礦用電機(jī)車是煤礦生產(chǎn)所需的一種主要的運(yùn)輸裝置,目前主要采用直流電動機(jī)驅(qū)動。但是,隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了很大了提高,同時由于交流電機(jī)和直流電機(jī)相比具有功率大、效率高、無電刷和換向器,維護(hù)成本小的優(yōu)點(diǎn),因此用交流電動機(jī)取代直流電動機(jī)應(yīng)用在礦用電機(jī)車上,已成為礦用電機(jī)車發(fā)展的趨勢。
礦用變頻電機(jī)車系統(tǒng)硬件設(shè)計:
本文設(shè)計的整個調(diào)速系統(tǒng)由主電路、單片機(jī)控制電路和反饋量檢測電路組成。
主電路是由逆變電路構(gòu)成。其中逆變電路采用IPM智能功率模塊完成功率變換;單片機(jī)控制電路以80C196MC單片機(jī)為控制核心,包括存儲器擴(kuò)展電路和一些外圍電路如:鍵盤顯示電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等等。單片機(jī)控制電路主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理矢量控制算法的計算、PWM波和控制信號的產(chǎn)生以及顯示和故障處理等等任務(wù)。
反饋量檢測電路主要由定子電流檢測電路和轉(zhuǎn)速檢測電路組成,檢測值送單片機(jī)處理后主要用于矢量控制算法的計算。
1.智能功率模塊IPM
本系統(tǒng)的逆變器件采用智能功率模塊IPM。IPM是以絕緣柵雙極晶體管IGBT為功率器件的新型模塊。傳統(tǒng)的IGBT是功率場控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復(fù)合,它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的特點(diǎn)和GTR通態(tài)壓降小。功率電路,緩沖電路還有門極驅(qū)動電路必須設(shè)計到足以承受和的極限值。如果功率電路漏感不夠小、緩沖電路吸收不充分,瞬態(tài)過電壓就會發(fā)生。同時地環(huán)路和雜散電容還會引起嚴(yán)重的噪聲問題。
IPM智能功率模塊結(jié)構(gòu);IPM共有6個主回路端16個控制端,其中VccUVccUVccW分別為U,V,W相上橋臂控制電源輸入的+端,GNDu,GNDv,GNDw分別為對應(yīng)的一端;VinUVinVVinW分別為上橋臂U,V,W相控制信號輸入端,Vcc,GND為下橋臂公用控制電源輸入;VinXVinYVinZ分別為下橋臂XYZ相控制信號輸入端;VinDB為制動單元控制信號輸入端。
2.逆變電路IPM的選擇正常工作時,電網(wǎng)直流供電電壓U為440~660V,則經(jīng)過電容濾波后的直流電壓可由下式計算確定,式中:為安全系數(shù),一般取=1.1;1.1為波動系數(shù);Ed為電容濾波后的直流電壓。關(guān)斷時的峰值電壓按下式計算:式中:為關(guān)斷使得峰值電壓;為安全系數(shù),一般取=1.1;1.15為過電壓保護(hù)系數(shù);為電容濾波后的直流電壓;150為由引起的尖峰電壓。令I(lǐng)GBT模塊的電壓額定值滿足,并向上靠攏IGBT的電壓等級。
3.IPM的驅(qū)動隔離接口電路驅(qū)動隔離電路是IPM主電路和控制電路之間的接口。由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動電路,與IGBT驅(qū)動電路設(shè)計相比,外圍驅(qū)動電路的設(shè)計比較方便,只要能提供15V穩(wěn)定的驅(qū)動電源和開關(guān)控制信號,提供低電平控制相應(yīng)IGBT導(dǎo)通,高電平控制相應(yīng)IGBT關(guān)斷。根據(jù)6N137的特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際控制需要,本文設(shè)計的IPM快速驅(qū)動隔離控制。PWM信號先經(jīng)7407驅(qū)動后,再經(jīng)過電阻R2A接到光耦6N137的2腳;3腳接地;右邊的6腳是6N137的信號輸出腳,6腳經(jīng)R2C接到Q2A基極,再經(jīng)Q2B驅(qū)動后接到IPM的UP端。
4.6N137的7腳和IPM的外部保護(hù)電路相連。7407是為了增大驅(qū)動能力而設(shè)置的,可以防止電路引線太長所造成的驅(qū)動能力的下降。正常情況下,6N137的7腳為高電平。如果有外接的驅(qū)動脈沖信號加到光耦6N137的2腳端,當(dāng)2腳端的電位為高電平,由6N137的真值表知:6腳輸出為低電平,使Q2A關(guān)斷,Q2B導(dǎo)通,則加到IPM的UP端信號為低電平,經(jīng)IPM內(nèi)部驅(qū)動電路使IGBT導(dǎo)通。反之,當(dāng)2腳端的電位為低電平時,光耦輸出腳6為高電平,使Q2A截止,于是UP端為高電平,經(jīng)內(nèi)部驅(qū)動電路使IGBT關(guān)斷結(jié)論:礦井的工作條件惡劣,對電動機(jī)的防爆、防塵和防潮等特殊指標(biāo)有很嚴(yán)格的要求,顯然,直流電動機(jī)由于本身固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),是不利于這些要求的。相比之下交流調(diào)速有著很多優(yōu)點(diǎn)。.交流電動機(jī)比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便慣量小、效率高,如果把電機(jī)車改成交流拖動,顯然能夠帶來不少效益。
由于直流電動機(jī)具有電刷和換向器,因此必須經(jīng)常進(jìn)行檢查維修,換向火花也使它不太適合煤礦的瓦斯環(huán)境。交流電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時沒有直流電動機(jī)那樣的換向火花現(xiàn)象,因此更易實(shí)現(xiàn)防爆。交流調(diào)速系統(tǒng)可以有效節(jié)約能源。