无级调速电机车驱动电路的设计及其工作原理分析

-1-无级调速电机车驱动电路的设计及其工作原理分析中铁隧道集团四处有限公司张恒辉（CRTG-4thHenghuiZhang)摘要:本文为解决无级调速电机车可控硅驱动电路频繁损坏的故障，根据其工作原理进行了故障判断分析，确认故障源为驱动电路。通过对原驱动电路参数要求制定解决方案，经过多次试验和改进，重新设计制作了驱动电路板，根治了同类故障。Brief：Thisarticleintroducethemethodofhowtojudgethetroubleandanalysisthedataofdrivingcircuit,givetheplanofeliminatingthetroubleofthyristordrivingcircuitinsteplessmotorvehiclebyRe-designthedrivingboardofelectrical.关键词:无级调速电机车工作原理驱动电路设计KeyWord：SteplessMotorVehiclePrincipleofworkingDrivingCircuitDesign1.前言可控硅无级调速电机车以其较高的可操作性、经济性和安全性正逐步广泛应用于隧道和地下巷道工程的运输作业。英国CLAYTON公司生产的CBL-16型可控硅无级调速电机车九十年代末进入中国市场，在使用过程中均出现了可控硅驱动电路频繁损坏的情况。为了能根治此类故障，本人重新设计制作了驱动电路与之匹配使用。经实践，使用效果良好。本文对可控硅无级调速电机车的设计和故障排除有一定借鉴作用。2.工作原理分析CLAYTON公司是一家专门生产电瓶牵引机车的跨国公司，其产品从1.75至40吨规格均有生产。CBL-16型基本技术参数见表一。为找到故障源必须系统的分析电机工作驱动控制原理，下面分别对主电路、控制电路的工作原理进行说明。项目参数值重量机车重量（包括驾驶者、沙、不含电瓶）12100kg电瓶和电瓶箱重量3900kg机车工作重量16000kg运行数据额定牵引力20400牛顿额定速率11.1km/h最大牵引力（附着系数为0.25）40000牛顿最高运行速率37km/h电瓶型号奥克地尔D8型单只电瓶容量104A.h数量100只正常放电时间6小时牵引电机型号M4直流电机规格50HP200V-2-表一CBL-16型电机车参数表FORM1.ParametersofCBL-16MotorVehicle2.1主电路（图1）：整机有两台M4直流电机提供动力，每台电机均有一套独立的控制电路。当电机启动时，踏下脚踏开关DM使制动阀BAV动作而松开刹车，同时方向继电器DSR通电动作，合上DSR/1～4四个开关使1号电机和2号电机的控制电路同时通电工作。为保证安全，在低压限位阀LAP的作用下，启动前若刹车气压在4.1bar以下则不能启动。DS控制着电机车行进的前后方向。2.2控制电路（图2）：按主要作用大致可分为谐振直流开关电路、速度控制电路和可控硅驱动电路等三部分。2.2.1谐振直流开关如图2中虚线所示部分。T1为主可控硅，T2为换向可控硅。直流电机是与此开关电路串联后，再与电瓶串联从而形成一个工作回路。R2为10M的放电电阻，可以使电容C在停机时缓慢放电。a.开关闭合：驱动电路板中输出U34方波脉冲触发T2，则电容C按图示极性充电，主电容电压UC等于电瓶电压Ea时，IC=0。T2因IC小于其导通维持电流Ih2而关断。接着，T1被高电平U12触发而导通，负载电流IZ经负载流过TI到电瓶负极。同时被充电的电容C通过T1经谐振回路L-D1-C放电，至UC=0，又通过同样的谐振回路反向充电，至UC=－Ea时止。这就是导通状态（开关闭合），直流电机通电工作。电枢A1AA1Y1YY1励磁线圈控制电路（参见图2）控制电路电枢Y2励磁线圈YY2AA2（参见图2）RFAAA2A/B+DM/KS后前B-DSR/3DSR/42211211号电机2号电机指示灯指示灯MCB2MCB1OFF后前STS/2DSR/2LAP压缩空气DSR/1STS/1DSRBAV空压机线圈DMRCCG压缩空气MCB1MCB4CC空压机电机B-B-B+B+图1主电路图A/B+AAFRDM/KS前后B-Figure1.themaincircuit-3-8141516117104591速度控制器驱动电路板2143596直流接触器CFCRFR/3RR/3DM/KSR1RFAAA/B+D2D3D1R2CIcIzLT2T1过流感应器FRRR前后B-FR/1RR/1调速变阻器W谐振直流开关图2控制电路图Figure2.controlcircuitb.开关断开：待第二次触发脉冲U34送来，T2导通，UC反向加于T1强迫其关断。尔后，电容C经T2，电源Ea，电机（电枢和磁场线圈）放电至UC=0后，又正向充电，至IC＜Ih2时（Ih2为可控硅T2导通最小维持电流），T2关断。这便是开关断开状态，此时直流电机不工作。同时在电容C上充电至UC=Ea，为下次开关的关断作好准备。在上述工作过程下，随着高电平U12和U34周期性地送出，T1和T2也随着周期性地开通和关断，达到了控制直流电机转速的目的。2.2.2速度控制电路:相当于方波发生器，其主要功能是在负反馈回路下产生经过调制放大的方波信号。它可以通过变频或改变方波信号的占空比来达到调速的目的。CBL-16型电机车是通过调整调速变阻器W的阻值来改变输出方波信号的占空比。方波信号占空比的变化通过驱动电路而使可控硅T1、T2的导通比发生变化，使电机的转速也随之发生变化。