隔爆斩波调速技术在煤矿中的应用

【摘要】电机车是煤矿生产的重要运输工具，电机车运行高度自动化，采用大型电机车和大容量矿车，新型高效节能电机车是其发展方向。斩波调速技术采用先进的IGBT模块斩波调速。具有起动平稳、起动力矩大、速度变化均匀、保护功能完善等特点，比电阻调速机车节能30%以上，是符合节能节效政策。

【关键词】电机车高效节能斩波调速IGBT

【中图分类号】TD64 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0219-02

前言

矿用蓄电池电机车是煤矿井下生产的重要运输工具之一，电机车的发展方向：电机车运行高度自动化，采用大型电机车和大容量矿车，使用新型高效节能电机车。

一、研究报告

目前煤矿上所用到的传统蓄电池电机车普遍采用直流串激电动机作为牵引电动机，为限制起动电流和改变运行速度，用凸轮控制器切换串接于电机电枢回路的电阻，进行电机车的起动和调速等控制。这种控制方式存在调速性能差、能耗大、电池寿命短、机械磨损大等缺点。

二、项目实践

随着晶闸管的问世，逐渐利用脉冲调速的方法来解决直流电机车的调速问题，也就是可控硅斩波调速。但由于关键元件晶闸管的技术性能差，导通容易但不能自行关断，在调速过程中会出现失控现象，因此蓄电池电机车调速方式的改进是非常必要的。

采用先进的IGB模块斩波调速。具有起动平稳、起动力矩大、速度变化均匀、保护功能完善、节约费用、免维护等特点，并且比电阻调速机车节能30%以上，是符合节能节效政策。

（一）IGBT结构特性及工作原理

1.IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。

2.关断：当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，取决于关断时电荷的密度，与掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度有关。

3.反向阻断：当集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力。过大地增加这个区域尺寸，会连续地提高压降。

4.正向阻断：当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

5.闩锁：IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，在特殊条件下这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。

6.正向导通特性：在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET的PNP晶体管建模。IC是VCE的一个函数（静态特性）。IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。VCE（sat）作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。

7.动态特性：动态特性是指IGBT在开关期间的特性。IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。

8.最大工作频率：开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，电流流通与VCE（sat）相关，导通损耗定义成功率损耗。表达式：Pcond VCEIC。开关损耗与IGBT的换向有关系Ets相关。

（二）性能特点

1.节能，与电阻调速相比，节能30%以上。

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

3.温度保护，当功率元件IGPT温度到达保护值时，保护电路动作，能有效地防止斩波器功率元件因温度过高而损坏。

4.无弧通断，所有接触组均无弧通断，到达延长了接触组触头使用寿命。

5.过流保护：当机车超载或机械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。

6.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，使得蓄电池的寿命得以大大提高。

7.蓄电池电压及电量显示：电量仪直接显示蓄电池电压，蓄电池充电达到100%标称电压时，绿色指示灯亮，超过130%标称电压时，黄色指示灯亮。只有红灯显示时，蓄电池电压已低于70%标称电压时，提醒司机及时充电，有效地保护蓄电池的寿命。

8.调速箱由控制器、斩波器、控制电源、光电给定器等组成。

（三）调速器的基本原理，

本调速系统采用了高压大功率开关器件，控制方式为定频调宽（PWM方式）。IGBT是由场效应管与大功率晶体管相结合的全控功率开关元件，其开关频率高，当栅极施加+lSV时器件导通，导通时压降为2V左右；当栅极施加O～15V时器件关断。由于IGBT2K作在开关状态，导通关断时损耗很小，所PAN速状态下节能效果显著，可以保证99%以上的电能用于电机。

IGBT串联在“串激式”牵引电机电路内，当IGBTVTl（VT2）导通时，电机电流线性上升；IGBT关断时，电机电流通过续流二极管D1（D2）形成回路，电流线性下降。由于开关频率高（800HZ-2KHZ），实际电机的电流等效为直流电流，通过改变IGBT的导通、关断时间的比值（即调压比α=TON/T），即可改变电机两端的电压平均值，从而改变电机的转速，实现机车调速的目的。斩波器的各种保护功能，如延时软起动、欠压、过压、恒流、短路等保护功能亦通过调节IGBT的导通、关断时间的比值来实现。

本系统加装了温度保护装置。当调速器铝散热底板温度达到85℃左右时，斩波器暂时停止工作，以保护功率开关元件不因温度过高而损坏，给设备带来不该损失费用。当斩波器温度下降至正常温度时，机车即能自动恢复工作。

（四）斩波器的优点与特性

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（可根据用户而定）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～C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。

（五）斩波器的基本工作原理

本斩波系统采用了IGBTN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。

IGBT串联在“串激式”牵引电机电路内，当IBGT VTl（VT2）导通时，电机电流线性上升，IGBT关断时，电机电流通过续流二极管形成回路，电流线性下降。由于开关频率高，实际电机的电流等效为直流电流，通过改变IGBT的导通与关断的比例（即调压比α=TON/T或u入/u出），即可改变电机两端的电压平均值，从而改变电机的转速，实现机车调速的目的。斩波器的各种保护功能（软启动、欠压、过压、过流、负载短路），亦通过IGBT导通与关断比例来实现。

三、结论

隔爆型斩波调速技术的应用具有节能，起动平稳运行可靠、使用寿命长等特性，既有良好的经济效益又有良好的社会效益。