無級調速電機車驅動電路設計及工作原理

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3、電機車驅動電路的設計及其工作原理分析 中鐵隧道集團四處有限公司 張恒輝 （ CRTG -4 th Henghui Zhang ) 摘 要 : 本文為解決無級調速電機車可控硅驅動電路頻繁損壞的故障，根據其工作原理進行了故障判斷分析，確認故障源為驅動電路。通過對原驅動電路參數要求制定解決方案，經過多次試驗和改進，重新設計制作了驅動電路板，根治了同類故障。 Brief ： This article introduce the method of how to judge the trouble and analysis the data of driving circuit ,

4、 give the plan of eliminating the trouble of thyristor driving circuit in stepless motor vehicle by Re-design the driving board of electrical . 關鍵詞:無級調速電機車 工作原理 驅動電路 設計 Key Word ：Stepless Motor Vehicle Principle of working Driving Circuit Design 1.前言 可控硅無級調速電機車以其較高的可操作性、經濟性和安全性正逐步廣泛應用

5、于隧道和地下巷道工程的運輸作業(yè)。英國CLAYTON公司生產的CBL-16型可控硅無級調速電機車九十年代末進入中國市場，在使用過程中均出現(xiàn)了可控硅驅動電路頻繁損壞的情況。為了能根治此類故障，本人重新設計制作了驅動電路與之匹配使用。經實踐，使用效果良好。本文對可控硅無級調速電機車的設計和故障排除有一定借鑒作用。 2.工作原理分析 CLAYTON公司是一家專門生產電瓶牽引機車的跨國公司，其產品從1.75至40噸規(guī)格均有生產。CBL-16型基本技術參數見表一。為找到故障源必須系統(tǒng)的分析電機工作驅動控制原理，下面分別對主電路、控制電路的工作原理進行說明。 項 目 參數值 重量

6、 機車重量（包括駕駛者、沙、不含電瓶） 12100kg 電瓶和電瓶箱重量 3900kg 機車工作重量 16000kg 運行 數據 額定牽引力 20400牛頓 額定速率 11.1km/h 最大牽引力（附著系數為0.25） 40000牛頓 最高運行速率 37km/h 電瓶 型號 奧克地爾D8型 單只電瓶容量 104A.h 數量 100只 正常放電時間 6小時 牽引 電機 型號 M4直流電機 規(guī)格 50HP 200V 表一 CBL-16型電機車參數表 FORM 1. Parameters of CBL-16 Motor Veh

7、icle 2.1主電路（圖1）： 整機有兩臺M4直流電機提供動力，每臺電機均有一套獨立的控制電路。當電機啟動時，踏下腳踏開關DM使制動閥BAV動作而松開剎車，同時方向繼電器DSR通電動作， 合上DSR/1～4四個開關使1號電機和2號電機的控制電路同時通電工作。為保證安全，在低壓限位閥LAP的作用下，啟動前若剎車氣壓在4.1bar以下則不能啟動。DS控制著電機車行進的前后方向。 2.2控制電路（圖2）： 按主要作用大致可分為諧振直流開關電路、速度控制電路和可控硅驅動電路等三部分。 2.2.1諧振直流開關如圖2中虛線所示部分。T1為主可控硅，T2為換向可控硅。直流電機是與此開關電路串聯(lián)

8、后，再與電瓶串聯(lián)從而形成一個工作回路。R2為10M的放電電阻，可以使電容C在停機時緩慢放電。 a.開關閉合：驅動電路板中輸出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，IC=0。T2因IC小于其導通維持電流Ih2而關斷。接著，T1被高電平U12觸發(fā)而導通，負載電流IZ經負載流過TI到電瓶負極。同時被充電的電容C通過T1經諧振回路L-D1-C放電，至UC=0，又通過同樣的諧振回路反向充電，至UC=－Ea時止。這就是導通狀態(tài)（開關閉合），直流電機通電工作。 Figure 1. the main circuit Figure 2. control

9、 circuit b.開關斷開：待第二次觸發(fā)脈沖U34送來，T2導通，UC反向加于T1強迫其關斷。爾后，電容C經T2，電源Ea，電機（電樞和磁場線圈）放電至UC=0后，又正向充電，至IC＜Ih2時（Ih2為可控硅T2導通最小維持電流），T2關斷。這便是開關斷開狀態(tài)，此時直流電機不工作。同時在電容C上充電至UC=Ea，為下次開關的關斷作好準備。 在上述工作過程下，隨著高電平U12和U34周期性地送出， T1和T2也隨著周期性地開通和關斷，達到了控制直流電機轉速的目的。 2.2.2速度控制電路: 相當于方波發(fā)生器，其主要功能是在負反饋回路下產生經過調制放大的方波信號。它可以通過變頻或改

10、變方波信號的占空比來達到調速的目的。CBL-16型電機車是通過調整調速變阻器W的阻值來改變輸出方波信號的占空比。方波信號占空比的變化通過驅動電路而使可控硅T1、T2的導通比發(fā)生變化，使電機的轉速也隨之發(fā)生變化。它將產生的方波信號通過5號線傳入驅動電路板。 2.2.3 驅動電路: 其主要將從速度控制器5號線傳入的方波信號U59改制成一組反相信號，經過放大后通過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 之間的關系如圖3所示。另外，驅動電路還應有過流保護的功能，當主回路上電流IZ過大時，連在過流感應器上的9號線電壓升高從而使U59降低，

