IGBT脉冲调速系统在矿用电机车中的应用

王剑平

鹤壁煤业技师学院，河南 鹤壁 458000

1 工作原理

1.1 主回路工作原理

主回路由LC滤波电路,直流电动机M1、M2及其控制快关，续流二极管VD及其RDCD阻容保护，绝缘栅双极三极管IGBT及其串并联吸收网络等组成。LK、VDK、RK、CK为串联吸收网络，用以限制IGBT开通时电流的上升率。VDS、CS、RS为并联吸收网络，用以限制IGBT关断时的电压上升率。S1、S2、S3、R为能耗制动触点和电阻，S4为用于防止能耗制动电流过大和换向制动。原理图如下：

1）准备

将受电弓与架空线搭接，将调速手柄扳至“停止”位、换向手柄扳至所需的运行方向（如“向前”位），合上自动空气开关S，接通主电源。

2）启动

调速手柄顺时针扳至“启动”位，S1、S4闭合，电源经L0、C0滤波后加到主回路上，开关电源工作，给散热风扇和控制回路供电。控制回路开始工作，送出受调制的脉冲电压信号，以驱动IGBT的基线接到一个正15V电压时，IGBT迅速饱和导通，电流由架线经S1-L0-H-S4-M2-C2-1-C2-2-Lk-IGBT-地，电动机工作，机车运行。当IGBT的基极接到一个负5V电压时，IGBT迅速管断，电机经续流二极管VD续流，保证电机连续工作。CD、RD与VD并联，用于降低VD的电流和电压上升率，保护续流二极管VD。

3）调速

调速手柄继续顺时针扳至“调速”位，增大IGBT驱动信号正、负电压的时间间隔（即增大脉宽），而频率（周期）不变，就可增大IGBT导通时间，使电机端电压平均值增大，实现加速；反之，减小脉宽，可实现减速。

4）运行

当调速手柄继续转动达到“全速”位置时，S2闭合，斩波器被短接，电机得到全电压而全速运行。如果S2因故没有闭合，当脉宽增至90%以上时，脉宽调制器送出一个恒定的正的驱动信号，IGBT处于持续导通状态，机车自动转为全速运行。

5）制动

遇到紧急情况需要制动时，将调速手柄逆时针扳至“制动”位，S2断开直流电源，S3闭合串入制动电阻R，并将两电动机磁力绕组与电枢绕组交叉连接，实现能耗制动。

6）换向

在机车停止时，先把调速手柄打到“换向”（“制动”）位置，然后打换向手柄至相反位置（如“向后”位）。电枢与激磁绕组的接头对调，M1由S1-1与C2-1连接，从而实现换向。

1.2 控制回路工作原理

控制回路由控制电源、脉宽调制电路、驱动电路、保护电路等组成。

1）控制电源采用开关电源，输出15V和20V两路直流电源。其中15V给控制部分的脉宽调制电路供电，此路电源不悬浮；20V给控制部分的驱动电路及散热风扇供电，这一路是悬浮的，必须与架线电压良好隔离，不能接地。本开关电源只为控制回路而设，不许连接机车上的照明灯和喇叭；

2）脉宽调制电路用于产生脉冲信号，通过调速手柄改变RW的阻值即可改变脉宽。脉宽可在10%～90%的范围内调节，使电机端电压平均值在10%～90%的范围内连续调节；

3）驱动电路用于放大脉冲信号，并驱动IGBT工作；

4）保护电路主要有软启动保护、限流保护、退饱和保护、过电压和欠压保护以及温度保护。（1）软启动保护用于防止启动电流过大损坏电动机。电动机电流由霍尔传感器H进行检测后送给保护电路，去控制脉宽调制电流。若启动时电机电流过大，保护电路控制脉宽调制电路减小脉宽，从而降低电动机的电压和电流。随着机车速度的升高，电流逐渐下降，脉宽才可能逐渐加大。在调速状态，不论调速手柄打得多快，脉宽都将缓慢增加超过规定值，以保证启动平稳、调速均匀，实现软启动；（2）若电动机电流瞬时超过规定值，限流保护电路使脉宽调制器关闭，然后自行软启动。此过程可能重复出现，知道电流达到规定值为止；（3）因特殊原因，如电机短路、续流二极管击穿等，使IGBT电流过大、IGBT工作在饱和状态时，退饱和保护电路将使驱动电路和脉宽调制器迅速关闭，整机停止工作。若遇到这种情况，必须切断电源，查找原因。故障不排除，不可重新启动，以免损坏IGBT管；（4）当架线电压高于规定值或开关电源输出电压偏低时，脉宽调制器将关闭；（5）若风扇损坏及串、并联吸收电路损坏，使IGBT散热器温度高于某一规定值（本机为75℃），温度继电器触点KT断开，切断RW，使脉宽调制电路关闭，整机停止工作。

2 安装、试车与维护

2.1 安装

安装前应确认电机车两个电极绝缘良好、运行正常，控制器安装在司机室，主体箱安装在后面原调速电阻的位置，能耗制动电阻可安装在适当位置。按电路图接好各部分之间的连接线。

2.2 试车

首先检查开关电源、控制板是否正常；将主回路电动机负载断开（断开续流二极管阳极的电机接线即可），送上架线电源，闭合S1，此时风扇应转动。用万用表测量IGBT基极对发射极间电压Ube，转动调速手柄从启动到全速位置，Ube若在-3V～+13V之间变化，说明驱动输出正常，开关电源正常。在上述正常情况下，将VD阳极与IGBT集电极C断开悬空，IGBT的Ube电压为-5V。调节调速手柄，-5V电压不变，说明控制板退保和保护功能正常。

上述检查均正常后，则可接上电机试车。试验时既可将机车吊起，两个电机一块试，也可断开控制器下面的一个电机接线，两个及机车分别试。观察两电机转向是否正确，若转向不对，可对换电机定子或转子两端的接线位置再试。正确无误后，接好两个电机的接线进行无能耗制动，在确认两个电机运转正常及能耗制动电阻完好的情况下，将某一电机的转子和定子接线位置同时对调后再试。

2.3 维护

该装置维护时须先断开电源，把电容C0的电放完后方可进行。每周清理煤尘一次，并作出如下检查：

1）S1～S2和各换向触头是否完好；

2）各紧固件尤其是接线螺钉是否有松动；

3）串、并联吸收电路各元件是否有损坏。其中个别保护元件损坏，机车运行情况无明显变化，不易发现，若继续长时间运行，会最终导致IGBT损坏。所以，一定要注意经常检查。

[1]任连贵.电机车司机.中国矿业大学出版社，2005，6.

[2]顾永辉，等.煤矿电工手册.煤炭工业出版社，1998，4.