毕业设计 矿用变频电源分析与设计

     2014届毕业设计说明书

课题名称：矿用变频电源分析与设计

专 业 系               

班    级                

学生姓名                

指导老师                

完成日期                

2014届毕业设计任务书

一 、 课题名称：矿用变频电源分析与设计

二 、 指导老师：

三 、设计内容与要求

   1、课题概述

随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。本课程拟电力电子技术和自动控制课程基础上分析设计出一矿用变频电源，主要技术参数要求如下：

额定功率：500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW

额定电压：3300V

电路形式：三电平或者多电平

散热形式：热管 或 水冷

结构形式：防爆

控制方式：矢量控制

使用环境：井下

2、设计内容与要求  

第二章、变频电源基础

第三章、（500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW每四人一组）变频电源分析设计

第四章、结论与展望

3、其它要求：

1画出系统各环节电路图或原理图

2系统各环节的原理介绍；

3说明书中不能有复印与图片出现

四、设计资料

   1、《新型半导体器件及其应用实例》       电子工业出版社

   2、《逆变器整流电源 》          机械工业出版社

3、《现代逆变技术及其应用》           科学出版社

4、《新型开关电源设计与应用》          科学出版社

5、《半导体变流技术》                  机械工业出版社

6、《电力电子设备设计和应用手册》      机械工业出版社 

7、http://www.cnki.net/中国知网

摘  要

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频器在各个领域中的应用都非常广泛。例如：在冶金、石油、化工、纺织、电力、建材、煤炭等行业，有的工艺不允许电机直接启动，需要由变频器调速和协调工作才能满足工艺要求。这是必须采用变频器的。比如冶金行业需要采用变频器的电机大概达到70%。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

Abstract

In recent years , with the rapid development of power electronics technology, computer technology , automatic control technology, the AC drive and control technology to become one of the fastest growing technology, electric drive technology is facing a historic revolution that replaced AC variable speed DC speed and computer numerical control technology to replace analog control technology has become a trend. Inverter applications in various fields are very extensive. For example: In metallurgy , petroleum, chemical , textile, electricity, building materials , coal and other industries , and some do not allow motor direct start the process requires coordination by the governor and the drive to meet the process requirements. This is a must drive. For example, the metallurgical industry probably need to use the drive motor to reach 70%. Drive is the use of power semiconductor devices role will be off -frequency power conversion power control device to another frequency to achieve the AC induction motor soft starters , frequency control , improve running accuracy , changing the power factor , over current / overvoltage / overload protection and other functions.

引   言

    上世纪 80 年代以来，随着电气技术的发展，高压大功率交流电动机变频调速技术起到越来越大的作用，在能源、钢铁、机械、化工及交通等领域中，处处可见大中容量的交流电动机调速系统。而电力电子技术在大中容量的交流电动机调速系统是必不可少的环节，电力电子技术是运用电子技术、控制方法，通过功率开关器件将电能进行转换、控制和优化利用，通过与数字控制技术紧密结合，迅速发展成为一个跨学科的高新技术。

    变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。通常，把能将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称为变频器。目前用于交流同步或异步电动机转速调节，是交流电动机调速方案中最理想的。而且变频器节能效果非常明显，在最近几十年企业技术改造和生产设备更新中，起到很大的作用。

     按照有关标准和国际惯例，供电电压若小于 1kV 时称为低压，若在 1kV~10kV 之间称为中压，大于 10kV 以上则称为高压，但是，由于中压和高压的变频器或电机有着许多共同的特点，控制策略类似，所以统称中高压变频器或中高压电机。中高压变频器能够使电机无级调速，在工业生产中，能够满足对电机调速控制的要求，不仅可以提高产品的产量和质量，又降低生产成本，而且大幅度节约能源资源。目前，在煤炭、冶金、石油、化工等行业，大量大功率传动系统占主导作用，如大功率风机、泵类电机，为提高生产效率和产品质量，中高压大容量变频调速系统已经广泛应用其中；在社会方面，为解决环境污染、资源浪费，变频调速系统也是一种最直接、最有效的方法之一，如高速电气化铁路、城市轻轨以及电动汽车等，不仅可以大大减少空气污染，而且节能效果显著。由此可见，高性能的中高压大功率变频调速装置的市场潜力巨大，应用前景十分广阔。

