CN102307035B - 矿用新型磷酸铁锂直流串励斩波调速电机车管控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种矿用新型磷酸铁锂直流串励斩波调速电机车管控系统，该系统包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、直流串励电机车斩波调速控制装置和充电机。直流串励电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、温控开关、霍尔电流传感器、绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、电机电枢绕组、电机励磁绕组及两条通路。该系统具有控制精度高，设备使用寿命长的优势。
Description
技术领域
本发明涉及矿用电机车控制系统。
背景技术
矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具，并且在煤矿中使用的数量越来越多，由于煤矿井下的工作环境十分恶劣，对电机车的电气驱动系统要求很高。目前应用的电机车仍存在串电阻调速的方式，采用这种方式时会有较多的能量转换成电阻热量消耗掉，能量利用率不高，而且动力电池均采用铅酸电池，铅酸电池的循环寿命差，体积大重量沉，铅和硫酸都会污染环境，充电周期长，并且成本在逐年增加，当电动机工作在制动状态下，不能将电动机本身所具有的机械能转化为动力电池的电能，浪费了一部分能源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流串励斩波调速电机车管控系统，具有控制精度高，设备使用寿命长的优势。
本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
直流串励斩波调速电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、直流串励电机车斩波调速控制装置和充电机；
直流串励电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、温控开关、霍尔电流传感器、绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、电机电枢绕组、电机励磁绕组及两条通路；光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，第一直流接触器的线圈、第二直流接触器的线圈、第三直流接触器的线圈、第四直流接触器的线圈分别与斩波控制器连接；第四直流接触器的常闭触点连接在两条通路之间，绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极分别与两条通路连接，栅极与斩波控制器连接；第一直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第二直流接触器的常开触点和常闭触点串联，常开触点和常闭触点的公共端连接电机电枢绕组，两个常闭触点并接后连接两个串联的电机励磁绕组，之后连接绝缘栅双极型晶体管的集电极；两个串联的电机励磁绕组的公共点连接第三直流接触器的常开触电后连接第二通路；霍尔电流传感器一端套在电机励磁绕组与绝缘栅双极型晶体管的集电极之间的导线上，另一端与斩波处理器连接；充电电容一端接在绝缘栅双极型晶体管的集电极上，充电电容另一端接地；第四直流接触器的常开触点和第五直流接触器的常开触点连接在第一通路上；第五直流接触器的线圈接在两条通路之间。
进一步，所述电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器的线圈与电池管理处理器连接；磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。
本发明的有益效果：
直流电机采用串励方式连接，电机电枢绕组、电机励磁绕组串联在一起的，起动特性软，力矩大。第一直流接触器和第二直流接触器用于改变电机电枢绕组中电流的方向，从而改变电机的正反转，电机车全速行驶时，第三直流接触器可将励磁绕组C2和绝缘栅双极型晶体管短路，从而减少绝缘栅双极型晶体管的热消耗，提高其使用寿命。
直流串励电机的电磁制动功能，在下坡运动时，电机车工作在制动状态，直流串励电动机变为直流发电机，重力势能转换成的电能被回充到磷酸铁锂电池组中。
电池管理处理器，检测到电池的电压过高、电压过低、温度过高、电流超载时，电池管理系统处理器都将自动断开熄弧接触器，保护电池组。
附图说明
图1是直流串励电机车斩波调速控制装置的电路图。
图2是电池组管理装置的电路图。
图3是一条磷酸铁锂电池串联支路的电路图。
具体实施方式
下面结合图1至图3对本发明进行详细说明：
直流串励斩波调速电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、直流串励电机车斩波调速控制装置和充电机。
直流串励电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、温控开关1、霍尔电流传感器2、绝缘栅双极型晶体管3、充电电容4、五个直流接触器KM1、KM2、KM3、KMV、KMP、电机电枢绕组S1、电机励磁绕组C1、C2及两条通路5、6。光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，第一直流接触器KM1的线圈、第二直流接触器KM2的线圈、第三直流接触器KM3的线圈、第四直流接触器KMV的线圈分别与斩波控制器连接，第四直流接触器KMV的常闭触点连接在两条通路5、6之间，绝缘栅双极型晶体管3的集电极和发射极分别与两条通路5、6连接，栅极与斩波控制器连接。第一直流接触器KM1的常开触点和常闭触点串联，第二直流接触器KM2的常开触点和常闭触点串联，常开触点和常闭触点的公共端连接电机电枢绕组S1，两个常闭触点并接后连接两个串联的电机励磁绕组C1、C2，之后连接绝缘栅双极型晶体管3的集电极。两个串联的电机励磁绕组C1、C2的公共点连接第三直流接触器KM3的常开触电后连接第二通路6；霍尔电流传感器2一端接在电机励磁绕组C2与绝缘栅双极型晶体管3的集电极之间，另一端与斩波处理器连接。充电电容4接在绝缘栅双极型晶体管3的集电极上，第四直流接触器KMV的常开触点和第五直流接触器KMP的常开触点连接在第一通路5上，第五直流接触器KMP的线圈接在两条通路5、6之间。
