CN203522590U - 矿用牵引电机车斩波调速器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种矿用牵引电机车斩波调速器，包括电源、直流电机、IGBT、吸收电容、换向开关和缓冲吸收电路模块，该缓冲吸收电路模块包括若干并联相接的缓冲吸收电路；IGBT的漏极通过二极管与电源的正极连接，该IGBT的源极与电源负极E-连接，该IGBT的漏极端通过直流电机的线圈再串联换向开关与直流电机的连接；缓冲电路模块接于IGBT的漏极和源极之间；吸收电容C1接于电源正极与负极之间；直流电机通过换向开关与电源连接。本实用新型针对反向制动时主功率管IGBT容易损坏而增加缓冲吸收电路，有效抑制了不良的尖峰脉冲，使峰值电压保持在正常值范围内，提高了器件的使用寿命。本实用新型成本很低，安装简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种斩波调速器，特别涉及一种矿用牵引电机车斩波调速器。
背景技术
斩波调速器自面世以来，其先进性不言而喻。目前的斩波调速器多采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为主要功率器件，以其结构简单、维修方便、调速平稳、节能30%的优异表现，取代了耗能和维修量极大的电阻调速方式（简称电阻调速器），成为了矿用牵引电机车司机操作平台的主流产品。
但是，在最初的使用过程中，IGBT的实际工作使用寿命确达不到预期设计的使用寿命，主要表现在IGBT非常容易损坏。经实践调查发现，在频繁使用反向制动时IGBT的损坏率最高。反向制动是矿用牵引电机车在使用过程中，减速、刹车和制动的主要手段之一，其特点是灵敏度高、反映速度快、可靠性强，另一种是手动轮式减速、刹车制动，但是制动速度慢，不能满足司机在实际使用中的需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种使用寿命长的可靠的矿用牵引电机车斩波调速器。
本实用新型提供的这种矿用牵引电机车斩波调速器，包括电源、直流电机、IGBT、吸收电容、换向开关和缓冲吸收电路模块，该缓冲吸收电路模块包括若干并联相接的缓冲吸收电路；IGBT的漏极通过二极管与电源的正极连接，该IGBT的源极与电源负极E-连接，该IGBT的漏极端通过直流电机的线圈再串联换向开关与直流电机的连接；缓冲电路模块接于IGBT的漏极和源极之间；吸收电容C1接于电源正极与负极之间；直流电机通过换向开关与电源连接。
所述缓冲吸收电路模块包括8组并联相接的缓冲吸收电路单元，每组缓冲吸收电路单元包括2路并联相接的缓冲吸收电路。所述缓冲吸收电路包括电阻模块、电容和二极管，电阻模块与二极管并联后再串联电容串联相接；电阻模块和二极管并联的一端与所述IGBT的漏极连接，电容一端与所述IGBT的源极连接。所述电阻模块包括8片贴片电阻，4片贴片电阻彼此串联后与另外的已串联相接的4片贴片电阻并联相接。
本实用新型针对反向制动时主功率管IGBT容易损坏而增加缓冲吸收电路，有效抑制了不良的尖峰脉冲，使峰值电压保持在正常值范围内，提高了器件的使用寿命。本实用新型成本很低，是采用独立元件成本的1/3，安装简单，体积小，无需改动现有防爆箱体。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理示意图。
图2是IGBT在关断和开通是电压u CE和电流i C的波形图。
图3是RCD电路原理图。
图4是RLCD电路原理图。
图5是本实用新型的缓冲吸收电路原理图。
具体实施方式
斩波调速器自面世以来，其先进性不言而喻，但是，在最初的使用过程中，实际工作使用寿命确达不到预期设计的使用寿命，主要表现在IGBT非常容易损坏。经实践调查发现，在频繁使用反向制动时IGBT的损坏率最高。
