无级调速电机车驱动电路设计及工作原理

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3、ief ： This article introduce the method of how to judge the trouble and analysis the data of driving circuit , give the plan of eliminating the trouble of thyristor driving circuit in stepless motor vehicle by Re-design the driving board of electrical .关键词:无级调速电机车 工作原理 驱动电路 设计Key Word ：Stepless Moto

4、r Vehicle Principle of working Driving Circuit Design1.前言可控硅无级调速电机车以其较高的可操作性、经济性和安全性正逐步广泛应用于隧道和地下巷道工程的运输作业。英国CLAYTON公司生产的CBL-16型可控硅无级调速电机车九十年代末进入中国市场，在使用过程中均出现了可控硅驱动电路频繁损坏的情况。为了能根治此类故障，本人重新设计制作了驱动电路与之匹配使用。经实践，使用效果良好。本文对可控硅无级调速电机车的设计和故障排除有一定借鉴作用。2.工作原理分析CLAYTON公司是一家专门生产电瓶牵引机车的跨国公司，其产品从1.75至40吨规格均有生产。

5、CBL-16型差不多技术参数见表一。为找到故障源必须系统的分析电机工作驱动操纵原理，下面分不对主电路、操纵电路的工作原理进行讲明。项 目参数值重量机车重量（包括驾驶者、沙、不含电瓶）12100kg电瓶和电瓶箱重量3900kg机车工作重量16000kg运行数据额定牵引力20400牛顿额定速率11.1km/h最大牵引力（附着系数为0.25）40000牛顿最高运行速率37km/h电瓶型号奥克地尔D8型单只电瓶容量104A.h数量100只正常放电时刻6小时牵引电机型号M4直流电机规格50HP 200V表一 CBL-16型电机车参数表FORM 1. Parameters of CBL-16 Motor

6、Vehicle2.1主电路（图1）：整机有两台M4直流电机提供动力，每台电机均有一套独立的操纵电路。当电机启动时，踏下脚踏开关DM使制动阀BAV动作而松开刹车，同时方向继电器DSR通电动作，合上DSR/14四个开关使1号电机和2号电机的操纵电路同时通电工作。为保证安全，在低压限位阀LAP的作用下，启动前若刹车气压在4.1bar以下则不能启动。DS操纵着电机车行进的前后方向。2.2操纵电路（图2）：按要紧作用大致可分为谐振直流开关电路、速度操纵电路和可控硅驱动电路等三部分。2.2.1谐振直流开关如图2中虚线所示部分。T1为主可控硅，T2为换向可控硅。直流电机是与此开关电路串联后，再与电瓶串联从而

7、形成一个工作回路。R2为10M的放电电阻，能够使电容C在停机时缓慢放电。 a.开关闭合：驱动电路板中输出U34方波脉冲触发T2，则电容C按图示极性充电，主电容电压UC等于电瓶电压Ea时，IC=0。T2因IC小于其导通维持电流Ih2而关断。接着，T1被高电平U12触发而导通，负载电流IZ经负载流过TI到电瓶负极。同时被充电的电容C通过T1经谐振回路L-D1-C放电，至UC=0，又通过同样的谐振回路反向充电，至UC=Ea时止。这确实是导通状态（开关闭合），直流电机通电工作。 Figure 1. the main circuit Figure 2. control circuitb.开关断开：待第二

8、次触发脉冲U34送来，T2导通，UC反向加于T1强迫其关断。尔后，电容C经T2，电源Ea，电机（电枢和磁场线圈）放电至UC=0后，又正向充电，至ICIh2时（Ih2为可控硅T2导通最小维持电流），T2关断。这便是开关断开状态，现在直流电机不工作。同时在电容C上充电至UC=Ea，为下次开关的关断作好预备。在上述工作过程下，随着高电平U12和U34周期性地送出， T1和T2也随着周期性地开通和关断，达到了操纵直流电机转速的目的。2.2.2速度操纵电路:相当于方波发生器，其要紧功能是在负反馈回路下产生通过调制放大的方波信号。它能够通过变频或改变方波信号的占空比来达到调速的目的。CBL-16型电机车是

9、通过调整调速变阻器W的阻值来改变输出方波信号的占空比。方波信号占空比的变化通过驱动电路而使可控硅T1、T2的导通比发生变化，使电机的转速也随之发生变化。它将产生的方波信号通过5号线传入驱动电路板。2.2.3 驱动电路:其要紧将从速度操纵器5号线传入的方波信号U59改制成一组反相信号，通过放大后通过1、2端和3、4端输出U12和U34分不触发主可控硅T1和换向可控硅T2。U59和U12、U34 之间的关系如图3所示。另外，驱动电路还应有过流爱护的功能，当主回路上电流IZ过大时，连在过流感应器上的9号线电压升高从而使U59降低，当U59接近零时，1、2和3、4端便没有触发信号了，现在主回路关断。F