电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器KM、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器KM的线圈与电池管理处理器连接。磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器KM的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线7串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管8，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。
本发明的直流斩波调速的电机车不再采用电阻箱来切换电机励磁绕组上串接的电阻值，而是通过绝缘栅双极型晶体管的斩控来实现调压调速，绝缘栅双极型晶体管在驱动PWM信号的作用下，不停地通断，绝缘栅双极型晶体管导通时间越长对电机施加的有效电压越高，电机车行驶的速度越快，反之，电机车行驶的速度越慢。
直流串励电机车斩波调速控制装置的主要特点：
1）直流电机采用串励方式连接，电枢绕组S1励磁绕组C1C2都是串联在一起的，起动特性软，力矩大。接触器KM1与KM2用于改变电枢绕组中电流的方向，从而改变电机的正反转，电机车全速行驶时，接触器KM3可将励磁绕组C2和绝缘栅双极型晶体管短路，从而减少绝缘栅双极型晶体管的热消耗，并提高其使用寿命。
不同阶段下，各器件的状态为：
电机车向前行驶加速阶段：KMP KMV KM1吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管斩波控制。
电机车向前行驶全速阶段：KMP KMV KM1KM3吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管停止工作。
电机车向后行驶加速阶段：KMP KMV KM2吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管斩波控制。
电机车向后行驶全速阶段：KMP KMV KM2KM3吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管停止工作。
2）用最简单的结构，实现了直流串励电机的电磁制动功能，在下坡运动时，电机车工作在制动状态，直流串励电动机变为直流发电机，重力势能转换成的电能被回充到磷酸铁锂电池组中。不同阶段下，各器件的状态为：
电机车向前制动阶段：KMP KM2吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管斩波控制。
电机车向后制动阶段：KMP KM1吸合，其余接触器断开，绝缘栅双极型晶体管斩波控制。
斩波控制升高电压后，经继流二极管、缓冲电容、KMP接触器触点、瓦斯断电仪、隔爆插销后，给磷酸铁锂电池组充电，从而延长了动力电池组的使用时间。
3）接触器KMP KMV KM1或KM2先吸合后，再由绝缘栅双极型晶体管逐渐增大电机两端的电压，因此接触器KMP KMV KM1KM2均为无弧通断，无触头损耗，使用寿命加长。接触器KM3在吸合的瞬间会产生火弧，因此要求KM3为密封型熄弧接触器。接触器KMP可防止外部电池组反接，反接时斩波控制箱内无电压，同时也为回馈电路提供通路。
4）采用模块化结构设计，隔爆插销可以和动力电源直接相连，霍尔电流传感器和光电给定器线性度高，稳定性好，采用闭环控制系统，当霍尔电流传感器检测到电机过流或温控开关过热动作后，斩波控制器都将封锁绝缘栅双极型晶体管斩波输出，从而保护了电机和绝缘栅双极型晶体管，减少了电器设备的故障率。在煤矿瓦斯浓度高的环境中，系统能自动断电，防止爆炸发生，符合煤矿安全规程要求。
5）光电给定器输出0至4V模拟电压信号，在电机车司机向右转动操作把柄时，带动行驶开关闭合，根据操作把柄的摆角，光电给定器输出对应的模拟电压，在电机车司机向左转动操作把柄时，带动制动开关闭合，根据操作把柄的摆角，光电给定器输出对应的模拟电压。斩波控制器再根据光电给定器给定的电压，来调节绝缘栅双极型晶体管驱动PWM信号的占空比，司机操作把柄摆角越大，给定的模拟电压越高，PWM信号的占空比越高，电机车速度越快。
6）具备完整的时序逻辑保护，非正常操作，如电机车行驶过程中改变电机转向，都由斩波控制器予以禁止响应。
电池组管理装置的主要特点：
1）磷酸铁锂电池在串并联组合过程中，若先m节并联，再将并联后的n组串联，尽管可以简化电池管理系统的结构，降低其成本，但是很难实现对单体电池电流的检测调节，1节电池故障，则该组剩余m-1节单体电池充放电电流与其余n-1组中的单体电池充放电电流不再相等，长时积累会造成整个电池组性能的恶化，因此采用了先串联n节电池，然后并联m个支路的组合方式，按照磷酸铁锂单体电池的电压为3.2V，煤矿限定单体最大容量为100Ah，则串并联后电池组的电压为3.2*n，最大容量为100*m Ah。