11、當U59接近零時，1、2和3、4端便沒有觸發(fā)信號了，此時主回路關斷。 Figure 3. trigger pulse waveform comparison 3.故障現(xiàn)象分析 故障現(xiàn)象：故障電機車啟動時，踏下DM腳踏開關，方向繼電器DSR動作。推動調整手柄。兩只電機工作指示燈均亮。同時控制箱里的直流接觸器CF或CR合上（根據行進方向），機車開始移動。但若再繼續(xù)推動調速手柄加速，直流接觸器跳閘，1號電機指示燈滅，只有2號電機在運轉。重復上述過程亦是如此。 通過故障現(xiàn)象分析，可以認為電機沒有問題。問題大致可能出在直流諧振開關電路、速度控制電路或驅動電路上。因為現(xiàn)象明顯是主回路過流后引起

12、的主可控硅關斷。將1、2號電機的速度控制電路板互換，故障依舊。同樣再互換驅動電路板，這時1號電機正常了，但2號電機出了現(xiàn)了上述故障，可以初步判定故障出在驅動電路上。用示波器測試圖2中5、9腳間的波形正常，為2伏左右的方波，而故障驅動電路板中的U34卻無波形輸出。這便導致了換向可控硅T2無法導通從而使主可控硅T1導通后不能有效關斷，造成了主回路過流，直流接觸器保護性跳閘關機。 4.解決方案 4.1基本要求： 由于原裝驅動電路板價格昂貴，且很難獲得，只能考慮修復或自制。原件線路板全部用黑色硅膠封死，只能看到所引出的幾根控制線，修復難度很大。為了從根本上解決問題，我們決定自制一個驅動線路板。此

13、線路板達到以下三點要求即可： a. 輸出一組U12、U34反相方波，同時U12與U59同相，并隨U59變化而變化。 b. 輸出的方波脈沖U12和 U34要有足夠的功率來驅動可控硅T1和T2。 c. 要通過過流感應器上U19的變化來控制U59的脈沖方波輸入，達到過流保護作用。 4.2 設計說明及電路分析： 經過多次試驗和改進，我們參照其工作原理設計了如圖4的驅動電路，元器件均采用常見國產件。單個制作成本也不高，不到二百元。 電路分上下相互獨立的兩部分組成，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作為反相器。

14、其余部分基本相同。5、9為信號輸入線，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號線為+10V的電源正級，1、3接地。整個電路用了五只NPN三極管和兩只PNP三極管，型號已在圖4中標明。 為了分析方便，我們可以將圖4中的三極管均作為開關管來理解。先來看驅動電路圖的下半部分，當5端為高電平時（即U59為高電平），TR5導通，使A點相當于通過二極管D3及TR5接地，從而使B點為低電平，TR7是關斷狀態(tài)。同時，由于C點的電壓由高降低而使TR6導通，從而通過R19輸出了高電平至2端，U12為高電平。同理，當5端為低電平時，TR5和TR6關斷，TR7導通，使2

15、線和1線相通，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5端輸入為高電平時，TR1導通使信號到E點時為低電平，因而TR2 、TR3關斷，TR4 因D點的高電平而導通，從而使3、4線相通，U34輸出低電平。同理，當5端輸入為低電平時，U34輸出為高電平。 過流保護的功能：當主回路上電流IZ過大時，連在過流感應器上的9號線電壓升高從而使U59降低，當U59接近零時，實際上等于5端輸入的低電平，此時U12為低電平、U34為高電平，從而使主可控硅T1在下個工作周期無法導通、而換向可控硅T2導通迫使主可控硅T1立即關斷。 Figure 4. drive circ

16、uit 在示波器上調試好波形后試機，電機車工作良好。達到了正常運行的要求。 5 幾點體會 5.1 為保證電機車穩(wěn)定地工作，可控硅調速信號線部分均要加上屏蔽線，以防其受干擾誤動作。 5.2 主可控硅 T1的導通時間不能過長，否則電容C會因漏電阻而放電使T1不能可靠關斷。這就要求在設計U59波形時，占空比不能過大。 5.3 主可控硅T1在關斷瞬間會在直流電機兩端產生約500伏特尖峰電壓，對直流電機的性能提出較高的要求。 5.4 由于受到諧振開關回路的限制，可控硅T1 、T2的導通頻率不高。如果用大功率的IGBT管作開關管（可并聯(lián)使用），不但電路相對簡單，其工作可靠性和速度調節(jié)范圍也會大大提高。因為IGBT功率管不僅開關頻率高而且其導通關斷的控制只需一組驅動信號即可完成，其占空比理論上可達到0～100%可調。 參考文獻： 1 原魁 劉偉強 《變頻器基礎及應用》 北京 冶金工出版社 1998 2 何希才《新型開關電源及其應用[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的驅動與保護》（電源技術應用2004.12）