礦用牽引電機車斬波調(diào)速器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，包括電源、直流電機、IGBT、吸收電容、換向開關(guān)和緩沖吸收電路模塊，該緩沖吸收電路模塊包括若干并聯(lián)相接的緩沖吸收電路；IGBT的漏極通過二極管與電源的正極連接，該IGBT的源極與電源負極E-連接，該IGBT的漏極端通過直流電機的線圈再串聯(lián)換向開關(guān)與直流電機的連接；緩沖電路模塊接于IGBT的漏極和源極之間；吸收電容C1接于電源正極與負極之間；直流電機通過換向開關(guān)與電源連接。本實用新型針對反向制動時主功率管IGBT容易損壞而增加緩沖吸收電路，有效抑制了不良的尖峰脈沖，使峰值電壓保持在正常值范圍內(nèi)，提高了器件的使用壽命。本實用新型成本很低，安裝簡單。
【專利說明】礦用牽引電機車斬波調(diào)速器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種斬波調(diào)速器，特別涉及一種礦用牽引電機車斬波調(diào)速器。
【背景技術(shù)】
[0002]斬波調(diào)速器自面世以來，其先進性不言而喻。目前的斬波調(diào)速器多采用IGBT (絕緣柵雙極晶體管)作為主要功率器件，以其結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、調(diào)速平穩(wěn)、節(jié)能30%的優(yōu)異表現(xiàn)，取代了耗能和維修量極大的電阻調(diào)速方式(簡稱電阻調(diào)速器)，成為了礦用牽引電機車司機操作平臺的主流產(chǎn)品。
[0003]但是，在最初的使用過程中，IGBT的實際工作使用壽命確達不到預期設(shè)計的使用壽命，主要表現(xiàn)在IGBT非常容易損壞。經(jīng)實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在頻繁使用反向制動時IGBT的損壞率最高。反向制動是礦用牽引電機車在使用過程中，減速、剎車和制動的主要手段之一，其特點是靈敏度高、反映速度快、可靠性強，另一種是手動輪式減速、剎車制動，但是制動速度慢，不能滿足司機在實際使用中的需求。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的是提供一種使用壽命長的可靠的礦用牽引電機車斬波調(diào)速器。
[0005]本實用新型提供的這種礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，包括電源、直流電機、IGBT、吸收電容、換向開關(guān)和緩沖吸收電路模塊，該緩沖吸收電路模塊包括若干并聯(lián)相接的緩沖吸收電路；IGBT的漏極通過二極管與電源的正極連接，該IGBT的源極與電源負極E-連接，該IGBT的漏極端通過直流電機的線圈再串聯(lián)換向開關(guān)與直流電機的連接；緩沖電路模塊接于IGBT的漏極和源極之間；吸收電容Cl接于電源正極與負極之間；直流電機通過換向開關(guān)與電源連接。
[0006]所述緩沖吸收電路模塊包括8組并聯(lián)相接的緩沖吸收電路單元，每組緩沖吸收電路單元包括2路并聯(lián)相接的緩沖吸收電路。所述緩沖吸收電路包括電阻模塊、電容和二極管，電阻模塊與二極管并聯(lián)后再串聯(lián)電容串聯(lián)相接；電阻模塊和二極管并聯(lián)的一端與所述IGBT的漏極連接，電容一端與所述IGBT的源極連接。所述電阻模塊包括8片貼片電阻，4片貼片電阻彼此串聯(lián)后與另外的已串聯(lián)相接的4片貼片電阻并聯(lián)相接。
[0007]本實用新型針對反向制動時主功率管IGBT容易損壞而增加緩沖吸收電路，有效抑制了不良的尖峰脈沖，使峰值電壓保持在正常值范圍內(nèi)，提高了器件的使用壽命。本實用新型成本很低，是采用獨立元件成本的1/3，安裝簡單，體積小，無需改動現(xiàn)有防爆箱體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型的電路原理示意圖。
[0009]圖2是IGBT在關(guān)斷和開通是電壓和電流的波形圖。
[0010]圖3是RCD電路原理圖。
[0011]圖4是RIXD電路原理圖。[0012]圖5是本實用新型的緩沖吸收電路原理圖。
【具體實施方式】
[0013]斬波調(diào)速器自面世以來，其先進性不言而喻，但是，在最初的使用過程中，實際工作使用壽命確達不到預期設(shè)計的使用壽命，主要表現(xiàn)在IGBT非常容易損壞。經(jīng)實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在頻繁使用反向制動時IGBT的損壞率最高。
