無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及其工作原理分析

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1、無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及其工作原理分析 中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司 張恒輝 （ CRTG -4 th Henghui Zhang ) 摘 要 : 本文為解決無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)可控硅驅(qū)動(dòng)電路頻繁損壞的故障，根據(jù)其工作原理進(jìn)行了故障判斷分析，確認(rèn)故障源為驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)對(duì)原驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)要求制定解決方案，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)制作了驅(qū)動(dòng)電路板，根治了同類(lèi)故障。 Brief ： This article introduce the method of how to judge the trouble and analysis the data of driving circu

2、it , give the plan of eliminating the trouble of thyristor driving circuit in stepless motor vehicle by Re-design the driving board of electrical . 關(guān)鍵詞:無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē) 工作原理 驅(qū)動(dòng)電路 設(shè)計(jì) Key Word ：Stepless Motor Vehicle Principle of working Driving Circuit Design 1.前言 可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)以其較高的可操作性、經(jīng)濟(jì)性和安全性正逐步

3、廣泛應(yīng)用于隧道和地下巷道工程的運(yùn)輸作業(yè)。英國(guó)CLAYTON公司生產(chǎn)的CBL-16型可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)九十年代末進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，在使用過(guò)程中均出現(xiàn)了可控硅驅(qū)動(dòng)電路頻繁損壞的情況。為了能根治此類(lèi)故障，本人重新設(shè)計(jì)制作了驅(qū)動(dòng)電路與之匹配使用。經(jīng)實(shí)踐，使用效果良好。本文對(duì)可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)和故障排除有一定借鑒作用。 2.工作原理分析 CLAYTON公司是一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)電瓶牽引機(jī)車(chē)的跨國(guó)公司，其產(chǎn)品從1.75至40噸規(guī)格均有生產(chǎn)。CBL-16型基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表一。為找到故障源必須系統(tǒng)的分析電機(jī)工作驅(qū)動(dòng)控制原理，下面分別對(duì)主電路、控制電路的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。 項(xiàng) 目 參數(shù)值

4、 重量 機(jī)車(chē)重量（包括駕駛者、沙、不含電瓶） 12100kg 電瓶和電瓶箱重量 3900kg 機(jī)車(chē)工作重量 16000kg 運(yùn)行 數(shù)據(jù) 額定牽引力 20400牛頓 額定速率 11.1km/h 最大牽引力（附著系數(shù)為0.25） 40000牛頓 最高運(yùn)行速率 37km/h 電瓶 型號(hào) 奧克地爾D8型 單只電瓶容量 104A.h 數(shù)量 100只 正常放電時(shí)間 6小時(shí) 牽引 電機(jī) 型號(hào) M4直流電機(jī) 規(guī)格 50HP 200V 表一 CBL-16型電機(jī)車(chē)參數(shù)表 FORM 1. Parameters of CBL-16 Motor

5、 Vehicle 2.1主電路（圖1）： 整機(jī)有兩臺(tái)M4直流電機(jī)提供動(dòng)力，每臺(tái)電機(jī)均有一套獨(dú)立的控制電路。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，踏下腳踏開(kāi)關(guān)DM使制動(dòng)閥BAV動(dòng)作而松開(kāi)剎車(chē)，同時(shí)方向繼電器DSR通電動(dòng)作， 合上DSR/1～4四個(gè)開(kāi)關(guān)使1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)的控制電路同時(shí)通電工作。為保證安全，在低壓限位閥LAP的作用下，啟動(dòng)前若剎車(chē)氣壓在4.1bar以下則不能啟動(dòng)。DS控制著電機(jī)車(chē)行進(jìn)的前后方向。 2.2控制電路（圖2）： 按主要作用大致可分為諧振直流開(kāi)關(guān)電路、速度控制電路和可控硅驅(qū)動(dòng)電路等三部分。 2.2.1諧振直流開(kāi)關(guān)如圖2中虛線(xiàn)所示部分。T1為主可控硅，T2為換向可控硅。直流電機(jī)是與此開(kāi)關(guān)

6、電路串聯(lián)后，再與電瓶串聯(lián)從而形成一個(gè)工作回路。R2為10M的放電電阻，可以使電容C在停機(jī)時(shí)緩慢放電。 a.開(kāi)關(guān)閉合：驅(qū)動(dòng)電路板中輸出U34方波脈沖觸發(fā)T2，則電容C按圖示極性充電，主電容電壓UC等于電瓶電壓Ea時(shí)，IC=0。T2因IC小于其導(dǎo)通維持電流Ih2而關(guān)斷。接著，T1被高電平U12觸發(fā)而導(dǎo)通，負(fù)載電流IZ經(jīng)負(fù)載流過(guò)TI到電瓶負(fù)極。同時(shí)被充電的電容C通過(guò)T1經(jīng)諧振回路L-D1-C放電，至UC=0，又通過(guò)同樣的諧振回路反向充電，至UC=－Ea時(shí)止。這就是導(dǎo)通狀態(tài)（開(kāi)關(guān)閉合），直流電機(jī)通電工作。 Figure 1. the main circuit Figure 2. con

