工作分析無級調(diào)速電機車驅(qū)動電路的設(shè)計及其工作原理分析

1、（工作分析）無級調(diào)速 電機車驅(qū)動電路的設(shè) 計及其工作原理分析無級調(diào)速電機車驅(qū)動電路的設(shè)計及其工作原理分析中鐵隧道集團四處XX公司張恒輝(CRTG-4thHenghuiZhang)摘要:本文為解決無級調(diào)速電機車可控硅驅(qū)動電路頻繁損壞的故障，根 據(jù)其工作原理進行了故障判斷分析，確認故障源為驅(qū)動電路。通過對原驅(qū)動 電路參數(shù)要求制定解決方案，經(jīng)過多次試驗和改進，重新設(shè)計制作了驅(qū)動電 路板，根治了同類故障。BriefThisarticleintroducethemethodofhowtojudgethetroubleandanalysisthedataofdrivingcircuit,givethepl

2、anofeliminatingthetroubleofthyristordrivingcircuitinsteplessmotorvehiclebyRe-designthedrivingboardofel ectrical.關(guān)鍵詞:無級調(diào)速電機車工作原理驅(qū)動電路設(shè)計KeyWordSteplessMotorVehiclePrincipleofworkingDrivingCircuitDesign1.前言可控硅無級調(diào)速電機車以其較高的可操作性、經(jīng)濟性和安全性正逐步廣CBL-16型可控硅無級調(diào)速電機車九十年代末進入中國市場，于使用過程中均出現(xiàn)了可控硅驅(qū)動電路頻繁損壞的情況。為了能根治此類故障，本人重

3、新 設(shè)計制作了驅(qū)動電路和之匹配使用。經(jīng)實踐，使用效果良好。本文對可控硅 無級調(diào)速電機車的設(shè)計和故障排除有壹定借鑒作用。2.工作原理分析CLAYTON公司是壹家專門生產(chǎn)電瓶牽引機車的跨國公司，其產(chǎn)品從1.75至40噸規(guī)格均有生產(chǎn)。CBL-16型基本技術(shù)參數(shù)見表壹。為找到故障源必須系統(tǒng)的分析電機工作驅(qū)動控制原理，下面分別對主電路、控制電路的工作原理進行說明。項目參數(shù)值重量機車重量（包括駕駛者、沙、不含電瓶）12100kg電瓶和電瓶箱重量3900kg機車工作重量16000kg運行數(shù)據(jù)額定牽引力20400牛頓額定速率11.1km/h最大牽引力（附著系數(shù)為0.25）40000牛頓最高運行速率37km/h

4、泛應(yīng)用于隧道和地下巷道工程的運輸作業(yè)。英國CLAYTON公司生產(chǎn)的型號奧克地爾D8型電瓶單只電瓶容量104A.h數(shù)量100只正常放電時間6小時牽引型號M4直流電機電機規(guī)格50HP200V表壹CBL-16型電機車參數(shù)表FORMI.ParametersofCBL-16 MotorVehicle2.1主電路（圖1）:整機有倆臺M4直流電機提供動力，每臺電機均有壹套獨立的控制電路。當(dāng)電機啟動時，踏下腳踏開關(guān)DM使制動閥BAV動作而松開剎車，同時方向繼電器DSR通電動作，合上DSR/14四個開關(guān)使1號電機和2號電機的控制電路同時通電工作。為保證安全，于低壓限位閥LAP的作用下，啟動前若剎車氣壓于4.1b

5、ar以下 則不能啟動。DS控制著電機車行進的前后方向。2.2控制電路（圖2）:按主要作用大致可分為諧振直流開關(guān)電路、速度控制電路和可控硅驅(qū)動電路等三部分。2.2.1諧振直流開關(guān)如圖2中虛線所示部分。T1為主可控硅，T2為換向可控 硅。直流電機是和此開關(guān)電路串聯(lián)后， 再和電瓶串聯(lián)從而形成壹個工作回路。R2為10M的放電電阻，能夠使電容C于停機時緩慢放電。開關(guān)閉合：驅(qū)動電路板中輸出U34方波脈沖觸發(fā)T2，則電容C按圖示 極性充電，主電容電壓Uc等于電瓶電壓Ea時，lc=O。T2因IC小于其導(dǎo)通 維持電流Ih2而關(guān)斷。接著，Ti被高電平U12觸發(fā)而導(dǎo)通，負載電流lz經(jīng)負 載流過Ti到電瓶負極。同時被

