小機車新型試驗電源系統(tǒng)故障研究

程正梅

(湖南人文科技學(xué)院信息科學(xué)與工程系，湖南 婁底 417000)

0 引言

小機車是礦場運輸工具之一，因其小巧靈活、控制簡單，主電路牽引、制動轉(zhuǎn)換容易，運送效率高，因此在實際的應(yīng)用很受歡迎。卓越的性能直接提高小機車的運貨速度和礦物的工作效率。為了確保系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，對小機車的性能進行測試是有必要的。而為之工作的順利開展就必須提供試驗電源，因此試驗電源的優(yōu)良某種程度就決定了小機車的出廠質(zhì)量。所以針對小機車新型試驗電源的故障研究很有必要。本文主要研究在設(shè)計小機車新型試驗電源過程中遇到的典型故障電路，利用所學(xué)的知識和實際的調(diào)試方法，針對具體的故障分析提出了相應(yīng)的解決方案，并且運用到實際電路中，以幫助試驗電源系統(tǒng)在實際運行中避免出現(xiàn)類似的故障，為整個新型試驗電源的運行提供可靠安全的保障。

1 新型試驗電源系統(tǒng)組成和控制原理

圖1所示，三相電源給整個小機車試驗電源系統(tǒng)供電，三相交流電經(jīng)調(diào)壓器和變壓器實現(xiàn)初步調(diào)壓，之后經(jīng)脈波整流成直流電供電機啟動運行。其中電容C1作濾波用。直流電壓經(jīng)IGBT1開關(guān)進行直流降壓斬波操作，電壓對電容C2充電，配合保護電路和制動電路為直流電機提供一個安全而穩(wěn)定的電壓。

圖1 小機車新型試驗電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所述控制電路工作原理：SV1整流電壓傳感器采樣電壓送給單片機，并通過串行通信向PLC傳輸?shù)妮敵鲭妷好睿员銌诱{(diào)壓器，根據(jù)在負載電機所需電壓進行電壓控制，以免超出電壓輸出范圍。SV2電壓傳感器負責(zé)取樣斬波后的電壓到傳給單片機，并可以在PLC屏上顯示電壓值，以便設(shè)置電壓等級，根據(jù)實際需要設(shè)定電壓。如果大于設(shè)定值，迅速發(fā)送一個停止信號給電壓調(diào)節(jié)器，并發(fā)送一個信號給進行斬波控制的單片機。單片機根據(jù)設(shè)定值和采樣值之差運行自適應(yīng)模糊PID控制PWM輸出，借此控制IGBT1斬波。最后，如果礦用小機車緊急制動時，反電動勢瞬時動作，SV2檢測到一個突高電壓值，單片機應(yīng)當(dāng)立即控制關(guān)閉IGBT1。

2 試驗電源系統(tǒng)電路存在的主要故障研究

如圖1所示為新型試驗電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以看出：試驗電源的主電路系統(tǒng)組成部分存在輸入電壓電流大、非線性控制能力差等特點。而控制部分則存在強電弱電隔離的技巧設(shè)置，加上直流斬波電路組成的開關(guān)電路部分，使得整個電路具有復(fù)雜性和難控制性。主要存在以下幾種故障類型。

2.1 大電流大電壓信號的輸入

試驗電源電路輸入信號為380V的交流電，通過斷路器與空氣開關(guān)輸送三相交流電到達調(diào)變壓器。整個試驗電源系統(tǒng)的負載是一系列額定電壓為48V、97V、220V的直流電機，因此輸出電壓較大。而工作電流也接近100A甚至是200A，根據(jù)分析實際電路工作過程得知最大電流為72.65A，因此整個電路部分的電流輸入較大。這樣容易造成開關(guān)擊穿影響整個電源的穩(wěn)定性。

2.2 強弱電分離以及電磁干擾

控制電路部分的單片機工作在+5V弱電信號下，而IGBT驅(qū)動電路工作在達幾百伏的強電狀態(tài)下，因此強弱電之間的串?dāng)_存在也是一大隱患。

2.3 控制電路中的浪涌和開關(guān)擊穿的危險性

從圖1中的主電路結(jié)構(gòu)和控制電路結(jié)構(gòu)組成可以看出，當(dāng)電路中的IGBT開關(guān)進行斷開和接通的過程中，因負載電機的額定電壓各不相同的關(guān)系，

浪涌電壓在電路中是可能存在的，并且可能引起瞬態(tài)干擾。當(dāng)處于過壓狀態(tài)時，電解電容器是很可能被擊穿而引發(fā)開關(guān)燒壞的，而電容器的充電尖峰電流也可能瞬時超過系統(tǒng)額定電流的好幾倍，實際調(diào)試中證明，電路瞬時電流和浪涌電壓的確存在，這些電流和電壓的破壞性是不可忽視的。

