脈沖調速司控器在煤礦機車運輸中的應用

【摘 要】目前，在我國，礦井運輸機車牽引動力一直都是在使用直流串激電動機，已經有十幾年的歷史了。作為礦井運輸機車牽引動力已有幾十年的歷史。在此期間，一直是用“變阻調整”法作為控制電動機轉速的主要方法當增大與電樞串聯的電阻時，電動機轉速降低，機車慢行；反之電動機的轉速就增高，機車就快行。凡事有利有弊，這種方式雖然操作便捷，但是有好多不可避免的缺陷。第一，操作過程中，會浪費特別多的熱能。第二，有時候電流過大，產生電弧，會將觸頭燒損，對人生安全會造成很大的傷害，危險系數一下提高好多。同時也消耗大量的色金屬。最后一點，變阻調速為有級調速，而在這種過程中，機動車啟動的時候，會產生非常大的沖擊力和振動，這對平穩啟動，有很大的影響，有時候，還會導致掛車時危險事故。

【關鍵詞】變阻調速；脈沖調速

一、引言

2010年至2012年2年之間，我們逐步對全礦電機車改造，將原電阻調速改為脈沖調速。有一種直流電壓控制裝置，即脈沖調速。這種產品的安裝，不能讓直流電壓的數值為零，必須調到一定數值。它可以應用在電機車牽引電機車控制回路上來調節電動車速度，這就是電機車脈沖調速。好多人，也稱這種方式為斬波調速。

二、改造后的優勢

（一）節能功能：與之前的相比，節能30%左右。

（二）啟動平穩、啟動力矩大：這個過程中，采用了無極調速方式。從啟動開始到平穩的運轉過程中，這個措施非常至關重要。因為它保護了機車機械的系統。在這期間，司機師傅可以依據自己的需求隨便控制車的行駛速度，并且它的牽引力比原電阻調速機車大，工作效率還非常的大。

（三）溫度保護：當溫度達到一定的數值，即可以保護功率元件IGBT時，保護整個電路的動作，就可以有效的防治斬波器功率元件的損壞（備注：其容易受溫度的影響而失去使用功能）

三、操作方法

（一）開車準備：將正、負極插銷按極性插入插銷連接器，接通蓄電池電源裝置和調速箱的連線。仔細檢查電源極性正確后，才能進行下一步操作。（若安裝YBZ-1數字電量儀，通過觀察電量儀是否顯示，可判斷電源極性是否正確，同時當電量儀上電量顯示只有紅色發光二極管點亮時，司機應及時停車對停車對蓄電池進行充電）

（二）確定行車方向，移動調速箱換向手柄，由于主回路未接通，操作換向手柄時觸電是不帶電電流切換的，為了做到無弧切換，調速手柄與換向手柄之間設有機械聯鎖。

換向手柄置于“向前”位：

主回路無弧接通牽引電動機定子和轉子。

換向手柄置于“向后”位：

主回路無弧接通牽引電動機定子和轉子。

（三）機車的啟動、調速及全壓運行

司機操作調速手柄從“0”位移至“全壓”位（即從0°移到15°）。

“0”位（即從0°）時，調速手柄從“0”位移至“合閘”位（約轉動到25°）主凸輪將觸點閉合。

繼續操作調速手柄由“合閘”位至“調速”位（約35°）時，給定器內微動開關接通，控制器驅動盒24V電源接通。

操作調速手柄由“調速”位繼續向前移動至“全壓”位時（35°至150°之間），調速手柄帶動光電給定器軸轉動，輸出給定電壓，隨著加調速手柄的前移，加在電機上的端電壓不斷提高，直至“全壓”位，機車速度達到最大。

（四）“全壓”位返回“0”位

調速手柄由“全壓”位退回“0”位時的工作過程相反，現將其過程分述如下；調速手柄從150°移到35°時，隨著給定電壓的降低，調速箱的輸出電壓由最大調節電壓逐漸下降到最小調節電壓，機車減速行駛。

調速手柄從35°移到25°時，微斷開關，控制器驅動電路電源斷開，斬波器停止動作，機車靠慣性運行。

調速手柄從25°移到“0”位時，則主回路斷開，因為調速手柄在25°時，斬波器已停止工作（即關斷）。

四、簡單介紹一下脈沖調速中的實施原理：

如下圖所示，GK是一個高速開關。當它按著一定的頻率斷開并且閉合時，就把電壓U轉變成為一系列脈沖電壓加在電動機兩端，這個時候，電動機兩端的電壓，應該等于其中所有的脈沖電壓的平均值Up。設每次開關閉合的時間為t，閉合和斷開的周期為T，則加在電動機兩端的電壓為：Up=tfU=U

其中=t/T為開關的導通率或接通比。改變導通率就可在電動機兩端得到相應的平均電壓值，從而調節電動機的轉速，這就是脈沖調速的基本原理。

高速開關完成一次關、合過程為一個工作周期T，每產生一個脈沖電壓的時間為脈沖寬度t，則電動機的端電壓的平均值UP為

式中Ue——電源電壓，V；

t——脈沖寬度（斬波器導通時間），s；

T——斬波器的工作周期，s；

f——脈沖頻率，Hz；

UP——平均電壓，V。

由上式可知，電動機的調速有以下三種方式：

（一）定頻調寬：即改變脈沖的寬度t，而脈沖頻率f不變，來改變加在電動機上直流平均電壓UP值的調速方式。

（二）定寬調頻：即改變脈沖頻率f，或者說改變斬波器的工作周期T，脈沖寬度t不變，以此改變加在電動機上直流電壓平均值UP的調速方式。

（三）調頻、調寬：即脈沖寬度t和頻率f同時改變，從而改變加在電動機上直流電壓平均值UP的調速方式 。

我礦的電機車司控器中，IGBT起到了至關重要的作用。因為斬波器就應用了此開關器件。IGBT是由場效應管與大功率晶體管想結合的全控功率開關元件，它的開關頻率很高，當柵極施加+15時器件導通，導通時壓降為2V左右；當柵極施加0～-15V時器件關斷。由于IGBT工作在開關狀態，導通關斷時消耗很小，所以調速狀態下節能效果顯著，可以保證99%以上的電能用于電機。

由于開關頻率高（800HZ～2KHZ），實際電機的電流等效為直流電流，通過改變IGBT的導通、關斷時間的比值（即調壓比а=TON/T），這樣，可以通過改變電壓的平均值，然后實現電機的轉速。這樣，就可以達到機車調整速度的目的了。

為使機車能正常的工作，減少用戶的損失，本系統加裝了溫度的保護裝置。如何使斬波器停止工作，那就是鋁散熱底板溫度達到一個數值的時候，才可以。而這個數字式82℃左右。這個過程，是用來保護功率開關元件的（開關元件易受溫度的高低影響使用）。待它的溫度降低或者恢復到最初的正常溫度時，機車就馬上可以回恢復工作了。