制動(dòng)，緩沖了機(jī)械制動(dòng)對(duì)閘皮的磨損。如下圖，制動(dòng)時(shí)可以向V1和V6的柵極輸入一占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，根據(jù)制動(dòng)力矩的要求來(lái)調(diào)節(jié)占空比。3.2 能耗制動(dòng)電阻R2位耗能電阻，當(dāng)回饋單元不能完全把再生能量回饋到電網(wǎng)時(shí)，母線電壓過(guò)高會(huì)威脅功率器件IGBT和電解電容的安全，這時(shí)微機(jī)板會(huì)根據(jù)母線電壓的上升的情況輸出占空比可調(diào)的剎車(chē)信號(hào)，把多余的來(lái)不與回饋的能量消耗在電阻上。電阻R2、

22、C與二極管3.3 能量回饋（1）能量回饋控制方式實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)能量回饋，須保持與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同頻同相，若保持同頻同相，則電抗上電壓VL差90°，如下圖：V1:電源基準(zhǔn)電壓 V2:回饋電壓只要保持90°的相位差，V2與 V1 V2的相位角和功率的關(guān)系，就能實(shí)現(xiàn)很好的回饋，調(diào)整這些參數(shù)的依據(jù)由母線電壓的高低來(lái)決定。（2）回饋電路的實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的相位檢測(cè)，三相輸入正弦波互差120°共有六個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)的相位30° 90°150 °210° 270°330°是確定的，從第一個(gè)交點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)，則任一時(shí)刻的相位差就能計(jì)算出。電網(wǎng)

23、電壓相位關(guān)系如下圖由于電源電壓不一定是正弦波，它含有尖峰、毛刺、與諧波，造成交點(diǎn)不確定，則同步相位也不確定，于是，電路增加了帶通濾波器，電路如下：(3). 母線幅值檢測(cè)此電路分兩部分 差分放大器 電壓鉗位 調(diào)整R7可以調(diào)整母線電壓，使顯示值與實(shí)際值相一致。(4).輸入電源幅值檢測(cè)此電路分三部分 運(yùn)算放大器 取絕對(duì)值 電壓鉗位 調(diào)整R98可以調(diào)整輸入電源電壓與顯示值相一致（5）同步電源的產(chǎn)生T7、T8、T9三個(gè)同步變壓器輸入與輸出相差30°，輸入為角接，輸出為星接，星點(diǎn)為控制電路的地線，這樣可以直接對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行跟蹤。第四章 外圍硬件電路4.1 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路（1） 概述本驅(qū)動(dòng)單元主要

24、是作為功率模塊IGBT柵極的功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)。此電路以M57959L驅(qū)動(dòng)模塊為核心，加上外圍電路組成能滿足IGBT工作的驅(qū)動(dòng)單元。它主要是將87C196MC芯片給出的SPWM信號(hào)，其信號(hào)為0V或5V的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后作為IGBT模塊的柵極控制信號(hào)，其輸出為+15V或-10V。同時(shí)具有檢測(cè)IGBT管的工作狀態(tài)的功能。(2) 工作原理低壓功率變頻器的驅(qū)動(dòng)板采用磁環(huán)供電，經(jīng)橋式整流管整流、電容濾波后的電壓接入驅(qū)動(dòng)模塊M57959L的電源端。M57959L部電路組成與其特點(diǎn)：  1）高速輸入輸出隔離，絕緣強(qiáng)度高2500VACmin；（2）輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制；（3

25、）部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性；（4）具有可靠通斷措施（采用雙電源）；（5）驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)200A600V或100A1200V的IGBT模塊。M57959L是單列直插式封裝，從左至右依次編號(hào)，其中912為空端。1端和2端為故障檢測(cè)輸入端；4端：接正電源+15VDC；5端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端；6端：接負(fù)電源-10VDC左右；8端：故障信號(hào)輸出；13端和14端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，主要接收87C196MC芯片送出的SPWM信號(hào)。M57959L的部原理框圖如下圖：M57959L外圍應(yīng)用電路如圖二所示。圖所示實(shí)際應(yīng)用電路具有IGBT過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到輸入1端的電壓為某一電平時(shí)，

26、模塊判定為電路短路，立即通過(guò)光藕輸出關(guān)斷信號(hào)，從而使其5端輸出低電平將IGBT的GE兩端置于負(fù)向偏置，可靠關(guān)斷。同時(shí)，輸出誤差信號(hào)使故障輸出端8端為低電平，從而驅(qū)動(dòng)外接的保護(hù)電路工作。由于IGBT要求的驅(qū)動(dòng)功率大，單靠M57959L的輸出功率不能滿足要求，通常的做法是采用PNP和NPN對(duì)管推挽輸出，即在M57959L的輸出端接入一個(gè)互補(bǔ)跟隨器。電阻R4、R3是輸出限流電阻，防止電流過(guò)大損壞IGBT柵極。穩(wěn)壓管1N4745和1N4741分別采用對(duì)接的形式，主要是對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行鉗位，使IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不超過(guò)規(guī)定的幅度，從而保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可靠性。當(dāng)短路時(shí)，Vce（sat）急劇上升，設(shè)定一個(gè)Vref

