專利名稱：礦用新型磷酸鐵鋰直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦用電機車控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
礦用電機車是煤礦工業(yè)的重要運輸工具，并且在煤礦中使用的數(shù)量越來越多，由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣，對電機車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)要求很高。目前應(yīng)用的電機車仍存在串電阻調(diào)速的方式，采用這種方式時會有較多的能量轉(zhuǎn)換成電阻熱量消耗掉，能量利用率不高，而且動力電池均采用鉛酸電池，鉛酸電池的循環(huán)壽命差，體積大重量沉，鉛和硫酸都會污染環(huán)境，充電周期長，并且成本在逐年增加，當電動機工作在制動狀態(tài)下，不能將電動機本身所具有的機械能轉(zhuǎn)化為動力電池的電能，浪費了一部分能源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，具有控制精度高，設(shè)備使用壽命長的優(yōu)勢。本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的，采用的技術(shù)解決方案是直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，包括與隔爆插銷分別連接的電池組管理裝置、直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置和充電機；直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置，包括斬波控制器、光電給定器、電源變換模塊、溫控開關(guān)、霍爾電流傳感器、絕緣柵雙極型晶體管、充電電容、五個直流接觸器、電機電樞繞組、電機勵磁繞組及兩條通路；光電給定器、電壓變換模塊分別與斬波控制器連接，第一直流接觸器的線圈、第二直流接觸器的線圈、第三直流接觸器的線圈、第四直流接觸器的線圈分別與斬波控制器連接；第四直流接觸器的常閉觸點連接在兩條通路之間，絕緣柵雙極型晶體管的集電極和發(fā)射極分別與兩條通路連接，柵極與斬波控制器連接；第一直流接觸器的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，第二直流接觸器的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，常開觸點和常閉觸點的公共端連接電機電樞繞組，兩個常閉觸點并接后連接兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組，之后連接絕緣柵雙極型晶體管的集電極；兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組的公共點連接第三直流接觸器的常開觸電后連接第二通路；霍爾電流傳感器一端接在電機勵磁繞組與絕緣柵雙極型晶體管的集電極之間，另一端與斬波處理器連接；充電電容接在絕緣柵雙極型晶體管的集電極上；第四直流接觸器的常開觸點和第五直流接觸器的常開觸點連接在第一通路上；第五直流接觸器的線圈接在兩條通路之間。進一步，所述電池組管理裝置，包括電池管理處理器、顯示器、熄弧接觸器、磷酸鐵鋰電池組，電池管理處理器與顯示器連接，熄弧接觸器的線圈與電池管理處理器連接；磷酸鐵鋰電池組由N節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)后形成一條支路后，再將M條同樣的支路并聯(lián)而成，磷酸鐵鋰電池組連接熄弧接觸器的常開觸點后，與隔爆插銷連接，每節(jié)磷酸鐵鋰電池配有電池控制板，電池控制板上集成電壓檢測電路、溫度檢測電路、電壓均衡電路，各電池控制板通過總線串聯(lián)后，與電池管理處理器連接，每條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上連接有絕緣柵極雙極型晶體管，每節(jié)磷酸鐵鋰電池的兩端均有兩條包含CMOS管的通路，處在同一條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上的包含CMOS管的通路的末端相連接。本發(fā)明的有益效果直流電機采用串勵方式連接，電機電樞繞組、電機勵磁繞組串聯(lián)在一起的，起動特性軟，力矩大。第一直流接觸器和第二直流接觸器用于改變電機電樞繞組中電流的方向，從而改變電機的正反轉(zhuǎn)，電機車全速行駛時，第三直流接觸器可將勵磁繞組C2和絕緣柵雙極型晶體管短路，從而減少絕緣柵雙極型晶體管的熱消耗，提高其使用壽命。直流串勵電機的電磁制動功能，在下坡運動時，電機車工作在制動狀態(tài)，直流串勵電動機變?yōu)橹绷靼l(fā)電機，重力勢能轉(zhuǎn)換成的電能被回充到磷酸鐵鋰電池組中。電池管理處理器，檢測到電池的電壓過高、電壓過低、溫度過高、電流超載時，電池管理系統(tǒng)處理器都將自動斷開熄弧接觸器，保護電池組。


