电机车斩波控制研究

课 程 设 计 课程名称 电机控制 课题名称 电机车斩波控制研究 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气 学 号 20100101 姓 名 指导教师 谢卫才

2013年 5月 1日 摘 要 长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及直流斩波调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。基于IGBT的直流斩波控制实现直流电机的调速，与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点，应用也是十分广泛的。

现代的各行各业中，多数的机械都有调速的要求,直流电机调速系统具有良好的控制特性，得到了广泛的应用。20世纪80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不中之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，并且在深调速下谐波含量很大，电磁兼容装置能够减小谐波对其他敏感设备的影响，但其体积相对较大。随着现代电力电子技术的发展，以新型自关断电力电子器件为基础的现代直流传动系统可以较好地满足用户对系统提出的高技术要求，尤其在一些大功率、有特殊要求的使用环境，现代直流传动系统有更高的适应性。

国内外已经把直流斩波器广泛地应用在电力牵引机上，例如地铁、电力机车、城市无轨电车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动，无级调速以及再生制动，电能损耗可大为减少。电机车通常采用串激式直流电动机传动，这是由于串激式直流电动机具有起动转矩大、过载能力强、机械特性软、有空载车速行、重载慢行的自然特点，并适用于多机并联运行。

某些电机，处在经常频繁起动、变速、制动和停车的运行工作状态下。为了提高工作效率节省电能，可采用斩波器调速，实行再生制动，把部分能量回馈给电网，节约电能将是非常可观的。目前许多直流调速大都采用晶闸管（SCR）斩波器调速。SCR斩波器调速，可以做到平稳起动、无级调速、损耗小、效率高。但SCR斩波器属于强迫换流电路，有出现换流失败，即出现“失控”现象的可能，会给生产和人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（一般在150~300HZ左右），滤波器体积大，SCR的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。

将大功率晶体管（GTR）引入斩波调速系统，可大大改善斩波器的性能。GTR具有自关断能力，不需强迫换流电路，简化了主电路，体积也减小，它是一个电流控制元件，不存在换流失败问题；GTR工作频率（可高于1000HZ）供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，调速范围宽。但它受耐压和电流定额（目前可购到最大为400A、1200V的GTR元件）等应用范围受到限制，主要用在矿山井下及地面的运输设备上及蓄电池型电动车上。

门极可关断晶闸管（GTO）是一种可自行关断的大功率开关元器件，GTO耐压高，电流大，开关工作频率可达1000HZ，且电流变化率di/dt和电压变化率du/dt值也较高。不过GTO为了获得良好的开关特性，对其门电路驱动电流要求是很高的。

使GTO导通的门极正向驱动电流较小，与SCR类似；但使GTO关断的负向门极电流，其幅值、斜率，维持时间都有严格要求。配置不当，轻则增大关断损耗或影响工作频率，重则会损坏GTO元件，这是它应用范围受限制的主要方面。

新型高速大功率绝缘栅晶体管（IGBT）开关元件的问世和应用，使大功率变换器又上一个新的台阶。IGBT开关工作频率可超过音频（大于1000HZ）。耐压高，电流大，输入阻抗高（基本上是电压控制元件），导通压降低，它集功率场效应管（Power MOSFET）和大功率晶体管（GTR）的特点于一身，而且关断速度高于GTR，是目前较理想的功率开关元件。 1、斩波控制的工作原理及演变 直流斩波控制一直是一种把恒定直流电压变换成负载所需的可变直流的电源变换装置。它通过周期性地快速通、断直流电压，而把恒定的直流电压斩成一系列的脉冲电压，改变这一脉冲的宽度或频率就可以实现输出电压平均值的调节。即将固定输入的电源电压产生出经过斩波控制的可变负载电压，又称DC/DC变换。

1.1 降压斩波电路 降压斩波电路的原理图和工作波形如图1-1所示。电路使用一个全控器件V，为IGBT，为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。

图1-1 降压斩波电路的原理图和波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形 降压斩波电路工作原理:当t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压

ouE，负载电流oi按指数曲线上升;当t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管

VD续流，负载电压ou近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。

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iG至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1-1b所示。负载电压的平均值为

0onononoff

tEtUEEttT

 （1-1）

式中ont为V处于通态的时间；offt为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。 负载电流的平均值为 00MUEIR （1-2）

若负载中的L比较小时，在V关断后到了2t时刻，如图1-1所示，负载电流衰减至零，会出现负载电流断续的情况。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：

