IGBT脈沖調(diào)速系統(tǒng)在礦用電機(jī)車中的應(yīng)用

王劍平

鶴壁煤業(yè)技師學(xué)院，河南 鶴壁 458000

1 工作原理

1.1 主回路工作原理

主回路由LC濾波電路,直流電動機(jī)M1、M2及其控制快關(guān)，續(xù)流二極管VD及其RDCD阻容保護(hù)，絕緣柵雙極三極管IGBT及其串并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)等組成。LK、VDK、RK、CK為串聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制IGBT開通時電流的上升率。VDS、CS、RS為并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制IGBT關(guān)斷時的電壓上升率。S1、S2、S3、R為能耗制動觸點和電阻，S4為用于防止能耗制動電流過大和換向制動。原理圖如下：

1）準(zhǔn)備

將受電弓與架空線搭接，將調(diào)速手柄扳至“停止”位、換向手柄扳至所需的運行方向（如“向前”位），合上自動空氣開關(guān)S，接通主電源。

2）啟動

調(diào)速手柄順時針扳至“啟動”位，S1、S4閉合，電源經(jīng)L0、C0濾波后加到主回路上，開關(guān)電源工作，給散熱風(fēng)扇和控制回路供電?？刂苹芈烽_始工作，送出受調(diào)制的脈沖電壓信號，以驅(qū)動IGBT的基線接到一個正15V電壓時，IGBT迅速飽和導(dǎo)通，電流由架線經(jīng)S1-L0-H-S4-M2-C2-1-C2-2-Lk-IGBT-地，電動機(jī)工作，機(jī)車運行。當(dāng)IGBT的基極接到一個負(fù)5V電壓時，IGBT迅速管斷，電機(jī)經(jīng)續(xù)流二極管VD續(xù)流，保證電機(jī)連續(xù)工作。CD、RD與VD并聯(lián)，用于降低VD的電流和電壓上升率，保護(hù)續(xù)流二極管VD。

3）調(diào)速

調(diào)速手柄繼續(xù)順時針扳至“調(diào)速”位，增大IGBT驅(qū)動信號正、負(fù)電壓的時間間隔（即增大脈寬），而頻率（周期）不變，就可增大IGBT導(dǎo)通時間，使電機(jī)端電壓平均值增大，實現(xiàn)加速；反之，減小脈寬，可實現(xiàn)減速。

4）運行

當(dāng)調(diào)速手柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動達(dá)到“全速”位置時，S2閉合，斬波器被短接，電機(jī)得到全電壓而全速運行。如果S2因故沒有閉合，當(dāng)脈寬增至90%以上時，脈寬調(diào)制器送出一個恒定的正的驅(qū)動信號，IGBT處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，機(jī)車自動轉(zhuǎn)為全速運行。

5）制動

遇到緊急情況需要制動時，將調(diào)速手柄逆時針扳至“制動”位，S2斷開直流電源，S3閉合串入制動電阻R，并將兩電動機(jī)磁力繞組與電樞繞組交叉連接，實現(xiàn)能耗制動。

6）換向

在機(jī)車停止時，先把調(diào)速手柄打到“換向”（“制動”）位置，然后打換向手柄至相反位置（如“向后”位）。電樞與激磁繞組的接頭對調(diào)，M1由S1-1與C2-1連接，從而實現(xiàn)換向。

1.2 控制回路工作原理

控制回路由控制電源、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等組成。

1）控制電源采用開關(guān)電源，輸出15V和20V兩路直流電源。其中15V給控制部分的脈寬調(diào)制電路供電，此路電源不懸浮；20V給控制部分的驅(qū)動電路及散熱風(fēng)扇供電，這一路是懸浮的，必須與架線電壓良好隔離，不能接地。本開關(guān)電源只為控制回路而設(shè)，不許連接機(jī)車上的照明燈和喇叭；

2）脈寬調(diào)制電路用于產(chǎn)生脈沖信號，通過調(diào)速手柄改變RW的阻值即可改變脈寬。脈寬可在10%～90%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使電機(jī)端電壓平均值在10%～90%的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；