论文目录

摘  要

引  言

第二章  变频电源基础

第三章  变频电源分析设计

第四章  结论与展望

意义

随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的迅速发展，变频调速技术和矢量控制技术得到了日益完善。变频器以其卓越的性能和优点，动摇了直流调速系统长期以来在提速系统中的统治地位。近几年来，变频器在国民经济各行业中得到了广泛的应用和推广，变频器在皮带运输机上的应用便是其中一例。

煤炭企业是耗电大户，其电耗成本占其生产成本相当大的比例，其中有很大一部分电能是白白浪费掉的，因此其节电潜力是很大的。煤矿生产中可使用变频调速的设备很多，如通风机、空气压缩机、水泵、给煤机、调车绞车、输送机(皮带、刮板) 、提升机、采煤机以及焦化厂鼓风机等[2-4]。利用变频调速技术对煤矿企业现有设备进行改造，完全能达到改善工况、节省电费、提高效率的目的。

必要性

随着社会的发展和科技的进步，煤炭行业市场的竞争也越来越激烈。煤矿的安全生产和产量任务在不断增加，对安装工程的质量标准化也在提高，如何在工作中提高业务能力和学习理论知识是广大机电工人的重要话题。当前，在适应高标准机械化矿井的发展，改变陈旧思想理念的同时，努力提高安装质量是非常重要的。因此，加强改变矿用变频电源必要的。

机遇与挑战：核心器件依赖进口成国产发展瓶颈高压和中压变频器有长足发展市场前景广阔。

市场数据： 我国每年需求形成约100亿元市场空间。

随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场新。在电气传动领域，变频调速系统因效率高、性能好而成为主流。受益于节能减排、绿色环保等战略的拉动作为变频调速的重要设备，变频器产业成为未来几年市场潜力非常巨大的产业之一。

变频器技术新动向:

信息技术的发展带动了变频技术的发展，变频调速因具有调速精度高、启动能耗低，占地少、工艺先进、功能丰富、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等特点，被认为是最理想的调速方案，代表电气传动的发展方向。

高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面存在很大的技术开发难度，因此也成为世界各大电气公司竞争的热点。目前国内诸多变频器生产厂家都在高压变频器领域投入大量的人力与物力，力求在目前变频器技术方面占领制高点。尽管如此，变频器的核心器件始终依赖进口，成为制约国产变频器发展的瓶颈。

为应对来自不同应用领域的挑战，变频器也在不断更新换代，产品越来越多样化。总的来说，新一代的变频器应具有以下特点：一是全数字化、功能齐全，能够补偿负载变化，特别是分布式的具有通信、联网功能并具有可编程功能。二是简单或行业专用的变频器以及实现了机电一体化、小型化。三是网络化和系统化，通过网络连接减少生产成本，通过现场总线模块，将不同型号的变频器以同一种编程语言和通信协议进行组态。

此外，伴随新型高压电力电子器件的问世，高压和中压变频器也有长足的发展。在今后的几年内，矩阵式变频器、绿色变频器等新型变频器将很快面世。

国内变频器现状:

目前国内市场上的变频器厂家有300多家。由于我国变频器配套产业的实力相对较弱，国产品牌无论在加工制造、工业设计等技术方面都与国外品牌存在一定差距。目前，外资品牌在国内变频器市场的占有率约为7成，本土变频器企业主要生产V/F控制产品，对于性能优越、技术含量高的矢量变频器，国内绝大多数企业开发的产品还不够成熟。

因此，中国的变频器市场依旧以价格导向为主，但随着本土品牌的兴起，内资变频器企业的市场份额正逐步扩大，特别是近几年出现加速替代外资品牌的趋势。虽然尚未具备和国际顶级品牌展开全面竞争的实力，但在部分细分产品和市场上显示出一定的竞争优势，市场份额逐步扩大。

从整体看，目前我国变频器行业的竞争日趋激烈。由于市场极具吸引力，不但市场已形成一定规模，而且潜在容量也十分可观，不断吸引着行业新参与者。

随着国内厂家的技术进步和质量稳定性的提升，加上服务和价格方面的优势，预计未来几年高端产品被国外厂家垄断的市场局面将有所改观。

变频器市场前景广阔:

