IGBT脉冲调速系统在矿用电机车中的应用
2011-07-04王剑平
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-
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.