新型矿用电机车可控硅斩波器设计

新型矿用电机车可控硅斩波器设计

胡晓东

（枣庄联鑫实业有限责任公司，山东枣庄277122）

摘要该文提出了12T蓄电池电机车直流串励电动机现在使用的斩波器的优缺点，介绍了一种新型斩波器的设计，通过优化设计弥补了原斩波器的不足，提高矿用蓄电池电机车斩波器的综合性能。

关键词直流串励电动机可控硅斩波器PLC控制

中图分类号TD64+2文献标识码B

The new design of the mining electric locomotive chopper system

Hu Xiao－dong

（Zaozhuang Lianxin Industrial Co．，Ltd，ShanDong Zaozhuang277122）

Abstract This article put forward the advantage and weakness of the chopper system that12T mining electric locomotive threading excitation D．C．elec-tric motor was now used．Introduced a new kind design of chopper system．The new cellent design made up the shortage of original design The comprehen-sive function of the mining electric locomotive was raisd．

Key words excitation direct current electric motor the SCR chopper system PLC controlling

目前国内大吨位矿用电机车直流串励电动机斩波调速多用以下两种方式：

（1）开环模拟触发信号控制的可控硅斩波调速方式。优点是：控制部分简单，主关断器件为可控硅，成本低，导通后压降低，耐用；缺点是：控制部分为开环模拟控制，不精确，可靠度不高，主电路器件易损坏，主电路较复杂。

（2）开环数字触发信号控制的IGBT斩波调速方式。优点是：控制部分精确，可靠度高，主关断器件为IGBT，主电路简单；缺点是：控制部分为开环控制，主关断器件为IGBT，成本高，保护电路复杂。

经过对现有斩波电路比较、分析，选择主电路用关断器件为可控硅的琼斯电路，控制部分用PLC产生触发信号的闭环数字电路。这种选择综合了各种电路的优点，可提高斩波调速装置的综合性能。

1直流串励电机特性及参数

12t蓄电池电机车使用两台22kW直流串励电动机，电机额定电压160V，最大电流500A。两电机并联的电动机锁定转子伏安特性曲线见图1。

2斩波主电路设计

2．1琼斯斩波电路

根据综合条件选择主斩波电路为琼斯电路，电路原理图见图2。

*收稿日期：2011－10－25

作者简介：胡晓东（1984－），男，大学本科，毕业于中国矿业大学机械电子工程专业，现任枣庄联鑫实业有限责任公司电机车厂技术主管，助理工程师

。

图112t

机车串励电动机的伏安特性曲线

图2琼斯斩波电路原理图

本电路中SCR1为主可控硅，SCR2为辅助关断可控硅，RL为负载。当SCR1触发后电路导通，电流方向为电源+—SCR1—L2—RL—电源－，电源向负载供电；由于电抗L2、L1存在耦合，L2产生感生电压，感生电压向电容C充电，充电回路为L1—D—C—SCR1—L1电容电压由二极管保持；需要停止对负载供电时，触发SCR2，电容C形成C—SCR2—SCR1—C放电回路，SCR1受到反向电压作用关断，D1为续流二极管。

琼斯电路可通过触发可控硅实现对电源的通断控制，如果SCR1、SCR2的触发信号交替、连续的触发即可实现对直流电源的斩波，通过调节SCR1、SCR2的触发信号的时间间隔可改变负载的平均电压，实现电机的调速。

2．2主电路计算

电路计算时均取最苛刻条件下的计算值。

（1）已知条件：电源电压192V，电机额定电压160V，电机额定电流140A，电机最大电流500A，可控

硅关断时间t

off =30μs，可控硅反向关断需电荷量C

rr

=

50μQ。

（2）根据电机最大电流估计斩波器的斩波周期及斩波率

两电机并联启动最大电流为1000A，最小为600A，根据图1特性曲线选择斩波周期为4ms，斩波率为1：5。

（3）根据关断要求计算电容C参数

①考虑电路损耗和电抗器升压，公式计算为：

C=I

f

ˑ30μs

C

=

1000ˑ30

190

=156μF

式中：C－主电路的最大电流；

U－电容两端电压。

②考虑电容规格用8支20μF电容并联得到160μF电容。

（4）根据关断要求计算电抗L参数

①为可靠关断，电抗取L1为L2两倍耦合，L1在最小关断时间1ms时间内对电容充电，即电抗与电容能量形成转换，根据电机伏安曲线得下公式：

U=L

I

f 1ms

即L=Uˑ1ms

I

f

=

200ˑ1

1000

ˑ10－3H=2ˑ10－4H

式中：I

f

－主电路的最大电流；

L－电感值；

U－为电容两端电压。

②考虑电容反向充电时的能量损耗，L1取0．8mH，L2取0．4mH。

（5）计算各部分电流值

①SCR1和L2电流计算

SCR1和L2电流的最大电流为1000A，根据电机特性曲线平均电流为800A。

②充电回路电流计算

电容充电时平均电流为1000/5A=200A，放电时最大电流为1000A，平均电流为300A。D和L1在电容放电时不工作，电流为200A。

③SCR2、D1电流计算

根据以上计算结果和已知条件，可控硅SCR2电流最大值为1000A，平均值为500A，续流二极管D1电流最大值为1000A，平均值为800A。

2．3确定斩波器主电路

2．3．1斩波器主电路器件参数确定

根据以上计算，斩波器主电路各器件参数选取为：主可控硅电流800A；副可控硅电流600A；换向电容用8支20电容并联；续流二极管电流800A；二极管电流300A；电抗器1．2mH，电流300A；所有电器元件耐压600V。

2．3．2主电路保护电路器件选型

根据参数选择阻容吸收为0．47μF、耐压1000V电容和20W20Ω绕线瓷管电阻。

2．3．3主电路电路图

根据选型可确定斩波器主电路电路图见图4

。

图4斩波器主电路图图

图4中S为直流电动机电枢，MD为电动机定子励磁线圈，K1－4为电动机换向开关。

3斩波控制部分设计

根据斩波器需要，控制部分要满足：能产生两个可控硅触发脉冲信号；两个触发脉冲信号宽度相同交替触发，交替的时间间隔可调整；触发信号要根据电机的电流及电压大小自动调整。为了精确可靠的完成要求，控制部分采用可编程控制装置，控制部分框图见图5

。

图5控制部分方框图

电机速度给定装置可将手控把手的转动角度指示的速度值转换为电压值供给单片机，单片机接到电压值后发出主触发信号，主可控硅开通，当电机电流上升到900A时，单片机发出副触发信号，使斩波电路断电，当电流值小于700A时，单片机发出主触发信号，使斩波电路通电，接着重复上述过程，电动机大电流启动，电机端电压不断升高；当电动机端电压达到机车速度值所对应的电压值时，单片机转为恒电压控制，电压恒定在电机速度给定装置指示的速度值所对应的电压值上；当电机电流大于600A时，单片机转为恒电流范围控制。

考虑到长时大电流工作会损坏电气部分，控制系统将在电机大电流启动时间超过两分钟后发出副触发信号停止主触发信号，关断主电路电源，操作者需将电机速度给定装置回零后重启动，单片机才可启动。

4结论

斩波器制造完工后安装在机车上经过出厂运行试