变频器技术的发展，使变频器在电力、水泥、电梯、矿山、冶金、交通等现代化领域得到空前的推广和应用。

据中国工业电器协会变频器分会统计，近年来，我国变频器市场每年需求大约形成100亿元的市场空间。而且，随着用户需求的进步和多样化，国内变频器产品的功能在不断完善和增加，集成度和系统化程度也越来越高，并且已经出现某些专用变频器产品，这都为我国变频器市场的进一步扩大奠定了基础。

资料显示，近年来，我国变频器市场一直保持着12%～15%的增长率，预计至少在今后5年内，变频器市场需求仍将保持10%以上的增长率。而在10年以后，变频器市场才能饱和。

我国变频器总的潜在市场空间大约为1200亿～800亿元，其中常压变频器约占市场份额的60%左右，中、高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变频器功率大、售价高，只占市场的40%左右。目前国内带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦，由此为变频器的应用提供了极为巨大的市场。

我国电力能源十分短缺，已经成为制约生产发展的重要因素，合理开发和利用能源已迫在眉睫。煤矿用的通风机、水泵和空气压缩机，电源浪费较严重，需重点治理，高压变频技术因其可以有效的节约能源，得到了广泛应用。

近几年来我国变频器销售量逐年高速增长，变频器在煤炭、冶金、石化行业都有良好的应用，其2006 年的市场占有率分别为 4.3%, 11.55%, 8.1%，也就是说这三个行业使用的变频器的总和约占全国变频器总量的 23.95%。但很遗憾的是国产变频器的占有量不到 20%，这里面的原因比较复杂。煤炭行业前几年效益不佳，技术改造较少，变频器使用不多。行业的特殊性，要求设备具有极高的可靠性并能够在爆炸性的环境中工作。

近几年，煤炭行业加大了技术改造的力度，使用在矿井中的国产变频器口渐增多，国产变频器在煤炭行业还有很大拓展空间。随着新型电力电子器件向高电压、大电流方向快速发展，多电平拓扑逆变器成为高压变频调速成为首选方案。高压变频技术在国外的研究已经有三十年的历史了，随着开关器件和控制处理器件的成熟，国外的技术把我国已经远远落在了后面。现在国内大部分高压变频器都是从国外进口的，随着开关器件的发展现在推出的最优高压变频器是“完美无谐波”系列。国内生产高压变频器的厂家还很少，大都采用国外的技术方案共同生产，因此我国发展高压变频器还是很必要的。

高压变频器的发展趋势：

①现在大部分高压变频器的开关器件都是用 IGBT 或 IGCT ，IGCT 的电压电流承受能力更大，比较适合在高压大功率变频器中应用且电路结构简单，可靠性高，因此其是开关器件的发展趋势。

②因为开关器件所承受的电压能力有限，因此减小其开关电压是高压变频器的一个发展趋势。要想减小开关器件所应承受的电压，就要发展多电平技术，不仅减小电压还能使电压波形变得更加平滑，因此多电平技术势必是将来的发展趋势。高压变频器行业是一个有相当技术难度，投资强度大，风险大，成长周期长的领域。而且进入该领域的国内生产厂商众多，在相同的技术水平下，使得目前的竞争较为混乱。因此，具有技术优势和特点的产品在市场中才具有较大的发展前景。

能源是国民经济基础，目前煤炭仍然是我国的主要能源，煤炭企业生产要达到安全高效，对于创建节约型社会有着重要的意义。生产要安全高效，机电设备就必须做到经济运行、合理运行，对于流体机械采用变频调速控制效果较理想。自上世纪8O年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案。

1.4.1变频技术在国内的应用现状

随着电力电子技术的不断发展和世界能源紧缺等客观因素的影响,变频节能技术得到了各国的高度重视.在我国,构建节约型社会的号召极大地推动了变频节能技术在矿山、机械、电力等众多行业的推广.就煤炭企业而言,矿井(露天矿)各个生产系统的用电占到矿井企业用电量的70% ～90%[1].具体来说,在未采用变频节能措施前,水泵、风机等流体机械,平均运转效率只有20%～50%[2],对矿井提升机、空压机、采掘机等动力负荷变化较大的机电设备在启动、加减速、制动和设备维护等方面的浪费也是非常巨大的.明显的节能效果和优越的调节性能,使变频节能技术在我国矿山中的应用越来越广泛,技术也越来越成熟. 