6、充電的電容C通過Ti經(jīng)諧振回路L-Di-C放電， 至Uc=O,又通過同樣的諧振回路反向充電， 至Uc=Ea時止。這就是導(dǎo)通 狀態(tài)（開關(guān)閉合） ，直流電機通電工作。Figurei.themaincircuitFigure2.controlcircuit開關(guān)斷開：待第二次觸發(fā)脈沖U34送來，T2導(dǎo)通，Uc反向加于Ti強迫其關(guān)斷。爾后，電容c經(jīng)T2，電源Ea，電機（電樞和磁場線圈）放電至Uc=0后，又正向充電，至IcVIh2時（Ih2為可控硅T2導(dǎo)通最小維持電流），T2關(guān)斷。這便是開關(guān)斷開狀態(tài)，此時直流電機不工作。同時于電容c上充電至Uc=Ea，為下次開關(guān)的關(guān)斷作好準備。于上述工作過程下， 隨著高電

7、平U12和U34周期性地送出，Ti和T2也隨 著周期性地開通和關(guān)斷，達到了控制直流電機轉(zhuǎn)速的目的。ered_ffecbbf6-fe19-4882-97a1-6e26426a1f7d$速度控制電路:相當(dāng)于方波發(fā)生器，其主要功能是于負反饋回路下產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制放大的 方波信號。它能夠通過變頻或改變方波信號的占空比來達到調(diào)速的目的。CBL-16型電機車是通過調(diào)整調(diào)速變阻器W的阻值來改變輸出方波信號的占 空比。方波信號占空比的變化通過驅(qū)動電路而使可控硅T1、T2的導(dǎo)通比發(fā)生變化，使電機的轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化。它將產(chǎn)生的方波信號通過5號線傳入 驅(qū)動電路板。ered_ffecbbf6-fe19-4882-97a

8、1-6e26426a1f7d$驅(qū)動電路:其主要將從速度控制器5號線傳入的方波信號U59改制成壹組反相信 號，經(jīng)過放大后通過1、2端和3、4端輸出U12和U34分別觸發(fā)主可控硅Tl和換向可控硅T2。U59和U12、U34之間的關(guān)系如圖3所示。另外，驅(qū)動 電路仍應(yīng)有過流保護的功能，當(dāng)主回路上電流IZ過大時，連于過流感應(yīng)器上的9號線電壓升高從而使U59降低，當(dāng)U59接近零時，1、2和3、4端便沒 有觸發(fā)信號了，此時主回路關(guān)斷。Figure3.triggerpulsewaveformcomparison3.故障現(xiàn)象分析故障現(xiàn)象：故障電機車啟動時，踏下DM腳踏開關(guān)，方向繼電器DSR動作。推動調(diào)整手柄。倆

9、只電機工作指示燈均亮。同時控制箱里的直流接觸 器CF或CR合上（根據(jù)行進方向），機車開始移動。但若再繼續(xù)推動調(diào)速手 柄加速，直流接觸器跳閘，1號電機指示燈滅，只有2號電機于運轉(zhuǎn)。重復(fù) 上述過程亦是如此。通過故障現(xiàn)象分析，能夠認為電機沒有問題。問題大致可能出于直流諧振開關(guān)電路、速度控制電路或驅(qū)動電路上。因為現(xiàn)象明顯是主回路過流后引 起的主可控硅關(guān)斷。將1、2號電機的速度控制電路板互換，故障依舊。同樣再互換驅(qū)動電路板， 這時1號電機正常了， 但2號電機出了現(xiàn)了上述故障， 能夠初步判定故障出于驅(qū)動電路上。用示波器測試圖2中5、9腳間的波形 正常，為2伏左右的方波，而故障驅(qū)動電路板中的U34卻無波形輸

