IGBT斩波控制器在电机车上的应用

2013-08-15刘金平

机械工程师 2013年3期

刘金平

（龙煤鹤岗分公司富力煤矿，黑龙江鹤岗 154100）

1 引言

机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，是煤矿的重要运输工具。因为它具有牵引力大、维护费用小、可以改善劳动条件等优点，所以在井下巷道运输中得到广泛应用。目前矿用电机车都采用直流串励电动机作为牵引电动机，传统的调速方法是通过电阻实现启动、调速、停车、换向等功能。根据电机车的发展方向，电阻调速控制器功能已经不能满足使用要求。在1990 年代采用可控硅司控器，但其维修费用高，技术性强，不适合需要。现在正逐步对电机车进行改造，采用IGBT 斩波控制器。本文主要对矿用隔爆型IGBT 斩波控制器进行介绍。

2 IGBT 斩波控制器用途及结构

IGBT 斩波控制器主要用于防爆特殊型蓄电池电机车，控制机车的前进、后退、启动、调速、运行及制动。

IGBT 斩波控制器的操作面板上安装有调速手柄、换向开关、灯开关、喇叭按钮。箱体内部安装有换向触头、接触组、数字电压表、霍尔速度给定器、照明用电源盒及斩波器。调速手柄用于控制机车的启动、调速、全速以及停止，它与换向开关设有互锁装置。换向开关由两组接触铜片组成，完成两台电动机“0”位、“向前”“向后”三个工作状态的转换。斩波器由IGBT、续流二极管、电解电容、无感电容、霍尔电流传感器及控制驱动盒电路等组成。霍尔速度给定器能发出速度给定信号。

3 IGBT的工作原理

IGBT 即绝缘栅双极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，IGBT具有控制驱动电路简单、工作效率高、容量较大、驱动功率小而饱和压降低的优点。

图1 IGBT 等效电路

IGBT的等效电路如图1所示。

若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSTET 导通，PNP 晶体管的集电极与基极之间的低阻状态使得晶体管导通，若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSTET 截止，切断PNP 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT的安全可靠性取决于以下因素：

（1）IGBT 栅极与发射极之间的电压。驱动电压过高，IGBT 不能稳定正常工作，驱动电压过低，IGBT 永久损坏。

（2）IGBT 集电极与发射极之间的电压。电压超过它们之间的耐压，IGBT 永久损坏。

（3）流过IGBT 集电极-发射极的电流。电流超过最大值，IGBT 永久损坏。

（4）IGBT的结温超过允许值，IGBT 永久损坏。

针对这些因素，采用IGBT 栅极保护、浪涌电压保护等多种保护装置。IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值为±20V，设置栅压限幅电路，为防止过流、过热或由于振动使得栅极回路断开，损坏IGBT 等现象，在IGBT的栅极与发射极之间并联一只几十kΩ的电阻，起保护作用。

其电路图如图2。

图2 栅极保护电路

4 性能特点比较

电阻控制器是将电阻串入机车电枢回路，改变两端电压进行调速。这种方法的最大缺点是：调速过程中串入电阻要将电能变成热能损失掉，耗能高，很不经济；调速采用了分段切除电阻方式，这样分段增加了电机两端的电压，于是机车的速度呈台阶式变化，有极调速，调速不平滑，采用单一机械制动，机械互锁、启动冲击大，机械磨损大，故障率高，尤其是触头，经常损坏，维修频繁。可控硅司控器主要由两组可控硅、电容、自耦变压器、充电二极管等组成。它的特点是启动相对平稳，牵引力相对提高，采用了无极调速、机械磨损小，电位器给定，有单一的电流和电机保护,节能20%,但故障率高，维修费用高，维修时间长，需专业技术人员进行维修，因此需进一步改进。在此基础上，发展了现在推广的IGBT 控制器。它的特点是启动平稳，无冲击，对电机和机械的耗损小，起动力矩大，牵引力相对增大，无极调速，调速时比电阻调速节能30%，即可提高电池的使用寿命，节约成本35%，斩波调速器无弧通断，无触头损耗，电气机械故障少，设有过流、过压和欠压等多重保护，采用模块设计，霍尔速度给定器，操作性能好，线性化，稳定性好，结构简单，维修方便。它的主、副司控采用互锁，机械和电气制动。电路如图3所示。

图3 主、副司控电路

互锁电路由主调速器上1SK1、1SK2和副调速器上2SK1、2SK2 开关组成，这些开关在调速手柄上。当主、副调速手柄同时置于“0”位时，从图3 中可见1#和2#线不通。如果操作主调速手柄离开“0”位，这时副操作手柄仍在“0”位。那么1SK1 闭合、1SK2 闭合，1#和2#线接通，主电路接通。这时，如果操作副调速手柄离开“0”位，两个常开开关1SK1、1SK2 均闭合，但其常闭开关1SK1、1SK2均断开，1#和2#线仍不通，这样实现主电路互锁，保证了安全。