新型矿用电机车司控器的研制与应用

新型矿用电机车司控器的研制与应用一、提出问题防爆特殊型蓄电池式电机车适用于有瓦斯矿井的主要回风巷道和采区进、回风巷道，用于集结车辆、运输煤、矸石、材料、设备、人员之用。做为频繁使用的井下运输工具，其机车头装置中有一个主要部件—司控器（如图1所示），作用是控制电机车的启动、换向、调速和停止，运行中操作十分频繁。目前机车司控器多采用晶闸管（SCR）斩波调速，这种调速方式可做到平稳起动、无级调速、损耗小、效率高，但其不足之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和电感振荡产生的反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗，电源电压下降时还会导致换流失败，使系统的可靠性降低，如果运行中有出现换流失败，即出现“失控”现象时，会给生产和人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（150HZ～300HZ左右），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，所以滤波器件体积较大，SCR的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。同时由于这种司控器无保护功能，因而故障率非常高，而且查找起来十分麻烦，给煤矿安全生产带来了不利影响。由于老式司控器设计存在各种问题，给煤矿安全生产带来不利影响，要消除这种事故隐患，就必须设计出一种新型的电机车司控器予以替代，经过半年的研制，卧龙湖矿终于开发出新一代电机车IPM司控器，该司控器采用了新型控制器件，完全摒弃了老式司控器的操作及控制方式，结构更加简单，并且增加了各种保护功能，使电机车的操作更加安全可靠。图（1）二、设计原理及解决方案1、整机电路原理分析如图（2）所示，设计制作完成的电路板用于司控器的各种控制，通过开关电源模块将机车蓄电池电压转换成正负15V电压为传感器供电，5V电压为液晶屏和单片机供电，输入端接有光耦及指示电路，用于隔离外界干扰，输出端接有中间继电器，用于对各类负载（灯、喇叭等）进行控制，保险管用于负荷的短路保护，整个电路设计简洁，稳定可靠，故障率极低。单片机PWM端口输出频率约4000HZ的占空比（0%～99%）可调脉宽电压经过专用电路放大后驱动IPM功率器件用于对直流电机进行调速，调速范围可达256级，实现了真正意义上的无级调速（老式司控器只能实现30级左右的调速范围），使得机车运行更加平稳。图（2）2、元部件功能及作用（1）按钮操作摒弃了传统的手柄调速换向方式，采用按钮操作进行控制，在操作面板上设计了停止、前进、后退、加速、减速、喇叭、灯、急停8个操作按钮，通过这8个按钮，对机车实现换向、调速、停止、喇叭和灯开关控制等功能，易于操作，简单可靠。这种通过按钮实现对机车调速的功能彻底杜绝了机车“串档”的常见故障，真正实现机车安全平稳的启动和运行。（2）液晶屏显示增加了液晶显示功能，采用了常用的12864液晶屏对司控器状态参数进行显示，该显示屏成本较低，广泛应用于各种仪器、小型设备的显示领域，它采用5V直流供电，工作电流70mA，可显示各种文字、数字及图形。在此用来实时显示电瓶电压、双电机电流、各种工作状态和故障显示。（3）单片机控制本机采用宏晶科技公司最新产品STC12C5A系列单片机做为整机电路的核心元件用来提供给换向接触器、IPM、喇叭、照明灯等负荷调速和各种控制信号，它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，内置专用复位电路，2路PWM，8路10位高速A/D转换，主要针对电机控制，强干扰场合使用。由于它的诸多优点，在此利用它来实现各种智能化操作和控制，实践应用效果良好。程序中还设计了各种闭锁保护功能，无论司控器内各种元件出现什么故障，都会在第一时间切断电源回路，确保行车安全，同时在显示屏上显示故障部位，提示维护人员更快更迅速的进行检修。（4）功率调速元件IPM新型智能功率模块IPM的问世和应用，使高稳定、高可靠性电机车司控器的研制成为了可能，这种器件不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、欠电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送CPU做中断处理，即使发生负载事故或使用不当，也可以保护自身不受损坏，从而使外围电路设计更加简单，故障率更低。同时由于IPM具有自关断能力，不需强迫换流电路，从而简化了主电路，体积大大减小，它是一个电流控制元件，不存在换流失败问题；IPM工作频率超过音频（1000HZ，实际应用约为4000HZ），供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，调速范围宽（实际应用时为256档无级调速）。IPM接口电路也极其简单，更换起来十分方便，只需将5芯插头一拔，卸下固定螺丝即可取下模块进行更换。3、机车工作流程分析机车在工作时，遵循下列控制流程：（1）启动按压前进（后退）按钮，前进（后退）换向接触器吸合，车灯自动转换，前（后）照明灯和后（前）红灯亮，喇叭自动响3秒，提示前方行人注意安全，机车做好启动准备。（2）运行按压加速按钮，机车开始加速运行，面板液晶屏显示蓄电池工作电压和两直流电机工作电流，当机车加速至合适状态时，松开加速按钮，机车维持当前速度不变。需要减速时，按压减速按钮，机车开始减速，直到机车停止。通过不断按压加速和减速按钮，可使机车工作在合适状态，当机车加速接近全速时，旁路接触器吸合，将IPM短路，机车即进入全速运行状态，此设计可降低IPM温升，延长IPM使用寿命。（3）停止只需按压停止按钮，IPM驱动脉冲断开，机车即停止运行。如果在机车高速运行时直接停车，那么必须在5秒后确保机车停稳后才能重新进行换向调速。（4）换向如果想从前进（后退）方向切换到后退（前进）方向，可再次按压前进（后退）按钮，前进（后退）接触器断开，再重新按压后退（前进）按钮，则后退（前进）接触器即吸合，实现机车换向，车灯随之换向。4、机车各种保护和控制功能（1）高速停车时延时5秒才允许机车换向调速。（2）为防止“打倒档”停车，机车在运行时不能换向，必须在停止状态才可以。（3）面板按钮常闭故障保护及显示。（4）换向后警铃响3秒才能加速。（5）停车后，如果5分钟之内没有对车辆进行操作，换向接触器会自动断开，显示屏亮度降为正常亮度的1/5，前后照明灯熄灭，前后红灯开始闪亮（节能模式）。（6）IPM短路和开路保护。（7）IPM内置超温、过流、欠压和短路保护。（8）蓄电池欠压保护。（9）电机损坏（过流或开路）保护。（10）霍尔传感器损坏保护。（11）瓦斯超限保护。（12）机车停止运行后液晶屏自动切换显示电子时钟和机箱内温度。三、应用实效该新型司控器集成了各种保护和故障显示功能，采用了最新型功率开关器件IPM对直流电机进行速度控制，具有启停无冲击，运行工作平稳，线路简单，调速范围宽，电流波形系数好，附加损耗小，功率因数高等优点，彻底杜绝了老式机车“串档”故障，人为“打倒档”的现象，由于它功能设计完善，保护齐全，大大提高了机车无故障安全运行周期，使矿用机车的行驶更加安全可靠，因此可广泛应用于5吨～12吨各类蓄电池电机车中作调速使用，该新型矿用机车调速器有着巨大的市场发展潜力，应用前景非常广阔。