它将产生的方波信号通过5号线传入驱动电路板。2.2.3驱动电路:其主要将从速度控制器5号线传入的方波信号U59改制成一组反相信号，经过放大后通过1、2端和3、4端输出U12和U34分别触发主可控硅T1和换向可控硅T2。U59和U12、U34之间的关系如图3所示。另外，驱动电路还应有过流保护的功能，当主回路上电流IZ过-4-大时，连在过流感应器上的9号线电压升高从而使U59降低，当U59接近零时，1、2和3、4端便没有触发信号了，此时主回路关断。U59U12U34TTTt1t2t3t4t5图3触发脉冲的波形比较Figure3.triggerpulsewaveformcomparison3.故障现象分析故障现象：故障电机车启动时，踏下DM脚踏开关，方向继电器DSR动作。推动调整手柄。两只电机工作指示灯均亮。同时控制箱里的直流接触器CF或CR合上（根据行进方向），机车开始移动。但若再继续推动调速手柄加速，直流接触器跳闸，1号电机指示灯灭，只有2号电机在运转。重复上述过程亦是如此。通过故障现象分析，可以认为电机没有问题。问题大致可能出在直流谐振开关电路、速度控制电路或驱动电路上。因为现象明显是主回路过流后引起的主可控硅关断。将1、2号电机的速度控制电路板互换，故障依旧。同样再互换驱动电路板，这时1号电机正常了，但2号电机出了现了上述故障，可以初步判定故障出在驱动电路上。用示波器测试图2中5、9脚间的波形正常，为2伏左右的方波，而故障驱动电路板中的U34却无波形输出。这便导致了换向可控硅T2无法导通从而使主可控硅T1导通后不能有效关断，造成了主回路过流，直流接触器保护性跳闸关机。4.解决方案4.1基本要求：由于原装驱动电路板价格昂贵，且很难获得，只能考虑修复或自制。原件线路板全部用黑色硅胶封死，只能看到所引出的几根控制线，修复难度很大。为了从根本上解决问题，我们决定自制一个驱动线路板。此线路板达到以下三点要求即可：a.输出一组U12、U34反相方波，同时U12与U59同相，并随U59变化而变化。b.输出的方波脉冲U12和U34要有足够的功率来驱动可控硅T1和T2。c.要通过过流感应器上U19的变化来控制U59的脉冲方波输入，达到过流保护作用。4.2设计说明及电路分析：经过多次试验和改进，我们参照其工作原理设计了如图4的驱动电路，元器件均采用常见国产件。单个制作成本也不高，不到二百元。-5-电路分上下相互独立的两部分组成，分别从图4的1、2间和3、4间输出U12和U34方波脉冲。为了保证U12和U34反相，在电路的上部分多加了三极管TR1作为反相器。其余部分基本相同。5、9为信号输入线，1、2和3、4为两组触发脉冲的输出端。C1、C2为滤波电容组，其中C1为电解电容。6号线为+10V的电源正级，1、3接地。整个电路用了五只NPN三极管和两只PNP三极管，型号已在图4中标明。为了分析方便，我们可以将图4中的三极管均作为开关管来理解。先来看驱动电路图的下半部分，当5端为高电平时（即U59为高电平），TR5导通，使A点相当于通过二极管D3及TR5接地，从而使B点为低电平，TR7是关断状态。同时，由于C点的电压由高降低而使TR6导通，从而通过R19输出了高电平至2端，U12为高电平。同理，当5端为低电平时，TR5和TR6关断，TR7导通，使2线和1线相通，U12输出为低电平。上半部分与此工作原理相似，仅多了TR1反相器而已。当5端输入为高电平时，TR1导通使信号到E点时为低电平，因而TR2、TR3关断，TR4因D点的高电平而导通，从而使3、4线相通，U34输出低电平。同理，当5端输入为低电平时，U34输出为高电平。过流保护的功能：当主回路上电流IZ过大时，连在过流感应器上的9号线电压升高从而使U59降低，当U59接近零时，实际上等于5端输入的低电平，此时U12为低电平、U34为高电平，从而使主可控硅T1在下个工作周期无法导通、而换向可控硅T2导通迫使主可控硅T1立即关断。D1C20.01R11KTR33CG120R21KR32KD2TR63CG120TR43DG180R1833Ω10WR5470R31KTR23DA87DTR13DA87DC30.001R66.7KR141KR72KR88.7KC1470μ＋６R101KR9470R151KD3ATR53DA87DTR73DG180R112.2KC40.01R126.7KR1933Ω10WBR162.2KR171KC954231图４　驱动电路图Figure4.drivecircuit-6-在示波器上调试好波形后试机，电机车工作良好。达到了正常运行的要求。5几点体会5.1为保证电机车稳定地工作，可控硅调速信号线部分均要加上屏蔽线，以防其受干扰误动作。5.2主可控硅T1的导通时间不能过长，否则电容C会因漏电阻而放电使T1不能可靠关断。这就要求在设计U59波形时，占空比不能过大。5.3主可控硅T1在关断瞬间会在直流电机两端产生约500伏特尖峰电压，对直流电机的性能提出较高的要求。5.4由于受到谐振开关回路的限制，可控硅T1、T2的导通频率不高。如果用大功率的IGBT管作开关管（可并联使用），不但电路相对简单，其工作可靠性和速度调节范围也会大大提高。因为IGBT功率管不仅开关频率高而且其导通关断的控制只需一组驱动信号即可完成，其占空比理论上可达到0～100%可调。参考文献：1原魁刘伟强《变频器基础及应用》北京冶金工出版社19982何希才《新型开关电源及其应用[M]》北京人民邮电出版社.1996.3卢家林苏彦民白小青《30kVA逆变电源中IGBT的驱动与保护》（电源技术应用2004.12）