风电变流器IGBT器件实时温热状态无线监测系统设计

【摘要】：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）被广泛应用于在风力发电系统当中。大功率IGBT模块身为核心器件，其失效故障极可能造成相关风机脱网，进一步还有可能给风力发电系统整体造成运行故障，情况严重还会引发停电事故，造成重大的经济损失。在包含大容量风力发电的电网中，其可靠性以及寿命预测关系到整个电网的稳定。所以，IGBT模块的可靠性问题尤为重要。 大量实验数据表明，IGBT器件的失效与其结温长期过高或温度频繁变化有着紧密联系，通过对其热模型分析模拟，可以通过其外封料表面特殊点的温度来推测其内部结温。 目前，IGBT器件的温度在线监测工作在国内外还没有通用的标准产品，由于风机内部结构复杂，工作条件特殊，在不干扰既有内部环境的条件下想要测得有参考价值的温度数据还比较困难。 本课题设计开发了以无线传输方式采集和处理数据的IGBT实时温热状态无线监测装置，选取内嵌单片机的系统级无线收发芯片nRF9E5作为控制和无线收发器件，数字式温度传感器DS18B20作为测温器件，对硬件电路进行模块化设计，主要分为测温模块和接收模块两部分，文章详细分析了电路模块各器件使用特性和电路连接原理，完成了电路的硬件接口电路设计。 在软件设计方面，利用Keil C语言对主控制器进行编程，完成了温度数据采集、无线通信程序以及串口传输的软件设计。 本课题还进行了一系列实验，检查测温系统的运行状况并评估了其测温准确度和灵敏度。通过实验证明本系统运行稳定可靠，能够满足测量需要。 该装置硬件结构设计简洁且整体功耗较低，便于维护且可靠性高，采用无线通讯传输测温信号，彻底解决布线改线问题，因此能够很好地适应风机内部IGBT器件的工作环境。 【关键词】：风电变流器 IGBT 实时测温 无线传输
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN322.8;TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 IGBT 器件实时温热状态监测技术的现状及分析10-12
• 1.3 课题主要研究工作12-13
• 第二章 IGBT 器件实时温热状态多点监测系统的总体设计方案13-25
• 2.1 系统的设计要求13-14
• 2.2 系统设计方案的确定14-15
• 2.3 温度传感器的确定15-18
• 2.3.1 温度传感器类型的确定15-16
• 2.3.2 数字式温度传感器的选择16-18
• 2.4 无线芯片的选用18-22
• 2.4.1 无线通讯技术的选择18-19
• 2.4.2 无线收发芯片的选取—nRF9E519-22
• 2.5 IGBT 多点无线测温系统设计的关键问题22-23
• 2.6 本章小结23-25
• 第三章 IGBT 多点测温系统的硬件电路设计25-35
• 3.1 无线测温发射模块的硬件电路设计25-29
• 3.1.1 EEPROM 接口电路25-27
• 3.1.2 DS18B20 接口电路27-29
• 3.1.3 无线测温发射模块的整体电路29
• 3.2 无线测温数据接收模块的硬件电路设计29-33
• 3.2.1 串口通讯电路30-31
• 3.2.2 天线电路31-32
• 3.2.3 无线测温接收模块的整体电路32-33
• 3.3 本章小结33-35
• 第四章 IGBT 多点监测系统的软件设计35-49
• 4.1 系统的开发环境和整体软件框图35-36
• 4.1.1 单片机 C 语言及开发工具 Keil u Vision435
• 4.1.2 整体软件框图35-36
• 4.2 测温模块的程序设计36-46
• 4.2.1 DS18B20 的测温原理36-37
• 4.2.2 DS18B20 的时序37-39
• 4.2.3 DS18B20 测温指令39-40
• 4.2.4 DS18B20 的测温程序40-43
• 4.2.5 无线发射程序43-46
• 4.3 接收模块的程序设计46-48
• 4.3.1 无线接收程序46-47
• 4.3.2 串口通讯程序47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 实验调试与结果分析49-61
• 5.1 Keil C 下的 ISD 在线调试简介49-51
• 5.2 系统实验51-55
• 5.2.1 DS18B20 测温程序的调试运行51-52
• 5.2.2 无线测温系统实验52-55
• 5.3 测量结果分析55-58
• 5.3.1 测温准确度分析55-57
• 5.3.2 测温灵敏度分析57-58
• 5.4 IGBT 测温实验58-61
• 第六章 结论61-63
• 6.1 结论61
• 6.2 展望61-63
• 参考文献63-67
• 致谢67

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