7、trol circuit b.開(kāi)關(guān)斷開(kāi)：待第二次觸發(fā)脈沖U34送來(lái)，T2導(dǎo)通，UC反向加于T1強(qiáng)迫其關(guān)斷。爾后，電容C經(jīng)T2，電源Ea，電機(jī)（電樞和磁場(chǎng)線(xiàn)圈）放電至UC=0后，又正向充電，至IC＜Ih2時(shí)（Ih2為可控硅T2導(dǎo)通最小維持電流），T2關(guān)斷。這便是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)直流電機(jī)不工作。同時(shí)在電容C上充電至UC=Ea，為下次開(kāi)關(guān)的關(guān)斷作好準(zhǔn)備。 在上述工作過(guò)程下，隨著高電平U12和U34周期性地送出， T1和T2也隨著周期性地開(kāi)通和關(guān)斷，達(dá)到了控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 2.2.2速度控制電路: 相當(dāng)于方波發(fā)生器，其主要功能是在負(fù)反饋回路下產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制放大的方波信號(hào)。它可以通過(guò)

8、變頻或改變方波信號(hào)的占空比來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。CBL-16型電機(jī)車(chē)是通過(guò)調(diào)整調(diào)速變阻器W的阻值來(lái)改變輸出方波信號(hào)的占空比。方波信號(hào)占空比的變化通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路而使可控硅T1、T2的導(dǎo)通比發(fā)生變化，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化。它將產(chǎn)生的方波信號(hào)通過(guò)5號(hào)線(xiàn)傳入驅(qū)動(dòng)電路板。 2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路: 其主要將從速度控制器5號(hào)線(xiàn)傳入的方波信號(hào)U59改制成一組反相信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后通過(guò)1、2端和3、4端輸出U12和U34分別觸發(fā)主可控硅T1和換向可控硅T2。U59和U12、U34 之間的關(guān)系如圖3所示。另外，驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)有過(guò)流保護(hù)的功能，當(dāng)主回路上電流IZ過(guò)大時(shí)，連在過(guò)流感應(yīng)器上的9號(hào)線(xiàn)電壓升高從而使U5

9、9降低，當(dāng)U59接近零時(shí)，1、2和3、4端便沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)了，此時(shí)主回路關(guān)斷。 Figure 3. trigger pulse waveform comparison 3.故障現(xiàn)象分析 故障現(xiàn)象：故障電機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，踏下DM腳踏開(kāi)關(guān)，方向繼電器DSR動(dòng)作。推動(dòng)調(diào)整手柄。兩只電機(jī)工作指示燈均亮。同時(shí)控制箱里的直流接觸器CF或CR合上（根據(jù)行進(jìn)方向），機(jī)車(chē)開(kāi)始移動(dòng)。但若再繼續(xù)推動(dòng)調(diào)速手柄加速，直流接觸器跳閘，1號(hào)電機(jī)指示燈滅，只有2號(hào)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過(guò)程亦是如此。 通過(guò)故障現(xiàn)象分析，可以認(rèn)為電機(jī)沒(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題大致可能出在直流諧振開(kāi)關(guān)電路、速度控制電路或驅(qū)動(dòng)電路上。因?yàn)楝F(xiàn)象明顯是主回路過(guò)

10、流后引起的主可控硅關(guān)斷。將1、2號(hào)電機(jī)的速度控制電路板互換，故障依舊。同樣再互換驅(qū)動(dòng)電路板，這時(shí)1號(hào)電機(jī)正常了，但2號(hào)電機(jī)出了現(xiàn)了上述故障，可以初步判定故障出在驅(qū)動(dòng)電路上。用示波器測(cè)試圖2中5、9腳間的波形正常，為2伏左右的方波，而故障驅(qū)動(dòng)電路板中的U34卻無(wú)波形輸出。這便導(dǎo)致了換向可控硅T2無(wú)法導(dǎo)通從而使主可控硅T1導(dǎo)通后不能有效關(guān)斷，造成了主回路過(guò)流，直流接觸器保護(hù)性跳閘關(guān)機(jī)。 4.解決方案 4.1基本要求： 由于原裝驅(qū)動(dòng)電路板價(jià)格昂貴，且很難獲得，只能考慮修復(fù)或自制。原件線(xiàn)路板全部用黑色硅膠封死，只能看到所引出的幾根控制線(xiàn)，修復(fù)難度很大。為了從根本上解決問(wèn)題，我們決定自制一個(gè)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)