（1）风机中变频调速的应用

目前,变频器在我国煤矿风机节能改造和新上项目中得到越来越多的应用,同时出现了为煤矿特殊环境专门设计的变频调速装置.据文献介绍[ 8 ] ,杨村矿南风井在风机改造中,将原来JRQ-1510-10型高压绕阻式电动机换为JS157-10型低压鼠笼式电动机,用1台变频器控制2台电机.改造后,实际转速较改进前最低转速下降了70 r/min,电机实际输出功率为改进前前导器半关闭时的1/3,风量和风压更加适合矿井特性,每年可节约电费约56万元.某省局五矿与某电器公司合作,研制了ZJT - 30型隔爆兼本安智能变频调速系统,采取IGBT散热方式,工作电压为660 V,可带动28 kW局部通风机,实现了载波频率调整(2～50 Hz)功能、风电和瓦斯闭锁功能、过流短路保护功能、超温断电功能及远程和实地控制功能,其性能达到了防爆标准,为我国矿山巷道掘进的节能提供了有效手段.

（2）泵中采用变频调速的应用

变频调速在矿区给水、给液用泵中应用灵活,明显降低了设备的机械冲击,增加了工艺系统控制的灵活性,提高了产品质量.

中国矿业大学宋杰等人,利用变频器和PLC控制器,设计了一套煤矿井下排水泵站的监控系统.该系统中变频器灵活的控制抽水泵的平滑起停、适时加减速,保证了井下液位的恒定,降低了泵空转时间和频繁起停带来的大量能耗,机械设备的损耗也相应降低.PLC控制器的加入,对变频器的自动控制更加智能与灵活,保证了生产的安全高效运行.孔庄选煤厂在合格介质泵上安装变频器,通过在线调节水泵的转速来调节重介旋流器的入料压力,降低了因启动电流过大

造成的电耗增加,减少了频繁开停车,避免了变压器跳电,提高了产品质量.生产实践表明,因引进变频调速技术,该选煤厂每年新增精煤创收约216万元.

（3）在采煤机中的应用

目前,采煤机变频调速系统已从“一拖二”发展到“一拖一”.我国能量回馈型四象限运行的交流变频调速采煤技术处于世界领先水平,国产电牵引采煤机行走功率最大2×110 kW,变频器电压380V,能够实现额定转速下恒定转矩调速、额定转速以上恒定功率调速及2台变频器之间的主从控制和转矩平衡.太原矿山机器集团生产的MGTY300/730–1.1D电牵引采煤机使用了回馈制动的四象限变频器,在开滦集团范各庄矿进行了应用.采区的倾角为12°～18°,局部达到25°～30°,从现场运行情况来看,四象限变频器调速电牵引采煤机在大倾角工作面能较大范围内调节制动力矩,维持牵引速度基本不变,机器没有发生下滑跑车的现象,而且结构简单,控制灵活,操作方便,速度调节可靠.

（4）在提升机中的应用

    新柏煤矿公司与唐山开诚电器公司合作,选用交流四象限变频调速系统配套湖南株州力达公司生产的JKB22.5/315P型变频防爆提升机,这是西北矿区首家选用交流四象限变频调速技术的企业[13].系统采用无速度传感器矢量控制方式,四象限运行,设有过压、欠压、过流、电机缺相等保护.风光提升机变频器作为提升机专用变频器已有数百台应用于各大矿山[14],JD-BP32-185P型提升机变频器就是其中的代表.该系统实现了全数字化控制,设计有专门的控制软件,同时具有很高的兼容性,提供了完善的输入输出接口电路,能够实现远程控制.