3 故障防范和改進措施

設(shè)計新型試驗電源時，除了匹配好電子元件的參數(shù)和選擇好合適的驅(qū)動電路外，保護電路的設(shè)計也是一項重要工作。系統(tǒng)工作時既存在弱電部分，又存在強電供給。為了防止故障和安全事故的發(fā)生，應(yīng)采取預(yù)防措施和保護電路。

3.1 過壓，欠壓，過流保護電路的設(shè)計

IGBT集電極和發(fā)射極之間承受擊穿電壓和反壓的能力是有限的，新型試驗電源要求的調(diào)壓范圍比較廣，在DC50V-DC550V之間。因此電源電路部分有必要設(shè)置過壓和欠壓保護電路。電路設(shè)計圖如圖2所示，過(欠)壓保護電路工作時，以電壓傳感器LV25-P采樣輸入IGBT開關(guān)前的電壓，通過電3引腳將電壓輸入給LM747的第引腳，與參考電壓進行比較，如果保護參考電壓大于或小于采樣電壓則通過LM747的第10腳輸出低電平，相與其它故障信號后被發(fā)送到單片機的P17中，當(dāng)單片機的I/O檢測電平信號的變化時做出相應(yīng)的處理停止輸出PWM信號，進而控制整個系統(tǒng)停止。在IGBT開關(guān)的輸入輸出部分都會設(shè)計這樣的保護電路，以此確保整個系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

圖2 過壓、欠壓保護電路

當(dāng)IGBT承受瞬時大電流時，可能存在越過安全區(qū)的危險，為免造成永久性損壞，設(shè)計過電流保護電路是必要的。如圖1所示，斬波后的電流經(jīng)電流傳感器SA1采樣，可作為一個輸入信號進入過電流保護電路。如圖3，傳感器采集的電流信號輸入到LM324的9引腳，與10引腳的參考電流進行比較，當(dāng)發(fā)生過流故障時，將控制信號通過光電耦合器TLP-521的4腳輸出低電平給單片機的P20口，此時過流信號燈LED1亮，提供警示信息。當(dāng)單片機收到低電平后，做出相應(yīng)的處理，停止PWM輸出。其中光電耦合還有抑制輸入信號的共模干擾作用。

圖3 過電流檢測電路

根據(jù)圖2和圖3設(shè)計的過壓、欠壓和過流電路的保護，在實際電路調(diào)試過程中起到了很好的保護作用。

3.2 隔離電路和電磁干擾的設(shè)計

該設(shè)計包含有PWM脈沖驅(qū)動與保護電路的控制電路部分，既能把PWM脈沖處理成能驅(qū)動IGBT開關(guān)進行斬波和制動穩(wěn)壓控制的信號，也能保護整個系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中PWM脈沖輸出進行的斬波和制動起著重要作用，為了防止串?dāng)_在各種信號之間的存在，在設(shè)計電路時，當(dāng)單片機輸出PWM脈沖信號后，使其通過光耦隔離電路。這樣能有效地抑制尖峰脈沖擊穿IGBT，也可以有效地抑制接地回路和各種干擾噪聲，提高信噪比。同時為了防止干擾信號進入控制電路，降低系統(tǒng)的控制精度，甚至使之產(chǎn)生錯誤的控制信號，真正起到很好的隔離。因此，設(shè)計了如圖4所示的光耦隔離電路。

圖4 PWM脈沖輸出電路與IGBT驅(qū)動電路之間的隔離電路

3.3 參數(shù)的選擇和開關(guān)電路的保護

在具有浪涌電壓存在的情況下，突變產(chǎn)生的電壓可能擊穿IGBT開關(guān)，造成電路系統(tǒng)癱瘓。因此解決這一問題是必要的.新型試驗電源電路采用在主電路部分接入具有相反的非線性特性元件的方式組成串聯(lián)型浪涌保護器。從圖1中，可以看出因電容C1不適合直接接入電路，所以在電路中加入了兩個阻值合適的電阻R1、R2，R1與C1并聯(lián)后再與R2串聯(lián)組成串聯(lián)型浪涌保護電路。具體阻值參考整個系統(tǒng)理論參數(shù)算出：R1=5K/60W；R2=2Ω/200W。

4 結(jié)論與展望

文中就新型試驗電源的主電路結(jié)構(gòu)和控制電路結(jié)構(gòu)加以分析，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)分析出可能產(chǎn)生故障的原因。針對具體故障因素，在具體電路加入防止出現(xiàn)故障的保護電路，使得整個電路系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運行。根據(jù)理論聯(lián)系實際的方式，就具體的電路制板調(diào)試可以得出，新型試驗電源的電路具有抗壓能力強、抗電磁干擾效果好、IGBT開關(guān)使用壽命更高的優(yōu)點。因所設(shè)知識面較窄，可能還有一些具體的問題沒有考慮周全，下一步希望能就硬件和軟件之間的電磁抖動問題加以研究。

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