1) 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ont不变，称为PWM。 2) 保持开关导通时间ont不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 3) ont和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 其中方式1）应用最多。 1.2 升压斩波电路 升压斩波电路的原理图和工作波形如图1-2所示。 升压斩波电路工作原理：首先假设L和C值很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定1i，电容C向负载R供电，输出电压0u恒定。当V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 设V通态的时间为ont，此阶段L上积蓄的能量为ontEi1；设V断态的时间为offt，则此期间电感L释放能量为offtiEu10)( 电路处于稳态时，一个周期T中电感L积蓄能量与释放能量相等，即 101()onoffEituEit （1-3）

化简得 EtTEtttuoffoffoffon0 (1-4)

式中offtT为升压比；升压比的倒数记作β ，即offtT 则β和α的关系为 1 (1-5) 所以输出电压为 EEu1

11

0 (1-6)

a） uGE

io

t

t

b） 图1-2 升压斩波电路及波形 a) 电路图 b）波形 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之

后具有使电压泵升的作用，二是电容C可以将输出电压保持住。

通常降压斩波控制一般用于牵引工况。若通过转换开关改变斩波控制的电路结构可构成升压斩波控制（一般用于制动工况），通过调节导通比即可把牵引电动机制动电能回馈到固定的电网电源或对车载蓄电池充电。斩波控制控制方式一般采用电流电压（或速度）双闭环调节，可实现牵引、制动工况下的恒转矩调节（或速度控制）。牵引工况时恒流值（或速度值）跟随给定信号变化，横流调节过程中当导通比达到0.98时进入全电压自然机械特性运行。整个启动过程电流恒定，无加速冲击感，电机车牵引启动过程中运行稳定。制动工况一般为电阻横流制动，对蓄电池式电机车可实现部分能量回馈制动，回馈能量用于车载蓄电池充电。 斩波控制最初是弱电技术，用于调制式直流放大器中，以克服直流放大器的漂移。由于大功率电子技术的出现，斩波控制开始使用在蓄电池电机车，现已广泛地应用于直流传动工矿电机车，从60年代以来最早的晶闸管斩波控制及SCR半控器件强迫换流斩波控制，到80年代的GTO全控器件斩波控制，现已发展为IGBT复合功率器件斩波控制；随着新型电力电子器件的发展，斩波控制主电路的驱动电路已相当简化。可以说电力电子技术的发展给直流斩波控制电气传动技术带来了新的发展机遇。

2、直流斩波控制装置构成 工矿电机车IGBT直流斩波控制装置主由IGBT功率组建、直流接触器组、数字电子控制板、逻辑控制器、司机控制器及电流电压信号检测部分构成。 IGBT功率组件采用斩波型IGBT模块作为主功率元件，配备新型热管散热器，一个IGBT功率组件单独构成一个驱动单元。一个驱动单元既可以驱动一台牵引电动机，也可驱动二台牵引电机。IGBT驱动电路一般采用IGD515驱动模块或其他专用驱动模块，1500V电压等级斩波控制配置光纤传输线传输模块驱动信号，在高电压斩波控制装置中光纤信号传输几乎没有干扰，抗干扰能力最强。 直流接触器组件采用了国产CZ系列化直流接触器，用于电机车的前进、后退、方向转换及牵引制动的工况转换，由逻辑控制器控制直流接触器实现无载切换，避免了触头拉弧烧坏接触器。新型直流接触器线圈功率小、电压低，可直接有逻辑控制器驱动。对14t以下吨位工矿电机车可采用手动凸轮控制器实现上述功能。 控制板是装置的核心，有数字电路和模拟电路两种方式。模拟控制板控制调节功能；随着单片机技术发展，目前已广泛使用数字控制技术。数字控制板一般采用16位单片机80C196KC和PSD构成两片机系统。单片机其本身带有8路10位AD模拟信号接口，其外围I/O接口全部用光电耦合器进行隔离，即微机控制单元与外部+24V电源和主电路电源全部隔离，提高了外部抗干扰能力，使电气系统具有较好的电磁兼容性。数字控制板与外部连线方式均采用航空接插件，可靠性高，便于设备维护。 逻辑控制器控制单元有西门子、施耐德及金山公司的产品，逻辑控制器I/O接口点数较少，但驱动能力强，主要用于简单的逻辑控制。而PLC的I/O点数较多，但驱动能力弱，主要用于复杂的逻辑控制。他们主要取代控制继电器及辅助连锁出点，以实现无触点的软件控制模式。过去的电气控制采用有触电继电器控制，由于继电器为机械接触，故障率高、维修不便。改进后提高了系统的可靠行和加少了佘白维修工作量，若配置显示屏可实现在线显示电机车运行状态信息及故障自诊断信息。 司机控制器及电流电压信号检测部分主要给控制板提供给定和反馈信号，给定信号采用位置传感器，反馈信号来自霍尔电量传感器和速度编码器，主要是电机电流、电压及电机车速度信号，所有信号全部实现电气隔离。