[0014]反向制動是礦用牽引電機車在使用過程中，減速、剎車和制動的主要手段之一，其特點是靈敏度高、反映速度快、可靠性強。
[0015]由此只要解決反向制動時不損壞IGBT的問題，就能使產(chǎn)品達到預期設(shè)計的使用壽命。如圖1所示，在不增加虛線框中的緩沖吸收電路時，A點的檢測的該點峰值電壓和峰值電流高于正常要求的峰值電壓和電流。依據(jù)IGBT的工作原理分析，IGBT沒有設(shè)計緩沖吸收電路(圖1虛線框:緩沖吸收電路)是造成IGBT損壞的根本原因，解決的辦法是在IGBT的A點和IGBT接線端子2間(即開關(guān)管QV上)接入緩沖吸收電路，使峰值電壓保持在正常值范圍內(nèi)。
[0016]現(xiàn)有未增加緩沖吸收電路的斬波調(diào)速器中，其吸收電容器Cl是IGBT的保護元件，是并聯(lián)在IGBT的接線端子I和2之間，即電源的正極E+和負極E-之間。而在實際使用中IGBT與直流電機是串聯(lián)使用的，因此IGBT是主開關(guān)，依據(jù)IGBT的使用原則，吸收電容器Cl對IGBT起不到保護作用的。
[0017]由于IGBT的工作頻率可以高達3(T50kHz ;因此很小的電路電感就可能引起頗大的電流尖峰，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。由圖2(a)可知，在電流4下降過程中IGBT上出現(xiàn)了過電壓，其值為電源電壓Ucc和電感電壓Ldic/di兩者的疊加。
[0018]如圖2(b)所示，圖中增長極快的電流ic出現(xiàn)了過電流尖峰iCP，當該過電流尖峰icp回落到穩(wěn)定值時，過大的電流下降率同樣會引起IGBT上出現(xiàn)過電壓。IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使電流士出現(xiàn)尖峰，為此需要串入并聯(lián)緩沖吸收電路。
[0019]針對這個缺點，在IGBT的接線端子3和2之間并聯(lián)由RCD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的緩沖吸收電路，該緩沖吸收電路的功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，從而有效抑制了不良的尖峰脈沖，保護了 IGBT，達到了產(chǎn)品預期設(shè)計的使用壽命。
[0020]如圖1所示，本實用新型包括電源、直流電機、IGBT、續(xù)流二極管D1、吸收電容、換向開關(guān)K1、換向開關(guān)K2、換向開關(guān)K3、換向開關(guān)K4和緩沖吸收電路模塊。IGBT的漏極與續(xù)流二極管Dl的陽極端連接，該續(xù)流二極管Dl的陰極端與電源正極E+連接，該IGBT的源極與電源負極E-連接。緩沖電路模塊接于IGBT的漏極和源極之間。吸收電容Cl接于續(xù)流二極管Dl的陰極端與IGBT的源極端之間。該IGBT的漏極端通過直流電機的線圈再串聯(lián)換向開關(guān)K3與直流電機的M4端連接。直流電機的M3端通過換向開關(guān)Kl與電源E+連接。電源E+通過換向開關(guān)K2與直流電機的M4端連接，電源E-通過換向開關(guān)K4與直流電機的M3端連接。其中，換向開關(guān)Kl和換向開關(guān)K3為常閉開關(guān)，換向開關(guān)K2和換向開關(guān)K4為常開開關(guān)。圖1中所示的緩沖吸收電路為本實用新型的等效電路，其包括電阻模塊Rs、電容模塊Cs和二極管模塊Ds。[0021]電路原理:當IGBT關(guān)斷時，直流電機依靠慣性在自由運轉(zhuǎn)，此時直流電機相當于發(fā)電機在工作，在A點有電動勢存在，該電動勢通過續(xù)流二極管Dl回饋到電源正極E+端，如果不等直流電機的轉(zhuǎn)速降為零時，就操作換向手柄，對電機進行反向制動，即換向開關(guān)Kl和換向開關(guān)K3均關(guān)斷，換向開關(guān)K2和換向開關(guān)K4均開通，那么易造成IGBT的損壞。這是由于反向制動時產(chǎn)生的過電壓和過電流峰值很高，在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管D2的反向恢復電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使電流i。出現(xiàn)尖峰，造成IGBT損壞。為此需要在IGBT的接線端子3和2之間接入RCD緩沖吸收電路。由于電容Cs電壓不會躍變，限制了重加電流/電壓尖峰。當IGBT開通時電容Cs上的能量經(jīng)Rs泄放，有效抑制和吸收了有害的尖峰脈沖。