10、出。這便 導(dǎo)致了換向可控硅T2無法導(dǎo)通從而使主可控硅T1導(dǎo)通后不能有效關(guān)斷， 造 成了主回路過流，直流接觸器保護性跳閘關(guān)機。4.解決方案4.1基本要求：由于原裝驅(qū)動電路板價格昂貴，且很難獲得，只能考慮修復(fù)或自制。原 件線路板全部用黑色硅膠封死，只能見到所引出的幾根控制線，修復(fù)難度很 大。為了從根本上解決問題，我們決定自制壹個驅(qū)動線路板。此線路板達到 以下三點要求即可：輸出壹組U12、U34反相方波，同時U12和U59同相，且隨U59變化而 變化。輸出的方波脈沖U12和U34要有足夠的功率來驅(qū)動可控硅T1和T2。C.要通過過流感應(yīng)器上U19的變化來控制U59的脈沖方波輸入，達到過 流保護作用。4

11、.2設(shè)計說明及電路分析：經(jīng)過多次試驗和改進，我們參照其工作原理設(shè)計了如圖4的驅(qū)動電路， 元器件均采用常見國產(chǎn)件。單個制作成本也不高，不到二百元。電路分上下相互獨立的倆部分組成， 分別從圖4的1、2間和3、4間輸 出U12和U34方波脈沖。為了保證U12和U34反相，于電路的上部分多加了 三極管TRi作為反相器。其余部分基本相同。5、9為信號輸入線，1、2和3、4為倆組觸發(fā)脈沖的輸出端。Ci、C2為濾波電容組，其中Ci為電解電容。6號線為+10V的電源正級，1、3接地。整個電路用了五只NPN三極管和 倆只PNP三極管，型號已于圖4中標明。為了分析方便，我們能夠?qū)D4中的三極管均作為開關(guān)管來理解。

12、先來見驅(qū)動電路圖的下半部分， 當(dāng)5端為高電平時（即U59為高電平），TR5導(dǎo)通， 使A點相當(dāng)于通過二極管D3及TR5接地，從而使B點為低電平，TR7是關(guān) 斷狀態(tài)。同時，由于C點的電壓由高降低而使TR6導(dǎo)通，從而通過Ri9輸出 了高電平至2端，Ui2為高電平。同理，當(dāng)5端為低電平時，TR5和TR6關(guān) 斷，TR7導(dǎo)通，使2線和I線相通，Ui2輸出為低電平。上半部分和此工作原理相似，僅多了TRi反相器而已。當(dāng)5端輸入為高電平時，TRi導(dǎo)通使信號到E點時為低電平，因而TR2、TR3關(guān)斷，TR4因D點的高電平而導(dǎo)通，從而使3、4線相通，U34輸出低電平。同理，當(dāng)5端 輸入為低電平時，U34輸出為高電平。

13、過流保護的功能：當(dāng)主回路上電流IZ過大時，連于過流感應(yīng)器上的9號線電壓升高從而使U59降低，當(dāng)U59接近零時，實際上等于5端輸入的低電 平，此時U12為低電平、U34為高電平，從而使主可控硅T1于下個工作周期 無法導(dǎo)通、而換向可控硅T2導(dǎo)通迫使主可控硅T1立即關(guān)斷。Figure4.drivecircuit于示波器上調(diào)試好波形后試機，電機車工作良好。達到了正常運行的要 求。5幾點體會為保證電機車穩(wěn)定地工作， 可控硅調(diào)速信號線部分均要加上屏蔽線， 以防其受干擾誤動作。主可控硅T1的導(dǎo)通時間不能過長，否則電容C會因漏電阻而放電 使T1不能可靠關(guān)斷。這就要求于設(shè)計U59波形時，占空比不能過大。主可控硅T1于關(guān)斷瞬間會于直流電機倆端產(chǎn)生約500伏特尖峰電 壓，對直流電機的性能提出較高的要求。5.4由于受到諧振開關(guān)回路的限制，可控硅Ti、T2的導(dǎo)通頻率不高。如 果用大功率