27、，一旦Vce（sat）大于Vref時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，注意的時(shí)檢測(cè)工作必須用快恢復(fù)二極管。其實(shí)有多種技術(shù)可用來(lái)避免IGBT受到短路的破壞，其中最基本的技術(shù)便是在10us關(guān)斷IGBT。 開(kāi)通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓不能超過(guò)12V20V的圍，開(kāi)通時(shí)最佳柵極正向偏置電壓為15V±10，15V驅(qū)動(dòng)電壓足夠使IGBT完全飽和導(dǎo)通，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也限制了短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。當(dāng)柵極電壓為0時(shí)，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)仍能保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)關(guān)斷偏壓，這樣還可減少關(guān)斷損耗。反偏壓應(yīng)在(-5)V(-15)V，一般取10V

28、。選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。因?yàn)镮GBT的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，柵極電阻值對(duì)其動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，而且較小的柵極電阻還可避免dv/dt帶來(lái)的誤開(kāi)通，但與此同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并導(dǎo)致柵極發(fā)射極電容同柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩問(wèn)題，而且較小的柵極電阻會(huì)使得IGBT開(kāi)通的di/dt變大，導(dǎo)致較高的dv/dt，增加IGBT反并聯(lián)二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。柵極驅(qū)動(dòng)布線對(duì)防止?jié)撛诘恼袷?、減慢柵極電壓的上升、減少噪聲損耗、降低柵極電源電壓或減少柵極保護(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此布

29、線時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：4.2 光纖接受電路（1）驅(qū)動(dòng)板不能與IGBT控制端子直接相連時(shí)，應(yīng)采用雙股絞線（2轉(zhuǎn)/cm），且距離盡量小。（2）驅(qū)動(dòng)器與屏蔽板放置要合理，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合；（4）為了提高柵極抗干擾能力，一般在柵源之間并聯(lián)電阻或雙向箝位穩(wěn)壓管（約為18V），柵極箝位保護(hù)電路必須按低電感布線，并盡量放置于IGBT模塊的柵極發(fā)射極控制端子與附近。4.3 過(guò)欠壓與死機(jī)保護(hù)電路母線過(guò)壓保護(hù)、死機(jī)保護(hù)、中線不平衡保護(hù) 母線過(guò)壓保護(hù)、失機(jī)保護(hù)、中線不平衡保護(hù)電路圖如下： 死機(jī)保護(hù)電路圖 過(guò)欠壓與中向不平衡保護(hù)電路圖 死機(jī)保護(hù)： 只要變頻器投入運(yùn)行,電路就開(kāi)始檢測(cè)主控板上的PWM

30、輸出，檢測(cè)的結(jié)果送PLC進(jìn)行處理，在正常操作運(yùn)行中，PWM信號(hào)一旦停止輸出，PLC立即動(dòng)作，輸出一信號(hào)去起動(dòng)安全回路，系統(tǒng)斷電進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，將卷筒抱住，避免溜車(chē)。母線過(guò)壓保護(hù) ： 它是檢測(cè)母線電壓的，若回饋或剎車(chē)任一電路出故障，造成制動(dòng)力拒不夠，母線電壓會(huì)急劇上升，造成設(shè)備損害，甚至?xí)斐墒鹿?。中線不平衡保護(hù) ： 它是針對(duì)三點(diǎn)平電路而言，若由于某種原因造成中點(diǎn)電位偏移，若偏移量超過(guò)極限，會(huì)造成功率器件的損壞，于是增加了這部分電路。它是一個(gè)窗口比較器，它以負(fù)母線為基準(zhǔn)，當(dāng)檢測(cè)到的電位高于某一個(gè)或低于某一個(gè)極限時(shí)，電路都會(huì)輸出一個(gè)PLC能識(shí)別的信號(hào)，變頻器急停，從而保護(hù)了變頻器。 4.4 短路、過(guò)

