劉金平

（龍煤鶴崗分公司富力煤礦，黑龍江鶴崗 154100）

1 引言

機(jī)車是軌道車輛運(yùn)輸?shù)囊环N牽引設(shè)備，是煤礦的重要運(yùn)輸工具。因?yàn)樗哂袪恳Υ?、維護(hù)費(fèi)用小、可以改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)，所以在井下巷道運(yùn)輸中得到廣泛應(yīng)用。目前礦用電機(jī)車都采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過電阻實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、調(diào)速、停車、換向等功能。根據(jù)電機(jī)車的發(fā)展方向，電阻調(diào)速控制器功能已經(jīng)不能滿足使用要求。在1990 年代采用可控硅司控器，但其維修費(fèi)用高，技術(shù)性強(qiáng)，不適合需要?，F(xiàn)在正逐步對(duì)電機(jī)車進(jìn)行改造，采用IGBT 斬波控制器。本文主要對(duì)礦用隔爆型IGBT 斬波控制器進(jìn)行介紹。

2 IGBT 斬波控制器用途及結(jié)構(gòu)

IGBT 斬波控制器主要用于防爆特殊型蓄電池電機(jī)車，控制機(jī)車的前進(jìn)、后退、啟動(dòng)、調(diào)速、運(yùn)行及制動(dòng)。

IGBT 斬波控制器的操作面板上安裝有調(diào)速手柄、換向開關(guān)、燈開關(guān)、喇叭按鈕。箱體內(nèi)部安裝有換向觸頭、接觸組、數(shù)字電壓表、霍爾速度給定器、照明用電源盒及斬波器。調(diào)速手柄用于控制機(jī)車的啟動(dòng)、調(diào)速、全速以及停止，它與換向開關(guān)設(shè)有互鎖裝置。換向開關(guān)由兩組接觸銅片組成，完成兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)“0”位、“向前”“向后”三個(gè)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。斬波器由IGBT、續(xù)流二極管、電解電容、無感電容、霍爾電流傳感器及控制驅(qū)動(dòng)盒電路等組成?；魻査俣冉o定器能發(fā)出速度給定信號(hào)。

3 IGBT的工作原理

IGBT 即絕緣柵雙極型功率管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件，IGBT具有控制驅(qū)動(dòng)電路簡單、工作效率高、容量較大、驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 IGBT 等效電路

IGBT的等效電路如圖1所示。

若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSTET 導(dǎo)通，PNP 晶體管的集電極與基極之間的低阻狀態(tài)使得晶體管導(dǎo)通，若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSTET 截止，切斷PNP 晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT的安全可靠性取決于以下因素：

（1）IGBT 柵極與發(fā)射極之間的電壓。驅(qū)動(dòng)電壓過高，IGBT 不能穩(wěn)定正常工作，驅(qū)動(dòng)電壓過低，IGBT 永久損壞。

（2）IGBT 集電極與發(fā)射極之間的電壓。電壓超過它們之間的耐壓，IGBT 永久損壞。

（3）流過IGBT 集電極-發(fā)射極的電流。電流超過最大值，IGBT 永久損壞。

（4）IGBT的結(jié)溫超過允許值，IGBT 永久損壞。

針對(duì)這些因素，采用IGBT 柵極保護(hù)、浪涌電壓保護(hù)等多種保護(hù)裝置。IGBT的柵極-發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VGE的保證值為±20V，設(shè)置柵壓限幅電路，為防止過流、過熱或由于振動(dòng)使得柵極回路斷開，損壞IGBT 等現(xiàn)象，在IGBT的柵極與發(fā)射極之間并聯(lián)一只幾十kΩ的電阻，起保護(hù)作用。

其電路圖如圖2。

圖2 柵極保護(hù)電路

4 性能特點(diǎn)比較

電阻控制器是將電阻串入機(jī)車電樞回路，改變兩端電壓進(jìn)行調(diào)速。這種方法的最大缺點(diǎn)是：調(diào)速過程中串入電阻要將電能變成熱能損失掉，耗能高，很不經(jīng)濟(jì)；調(diào)速采用了分段切除電阻方式，這樣分段增加了電機(jī)兩端的電壓，于是機(jī)車的速度呈臺(tái)階式變化，有極調(diào)速，調(diào)速不平滑，采用單一機(jī)械制動(dòng)，機(jī)械互鎖、啟動(dòng)沖擊大，機(jī)械磨損大，故障率高，尤其是觸頭，經(jīng)常損壞，維修頻繁。可控硅司控器主要由兩組可控硅、電容、自耦變壓器、充電二極管等組成。它的特點(diǎn)是啟動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，牽引力相對(duì)提高，采用了無極調(diào)速、機(jī)械磨損小，電位器給定，有單一的電流和電機(jī)保護(hù),節(jié)能20%,但故障率高，維修費(fèi)用高，維修時(shí)間長，需專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維修，因此需進(jìn)一步改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了現(xiàn)在推廣的IGBT 控制器。它的特點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，對(duì)電機(jī)和機(jī)械的耗損小，起動(dòng)力矩大，牽引力相對(duì)增大，無極調(diào)速，調(diào)速時(shí)比電阻調(diào)速節(jié)能30%，即可提高電池的使用壽命，節(jié)約成本35%，斬波調(diào)速器無弧通斷，無觸頭損耗，電氣機(jī)械故障少，設(shè)有過流、過壓和欠壓等多重保護(hù)，采用模塊設(shè)計(jì)，霍爾速度給定器，操作性能好，線性化，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。它的主、副司控采用互鎖，機(jī)械和電氣制動(dòng)。電路如圖3所示。

圖3 主、副司控電路

互鎖電路由主調(diào)速器上1SK1、1SK2和副調(diào)速器上2SK1、2SK2 開關(guān)組成，這些開關(guān)在調(diào)速手柄上。當(dāng)主、副調(diào)速手柄同時(shí)置于“0”位時(shí)，從圖3 中可見1#和2#線不通。如果操作主調(diào)速手柄離開“0”位，這時(shí)副操作手柄仍在“0”位。那么1SK1 閉合、1SK2 閉合，1#和2#線接通，主電路接通。這時(shí)，如果操作副調(diào)速手柄離開“0”位，兩個(gè)常開開關(guān)1SK1、1SK2 均閉合，但其常閉開關(guān)1SK1、1SK2均斷開，1#和2#線仍不通，這樣實(shí)現(xiàn)主電路互鎖，保證了安全。

5 結(jié)語

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，IGBT 斬波控制器具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，操作簡單，維修方便，現(xiàn)已逐步成為其它控制器的代產(chǎn)品，近期內(nèi)我公司的機(jī)車將全面改造完畢。

［1］李福固.礦井運(yùn)輸與提升［M］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［2］胡宴如.模擬電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2008.