IGBT脈沖調速系統在礦用電機車中的應用

王劍平

鶴壁煤業技師學院，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M1、M2及其控制快關，續流二極管VD及其RDCD阻容保護，絕緣柵雙極三極管IGBT及其串并聯吸收網絡等組成。LK、VDK、RK、CK為串聯吸收網絡，用以限制IGBT開通時電流的上升率。VDS、CS、RS為并聯吸收網絡，用以限制IGBT關斷時的電壓上升率。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）準備

將受電弓與架空線搭接，將調速手柄扳至“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S，接通主電源。

2）啟動

調速手柄順時針扳至“啟動”位，S1、S4閉合，電源經L0、C0濾波后加到主回路上，開關電源工作，給散熱風扇和控制回路供電。控制回路開始工作，送出受調制的脈沖電壓信號，以驅動IGBT的基線接到一個正15V電壓時，IGBT迅速飽和導通，電流由架線經S1-L0-H-S4-M2-C2-1-C2-2-Lk-IGBT-地，電動機工作，機車運行。當IGBT的基極接到一個負5V電壓時，IGBT迅速管斷，電機經續流二極管VD續流，保證電機連續工作。CD、RD與VD并聯，用于降低VD的電流和電壓上升率，保護續流二極管VD。

3）調速

調速手柄繼續順時針扳至“調速”位，增大IGBT驅動信號正、負電壓的時間間隔（即增大脈寬），而頻率（周期）不變，就可增大IGBT導通時間，使電機端電壓平均值增大，實現加速；反之，減小脈寬，可實現減速。

4）運行

當調速手柄繼續轉動達到“全速”位置時，S2閉合，斬波器被短接，電機得到全電壓而全速運行。如果S2因故沒有閉合，當脈寬增至90%以上時，脈寬調制器送出一個恒定的正的驅動信號，IGBT處于持續導通狀態，機車自動轉為全速運行。

5）制動

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

6）換向

在機車停止時，先把調速手柄打到“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，M1由S1-1與C2-1連接，從而實現換向。

1.2 控制回路工作原理

控制回路由控制電源、脈寬調制電路、驅動電路、保護電路等組成。

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

2）脈寬調制電路用于產生脈沖信號，通過調速手柄改變RW的阻值即可改變脈寬。脈寬可在10%～90%的范圍內調節，使電機端電壓平均值在10%～90%的范圍內連續調節；

3）驅動電路用于放大脈沖信號，并驅動IGBT工作；

4）保護電路主要有軟啟動保護、限流保護、退飽和保護、過電壓和欠壓保護以及溫度保護。（1）軟啟動保護用于防止啟動電流過大損壞電動機。電動機電流由霍爾傳感器H進行檢測后送給保護電路，去控制脈寬調制電流。若啟動時電機電流過大，保護電路控制脈寬調制電路減小脈寬，從而降低電動機的電壓和電流。隨著機車速度的升高，電流逐漸下降，脈寬才可能逐漸加大。在調速狀態，不論調速手柄打得多快，脈寬都將緩慢增加超過規定值，以保證啟動平穩、調速均勻，實現軟啟動；（2）若電動機電流瞬時超過規定值，限流保護電路使脈寬調制器關閉，然后自行軟啟動。此過程可能重復出現，知道電流達到規定值為止；（3）因特殊原因，如電機短路、續流二極管擊穿等，使IGBT電流過大、IGBT工作在飽和狀態時，退飽和保護電路將使驅動電路和脈寬調制器迅速關閉，整機停止工作。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）當架線電壓高于規定值或開關電源輸出電壓偏低時，脈寬調制器將關閉；（5）若風扇損壞及串、并聯吸收電路損壞，使IGBT散熱器溫度高于某一規定值（本機為75℃），溫度繼電器觸點KT斷開，切斷RW，使脈寬調制電路關閉，整機停止工作。

2 安裝、試車與維護

2.1 安裝

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

2.2 試車

首先檢查開關電源、控制板是否正常；將主回路電動機負載斷開（斷開續流二極管陽極的電機接線即可），送上架線電源，閉合S1，此時風扇應轉動。用萬用表測量IGBT基極對發射極間電壓Ube，轉動調速手柄從啟動到全速位置，Ube若在-3V～+13V之間變化，說明驅動輸出正常，開關電源正常。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。調節調速手柄，-5V電壓不變，說明控制板退保和保護功能正常。

上述檢查均正常后，則可接上電機試車。試驗時既可將機車吊起，兩個電機一塊試，也可斷開控制器下面的一個電機接線，兩個及機車分別試。觀察兩電機轉向是否正確，若轉向不對，可對換電機定子或轉子兩端的接線位置再試。正確無誤后，接好兩個電機的接線進行無能耗制動，在確認兩個電機運轉正常及能耗制動電阻完好的情況下，將某一電機的轉子和定子接線位置同時對調后再試。

2.3 維護

該裝置維護時須先斷開電源，把電容C0的電放完后方可進行。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、并聯吸收電路各元件是否有損壞。其中個別保護元件損壞，機車運行情況無明顯變化，不易發現，若繼續長時間運行，會最終導致IGBT損壞。所以，一定要注意經常檢查。

[1]任連貴.電機車司機.中國礦業大學出版社，2005，6.

[2]顧永輝，等.煤礦電工手冊.煤炭工業出版社，1998，4.