圖1是直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置的電路圖。圖2是電池組管理裝置的電路圖。圖3是一條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路的電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合圖1至圖3對本發(fā)明進行詳細說明直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，包括與隔爆插銷分別連接的電池組管理裝置、直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置和充電機。直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置，包括斬波控制器、光電給定器、電源變換模塊、溫控開關(guān)1、霍爾電流傳感器2、絕緣柵雙極型晶體管3、充電電容4、五個直流接觸器 KMU KM2、KM3、KMV、KMP、電機電樞繞組Si、電機勵磁繞組Cl、C2及兩條通路5、6。光電給定器、電壓變換模塊分別與斬波控制器連接，第一直流接觸器KMl的線圈、第二直流接觸器 KM2的線圈、第三直流接觸器KM3的線圈、第四直流接觸器KMV的線圈分別與斬波控制器連接，第四直流接觸器KMV的常閉觸點連接在兩條通路5、6之間，絕緣柵雙極型晶體管3的集電極和發(fā)射極分別與兩條通路5、6連接，柵極與斬波控制器連接。第一直流接觸器KMl的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，第二直流接觸器KM2的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，常開觸點和常閉觸點的公共端連接電機電樞繞組Si，兩個常閉觸點并接后連接兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組Cl、C2，之后連接絕緣柵雙極型晶體管3的集電極。兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組Cl、C2的公共點連接第三直流接觸器KM3的常開觸電后連接第二通路6 ；霍爾電流傳感器2 —端接在電機勵磁繞組C2與絕緣柵雙極型晶體管3的集電極之間，另一端與斬波處理器連接。充電電容4接在絕緣柵雙極型晶體管3的集電極上，第四直流接觸器KMV的常開觸點和第五直流接觸器KMP的常開觸點連接在第一通路5上，第五直流接觸器KMP的線圈接在兩條通路5、6之間。電池組管理裝置，包括電池管理處理器、顯示器、熄弧接觸器KM、磷酸鐵鋰電池組， 電池管理處理器與顯示器連接，熄弧接觸器KM的線圈與電池管理處理器連接。磷酸鐵鋰電池組由N節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)后形成一條支路后，再將M條同樣的支路并聯(lián)而成，磷酸鐵鋰電池組連接熄弧接觸器KM的常開觸點后，與隔爆插銷連接，每節(jié)磷酸鐵鋰電池配有電池控制板，電池控制板上集成電壓檢測電路、溫度檢測電路、電壓均衡電路，各電池控制板通過總線7串聯(lián)后，與電池管理處理器連接，每條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上連接有絕緣柵極雙極型晶體管8，每節(jié)磷酸鐵鋰電池的兩端均有兩條包含CMOS管的通路，處在同一條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上的包含CMOS管的通路的末端相連接。