3）驅(qū)動電路用于放大脈沖信號，并驅(qū)動IGBT工作；

4）保護(hù)電路主要有軟啟動保護(hù)、限流保護(hù)、退飽和保護(hù)、過電壓和欠壓保護(hù)以及溫度保護(hù)。（1）軟啟動保護(hù)用于防止啟動電流過大損壞電動機(jī)。電動機(jī)電流由霍爾傳感器H進(jìn)行檢測后送給保護(hù)電路，去控制脈寬調(diào)制電流。若啟動時電機(jī)電流過大，保護(hù)電路控制脈寬調(diào)制電路減小脈寬，從而降低電動機(jī)的電壓和電流。隨著機(jī)車速度的升高，電流逐漸下降，脈寬才可能逐漸加大。在調(diào)速狀態(tài)，不論調(diào)速手柄打得多快，脈寬都將緩慢增加超過規(guī)定值，以保證啟動平穩(wěn)、調(diào)速均勻，實現(xiàn)軟啟動；（2）若電動機(jī)電流瞬時超過規(guī)定值，限流保護(hù)電路使脈寬調(diào)制器關(guān)閉，然后自行軟啟動。此過程可能重復(fù)出現(xiàn)，知道電流達(dá)到規(guī)定值為止；（3）因特殊原因，如電機(jī)短路、續(xù)流二極管擊穿等，使IGBT電流過大、IGBT工作在飽和狀態(tài)時，退飽和保護(hù)電路將使驅(qū)動電路和脈寬調(diào)制器迅速關(guān)閉，整機(jī)停止工作。若遇到這種情況，必須切斷電源，查找原因。故障不排除，不可重新啟動，以免損壞IGBT管；（4）當(dāng)架線電壓高于規(guī)定值或開關(guān)電源輸出電壓偏低時，脈寬調(diào)制器將關(guān)閉；（5）若風(fēng)扇損壞及串、并聯(lián)吸收電路損壞，使IGBT散熱器溫度高于某一規(guī)定值（本機(jī)為75℃），溫度繼電器觸點KT斷開，切斷RW，使脈寬調(diào)制電路關(guān)閉，整機(jī)停止工作。

2 安裝、試車與維護(hù)

2.1 安裝

安裝前應(yīng)確認(rèn)電機(jī)車兩個電極絕緣良好、運行正常，控制器安裝在司機(jī)室，主體箱安裝在后面原調(diào)速電阻的位置，能耗制動電阻可安裝在適當(dāng)位置。按電路圖接好各部分之間的連接線。

2.2 試車

首先檢查開關(guān)電源、控制板是否正常；將主回路電動機(jī)負(fù)載斷開（斷開續(xù)流二極管陽極的電機(jī)接線即可），送上架線電源，閉合S1，此時風(fēng)扇應(yīng)轉(zhuǎn)動。用萬用表測量IGBT基極對發(fā)射極間電壓Ube，轉(zhuǎn)動調(diào)速手柄從啟動到全速位置，Ube若在-3V～+13V之間變化，說明驅(qū)動輸出正常，開關(guān)電源正常。在上述正常情況下，將VD陽極與IGBT集電極C斷開懸空，IGBT的Ube電壓為-5V。調(diào)節(jié)調(diào)速手柄，-5V電壓不變，說明控制板退保和保護(hù)功能正常。

上述檢查均正常后，則可接上電機(jī)試車。試驗時既可將機(jī)車吊起，兩個電機(jī)一塊試，也可斷開控制器下面的一個電機(jī)接線，兩個及機(jī)車分別試。觀察兩電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正確，若轉(zhuǎn)向不對，可對換電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子兩端的接線位置再試。正確無誤后，接好兩個電機(jī)的接線進(jìn)行無能耗制動，在確認(rèn)兩個電機(jī)運轉(zhuǎn)正常及能耗制動電阻完好的情況下，將某一電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子接線位置同時對調(diào)后再試。

2.3 維護(hù)

該裝置維護(hù)時須先斷開電源，把電容C0的電放完后方可進(jìn)行。每周清理煤塵一次，并作出如下檢查：

1）S1～S2和各換向觸頭是否完好；

2）各緊固件尤其是接線螺釘是否有松動；

3）串、并聯(lián)吸收電路各元件是否有損壞。其中個別保護(hù)元件損壞，機(jī)車運行情況無明顯變化，不易發(fā)現(xiàn)，若繼續(xù)長時間運行，會最終導(dǎo)致IGBT損壞。所以，一定要注意經(jīng)常檢查。

[1]任連貴.電機(jī)車司機(jī).中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005，6.

[2]顧永輝，等.煤礦電工手冊.煤炭工業(yè)出版社，1998，4.