IGBT脉冲调速装置在蓄电池电机车中的应用

IGBT脉冲调速装置在蓄电池电机车中的应用

徐海

（淮南矿业集团职工培训管理中心安徽淮南232001）

摘要：蓄电池电机车是煤与瓦斯突出矿井中的重要机电设备之一，IGBT脉冲调速蓄电池电机车在淮南矿业集团各矿井得到了广泛应用，IGBT脉冲调速控制系统能更好地适应矿井安全、高效运输的要求，具有启动平稳、安全可靠、降低能耗、维护方便等特点，为蓄电池电机车安全高效运行提供可靠保证。

关键词：IGBT；调速；蓄电池电机车

一、IGBT简介

目前淮南矿业集团主要使用12吨192V蓄电池电机车作为矿井轨道运输的牵引设备，实现矿井矸石、物料、设备以及人员的运输，在矿井运输中发挥着至关重要的作用。蓄电池电机车一般采用串激式直流电动机，因为串激式直流电动机具有起动转矩大、过载能力强、机械特性软等优点，但蓄电池电机车的调速控制系统一直存在弊端。20世纪80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不足之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300Hz以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，并且在深调速下谐波含量很大，电磁兼容装置能够减小谐波对其他敏感设备的影响，但其体积相对较大。

新型高速大功率IGBT开关元件的问世和应用，使大功率变换器又上一个新的台阶。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小，IGBT则综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，它是目前世界上最优秀的电力电子功率开关器件，广泛用于调速器和变频调速等大功率电力电子设备中。

IGBT是电压型控制器件，具有输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、功率容量大等优点。我国在2014年6月成功研制出8寸IGBT专业芯片，打破了国际垄断。

二、IGBT脉冲调速工作原理

直流电机通过IGBT、限流电路与直流电源形成回路，脉宽调制电路产生8000Hz的脉冲频率来控制IGBT的导通与关断的时间，即调整脉冲宽度的占空比，脉冲宽度越宽在电机上所产生的电压越高，脉冲宽度越窄，电机上的电压越低，以达到改变电机转速的目的。当电机发生过流或电机损坏短路时，保护电路会使脉宽调制电路产生的脉冲宽度迅速变窄或截至以可靠地保护IGBT。

IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外，绝缘材料的缺陷也是一个问题。

三、IGBT调速技术的特点

通过IGBT脉冲调速装置在电机车上的推广应用，提高了电机车的工作效率，确保了电机车安全运输。

1.节能：调速状态下，与原电阻调速相比，节能30%以上。

2.起动平稳，起动力矩大：采用无级调速方式，从起动到全速均能平稳过渡，有效地保护了机车的机械系统，司机可根据实际需要任意控制机车速度；且牵引力比电阻调速机车大，工作效率高。

3.欠压保护：当蓄电池电压低于设定值时，欠压保护电路动作，有效地保护了蓄电池。

4.电流保护：采用电流传感技术，时刻跟踪检测电机电流变化，当机车超载或机车故障引起电流增大时，电流保护电路动作，机车速度降低，有效地保护电机及机械系统。

5.电源防反接保护：当蓄电池极性接反时，斩波器不工作，保护功率元件不受损坏。

6.温度保护：当斩波器工作温度达到85℃时，斩波器暂时停止工作，防止功率元件因过温而损坏，待温度降低后，斩波器自动恢复工作。

7.无弧通断：正常操作下，所有司控开关均无弧通断，大大延长了司控触头的使用寿命。

8.给定可靠：采用光电式给定，线性好，寿命长。

9.积木式结构：简单、紧凑，安装维修方便。

10.运行可靠、使用寿命长，降低了机车的维修量和维护费用。

四、ZKT-300斩波器应用及常见故障判断

ZKT-300斩波器在淮南矿业集团各矿井蓄电池电机车上广泛使用，ZKT-300斩波器采用了IGBT高压大功率开关器件，控制方法为定频调宽（PWM方式）。当驱动脉冲为高电平（+15V）时器件导通，反之低电平（0V或-15V）时关断。

（一）IGBT好坏的判断

1.首先将控制端G、E用铜线短接，用500型万用表欧姆档测量，黑表笔（电表内接电池正极）接C极，红表笔接E接，表针应不动。然后，黑、红表笔对调测量，表针偏转较大（用×1Ω档时，10～20Ω），然后拆掉铜线，测量控制端，若正反向都不通时，即初步判断IGBT正常。

2.将万用表×10K档（内接有9V电池）黑表笔接G，红表笔接E，即在控制端加正向电压，再将黑表笔移接C，此时万用表读数很小。然后将红表笔接G，黑表笔接E，即在控制端加反向电压，再将黑表笔接C，红表笔接E，此时万用表读数为无穷大，则证明该IGBT控制特性正常。否则，则不正常。

3.用万用表X10K档测试IGBT的g、c、e对底板的绝缘电阻，万用表指针应不动，即为无穷大时为正常。否则，则不正常。

（二）控制驱动盒

1.控制驱动盒的组成及功能

控制驱动盒为调速器的核心部分，由波形发生器、脉宽调制器、给定跟随器、过流放大器、脉冲渐宽电路、欠压保护、过压保护、IGBT驱动及DC/DC供电电源等电路组成。控制驱动盒负责完成调速器的软起动、欠压保护、过压保护、过流保护及IGBT的驱动等功能。

2.控制驱动盒好坏的判断

控制驱动盒的正常与否，可以通过观察+15V、-15V绿色指示灯和驱动指示红灯T1、T2来判断。当CN1的2、3脚有24V电压输入时，绿灯全亮，而红灯不亮时，则一般为正常；红、绿灯全不亮时，则控制驱动盒坏；绿灯亮，红灯也亮时，应检查IGBT或IGBT驱动线中隔离二极管是否开路，若IGBT或IGBT驱动绿线中隔离二极管均正常，则控制驱动盒坏。

3.注意事项

更换控制驱动盒时，CN3与CN4、CN5与CN6绝对不能插错，否则无电流保护，易损坏主功率元件（IGBT）。更换控制驱动盒时，应判断IGBT正常后，才能更换。否则，当IGBT的g、c击穿时，高压将IGBT的g极串入，继续损坏新的控制驱动盒。控制驱动盒应检测完好后才能投入使用。特别应测量CN5、CN6的g、e端驱动电压，该电压应随给定电压ADJ变化而变化，若该电压为高电平不变化，也将其接上使用的话，将继续损坏IGBT的功率元件。

参考文献

[1].煤矿安全规程.国家安全生产监督管理总局.煤炭工业出版社，2016年3月。

[2].电机车司机.国家安全生产监督管理总局宣传教育中心.中国矿业大学出版社，2009年1月。

[3].有关IGBT专题文章。