小机车新型试验电源系统故障研究

程正梅

(湖南人文科技学院信息科学与工程系，湖南 娄底 417000)

0 引言

小机车是矿场运输工具之一，因其小巧灵活、控制简单，主电路牵引、制动转换容易，运送效率高，因此在实际的应用很受欢迎。卓越的性能直接提高小机车的运货速度和矿物的工作效率。为了确保系统的可靠和稳定，对小机车的性能进行测试是有必要的。而为之工作的顺利开展就必须提供试验电源，因此试验电源的优良某种程度就决定了小机车的出厂质量。所以针对小机车新型试验电源的故障研究很有必要。本文主要研究在设计小机车新型试验电源过程中遇到的典型故障电路，利用所学的知识和实际的调试方法，针对具体的故障分析提出了相应的解决方案，并且运用到实际电路中，以帮助试验电源系统在实际运行中避免出现类似的故障，为整个新型试验电源的运行提供可靠安全的保障。

1 新型试验电源系统组成和控制原理

图1所示，三相电源给整个小机车试验电源系统供电，三相交流电经调压器和变压器实现初步调压，之后经脉波整流成直流电供电机启动运行。其中电容C1作滤波用。直流电压经IGBT1开关进行直流降压斩波操作，电压对电容C2充电，配合保护电路和制动电路为直流电机提供一个安全而稳定的电压。

图1 小机车新型试验电源系统结构图

所述控制电路工作原理：SV1整流电压传感器采样电压送给单片机，并通过串行通信向PLC传输的输出电压命令，以便启动调压器，根据在负载电机所需电压进行电压控制，以免超出电压输出范围。SV2电压传感器负责取样斩波后的电压到传给单片机，并可以在PLC屏上显示电压值，以便设置电压等级，根据实际需要设定电压。如果大于设定值，迅速发送一个停止信号给电压调节器，并发送一个信号给进行斩波控制的单片机。单片机根据设定值和采样值之差运行自适应模糊PID控制PWM输出，借此控制IGBT1斩波。最后，如果矿用小机车紧急制动时，反电动势瞬时动作，SV2检测到一个突高电压值，单片机应当立即控制关闭IGBT1。

2 试验电源系统电路存在的主要故障研究

如图1所示为新型试验电源系统结构图，可以看出：试验电源的主电路系统组成部分存在输入电压电流大、非线性控制能力差等特点。而控制部分则存在强电弱电隔离的技巧设置，加上直流斩波电路组成的开关电路部分，使得整个电路具有复杂性和难控制性。主要存在以下几种故障类型。

2.1 大电流大电压信号的输入

试验电源电路输入信号为380V的交流电，通过断路器与空气开关输送三相交流电到达调变压器。整个试验电源系统的负载是一系列额定电压为48V、97V、220V的直流电机，因此输出电压较大。而工作电流也接近100A甚至是200A，根据分析实际电路工作过程得知最大电流为72.65A，因此整个电路部分的电流输入较大。这样容易造成开关击穿影响整个电源的稳定性。

2.2 强弱电分离以及电磁干扰

控制电路部分的单片机工作在+5V弱电信号下，而IGBT驱动电路工作在达几百伏的强电状态下，因此强弱电之间的串扰存在也是一大隐患。

2.3 控制电路中的浪涌和开关击穿的危险性

从图1中的主电路结构和控制电路结构组成可以看出，当电路中的IGBT开关进行断开和接通的过程中，因负载电机的额定电压各不相同的关系，

浪涌电压在电路中是可能存在的，并且可能引起瞬态干扰。当处于过压状态时，电解电容器是很可能被击穿而引发开关烧坏的，而电容器的充电尖峰电流也可能瞬时超过系统额定电流的好几倍，实际调试中证明，电路瞬时电流和浪涌电压的确存在，这些电流和电压的破坏性是不可忽视的。