11、路板。此線(xiàn)路板達(dá)到以下三點(diǎn)要求即可： a. 輸出一組U12、U34反相方波，同時(shí)U12與U59同相，并隨U59變化而變化。 b. 輸出的方波脈沖U12和 U34要有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)可控硅T1和T2。 c. 要通過(guò)過(guò)流感應(yīng)器上U19的變化來(lái)控制U59的脈沖方波輸入，達(dá)到過(guò)流保護(hù)作用。 4.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明及電路分析： 經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，我們參照其工作原理設(shè)計(jì)了如圖4的驅(qū)動(dòng)電路，元器件均采用常見(jiàn)國(guó)產(chǎn)件。單個(gè)制作成本也不高，不到二百元。 電路分上下相互獨(dú)立的兩部分組成，分別從圖4的1、2間和3、4間輸出U12和U34方波脈沖。為了保證U12和U34反相，在電路的上部分多加了三極管TR1作為

12、反相器。其余部分基本相同。5、9為信號(hào)輸入線(xiàn)，1、2和3、4為兩組觸發(fā)脈沖的輸出端。C1、C2為濾波電容組，其中C1為電解電容。6號(hào)線(xiàn)為+10V的電源正級(jí)，1、3接地。整個(gè)電路用了五只NPN三極管和兩只PNP三極管，型號(hào)已在圖4中標(biāo)明。 為了分析方便，我們可以將圖4中的三極管均作為開(kāi)關(guān)管來(lái)理解。先來(lái)看驅(qū)動(dòng)電路圖的下半部分，當(dāng)5端為高電平時(shí)（即U59為高電平），TR5導(dǎo)通，使A點(diǎn)相當(dāng)于通過(guò)二極管D3及TR5接地，從而使B點(diǎn)為低電平，TR7是關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí)，由于C點(diǎn)的電壓由高降低而使TR6導(dǎo)通，從而通過(guò)R19輸出了高電平至2端，U12為高電平。同理，當(dāng)5端為低電平時(shí)，TR5和TR6關(guān)斷，TR7導(dǎo)

13、通，使2線(xiàn)和1線(xiàn)相通，U12輸出為低電平。 上半部分與此工作原理相似，僅多了TR1反相器而已。當(dāng)5端輸入為高電平時(shí)，TR1導(dǎo)通使信號(hào)到E點(diǎn)時(shí)為低電平，因而TR2 、TR3關(guān)斷，TR4 因D點(diǎn)的高電平而導(dǎo)通，從而使3、4線(xiàn)相通，U34輸出低電平。同理，當(dāng)5端輸入為低電平時(shí)，U34輸出為高電平。 過(guò)流保護(hù)的功能：當(dāng)主回路上電流IZ過(guò)大時(shí)，連在過(guò)流感應(yīng)器上的9號(hào)線(xiàn)電壓升高從而使U59降低，當(dāng)U59接近零時(shí)，實(shí)際上等于5端輸入的低電平，此時(shí)U12為低電平、U34為高電平，從而使主可控硅T1在下個(gè)工作周期無(wú)法導(dǎo)通、而換向可控硅T2導(dǎo)通迫使主可控硅T1立即關(guān)斷。 Figure 4. drive

14、circuit 在示波器上調(diào)試好波形后試機(jī)，電機(jī)車(chē)工作良好。達(dá)到了正常運(yùn)行的要求。 5 幾點(diǎn)體會(huì) 5.1 為保證電機(jī)車(chē)穩(wěn)定地工作，可控硅調(diào)速信號(hào)線(xiàn)部分均要加上屏蔽線(xiàn)，以防其受干擾誤動(dòng)作。 5.2 主可控硅 T1的導(dǎo)通時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則電容C會(huì)因漏電阻而放電使T1不能可靠關(guān)斷。這就要求在設(shè)計(jì)U59波形時(shí)，占空比不能過(guò)大。 5.3 主可控硅T1在關(guān)斷瞬間會(huì)在直流電機(jī)兩端產(chǎn)生約500伏特尖峰電壓，對(duì)直流電機(jī)的性能提出較高的要求。 5.4 由于受到諧振開(kāi)關(guān)回路的限制，可控硅T1 、T2的導(dǎo)通頻率不高。如果用大功率的IGBT管作開(kāi)關(guān)管（可并聯(lián)使用），不但電路相對(duì)簡(jiǎn)單，其工作可靠性和速度調(diào)節(jié)范圍也會(huì)大大提高。因?yàn)镮GBT功率管不僅開(kāi)關(guān)頻率高而且其導(dǎo)通關(guān)斷的控制只需一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可完成，其占空比理論上可達(dá)到0～100%可調(diào)。 參考文獻(xiàn)： 1 原魁 劉偉強(qiáng) 《變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用》 北京 冶金工出版社 1998 2 何希才《新型開(kāi)關(guān)電源及其應(yīng)用[M]》北京 人民郵電出版社.1996. 3 盧家林 蘇彥民 白小青《30kVA逆變電源中IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)》（電源技術(shù)應(yīng)用2004.12） - 7 -