反向制动是矿用牵引电机车在使用过程中，减速、刹车和制动的主要手段之一，其特点是灵敏度高、反映速度快、可靠性强。
由此只要解决反向制动时不损坏IGBT的问题，就能使产品达到预期设计的使用寿命。如图1所示，在不增加虚线框中的缓冲吸收电路时，A点的检测的该点峰值电压和峰值电流高于正常要求的峰值电压和电流。依据IGBT的工作原理分析，IGBT没有设计缓冲吸收电路（图1虚线框：缓冲吸收电路）是造成IGBT损坏的根本原因，解决的办法是在IGBT的A点和IGBT接线端子2间（即开关管QV上）接入缓冲吸收电路，使峰值电压保持在正常值范围内。
现有未增加缓冲吸收电路的斩波调速器中，其吸收电容器C1是IGBT的保护元件，是并联在IGBT的接线端子1和2之间，即电源的正极E+和负极E-之间。而在实际使用中IGBT与直流电机是串联使用的，因此IGBT是主开关，依据IGBT的使用原则，吸收电容器C1对IGBT起不到保护作用的。
由于IGBT的工作频率可以高达30~50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的电流尖峰，从而产生过电压，危及IGBT的安全。由图2(a)可知，在电流i C下降过程中IGBT上出现了过电压，其值为电源电压U CC和电感电压Ldi C/dt两者的叠加。
如图2(b)所示，图中增长极快的电流i C出现了过电流尖峰i CP，当该过电流尖峰i CP回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起IGBT上出现过电压。IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使电流i C出现尖峰，为此需要串入并联缓冲吸收电路。
针对这个缺点，在IGBT的接线端子3和2之间并联由RCD网络构成的缓冲吸收电路，该缓冲吸收电路的功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，从而有效抑制了不良的尖峰脉冲，保护了IGBT，达到了产品预期设计的使用寿命。
如图1所示，本实用新型包括电源、直流电机、IGBT、续流二极管D1、吸收电容、换向开关K1、换向开关K2、换向开关K3、换向开关K4和缓冲吸收电路模块。IGBT的漏极与续流二极管D1的阳极端连接，该续流二极管D1的阴极端与电源正极E+连接，该IGBT的源极与电源负极E-连接。缓冲电路模块接于IGBT的漏极和源极之间。吸收电容C1接于续流二极管D1的阴极端与IGBT的源极端之间。该IGBT的漏极端通过直流电机的线圈再串联换向开关K3与直流电机的M4端连接。直流电机的M3端通过换向开关K1与电源E+连接。电源E+通过换向开关K2与直流电机的M4端连接，电源E-通过换向开关K4与直流电机的M3端连接。其中，换向开关K1和换向开关K3为常闭开关，换向开关K2和换向开关K4为常开开关。图1中所示的缓冲吸收电路为本实用新型的等效电路，其包括电阻模块Rs、电容模块Cs和二极管模块Ds。
电路原理：当IGBT关断时，直流电机依靠惯性在自由运转，此时直流电机相当于发电机在工作，在A点有电动势存在，该电动势通过续流二极管D1回馈到电源正极E+端，如果不等直流电机的转速降为零时，就操作换向手柄，对电机进行反向制动，即换向开关K1和换向开关K3均关断，换向开关K2和换向开关K4均开通，那么易造成IGBT的损坏。这是由于反向制动时产生的过电压和过电流峰值很高，在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管D2的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使电流i C出现尖峰，造成IGBT损坏。为此需要在IGBT的接线端子3和2之间接入RCD缓冲吸收电路。由于电容Cs电压不会跃变，限制了重加电流/电压尖峰。当IGBT开通时电容Cs上的能量经Rs泄放，有效抑制和吸收了有害的尖峰脉冲。