3 故障防范和改进措施

设计新型试验电源时，除了匹配好电子元件的参数和选择好合适的驱动电路外，保护电路的设计也是一项重要工作。系统工作时既存在弱电部分，又存在强电供给。为了防止故障和安全事故的发生，应采取预防措施和保护电路。

3.1 过压，欠压，过流保护电路的设计

IGBT集电极和发射极之间承受击穿电压和反压的能力是有限的，新型试验电源要求的调压范围比较广，在DC50V-DC550V之间。因此电源电路部分有必要设置过压和欠压保护电路。电路设计图如图2所示，过(欠)压保护电路工作时，以电压传感器LV25-P采样输入IGBT开关前的电压，通过电3引脚将电压输入给LM747的第引脚，与参考电压进行比较，如果保护参考电压大于或小于采样电压则通过LM747的第10脚输出低电平，相与其它故障信号后被发送到单片机的P17中，当单片机的I/O检测电平信号的变化时做出相应的处理停止输出PWM信号，进而控制整个系统停止。在IGBT开关的输入输出部分都会设计这样的保护电路，以此确保整个系统电压稳定。

图2 过压、欠压保护电路

当IGBT承受瞬时大电流时，可能存在越过安全区的危险，为免造成永久性损坏，设计过电流保护电路是必要的。如图1所示，斩波后的电流经电流传感器SA1采样，可作为一个输入信号进入过电流保护电路。如图3，传感器采集的电流信号输入到LM324的9引脚，与10引脚的参考电流进行比较，当发生过流故障时，将控制信号通过光电耦合器TLP-521的4脚输出低电平给单片机的P20口，此时过流信号灯LED1亮，提供警示信息。当单片机收到低电平后，做出相应的处理，停止PWM输出。其中光电耦合还有抑制输入信号的共模干扰作用。

图3 过电流检测电路

根据图2和图3设计的过压、欠压和过流电路的保护，在实际电路调试过程中起到了很好的保护作用。

3.2 隔离电路和电磁干扰的设计

该设计包含有PWM脉冲驱动与保护电路的控制电路部分，既能把PWM脉冲处理成能驱动IGBT开关进行斩波和制动稳压控制的信号，也能保护整个系统。整个系统中PWM脉冲输出进行的斩波和制动起着重要作用，为了防止串扰在各种信号之间的存在，在设计电路时，当单片机输出PWM脉冲信号后，使其通过光耦隔离电路。这样能有效地抑制尖峰脉冲击穿IGBT，也可以有效地抑制接地回路和各种干扰噪声，提高信噪比。同时为了防止干扰信号进入控制电路，降低系统的控制精度，甚至使之产生错误的控制信号，真正起到很好的隔离。因此，设计了如图4所示的光耦隔离电路。

图4 PWM脉冲输出电路与IGBT驱动电路之间的隔离电路

3.3 参数的选择和开关电路的保护

在具有浪涌电压存在的情况下，突变产生的电压可能击穿IGBT开关，造成电路系统瘫痪。因此解决这一问题是必要的.新型试验电源电路采用在主电路部分接入具有相反的非线性特性元件的方式组成串联型浪涌保护器。从图1中，可以看出因电容C1不适合直接接入电路，所以在电路中加入了两个阻值合适的电阻R1、R2，R1与C1并联后再与R2串联组成串联型浪涌保护电路。具体阻值参考整个系统理论参数算出：R1=5K/60W；R2=2Ω/200W。

4 结论与展望

文中就新型试验电源的主电路结构和控制电路结构加以分析，根据电路结构分析出可能产生故障的原因。针对具体故障因素，在具体电路加入防止出现故障的保护电路，使得整个电路系统可靠稳定的运行。根据理论联系实际的方式，就具体的电路制板调试可以得出，新型试验电源的电路具有抗压能力强、抗电磁干扰效果好、IGBT开关使用寿命更高的优点。因所设知识面较窄，可能还有一些具体的问题没有考虑周全，下一步希望能就硬件和软件之间的电磁抖动问题加以研究。

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