本發(fā)明的直流斬波調(diào)速的電機車不再采用電阻箱來切換電機勵磁繞組上串接的電阻值，而是通過絕緣柵雙極型晶體管的斬控來實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，絕緣柵雙極型晶體管在驅(qū)動PWM信號的作用下，不停地通斷，絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通時間越長對電機施加的有效電壓越高，電機車行駛的速度越快，反之，電機車行駛的速度越慢。直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置的主要特點1)直流電機采用串勵方式連接，電樞繞組Sl勵磁繞組Cl C2都是串聯(lián)在一起的， 起動特性軟，力矩大。接觸器KMl與KM2用于改變電樞繞組中電流的方向，從而改變電機的正反轉(zhuǎn)，電機車全速行駛時，接觸器KM3可將勵磁繞組C2和絕緣柵雙極型晶體管短路，從而減少絕緣柵雙極型晶體管的熱消耗，并提高其使用壽命。不同階段下，各器件的狀態(tài)為電機車向前行駛加速階段KMP KMV KMl吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型晶體管斬波控制。電機車向前行駛?cè)匐A段KMP KMV KM1KM3吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型
晶體管停止工作。電機車向后行駛加速階段KMP KMV KM2吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型晶體管斬波控制。電機車向后行駛?cè)匐A段KMP KMV KM2KM3吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型
晶體管停止工作。2)用最簡單的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了直流串勵電機的電磁制動功能，在下坡運動時，電機車工作在制動狀態(tài)，直流串勵電動機變?yōu)橹绷靼l(fā)電機，重力勢能轉(zhuǎn)換成的電能被回充到磷酸鐵鋰電池組中。不同階段下，各器件的狀態(tài)為電機車向前制動階段KMP KM2吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型晶體管斬波控制。電機車向后制動階段KMP KMl吸合，其余接觸器斷開，絕緣柵雙極型晶體管斬波控制。斬波控制升高電壓后，經(jīng)繼流二極管、緩沖電容、KMP接觸器觸點、瓦斯斷電儀、隔爆插銷后，給磷酸鐵鋰電池組充電，從而延長了動力電池組的使用時間。3)接觸器KMP KMV KMl或KM2先吸合后，再由絕緣柵雙極型晶體管逐漸增大電機兩端的電壓，因此接觸器KMP KMV KM1KM2均為無弧通斷，無觸頭損耗，使用壽命加長。接觸器KM3在吸合的瞬間會產(chǎn)生火弧，因此要求KM3為密封型熄弧接觸器。接觸器KMP可防止外部電池組反接，反接時斬波控制箱內(nèi)無電壓，同時也為回饋電路提供通路。4)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔爆插銷可以和動力電源直接相連，霍爾電流傳感器和光電給定器線性度高，穩(wěn)定性好，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，當霍爾電流傳感器檢測到電機過流或溫控開關(guān)過熱動作后，斬波控制器都將封鎖絕緣柵雙極型晶體管斬波輸出，從而保護了電機和絕緣柵雙極型晶體管，減少了電器設(shè)備的故障率。在煤礦瓦斯?jié)舛雀叩沫h(huán)境中，系統(tǒng)能自動斷電，防止爆炸發(fā)生，符合煤礦安全規(guī)程要求。5)光電給定器輸出0至4V模擬電壓信號，在電機車司機向右轉(zhuǎn)動操作把柄時，帶動行駛開關(guān)閉合，根據(jù)操作把柄的擺角，光電給定器輸出對應(yīng)的模擬電壓，在電機車司機向左轉(zhuǎn)動操作把柄時，帶動制動開關(guān)閉合，根據(jù)操作把柄的擺角，光電給定器輸出對應(yīng)的模擬電壓。斬波控制器再根據(jù)光電給定器給定的電壓，來調(diào)節(jié)絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動PWM信號的占空比，司機操作把柄擺角越大，給定的模擬電壓越高，PWM信號的占空比越高，電機車速度越快。6)具備完整的時序邏輯保護，非正常操作，如電機車行駛過程中改變電機轉(zhuǎn)向，都由斬波控制器予以禁止響應(yīng)。