在一般的应用中，RCD缓冲吸收电路采用的是独立的电阻Rs、电容Cs和二极管Ds组成单元使用，该电路的电路连接方式如图3和图4所示。如图3所示，当电路的过电流在毫安-安培级，而斩波调速器本身工作电流在百安培级时，因IGBT与直流电机串联使用，考虑IGBT工作时的开关特性以及直流电机在工作过程中产生的过电压和过电流，两者叠加综合考虑可知，缓冲吸收电路的过电流能力不能小于斩波调速器本身工作电流。这样一来，所选的电容和二极管及电阻均要使用大功率器件，并要加装散热器，这种做法导致产品设计成本高、产品自身体积大，加之受斩波调速器内部空间的限制，将要改动防爆箱体，这样一来，要重新做产品认证，周期很长，严重影响企业的经济效益。因此，本实用新型采用小功率RCD单元并联的技术方案，有效的解决了上述问题，成本很低，体积小，安装简单，是采用独立元件成本的1/3，并不需要改动原箱体。
如图4所示，与IGBT串联的电感Ls用于抑制电流/电压尖峰的过量，与其并联的电容Cs通过快速二极管Ds充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加电流/电压尖峰。当IGBT开通时电容Cs上的能量经电阻Rs泄放。为了减少损耗，可将图4中的RLCD电路简化为图3的形式。这种由RCD单元构成的缓冲吸收电路是本实用新型的原理依据。
本实用新型的缓冲吸收电路模块包括若干并联相接的缓冲吸收电路。结合具体实际的多种因素，本实用新型对如图4所示的电路进行了适应性的改进。
如图5所示，本实用新型采用的缓冲吸收电路包括电阻模块、电容C1和二极管D1，电阻模块与二极管D1并联后再与电容C1串联相接。电阻模块包括8片贴片电阻，将这8片贴片电阻等分为2组，每组中的4片贴片电阻彼此串联相接，之后再将这2组已连接的贴片电阻并联连接在一起，组成本实用新型的一种电阻模块。
在具体实施时，再将若干个上述缓冲吸收电路的进行并联连接。由于应用场合直流电机的电压范围从几十伏特至几百伏特，因此本实用新型优选采用16个参数相同的上述缓冲吸收电路彼此并联相接，来实现最终本实用新型的缓冲吸收电路模块。为了便于PCB板的制作与器件的散热等，本实用新型将这16个并联相接的缓冲吸收电路分成8个单元，每个单元包括2路上述缓冲吸收电路；将这8个单元按照4行2列的形式布局在PCB板上，且每个单元的二极管侧配置一块散热器。每个单元的2路上述缓冲吸收电路并联连接，之后在PCB板上将8个单元的缓冲吸收电路并联连接在一起。
实践证明，本实用新型切实可行，并达到了预期目的。
Claims (4)
1.一种矿用牵引电机车斩波调速器，包括电源、直流电机、IGBT、吸收电容、换向开关，其特征在于，该调速器还包括缓冲吸收电路模块，该缓冲吸收电路模块包括若干并联相接的缓冲吸收电路；IGBT的漏极通过二极管与电源的正极连接，该IGBT的源极与电源负极连接，该IGBT的漏极通过直流电机的线圈再串联换向开关后与该直流电机的接线端连接；缓冲吸收电路模块接于IGBT的漏极和源极之间；吸收电容接于电源正极与负极之间；直流电机通过换向开关与电源连接。
2.根据权利要求1所述的矿用牵引电机车斩波调速器，其特征在于，所述缓冲吸收电路模块包括8组并联相接的缓冲吸收电路单元，每组缓冲吸收电路单元包括2路并联相接的缓冲吸收电路。
3.根据权利要求2所述的矿用牵引电机车斩波调速器，其特征在于，所述缓冲吸收电路包括电阻模块、电容和二极管，电阻模块与二极管并联后再与电容串联相接；电阻模块和二极管并联的一端与所述IGBT的漏极连接，电容一端与所述IGBT的源极连接。
4.根据权利要求3所述的矿用牵引电机车斩波调速器，其特征在于，所述电阻模块包括8片贴片电阻，4片贴片电阻彼此串联后与另外的已串联相接的4片贴片电阻并联相接。
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