（5）在胶带输送机和电铲中的应用

    兴隆庄煤矿西上山胶带输送机采用四象限变频调速技术后,解决了采用液力耦合器装置时下行运输皮带机在启动、运行、制动中形成的电机失控问题[15]. 变频器可随时将电机产生的负力回馈到电网中,减少发热损耗,解决了机械系统及电气系统的冲击问题,延长了设备的使用寿命.电铲(挖掘机)是露天矿山用于装载矿石、岩石的大型设备,其工作条件非常恶劣,特别是在爆破不好的情况下挖根底作业,经常出现过大的冲击载荷,甚至堵转.上世纪90年代后期,我国有个别矿山从美国B - E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统[16],系统的机械特性曲线面积大,四象限运行,能快速地进行加速、减速、反转和制动.

1.4.2变频技术发展趋势

变频技术在矿山机电设备中应用越来越多,但应用还不普及,如露天开采的牙轮钻机,美国B - E公司已在55R型牙轮钻机上应用,我国还在开发试验之中,尚未推广应用[16].因此,变频技术在我国矿山机电设备中还有很大的发展空间.

(1)推广面较广.矿山中大小机电设备种类繁多,变频器如能解决好与这些设备的匹配问题,就能得到更广泛的推广.

(2)需求量很大.我国矿山基数大,在机电设备的改造中必然需要大量的变频器,这就会极大地推动变频技术在矿山的发展.

(3)专业化得以加强.矿山有很多特殊工作环境,如井下工作等,需要具有特殊功能的专业变频器配置这些装备.

(4)多功能、网络化的更新.电子技术日新月异,矿山改造过程中对变频器的使用和控制也会呈现多功能化的趋势,对变频器的控制也会成为矿山网络化管理中的一个重要环节.

第2章 变频电源基础

 2.1.1.单相可控整流电路

  （1）单相桥式半波整流电路

 a、带电阻负载的工作情况

变压器T起变换电压和隔离的作用。

图1 单相半波可控整流电路及波形VT的α移相范围为180°

   电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同结合图1进行工作原理及波形分析。

几个概念的解释：

Ud为脉动直流，波形只在U2正半周内出现，故称“半波”整流。

采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路。

Ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。

    几个重要的基本概念：

触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表示，也称触发角或

控制角。

导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示。

    基本数量关系。

直流输出电压平均值为：

（2-1）

这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

直流回路的平均电流为：

 （2-2）

回路中的电流有效值为：

                  （2-3）

由式2. 2、式2. 3可得流过晶闸管的电流波形系数：

                        （2-4）

电源供给的有功功率为：

                                         （2-5）

其中U为R上的电压有效值：

电源侧的输入功率为：

功率因素为：

                           （2-6）

当α=0时，α越大，cosα越低，α=π。可见，尽管是电阻负载，电源的功率因素也不为1。这是单相半波电路的缺陷。

（2）单相桥式全控整流电路

单相整流电路中应用较多的a 带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图2：

VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

 数量关系：

a 角的移相范围为180°。

图2 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

 （2-10）

（2-11）

 （2-12）

（2-13）

 （2-14）

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2 。

b 带阻感负载的工作情况

假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

（2-15）

晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正反向电压均为 。

晶闸管导通角θ与a无关，均为180°。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。

图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形

c 带反电动势负载时的工作情况

在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，导通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。

   （2-16）

图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形

 在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。如图2-7b所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=δ时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为δ。

负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。

为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。

为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

    （2-17）

图2-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况

 2.1.2.单相全波可控整流电路

图2-9 单相全波可控整流电路及波形

  单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。

     两者的区别：

（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；

（2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为 ，是单相全控桥的2倍；

（3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个

从上述（2）、（3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

2.1.3.单相桥式半控整流电路

 图2-10 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。

    半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，单相半控桥带阻感负载的情况，

假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。

在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零续流二极管的作用。

若无续流二极管，则当a突然增大至180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。

有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗

单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。

图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法

2.1.4.三相可控整流电路

（1）三相半波可控整流电路

a 电阻负载

    电路的特点：

变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网三个晶闸管分别接a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接a =0°时的工作原理分析假设将电路中的晶闸管换作二极管，成为三相半波不可控整流电路。此时，相电压最大的一个所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压一周期中，在t1~wt2期间，VD1导通，ud=ua在wt2~wt3期间， VD2导通，ud=ub在wt3~ wt4期间，VD3导通，ud=uc二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0°变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量晶闸管的电压波形.

