IGBT斬波控制器在電機車上的應用

劉金平

（龍煤鶴崗分公司富力煤礦，黑龍江鶴崗 154100）

1 引言

機車是軌道車輛運輸的一種牽引設備，是煤礦的重要運輸工具。因為它具有牽引力大、維護費用小、可以改善勞動條件等優點，所以在井下巷道運輸中得到廣泛應用。目前礦用電機車都采用直流串勵電動機作為牽引電動機，傳統的調速方法是通過電阻實現啟動、調速、停車、換向等功能。根據電機車的發展方向，電阻調速控制器功能已經不能滿足使用要求。在1990 年代采用可控硅司控器，但其維修費用高，技術性強，不適合需要。現在正逐步對電機車進行改造，采用IGBT 斬波控制器。本文主要對礦用隔爆型IGBT 斬波控制器進行介紹。

2 IGBT 斬波控制器用途及結構

IGBT 斬波控制器主要用于防爆特殊型蓄電池電機車，控制機車的前進、后退、啟動、調速、運行及制動。

IGBT 斬波控制器的操作面板上安裝有調速手柄、換向開關、燈開關、喇叭按鈕。箱體內部安裝有換向觸頭、接觸組、數字電壓表、霍爾速度給定器、照明用電源盒及斬波器。調速手柄用于控制機車的啟動、調速、全速以及停止，它與換向開關設有互鎖裝置。換向開關由兩組接觸銅片組成，完成兩臺電動機“0”位、“向前”“向后”三個工作狀態的轉換。斬波器由IGBT、續流二極管、電解電容、無感電容、霍爾電流傳感器及控制驅動盒電路等組成。霍爾速度給定器能發出速度給定信號。

3 IGBT的工作原理

IGBT 即絕緣柵雙極型功率管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件，IGBT具有控制驅動電路簡單、工作效率高、容量較大、驅動功率小而飽和壓降低的優點。

圖1 IGBT 等效電路

IGBT的等效電路如圖1所示。

若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSTET 導通，PNP 晶體管的集電極與基極之間的低阻狀態使得晶體管導通，若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOSTET 截止，切斷PNP 晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT的安全可靠性取決于以下因素：

（1）IGBT 柵極與發射極之間的電壓。驅動電壓過高，IGBT 不能穩定正常工作，驅動電壓過低，IGBT 永久損壞。

（2）IGBT 集電極與發射極之間的電壓。電壓超過它們之間的耐壓，IGBT 永久損壞。

（3）流過IGBT 集電極-發射極的電流。電流超過最大值，IGBT 永久損壞。

（4）IGBT的結溫超過允許值，IGBT 永久損壞。

針對這些因素，采用IGBT 柵極保護、浪涌電壓保護等多種保護裝置。IGBT的柵極-發射極驅動電壓VGE的保證值為±20V，設置柵壓限幅電路，為防止過流、過熱或由于振動使得柵極回路斷開，損壞IGBT 等現象，在IGBT的柵極與發射極之間并聯一只幾十kΩ的電阻，起保護作用。

其電路圖如圖2。

圖2 柵極保護電路

4 性能特點比較

電阻控制器是將電阻串入機車電樞回路，改變兩端電壓進行調速。這種方法的最大缺點是：調速過程中串入電阻要將電能變成熱能損失掉，耗能高，很不經濟；調速采用了分段切除電阻方式，這樣分段增加了電機兩端的電壓，于是機車的速度呈臺階式變化，有極調速，調速不平滑，采用單一機械制動，機械互鎖、啟動沖擊大，機械磨損大，故障率高，尤其是觸頭，經常損壞，維修頻繁。可控硅司控器主要由兩組可控硅、電容、自耦變壓器、充電二極管等組成。它的特點是啟動相對平穩，牽引力相對提高，采用了無極調速、機械磨損小，電位器給定，有單一的電流和電機保護,節能20%,但故障率高，維修費用高，維修時間長，需專業技術人員進行維修，因此需進一步改進。在此基礎上，發展了現在推廣的IGBT 控制器。它的特點是啟動平穩，無沖擊，對電機和機械的耗損小，起動力矩大，牽引力相對增大，無極調速，調速時比電阻調速節能30%，即可提高電池的使用壽命，節約成本35%，斬波調速器無弧通斷，無觸頭損耗，電氣機械故障少，設有過流、過壓和欠壓等多重保護，采用模塊設計，霍爾速度給定器，操作性能好，線性化，穩定性好，結構簡單，維修方便。它的主、副司控采用互鎖，機械和電氣制動。電路如圖3所示。

圖3 主、副司控電路

互鎖電路由主調速器上1SK1、1SK2和副調速器上2SK1、2SK2 開關組成，這些開關在調速手柄上。當主、副調速手柄同時置于“0”位時，從圖3 中可見1#和2#線不通。如果操作主調速手柄離開“0”位，這時副操作手柄仍在“0”位。那么1SK1 閉合、1SK2 閉合，1#和2#線接通，主電路接通。這時，如果操作副調速手柄離開“0”位，兩個常開開關1SK1、1SK2 均閉合，但其常閉開關1SK1、1SK2均斷開，1#和2#線仍不通，這樣實現主電路互鎖，保證了安全。

5 結語

經實際應用，IGBT 斬波控制器具有經濟性、實用性，操作簡單，維修方便，現已逐步成為其它控制器的代產品，近期內我公司的機車將全面改造完畢。

［1］李福固.礦井運輸與提升［M］.北京：中國礦業大學出版社，2007.

［2］胡宴如.模擬電子技術［M］.北京：高等教育出版社，2008.