31、流與溫度保護(hù) （1）短路保護(hù)電路原理 短路保護(hù)是立即保護(hù)，要求的信號(hào)是瞬態(tài)值。短路保護(hù)的取樣信號(hào)來(lái)自正、負(fù)電源母線上的電流傳感器，當(dāng)變頻器正、負(fù)母線上電流瞬間超過(guò)額定電流的180%時(shí)，這時(shí)，電流傳感的輸出電壓值已達(dá)到74HC00的輸入門(mén)電壓，會(huì)立即翻轉(zhuǎn)輸出一脈沖信號(hào)至單片機(jī)87C196的中斷腳84腳，經(jīng)單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理、識(shí)別后，然后發(fā)出控制指令。短路保護(hù)電路圖如下圖：短路保護(hù)電路圖 （1） 過(guò)電流保護(hù)電路原理過(guò)電流保護(hù)信號(hào)的取樣是由電流傳感器從變頻調(diào)速器三相輸出中的兩相中取得的，每一路取樣都采用單獨(dú)的放大器進(jìn)行放大。由于過(guò)電流取樣是對(duì)電流150%有效值的取樣，它不是一個(gè)瞬態(tài)值，單片機(jī)87C1

32、96對(duì)此過(guò)流信號(hào)的識(shí)別時(shí)間為1min，在1min，過(guò)流取樣值不變時(shí)，就視為變頻調(diào)速器輸出過(guò)流并發(fā)出指令信號(hào)。過(guò)電流保護(hù)電路如下圖：過(guò)電流保護(hù)電路圖過(guò)載部分采用6N541光耦進(jìn)行隔離。信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻取樣后，送入74HC14與非門(mén)，當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，超過(guò)與非門(mén)的輸入電平時(shí)，74HC14輸出信號(hào)到光耦6N541輸入端，在輸出端可得到一與輸入信號(hào)變化一樣的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)光纖傳送至主控板上，依次再將信號(hào)傳送至主CPU,從而起到保護(hù)模塊的作用。(3)過(guò)熱保護(hù)電路原理過(guò)熱保護(hù)取樣是采用熱繼電器完成的，在正常工作狀態(tài)下，熱繼電器的觸點(diǎn)是閉合的，當(dāng)變頻調(diào)速器的溫度達(dá)到繼電器的動(dòng)作溫度（77±2）時(shí)，繼

33、電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，單片機(jī)87C196的27腳的電位由高電平變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)拾取這一信號(hào)后進(jìn)行處理、識(shí)別，然后發(fā)出停機(jī)指令信號(hào)。還有一種情況就是在大功率的提升機(jī)變頻器中，因溫度傳感器走線太長(zhǎng)，靠近主電路或電磁感應(yīng)較強(qiáng)的地方，造成干擾，此時(shí)應(yīng)采取抗干擾措施。如采用繼電器隔離4.5交流接觸器延時(shí) 自充電延時(shí)板由于剛上電時(shí)，電解電容兩端的電壓為零，所以直流回路和回饋輸出部分都串有限流電阻，防止充電電流過(guò)大損壞電解電容和整流二極管，延時(shí)一段時(shí)間后并聯(lián)在限流電阻兩端的交流接觸器會(huì)降其短接。延時(shí)電路如下圖，電源通過(guò)全波整流后，然后經(jīng)過(guò)12V三端穩(wěn)壓器N1輸出穩(wěn)定的直流電壓，12V電壓通過(guò)電阻R1給接在三極管基

34、極的電容C3充電，當(dāng)電容上的電位足以使三級(jí)管導(dǎo)通時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈帶電，繼電器常開(kāi)點(diǎn)閉合，控制信號(hào)由此送出。 (1) 功率激勵(lì)電路原理功率激勵(lì)單元主要是為變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)單元電源變壓器，提供一個(gè)高頻的供電電源。它能產(chǎn)生并輸出一個(gè)高頻的矩形脈沖功率信號(hào)。功率激勵(lì)單元由函數(shù)發(fā)生器、電流放大器、阻抗匹配變壓器、前置驅(qū)動(dòng)級(jí)、功率放大級(jí)和輸出變壓器組成。220V市電經(jīng)過(guò)整流、斬波、穩(wěn)壓輸出一對(duì)穩(wěn)定的+35V和-35V直流電壓（開(kāi)關(guān)電源完成），再由一個(gè)高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻信號(hào)，由一系列高頻變壓器與相應(yīng)的整流、濾波送到各單元的控制與驅(qū)動(dòng)電路?？刂葡到y(tǒng)電源獨(dú)立的好處是：1）電源通過(guò)高頻變壓器給各

