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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(shí)由于交流電機(jī)和直流電機(jī)相比具有功率大、效率高、無(wú)電刷和換向器，維護(hù)成本小的優(yōu)點(diǎn)，因此用交流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)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(shì)。
礦用變頻電機(jī)車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì):
本文設(shè)計(jì)的整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)由主電路、單片機(jī)控制電路和反饋量檢測(cè)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(chǔ)器擴(kuò)展電路和一些外圍電路如：鍵盤(pán)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(jì)算、PWM波和控制信號(hào)的產(chǎn)生以及顯示和故障處理等等任務(wù)。
反饋量檢測(cè)電路主要由定子電流檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路組成，檢測(cè)值送單片機(jī)處理后主要用于矢量控制算法的計(jì)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(chǎng)控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)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(dòng)電路必須設(shè)計(jì)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(guò)電壓就會(huì)發(fā)生。同時(shí)地環(huán)路和雜散電容還會(huì)引起嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題。
IPM智能功率模塊結(jié)構(gòu)；IPM共有6個(gè)主回路端16個(gè)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(duì)應(yīng)的一端；VinUVinVVinW分別為上橋臂U，V，W相控制信號(hào)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(hào)輸入端；VinDB為制動(dòng)單元控制信號(hào)輸入端。
2.逆變電路IPM的選擇正常工作時(shí)，電網(wǎng)直流供電電壓U為440～660V，則經(jīng)過(guò)電容濾波后的直流電壓可由下式計(jì)算確定，式中:為安全系數(shù)，一般取=1.1；1.1為波動(dòng)系數(shù)；Ed為電容濾波后的直流電壓。關(guān)斷時(shí)的峰值電壓按下式計(jì)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(guò)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(jí)。
3.IPM的驅(qū)動(dòng)隔離接口電路驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供15V穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電源和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，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(jì)的IPM快速驅(qū)動(dòng)隔離控制。PWM信號(hào)先經(jīng)7407驅(qū)動(dòng)后，再經(jīng)過(guò)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(hào)輸出腳，6腳經(jīng)R2C接到Q2A基極，再經(jīng)Q2B驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力而設(shè)置的，可以防止電路引線太長(zhǎng)所造成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖信號(hào)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(hào)為低電平，經(jīng)IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路使IGBT導(dǎo)通。反之，當(dāng)2腳端的電位為低電平時(shí)，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(dòng)電路使IGBT關(guān)斷結(jié)論：礦井的工作條件惡劣，對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少效益。
由于直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有直流電動(dòng)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。