2）每节磷酸铁锂电池配备1个电池控制板，每个电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路以及性能均衡电路，所有的嵌入式电池控制板通过4芯CAN总线，连接至电池管理系统处理器，在每条串联的支路上还有1个霍尔电流传感器，也连接至电池管理系统处理器，当检测到电池的电压过高、电压过低、温度过高、电流超载时，电池管理系统处理器都将自动断开熄弧接触器KM。
3）嵌入式电池控制板具有电压均衡与电流均衡功能，任一节电池两端均有2个包含CMOS管的通路，且电压均衡是一直不间断的进行调节，因单体电池压降为3.2V，均衡电流小于1A，故采用低成本、压控型的CMOS管充当电子开关，分别由嵌入式电池控制板产生的控制信号Qv1Qv2Qv3Qv4……Qv(2n-1)Qv(2n)来控制这些电子开关，进行电压均衡调节。为防止不同支路上电池放电电流不同，且放电电流可达上百安培，所以在每条支路上串接了1个绝缘栅双极型晶体管，尽管绝缘栅双极型晶体管的价格稍高，但是在一个串并联电池组中并联支路的数量一般不会超过6个，相比较磷酸铁锂的价格，电池管理系统的成本很低。
在电机车工作期间，控制Qv1Qv2Qv3Qv4……Qv(2n-1)Qv(2n)信号，使所有电压均衡CMOS开关断开，保证了电池放电的持续无干扰，而在电机车闲置时间段，电压能量转移受嵌入式电池控制板控制，各个嵌入式电池控制板之间，通过4芯CAN总线，受电池管理系统处理器控制。电压能量的转移只能在相邻的两节电池间进行，即第r节电池若向第t节电池转移能量需要转移r-t次，只要相邻两节电池电压均衡，则整个电池组中任意两节电池电压也是均衡的。
在图3中，以n#电池向1#电池为例，说明能量转移的过程：
①Qv4Qv(2n)有效，n#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。
②Qv(2n)无效，Qv3有效，电感产生感应电动势对2#电池充电，储存的能量转移至电池。
③Qv2Qv(2n-1)有效，2#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。
④Qv(2n-1)无效，Qv1有效，电感产生感应电动势对1#电池充电，储存的能量转移至电池。
支路电流调节受电池管理系统处理器控制，带载的情况下，支路电流的大小是通过闭环控制系统自动进行调节的，通过霍尔电流传感器检测支路上的电流进行信号反馈，当电流偏大时，由电池管理系统处理器产生低占空比的QIm电流均衡信号，降低该支路上的电流；反之，当电流偏小时，产生高占空比的电流均衡信号。在电池过热或者故障时，则断开响应支路，并在显示器上显示报警信息，提醒及时更换或维修电池。
4）为了减小电机车在闲置时外部电路持续的电路消耗，进一步提高电池的使用时间，系统中增加了1个电源开关，只有当电源开关闭合后，才能通过隔爆插销输出/输入电压。
5）若隔爆插销连接至斩波控制箱，则磷酸铁锂电池组处于供电状态，储存的电能转变为电机车的动能；若隔爆插销连接至充电机，则磷酸铁锂电池组处于充电状态，充电开始采用恒流充电，防止低压时的大电流，在充电的后期采用恒压充电，防止充电电池电压过高，这样外部的电能就转变为电池中的电能。
6）显示器采用TFT液晶显示器，循环显示每节电池的电压和温度，电池组的总电压和平均温度，每条支路的充放电电流，以及电池组的总充放电电流，若有故障电池，则显示故障电池编号，提醒更换，若有电压过高、温度过高、电流超载报警，则显示相应的报警信息，方便处理，若有电压过低，则显示相应的报警信息，提醒及时充电。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.直流串励斩波调速电机车管控系统，其特征在于：包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、直流串励电机车斩波调速控制装置和充电机；
直流串励电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、温控开关、霍尔电流传感器、绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、电机电枢绕组、电机励磁绕组及两条通路；光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，第一直流接触器的线圈、第二直流接触器的线圈、第三直流接触器的线圈、第四直流接触器的线圈分别与斩波控制器连接；第四直流接触器的常闭触点连接在两条通路之间，绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极分别与两条通路连接，栅极与斩波控制器连接；第一直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第二直流接触器的常开触点和常闭触点串联，常开触点和常闭触点的公共端连接电机电枢绕组，两个常闭触点并接后连接两个串联的电机励磁绕组，之后连接绝缘栅双极型晶体管的集电极；两个串联的电机励磁绕组的公共点连接第三直流接触器的常开触点后连接第二通路；霍尔电流传感器一端套在电机励磁绕组与绝缘栅双极型晶体管的集电极之间的导线上，另一端与斩波处理器连接；充电电容一端接在绝缘栅双极型晶体管的集电极上，充电电容另一端接地；第四直流接触器的常开触点和第五直流接触器的常开触点连接在第一通路上；第五直流接触器的线圈接在两条通路之间；
所述电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器的线圈与电池管理处理器连接；磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。
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