论文目录
摘 要 引 言
第一章 前 言 1.1.意义及必要性 1.2.需求分析 1.3.变频电源发展趋势
1.4.矿用变频技术发展现状及趋势 第二章 变频电源基础 2.1.整流电路基础 2.2.逆变电路基础 2.3.滤波电路基础 2.4.变频控制电路基础 第三章 变频电源分析设计 3.1.电源方案设计 3.2.主电路分析设计 3.3.各部分电路分析设计
3.3.1. 整流电路分析设计 3.3.2. 斩波电路分析设计 3.3.3. 逆变电路分析设计 3.3.4. 滤波电路分析设计 3.4. 控制电路方案分析设计 第四章 结论与展望
第一章 前 言
1.1. 意义及必要性 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。
1.2. 需求分析
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革命。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:
- 1 -
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。
- 2 -
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。
1.3. 变频电源发展趋势
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
- 3 -
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。
1.4. 矿用变频技术发展现状及趋势
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
- 4 -