b 阻感负载

    特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直：

    a≤30°时：整流电压波形与电阻负载时相同；

a >30°时（如a=60°时的波形如图2-16所示）u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断——ud波形中出现负的部分阻感负载时的移相范围为90°。

（2）三相桥式全控整流电路的工作情况

2.1.5.三相桥式全控整流电路

a 带电阻负载时的工作情况

b 阻感负载时的工作情况

  三相桥式全控整流电路的特点：

（1）2管同时通形成供电回路，其阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同  a=30°时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。a=60°时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60°时ud出现为零的点。

2.1.6.变压器漏抗对整流电路的影响

变压器漏抗对各种整流电路的影响：

 ①单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4；  

②三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入变压器漏感对整流电路影响的一些结论。

出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud降低。

整流电路的工作状态增多

晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。

换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

变频器直流侧电压为 Udc，其输出的相电压有+Vdc/2、-Vdc/2 和 0 三种电平，这种电路就是三电平逆变电路，图 1.1 所示就是二极管箝位型三电平逆变器主电路结构图。逆变器每个桥臂由两个 IGBT 串联和两个续流二极管反并联而成；其中每两个 IGBT 中点通过箝位二极管与直流侧两个电容中点连接，并要求直流侧的两个电容 C1=C2。

三电平电路与传统的两电平电路相比较优点有以下优点：

①用两个 IGBT 串联使得每个开关器件承受的电压值为原来电压的一半，并降低了开关频率；

② dv/dt 比传统的两电平降低一半，di /dt 也得到了减小并降低了电机的绝缘性能要求；

③输出由两电平变到三电平使电压变化减小和电流脉动减小。

(1) 滤波的基本概念

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

(2) 电容滤波电路

现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

电容滤波电路

  1. 滤波原理

电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。

  电容滤波波形图 

在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。  所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图。  需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；

反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图滤波曲线中的2。

反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤 波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合

 2.电容滤波的计算

电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法： 一种是用锯齿波近似表示，即 

另一种是在RLC=(3~5)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。）

外特性

整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图15.09所示。

整流滤波电路的外特性 

(3)电感滤波电路 

利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。

电感滤波电路 

当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、D4的导通角都是180°。

波形图

控制电路主要由单片机和检测电路构成。一个单片机控制IGBT触发和关断，使输出为三相对称交流电。改变输出状态，改变输出电压频率。另一个单片机完成频率设定同时完成对输出三相交流电的频率，电流测量。频率检测电路通过交流电流互感器得到小信号交流电然后经过阻容滤波后得到与原信号同频率的信号，再经过过零比较器后输出为规则变化的高低电平，即一个周期有两个电平变化信号，这些信号可以为单片机所识别。单片机通过检测即可测的对应频率。交流电流检测也是通过交流电流互感器得到幅值较小的电压信号，通过整流滤波后，得到直流电压信号。直流电压信号通过A/D转换进入单片机进行数据处理后可得与原电流成比例的数字量。检测和控制电路如图4所示。

图4.1频率检测电路

图4.2电流检测电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图1所示，控制电路由以下电路组成 ：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路 。 

图1 

在图1点划线内，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。

第三章 变频电源分析设计

采用单相桥式整流电路完成交流电变换成直流电任务。桥式整流电路优点是输出电压高，纹波电压较小，整流管所承受的最大反向电压较低，效率较高。逆变电路采用全控型电力电子器件，控制电路使用ATC51单片机。使用全控型器件可使逆变器主电路结构简单，而且控制和驱动灵活可靠、有效改善电路中的谐波和功率因数、提高系统的动态响应速度。考虑到全控型器件的动静态特性和安全性，我们采用智能功率模块IPM。IPM即Intelligent Power Module(智能功率模块)的缩写，是以IGBT为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率元件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故使整个系统尺寸减小。由一片单片机实现脉宽调制，控制功率器件的导通和关断以及频率设定。

