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1、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:The paper intro
2、duces 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 chip,
3、 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 consumption gr
4、eatly reduced. By using optical fiber transmission control signals, and low voltage isolation, improve the partial interference.Keywords: mine hoist speed-adjusted system energy feedback目录1 矿山提升机 71.1 引言71.2 矿山提升机对变频器的要求72 提升机变频器主电路 82.1 功率器件82.2 变频调速的原理92.3 主回路原理图122.4 逆变单元并联143 提升机变频器的制动 163.1 直流制
5、动163.2 能耗制动163.3 能量回馈164 外围硬件电路 194.1 IGBT驱动电路194.2 光纤接受电路 224.3 过欠压及死机保护电路 234.4 短路、过流及温度保护 244.5 交流接触器延时 自充电延时板 265 微机电路 295.1交直变换部分295.2 能耗电路部分 305.3 直交变换部分 305.4 缓冲电路 306 参考文献 327 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
6、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
7、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
8、，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
9、司的第三代IGBT。下面简单谈一下IGBT IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）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,1700
10、V,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 20 V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
11、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 15 V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(Variable Voltage Variable Frequency )调速异步电动机的转速n=60f(1-s)/p s=(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
12、，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*=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
13、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U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U和UR交