電池組管理裝置的主要特點1)磷酸鐵鋰電池在串并聯(lián)組合過程中，若先m節(jié)并聯(lián)，再將并聯(lián)后的η組串聯(lián)，盡管可以簡化電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低其成本，但是很難實現(xiàn)對單體電池電流的檢測調(diào)節(jié)， 1節(jié)電池故障，則該組剩余m-1節(jié)單體電池充放電電流與其余η-1組中的單體電池充放電電流不再相等，長時積累會造成整個電池組性能的惡化，因此采用了先串聯(lián)η節(jié)電池，然后并聯(lián)m個支路的組合方式，按照磷酸鐵鋰單體電池的電壓為3. 2V，煤礦限定單體最大容量為 lOOAh，則串并聯(lián)后電池組的電壓為3. 2*n，最大容量為100*m Ah。2)每節(jié)磷酸鐵鋰電池配備1個電池控制板，每個電池控制板上集成電壓檢測電路、溫度檢測電路以及性能均衡電路，所有的嵌入式電池控制板通過4芯CAN總線，連接至電池管理系統(tǒng)處理器，在每條串聯(lián)的支路上還有1個霍爾電流傳感器，也連接至電池管理系統(tǒng)處理器，當檢測到電池的電壓過高、電壓過低、溫度過高、電流超載時，電池管理系統(tǒng)處理器都將自動斷開熄弧接觸器KM。3)嵌入式電池控制板具有電壓均衡與電流均衡功能，任一節(jié)電池兩端均有2個包含CMOS管的通路，且電壓均衡是一直不間斷的進行調(diào)節(jié)，因單體電池壓降為3. 2V，均衡電流小于1A，故采用低成本、壓控型的CMOS管充當電子開關(guān)，分別由嵌入式電池控制板產(chǎn)生的控制信號Qvl Qv2 Qv3 Qv4……Qvi2n-DQvi2n)來控制這些電子開關(guān)，進行電壓均衡調(diào)節(jié)。為防止不同支路上電池放電電流不同，且放電電流可達上百安培，所以在每條支路上串接了 1個絕緣柵雙極型晶體管，盡管絕緣柵雙極型晶體管的價格稍高，但是在一個串并聯(lián)電池組中并聯(lián)支路的數(shù)量一般不會超過6個，相比較磷酸鐵鋰的價格，電池管理系統(tǒng)的成本很低。在電機車工作期間，控制Qvl Qv2 Qv3 Qv4......Qv(2n-l)Qv(2n) 信號，使所有電壓均衡CMOS
開關(guān)斷開，保證了電池放電的持續(xù)無干擾，而在電機車閑置時間段，電壓能量轉(zhuǎn)移受嵌入式電池控制板控制，各個嵌入式電池控制板之間，通過4芯CAN總線，受電池管理系統(tǒng)處理器控制。電壓能量的轉(zhuǎn)移只能在相鄰的兩節(jié)電池間進行，即第r節(jié)電池若向第t節(jié)電池轉(zhuǎn)移能量需要轉(zhuǎn)移r-t次，只要相鄰兩節(jié)電池電壓均衡，則整個電池組中任意兩節(jié)電池電壓也是均衡的。在圖3中，以n#電池向1#電池為例，說明能量轉(zhuǎn)移的過程①Q(mào)v4 Qv(2n)有效，n#電池放電，將能量儲存在電感電容器件中。②Qv(2n)無效，Qv3有效，電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢對2#電池充電，儲存的能量轉(zhuǎn)移至電池。
③Qv2 Qvi2lri)有效，2#電池放電，將能量儲存在電感電容器件中。④Qvi2lri)無效，Qvl有效，電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢對1#電池充電，儲存的能量轉(zhuǎn)移至電池。支路電流調(diào)節(jié)受電池管理系統(tǒng)處理器控制，帶載的情況下，支路電流的大小是通過閉環(huán)控制系統(tǒng)自動進行調(diào)節(jié)的，通過霍爾電流傳感器檢測支路上的電流進行信號反饋， 當電流偏大時，由電池管理系統(tǒng)處理器產(chǎn)生低占空比的Qlm電流均衡信號，降低該支路上的電流；反之，當電流偏小時，產(chǎn)生高占空比的電流均衡信號。在電池過熱或者故障時，則斷開響應(yīng)支路，并在顯示器上顯示報警信息，提醒及時更換或維修電池。4)為了減小電機車在閑置時外部電路持續(xù)的電路消耗，進一步提高電池的使用時間，系統(tǒng)中增加了 1個電源開關(guān)，只有當電源開關(guān)閉合后，才能通過隔爆插銷輸出/輸入電壓。5)若隔爆插銷連接至斬波控制箱，則磷酸鐵鋰電池組處于供電狀態(tài)，儲存的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C車的動能；若隔爆插銷連接至充電機，則磷酸鐵鋰電池組處于充電狀態(tài)，充電開始采用恒流充電，防止低壓時的大電流，在充電的后期采用恒壓充電，防止充電電池電壓過高，這樣外部的電能就轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵刂械碾娔堋?)