35、單元供電，容易實(shí)現(xiàn)高壓隔離。2）主電路有故障時(shí)，控制系統(tǒng)供電依然正常，能保證IGBT開(kāi)關(guān)次序不亂。3）主電路不加電、不加載的情況下，可以對(duì)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)各點(diǎn)波形與主電路加電、加載時(shí)完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對(duì)設(shè)備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓(xùn)十分方便。（2）電路結(jié)構(gòu)與原理 方案一 功率激勵(lì)單元電路工作原理為：1）由自激式函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生三角波和矩形波輸出。振蕩頻率是正比于密勒積分器的時(shí)間常數(shù)R4.C1。改變電阻R4和R5的阻值可以改變振蕩頻率。N1輸出三角波，N2輸出矩形波 2）N3和V1、V2組成一個(gè)前置放大器，主要是增大其驅(qū)動(dòng)功率。從N1輸出的三角波信號(hào)經(jīng)N3進(jìn)行電壓放大的同時(shí)，由于V

36、1、V2接成了一個(gè)互補(bǔ)的射極跟隨器，N3的輸出電壓反饋是從 V1、V2接成的互補(bǔ)射極跟隨器輸出端反饋的，因而也進(jìn)行了電流放大。3）為了使前置級(jí)與功放級(jí)的輸入阻抗相匹配，在前置級(jí)和功放輸入級(jí)之間加入一個(gè)隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的要求。 4）功放級(jí)采用二級(jí)互補(bǔ)跟隨器作為驅(qū)動(dòng)級(jí)和二級(jí)并聯(lián)的互補(bǔ)跟隨器作為功率輸出級(jí)。功放級(jí)的電壓輸出幅度取決于隔離變壓器的次級(jí)電壓值，本級(jí)主要對(duì)電流進(jìn)行放大。為了與負(fù)載相匹配和防止負(fù)載上的信號(hào)對(duì)功放級(jí)的影響，采用了變壓器做隔離輸出。 方案二功率激勵(lì)單元電路工作原理為：1） 由AT89C2051產(chǎn)生并輸出25KHZ方波振蕩信號(hào)，分別送入兩個(gè)電壓比較器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)晶體管組

37、成的相應(yīng)互補(bǔ)跟隨器進(jìn)行電流放大后作為功放級(jí)的推動(dòng)級(jí)。2） 為了使前置級(jí)與功放級(jí)的輸入阻抗相匹配，在前置級(jí)和功放輸入級(jí)之間每一路增加了一個(gè)隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的要求。3) 功放級(jí)采用IGBT功率模塊組成互補(bǔ)跟隨器作為功率輸出級(jí)。功放級(jí)的電壓輸出幅度取決于IGBT功率模塊供電電源電壓值，本級(jí)主要對(duì)電流進(jìn)行放大。為了提高其帶負(fù)載能力，輸出信號(hào)采用了電容隔直和LC濾波。第五章 微機(jī)電路主電路如圖1所示： 5.1交直變換部分1、VD1VD6組成三相整流橋，將交流變換為直流。如三相線電壓為UL，則整流后的直流電壓UD為：UD1.35UL2、濾波電容器CF作用：（1）濾除全波整流后的電壓紋波；

38、（2）當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平衡。因?yàn)槭茈娙萘亢湍蛪旱?，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成。如圖中的CF1和CF2。由于兩組電容特性不可能完全一樣，在每組電容組上并聯(lián)一個(gè)阻值相等的分壓電阻RC1和RC2。3、限流電阻RL和開(kāi)關(guān)SLRL作用：變頻器剛合上閘瞬間沖擊電流比較大，其作用就是在合上閘后的一段時(shí)間，電流流經(jīng)RL，*沖擊電流，將電容CF的充電電流*在一定圍。SL作用：當(dāng)CF充電到一定電壓，SL閉合，將RL短路。一些變頻器使用晶閘管代替（如虛線所示）。4、電源指示HL作用：除作為變頻器通電指示外，還作為變頻器斷電后，變頻器是否有電的指示（燈滅后才能進(jìn)行拆線

39、等操作）。5.2能耗電路部分1、制動(dòng)電阻RB變頻器在頻率下降的過(guò)程中，將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，回饋的電能將存貯在電容CF中，使直流電壓不斷上升，甚至達(dá)到十分危險(xiǎn)的程度。RB的作用就是將這部分回饋能量消耗掉。一些變頻器此電阻是外接的，都有外接端子（如DB，DB）。2、制動(dòng)單元VB由GTR或IGBT與其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。其作用是為放電電流IB流經(jīng)RB提供通路。5.3直交變換部分1、逆變管V1V6組成逆變橋，把VD1VD6整流的直流電逆變?yōu)榻涣麟?。這是變頻器的核心部分。常用的逆變管見(jiàn)：變頻器常用的逆變管。2、續(xù)流二極管VD7VD12作用：（1）電機(jī)是感性負(fù)載，其電流中有無(wú)功分量，為無(wú)功電流返回直流電源提供“通道”；（2）頻率下降，電機(jī)處