10、igure 3. trigger pulse waveform comparison3.故障现象分析故障现象：故障电机车启动时，踏下DM脚踏开关，方向继电器DSR动作。推动调整手柄。两只电机工作指示灯均亮。同时操纵箱里的直流接触器CF或CR合上（依照行进方向），机车开始移动。但若再接着推动调速手柄加速，直流接触器跳闸，1号电机指示灯灭，只有2号电机在运转。重复上述过程亦是如此。通过故障现象分析，能够认为电机没有问题。问题大致可能出在直流谐振开关电路、速度操纵电路或驱动电路上。因为现象明显是主回路过流后引起的主可控硅关断。将1、2号电机的速度操纵电路板互换，故障依旧。同样再互换驱动电路板，这时1

11、号电机正常了，但2号电机出了现了上述故障，能够初步判定故障出在驱动电路上。用示波器测试图2中5、9脚间的波形正常，为2伏左右的方波，而故障驱动电路板中的U34却无波形输出。这便导致了换向可控硅T2无法导通从而使主可控硅T1导通后不能有效关断，造成了主回路过流，直流接触器爱护性跳闸关机。4.解决方案4.1差不多要求：由于原装驱动电路板价格昂贵，且专门难获得，只能考虑修复或自制。原件线路板全部用黑色硅胶封死，只能看到所引出的几根操纵线，修复难度专门大。为了从全然上解决问题，我们决定自制一个驱动线路板。此线路板达到以下三点要求即可：a. 输出一组U12、U34反相方波，同时U12与U59同相，并随U

12、59变化而变化。b. 输出的方波脉冲U12和 U34要有足够的功率来驱动可控硅T1和T2。c. 要通过过流感应器上U19的变化来操纵U59的脉冲方波输入，达到过流爱护作用。4.2 设计讲明及电路分析：通过多次试验和改进，我们参照其工作原理设计了如图4的驱动电路，元器件均采纳常见国产件。单个制作成本也不高，不到二百元。电路分上下相互独立的两部分组成，分不从图4的1、2间和3、4间输出U12和U34方波脉冲。为了保证U12和U34反相，在电路的上部分多加了三极管TR1作为反相器。其余部分差不多相同。5、9为信号输入线，1、2和3、4为两组触发脉冲的输出端。C1、C2为滤波电容组，其中C1为电解电容

13、。6号线为+10V的电源正级，1、3接地。整个电路用了五只NPN三极管和两只PNP三极管，型号已在图4中标明。为了分析方便，我们能够将图4中的三极管均作为开关管来理解。先来看驱动电路图的下半部分，当5端为高电平常（即U59为高电平），TR5导通，使A点相当于通过二极管D3及TR5接地，从而使B点为低电平，TR7是关断状态。同时，由于C点的电压由高降低而使TR6导通，从而通过R19输出了高电平至2端，U12为高电平。同理，当5端为低电平常，TR5和TR6关断，TR7导通，使2线和1线相通，U12输出为低电平。 上半部分与此工作原理相似，仅多了TR1反相器而已。当5端输入为高电平常，TR1导通使信

14、号到E点时为低电平，因而TR2 、TR3关断，TR4 因D点的高电平而导通，从而使3、4线相通，U34输出低电平。同理，当5端输入为低电平常，U34输出为高电平。过流爱护的功能：当主回路上电流IZ过大时，连在过流感应器上的9号线电压升高从而使U59降低，当U59接近零时，实际上等于5端输入的低电平，现在U12为低电平、U34为高电平，从而使主可控硅T1在下个工作周期无法导通、而换向可控硅T2导通迫使主可控硅T1立即关断。 Figure 4. drive circuit在示波器上调试好波形后试机，电机车工作良好。达到了正常运行的要求。5 几点体会5.1 为保证电机车稳定地工作，可控硅调速信号线部分均要加上屏蔽线，以防其受干扰误动作。5.2 主可控硅 T1的导通时刻不能过长，否则电容C会因漏电阻而放电使T1不能可靠关断。这就要求在设计U59波形时，占空比不能过大。5.3 主可控硅T1在关断瞬间会在直流电机两端产生约500伏特尖峰电压，对直流电机的性能提出较高的要求。5.4 由于受到谐振开关回路的限制，可控硅T1 、T2的导通频率不