矿用电机车直流斩波调速控制器研究-电力电子与电力传动专业论文.docx

- - III - 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 课题研究的目的（背景）及意义 1 1.2 国内外发展状况 2 1.3 电力电子开关器件的发展 4 1.4 煤矿安全标准 5 1.5 论文主要研究工作 8 2 矿用电机车直流斩波调速控制器原理 10 2.1 串励电机调速方式 10 2.2 斩波调速原理 11 2.3 斩波器件选择 13 2.4 直流斩波技术优点 16 2.5 整流电源供电对直流电动机的影响 17 3 矿用电机车直流斩波调速控制器硬件电路设计 19 3.1 矿用电机车直流斩波调速控制器主电路设计 19 3.2 矿用电机车直流斩波调速控制器控制电路设计 20 3.2.1 ATmega16 最小系统设计 21 3.2.2 通讯电路设计 24 3.2.3 调速电路设计 25 3.2.4 TKC500BS/BR 电流检测电路设计 26 3.2.5 VSM025A 电压检测电路设计 28 3.2.6 M57962L 驱动电路及保护电路设计 28 3.2.7 电源电路设计 30 3.2.8 指示报警电路设计 34 3.2.9 互锁电路设计 34 3.3 硬件抗干扰措施 34 - - IV - 4 矿用电机车直流斩波调速控制器软件设计 36 4.1 主程序设计 36 4.2 软启动子程序设计 37 4.3 A/D 采样子程序设计 38 4.4 串口发送子程序设计 39 4.5 数字滤波子程序设计 40 4.6 软件抗干扰措施 42 5 实验 44 5.1 波形测试实验 44 5.2 蓄电池测试实验 44 5.3 现场安装测试实验 46 5.4 电机测试实验 47 5.5 轨道运行测试实验 47 5.6 矿用电机车调速性能测试实验 50 结 论 51 参 考 文 献 52 附录 A 电路原理图 55 作 者 简 历 56 学位论文原创性声明 57 学位论文数据集 58 - - PAGE 10 - 1 绪论 1.1 课题研究的目的（背景）及意义 目前，我国经济正处于稳定的增长期，在经济增长的比例中，矿产资源的地位名列前 茅。矿用电力机车则是矿山经济效益最显著、交通运输能力最大的有轨运输工具之一，在 矿山运输之中占有绝对的优势地位，但是我国矿用电机车调速方式基本都是采用串电阻的 方法，这种方法虽然调速以及维护简单，但是要消耗大量的能量在电阻上。在世界能源费 用暴涨、能源及其紧张的环境之下，我们应该清楚的认识到，我们国家是一个能源短缺的 人口大国，进一步改进矿用电机车调速方式势在必行，对我国国民经济的可持续发展道路 具有重大意义。 图 1.1 蓄电 池式矿 用电 机车 Fig. 1.1 Mine electric locomotive of battery 在矿产行业蓬勃发展的今日，轨道运输长久以来都是矿山最主要的运输形式，在有轨 运输工具中，矿用电机车的运载能力强、安全程度高、效率高等一系列特点给矿山经济效 益的腾飞带来了显著影响，是被外界公认的占有绝对优势的运输工具之一[6]。在1882 年， 德国的 Siemens 公司研制出全世界第一台矿用架线式电机车，其功率是 4.5kw 。我国从 30 年代以来，开始在欧美等国引入了有轨运输的方式，首先引入的便是串电阻调速方式，这 种调速方式的优点是维修、操作都相对比较简单且容易上手，而且对环境的适应能力也比 较强，可以在恶劣的区域工作[7]。其缺点是调速过程十分不平滑，对电力机车的转轴齿轮 与直流电机有较强的机械冲击，并且它有大量的电能消耗在电阻上，进行发热，浪费了宝 贵的资源。但是随着我国科技能力的增强，电力电子器件的发展和直流调速原理的不断更 新，逐渐将直流斩波调速技术推向了市场，走向了实用阶段[8]。90 年代初，我国采用控制 PWM 波的方法，研发成功了电力机车直流斩波调速控制装置，使用 IGBT 功率模块作为其 开关器件。与串电阻的调速方式比较，电机车直流斩波调速控制器节能效率达到 40% 以上， 不仅在输出转矩方面得到大幅度的提高，上坡能力增加。而且在调速特性方面也十分平滑。 同时，我们在城市轨道电力牵引领域研制并完善控制器也具有重要的现实意义： (1) 在城市轨道交通运输领域直流斩波调速控制技术并不落后。上世纪的九十年代初， 在城市轨道交通运输设计中，很多发达国家采用的主要是直流斩波调速控制技术，随后的 一段时间交流电机调速控制技术才开始广泛的使用起来。国内，1993 年上海地铁一号线成 功投入使用，其核心控制系统就是采用直流斩波控制技术，1995 年香港地铁对其全部运行 列车进行了大改造，同样是采用了直流斩波调速控制技术，1999