创新研修课之子电路的可靠性设计论文

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混合式直流接触器控制电路 研究工作报告
目
1 概述 1.1 研究目的及意义 1.2 研究现状 2 主要内容 3 控制电路设计 3.1 总体设计图 3.2 电源模块 3.3 控制电路模块 3.4 驱动保护模块 4 控制电路模块分析
录
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4.1 混合式直流接触器控制电路总体电路图 4.2 混合式直流接触器控制电路分段电路图 5 心得体会
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一、
1、研究目的及意义
概述
铁路是国家的重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具。加快铁路 发展，对促进经济发展，实现小康社会的目标具有重要意义和作用。经过不断的 努力，我国铁路事业取得了重大的进步，但是目前铁路运输能力与运输需求的矛 盾依旧十分突出，运输能力不足成为经济社会进一步发展的重大制约因素。铁路 不断提速，对于扩大铁路运输能力，缓解铁路运输瓶颈制约具有重要意义。提速 需要安全可靠、 高质量的机车车辆， 这些都依靠其组成零部件的质量保证来实现。 直流电磁式接触器是铁路机车与车辆供电系统中广泛应用的电器元件， 其可 靠性及寿命直接影响整个车辆系统的可靠性和安全性。 直流接触器在接通或分断 大功率负载时，会出现触点的抖动、振动、电弧、烧蚀等现象，造成触点接触电 阻异常、触点粘接等故障，导致开关动态特性差、电寿命短等缺陷。机械触点在 开断过程中电弧磨损不可避免，且功率越大电磨损越严重，是造成直流电磁式接 触器可靠性差、寿命短的关键因素。 现在，机车电力系统在功率等级和转换效率上大幅度的提高，传统电磁开关 电器可靠性是最薄弱的环节，越来越不适应系统整体发展。直流混合式接触器集 电磁电器和电子开关两者的优点，在机械触头通断瞬间，由数字/模拟控制电路 触发电子开关器件（三极管、晶闸管、MOSFET 及 IGBT 等）承担负荷，稳态时由 机械触头承载工作电流。其解决了电弧烧蚀等问题，延长了接触器电寿命，因此 直流混合式接触器可大幅度提高机车电力系统的可靠性和安全性。其主要优点 是：(1)无弧长寿命；(2)高可靠性；(3)绿色环保；(4)防爆。
2、研究现状
国内外已有交流混合开关电器产品问世， 混合式开关电器研究大多集中在混 合断路器、混合限流器等电器行业，但铁路机车用混合式直流接触器的研究工作 甚少，而且没有成型产品问世，其控制技术尚处于起步阶段，因此铁路机车用无 弧直流接触器的研究为新型长寿命电器的产品化奠定了基础， 能更好的推

进铁路 行业快速发展。混合式接触器具有无弧等优点，可以应用在电力系统、煤矿等一 些特殊的场合，提高其安全性能。
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二、 主要内容
（1）了解电子电路机器可靠性设计课程基本内容； （2）了解混合式直流接触器控制电路的工作原理、电路结构； （3）对混合式直流接触器控制电路进行仿真； （4）对照控制电路电路图进行电路板焊接； （5）对电路板进行调试
三、 控制电路设计
3.1、 3.1、 总体设计图
图 1：控制电路总体设计图
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3.2、 3.2、电源模块
图 2：控制电路电源模块电路图
J1：电源输入端 D2、D5：普通二极管，4007 R1：功率电阻，680Ω C1：大功率电容，160V100μF D3、D4：稳压二极管，D3 是 24V，D4 是 15V JP1、JP3：电源模块，JP1 是 24VDC-DC 模块，JP3 是 15VDC-DC 模块
3.3 、控制电路模块
详见控制电路模块分析
3.4 、驱动保护模块
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图 3：驱动电路模块电路图
U4：光藕隔离模块，TLP521\520\250 J3： 200V180A 的 MOSFET 器件， IXFN180N20(或 3 个 IXFH80N20 并联)。 其中， 1 引脚接 MOS 管栅极，2 引脚接 MOS 管源极；或者是 600V600A 的 IGBT 器件，2 个 CM600HU-12H 并联。其中，1 引脚接 TGBT 栅极，2 引脚接 IGBT 集电极 电阻均为普通电阻： R2=56K， R3=2.2K， R4=220， R5=220， R6=2.2K， R7=2.2K， R8=5.1K，R9=10，R17=100，R18=220 电容均为普通电容：C12=100P，C14=22n，C15=100n 三极管：Q1、Q2、Q7、Q8 是 NPN 型三极管 2383，Q3 是 PNP 型三极管 1013 D6，D11：普通二极管，4007 D21：稳压管，15V 保护时间调节参数： MOSFET：C13-200P 普通电容，D18-15V 稳压管，D19-10V 稳压管，D1-快恢 复稳压管（顺便稳压管 FR157）6 个 IGBT：C13-4.7nF 普通电容，D18-13V 稳压管，D19-8.2V 稳压管，D1-快恢 复稳压管（顺便稳压管 FR157）2 个
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四、控制电路模块分析
4.1、 4.1、混合式直流接触器控制电路总体电路图
图 4：控制电路总体电路图
4.2、 4.2、混合式直流接触器控制电路分段分析
接触器脉冲输入部分电路图如下：
图 5：接触器脉冲输入部分
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V1——接触器通断部分输入。接触器导通时输入 100V 直流电压；接触器断 开时电压为零。所以用 100V 脉冲电压源代替。输出电压高电平为 100V，低电压 为 0V，高电压时间为 500ms，周期为 1s。 1. 接触器导通时，V1 输出 100V 直流电压，上升沿。 支路 1：电流通过 D7，R8，D10，D11，R17 接地，D12 将 INPUT 电压钳位在 15V； 支路 2：刚导通时，Q4 导通，电流经过 D7，R6，Q4，D11，R17 接地，当 C6 充电结束时，Q4 截止，支路 2 断开。 支路 2 的组要作用是在接触器导通，输入出现上升沿时，增大 INPUT 输出电 流。 2.