[0022]在一般的應用中，RCD緩沖吸收電路采用的是獨立的電阻Rs、電容Cs和二極管Ds組成單元使用，該電路的電路連接方式如圖3和圖4所示。如圖3所示，當電路的過電流在毫安-安培級，而斬波調(diào)速器本身工作電流在百安培級時，因IGBT與直流電機串聯(lián)使用，考慮IGBT工作時的開關(guān)特性以及直流電機在工作過程中產(chǎn)生的過電壓和過電流，兩者疊加綜合考慮可知，緩沖吸收電路的過電流能力不能小于斬波調(diào)速器本身工作電流。這樣一來，所選的電容和二極管及電阻均要使用大功率器件，并要加裝散熱器，這種做法導致產(chǎn)品設(shè)計成本高、產(chǎn)品自身體積大，加之受斬波調(diào)速器內(nèi)部空間的限制，將要改動防爆箱體，這樣一來，要重新做產(chǎn)品認證，周期很長，嚴重影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，本實用新型采用小功率RCD單元并聯(lián)的技術(shù)方案，有效的解決了上述問題，成本很低，體積小，安裝簡單，是采用獨立元件成本的1/3，并不需要改動原箱體。
[0023]如圖4所示，與IGBT串聯(lián)的電感Ls用于抑制電流/電壓尖峰的過量，與其并聯(lián)的電容Cs通過快速二極管Ds充電，吸收器件上出現(xiàn)的過電壓能量，由于電容電壓不會躍變，限制了重加電流/電壓尖峰。當IGBT開通時電容Cs上的能量經(jīng)電阻Rs泄放。為了減少損耗，可將圖4中的RLCD電路簡化為圖3的形式。這種由RCD單元構(gòu)成的緩沖吸收電路是本實用新型的原理依據(jù)。
[0024]本實用新型的緩沖吸收電路模塊包括若干并聯(lián)相接的緩沖吸收電路。結(jié)合具體實際的多種因素，本實用新型對如圖4所示的電路進行了適應性的改進。
[0025]如圖5所示，本實用新型采用的緩沖吸收電路包括電阻模塊、電容Cl和二極管Dl，電阻模塊與二極管Dl并聯(lián)后再與電容Cl串聯(lián)相接。電阻模塊包括8片貼片電阻，將這8片貼片電阻等分為2組，每組中的4片貼片電阻彼此串聯(lián)相接，之后再將這2組已連接的貼片電阻并聯(lián)連接在一起，組成本實用新型的一種電阻模塊。
[0026]在具體實施時，再將若干個上述緩沖吸收電路的進行并聯(lián)連接。由于應用場合直流電機的電壓范圍從幾十伏特至幾百伏特，因此本實用新型優(yōu)選采用16個參數(shù)相同的上述緩沖吸收電路彼此并聯(lián)相接，來實現(xiàn)最終本實用新型的緩沖吸收電路模塊。為了便于PCB板的制作與器件的散熱等，本實用新型將這16個并聯(lián)相接的緩沖吸收電路分成8個單元，每個單元包括2路上述緩沖吸收電路；將這8個單元按照4行2列的形式布局在PCB板上，且每個單元的二極管側(cè)配置一塊散熱器。每個單元的2路上述緩沖吸收電路并聯(lián)連接，之后在PCB板上將8個單元的緩沖吸收電路并聯(lián)連接在一起。
[0027]實踐證明，本實用新型切實可行，并達到了預期目的。
【權(quán)利要求】
1.一種礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，包括電源、直流電機、IGBT、吸收電容、換向開關(guān)，其特征在于，該調(diào)速器還包括緩沖吸收電路模塊，該緩沖吸收電路模塊包括若干并聯(lián)相接的緩沖吸收電路；IGBT的漏極通過二極管與電源的正極連接，該IGBT的源極與電源負極連接，該IGBT的漏極通過直流電機的線圈再串聯(lián)換向開關(guān)后與該直流電機的接線端連接；緩沖吸收電路模塊接于IGBT的漏極和源極之間；吸收電容接于電源正極與負極之間；直流電機通過換向開關(guān)與電源連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，其特征在于，所述緩沖吸收電路模塊包括8組并聯(lián)相接的緩沖吸收電路單元，每組緩沖吸收電路單元包括2路并聯(lián)相接的緩沖吸收電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，其特征在于，所述緩沖吸收電路包括電阻模塊、電容和二極管，電阻模塊與二極管并聯(lián)后再與電容串聯(lián)相接；電阻模塊和二極管并聯(lián)的一端與所述IGBT的漏極連接，電容一端與所述IGBT的源極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的礦用牽引電機車斬波調(diào)速器，其特征在于，所述電阻模塊包括8片貼片電阻，4片貼片電阻彼此串聯(lián)后與另外的已串聯(lián)相接的4片貼片電阻并聯(lián)相接。
【文檔編號】H02P7/28GK203522590SQ201320607906
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】康泰 申請人:湘潭市雙力電機車制造有限公司