顯示器采用TFT液晶顯示器，循環(huán)顯示每節(jié)電池的電壓和溫度，電池組的總電壓和平均溫度，每條支路的充放電電流，以及電池組的總充放電電流，若有故障電池，則顯示故障電池編號，提醒更換，若有電壓過高、溫度過高、電流超載報警，則顯示相應(yīng)的報警信息，方便處理，若有電壓過低，則顯示相應(yīng)的報警信息，提醒及時充電。當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，其特征在于包括與隔爆插銷分別連接的電池組管理裝置、直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置和充電機；直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置，包括斬波控制器、光電給定器、電源變換模塊、溫控開關(guān)、霍爾電流傳感器、絕緣柵雙極型晶體管、充電電容、五個直流接觸器、電機電樞繞組、電機勵磁繞組及兩條通路；光電給定器、電壓變換模塊分別與斬波控制器連接，第一直流接觸器的線圈、第二直流接觸器的線圈、第三直流接觸器的線圈、第四直流接觸器的線圈分別與斬波控制器連接；第四直流接觸器的常閉觸點連接在兩條通路之間，絕緣柵雙極型晶體管的集電極和發(fā)射極分別與兩條通路連接，柵極與斬波控制器連接；第一直流接觸器的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，第二直流接觸器的常開觸點和常閉觸點串聯(lián)，常開觸點和常閉觸點的公共端連接電機電樞繞組，兩個常閉觸點并接后連接兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組， 之后連接絕緣柵雙極型晶體管的集電極；兩個串聯(lián)的電機勵磁繞組的公共點連接第三直流接觸器的常開觸電后連接第二通路；霍爾電流傳感器一端接在電機勵磁繞組與絕緣柵雙極型晶體管的集電極之間，另一端與斬波處理器連接；充電電容接在絕緣柵雙極型晶體管的集電極上；第四直流接觸器的常開觸點和第五直流接觸器的常開觸點連接在第一通路上； 第五直流接觸器的線圈接在兩條通路之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，其特征在于所述電池組管理裝置，包括電池管理處理器、顯示器、熄弧接觸器、磷酸鐵鋰電池組，電池管理處理器與顯示器連接，熄弧接觸器的線圈與電池管理處理器連接；磷酸鐵鋰電池組由N節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)后形成一條支路后，再將M條同樣的支路并聯(lián)而成，磷酸鐵鋰電池組連接熄弧接觸器的常開觸點后，與隔爆插銷連接，每節(jié)磷酸鐵鋰電池配有電池控制板，電池控制板上集成電壓檢測電路、溫度檢測電路、電壓均衡電路，各電池控制板通過總線串聯(lián)后，與電池管理處理器連接，每條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上連接有絕緣柵極雙極型晶體管，每節(jié)磷酸鐵鋰電池的兩端均有兩條包含CMOS管的通路，處在同一條磷酸鐵鋰電池串聯(lián)支路上的包含CMOS管的通路的末端相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種礦用新型磷酸鐵鋰直流串勵斬波調(diào)速電機車管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括與隔爆插銷分別連接的電池組管理裝置、直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置和充電機。直流串勵電機車斬波調(diào)速控制裝置，包括斬波控制器、光電給定器、電源變換模塊、溫控開關(guān)、霍爾電流傳感器、絕緣柵雙極型晶體管、充電電容、五個直流接觸器、電機電樞繞組、電機勵磁繞組及兩條通路。該系統(tǒng)具有控制精度高，設(shè)備使用壽命長的優(yōu)勢。
文檔編號H02H7/18GK102307035SQ20111026463
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者于志豪, 孫傳余, 常龍, 肖林京, 郭海 申請人:山東科技大學(xué)