礦用電機車是煤礦生產(chǎn)所需的一種主要的運輸裝置，目前主要采用直流電動機驅(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，同時由于交流電機和直流電機相比具有功率大、效率高、無電刷和換向器，維護成本小的優(yōu)點，因此用交流電動機取代直流電動機應(yīng)用在礦用電機車上，已成為礦用電機車發(fā)展的趨勢。
礦用變頻電機車系統(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；單片機控制電路以80C196MC單片機為控制核心，包括存儲器擴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)保護電路等等。單片機控制電路主要負(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，結(jié)合實際控制需要，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，直流電動機由于本身固有的結(jié)構(gòu)特點，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。.交流電動機比直流電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便慣量小、效率高，如果把電機車改成交流拖動，顯然能夠帶來不少效益。
由于直流電動機具有電刷和換向器，因此必須經(jīng)常進行檢查維修，換向火花也使它不太適合煤礦的瓦斯環(huán)境。交流電動機在運轉(zhuǎn)時沒有直流電動機那樣的換向火花現(xiàn)象，因此更易實現(xiàn)防爆。交流調(diào)速系統(tǒng)可以有效節(jié)約能源。