接触器断开，V1 输出电压为 0，下降沿。 INPUT 输出为 0；Q3 导通，C1 通过 Q3，R4 放电。 脉冲转换输出部分电路图如下：
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图 6：接触器脉冲输出部分
7812——三端变压器，将 INPUT 的 15V 电压转换为 12V； 4001——或非门；C1——滤波； C8——在上升沿来到阶段带电；C5——充电电容，为 4001 上电。 INPUT 输入波形： OUTPUT 输出波形： a b c d e f g
图 7：接触器脉冲输入输出波形
1.接触器导通：INPUT 输入 15V 电压，NEXTPUT 输出 12V 电压，上升沿 a b 段： Q2 截止，C4 充电中，4001A 输入为 1、0，输出为 0； Q1 截止，C5 充电中，4001B 输入为 0、1，输出为 0； C7 充电中，4001C 输入为 0、0，输出为 1； C8 原本带电，Q5 截止，4001D 输入为 1、0，输出为 0； OUTPUT 输出为 0 b c 段： R3 电阻较小（47k） ，C3 充电首先结束，4001B 输入变为 0、0，输出为 1； C7 充电结束，4001C 输入变为 1、1，输出为 0； 同时 Q5 导通，C8 通过 Q5 放电； 4001D 输入变为 0、1，输出为 0； OUTPUT 输出为 1 c d 段： R2 电阻较大（270k） ，C4 充电较晚结束，4001A 输入变为 0、0，输出为 1； 4001B 输入变为 1、0，输出为 0； 其他不变； OUTPUT 输出为 0 2.接触器断开，INPUT 输入 0，NEXTPUT 输出 0，下降沿
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d e 段： Q2 导通，C4 通过 Q2 放电（快） ，4001A 输入 0、0，输出 1； Q1 导通，C3 通过 Q1 放电（快） ，4001B 输入 1、0，输出 0； C7 通过 R13 放电（慢） ，4001C 输入输出不变（0） ； Q5 截止，4001D 输入输出不变（0） ； OUTPUT 输出为 0 e f 段： 4001A、4001B 不变（1，0） C7 放电结束，4001C 输入 0、0，输出 1，并对 C8 充电（所以在 a b 段时 C8 为带电状态） ； 4001D 输入 0、0，输出为 1； OUTPUT 输出为 1 f g 段： C8 充电结束，4001D 输入 1、0，输出为 0； 其他不变； OUTPUT 输出为 0
五、心得体会
基本完成了对混合式直流接触器控制电路的实践设计与制作工作， 通过实践 对电子电路及其可靠性设计有了一定的了解。 通过这次创新研修课的学习， 我了解了很多有关于各种电子电路的可靠性设 计，同时，也了解了可靠性设计在工业、农业、军事等方面的应用，使我明白可 靠性设计在生产生活中的重要作用。 混合式直流接触器设计不但使我对可靠性设计有了更深刻的了解， 也让我再 其他方面受益良多。首先是接触了并尝试了 protel 软件，了解了 protel 软件的 基本操作以及与其他仿真软件的不同之处。其次，连接了印制电路板的制作过程 并且亲手实践了元器件的焊接过程，通过这一过程让我锻炼了双手的灵活性、手 脑的配合性等。最后，在电路板的调试过程中虽然存在许多问题，但却是让人最 有收

获的。不但进一步加深了对仿真电路图与真实电路之间的逻辑关系的理解， 而且让我对示波器等仪器的操作有了更进一步的理解。 在这短短两三个月的时间里， 老师以及各位师兄不仅在专业方面给了我很大 的帮助，也在我今后的学习生活中指明了方向。我会在今后的学习生活中更加努 力，争取更大的成绩。
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