另一片单片机实现电压电流频率功率检测和相应的保护以及人机交换。这种方案由于采用单片机技术，使得其具有智能化的特点，简化了硬件电路，有效提高测量精度，同时也有利用软件对系统误差进行补偿。电路原理框图如图2示。

如图2所示，系统主电路主要由整流、逆变、控制三部分构成。

图2

3.2.1 .主电路的工作原理

变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。

在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式。

　　图3.1  电压型交直交变频调速主电路

3.2.2. 主电路各部分的设计

选用整流管组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为=1.35=1.35×380V=513V。

滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。

当变频器通电时，滤波电容的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻，从而使电容的充电电流在允许的范围内。当充电到一定程度，使闭合，将限流电阻短路。

在许多下新型的变频器中，已有晶闸管替代。

电源指示灯HL除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。

为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。

　　直交电路设计:

选用逆变开关管组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT。

续流二极管的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。

电阻，电容，二极管组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流和集电极与发射极间的电压的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，迅速上升，迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（）来减小电压增长率。当逆变管开通时，迅速下降，迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流的增长率，造成IGBT的损坏。所以增加电阻，电容的放电电流。可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。

(1) 设计方案及原理 

方案：单相桥式全控整流电路

图1.1  单相桥式全控整流电路 

此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高，所以选择此方案。

(2) 设计方框图 

该电路主要由六部分构成，分别为交流电源，保护电路，整流电路，控制电路，驱动电路和负载电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

图1.2  电路结构设计框图

(3) 主电路的设计 

电阻负载主电路主电路原理图如下：

图1.3主电路

(4) 整流电路参数的计算 

纯电阻负载时： 

整流电压平均值为：

α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180?时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。

向负载输出的直流电流平均值为：

    流过晶闸管的电流平均值 ： 

    流过晶闸管的电流有效值为： 

    变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

(1) 总体电路框图 

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。 

根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

图1  电路框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。

(2)BUCK降压斩波主电路： 

在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压Ud。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

图2 降压斩波主电路图

逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由4个IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图2所示。

图2 逆变电路

当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 

图5是SPWM逆变器的主电路设计图。

图5 SPWM逆变器的主电路设计图

整流电路输出的直流电压脉动较大，一般不能满足实际需要，必须用滤波电路滤除交流分量，得到平滑的直流电压。在小功率直流电源中，常用的滤波电路有电容滤波、Г型滤波和п滤波。在整流电路输出端与负载之间并联一只大容量的电容，如图2a，即可构成最简单的电容滤波器。其工作原理是利用电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变的特性。 

图2 电容滤波原理及波形图a.原理图,b. 波形图

电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间，将产生很大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”，同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路只使用于负载电流较小的场合。由上述讨论可知，当RL比较小时，即使滤波电容容量很大，脉动系数仍比较大。为进一步减小脉动系数，通常采用如图3所示的л型RC滤波电路。

图3π型RC滤波电路

对三电平逆变器原理和控制算法的研究，以DSP2407 为核心控制器，设计三电平逆变器控制系统整体硬件电路。主要部分包括整流电路、逆变电路、IGBT 驱动电路、电压电流采样电路以及 DSP2407 外围电路和保护电路等。主要完成 SVPWM 算法的实现、IGBT 的驱动和保护、信号的检测和主要位置的监控保护功能。如图6.1 所示，为系统设计总体结构框。

图6.1 系统设计总体结构框

第四章、结论与展望

一、结论

变频技术作为高新技术、基础技术、和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中，在煤矿井下领域也逐步得到应用。本文就矿用电源主要做了以下的工作：

1、详细地描述了变频电源基础：

（1）、整流电路基础；

（2）、逆变电路基础；

（3）、滤波电路基础；

（4）、变频控制电路基础。

2、重新分析与设计了变频电源：

（1）、电源方案设计；

（2）、主电路分析设计；

（3）、各部分电路分析设计；

（4）、控制电路方案分析与设计。

二、展望

伴随着现代电力电子技术的迅速发展，特别是大规模集成电路和微型计算机的迅速发展，现代控制理论在电气控制技术工程等方面的不断渗透，多种新型控制理论、技术和方法的不断涌现，交流电动机的变频调速技术将展现出更广阔的前景（社会效益和经济效益）。