一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，包括：主电路和控制电路，其中主电路包括接触器，与接触器连接用于整流的三相全桥整流电路，与三相全桥整流电路连接用于逆变的单相高频逆变电路，与单相高频逆变电路连接用于变压的高频变压器，与高频变压器连接用于高频整流的单相高频整流电路，控制电路包括与单相高频整流电路连接用于检测电压的电压检测电路，与单相高频整流电路连接用于检测电流的电流检测电路，与电压检测电路和电流检测电路连接的控制电路模块，与控制电路模块连接的驱动模块、电压检测模块、显示电路和键盘电路。该充电器能够适应不同性能的蓄电池，具有良好的电池充电和电池管理功能。
【专利说明】一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器
【技术领域】
[0001]本发明属于蓄电池充电领域，尤其涉及一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器。【背景技术】
[0002]煤矿井下的运煤车、铲车等大型煤矿开采设备所需要的动力来源一般都是铅酸蓄电池组，由多个单节蓄电池相串联而组成。铅酸蓄电池组的容量从200Ah — lOOOAh，蓄电池靠充电来实现能量循环利用，实现蓄电池组充电的设备就是充电器装置，其容量从几十至几百kVA，充电时间多数在8小时以内。目前煤矿所用蓄电池组充电器装置非常广泛，一个年产约1000万吨的大型煤矿，所用容量在几百kVA以上的蓄电池组充电器装置约100多台。煤矿电气装备的大修规程规定，充电器装置的运用寿命为每生产300万吨煤就进入大修期(意味着装置的主体部件更换或整机完全更换)。
[0003]通过对神化煤田集团的几个大型煤矿的调研，目前容量在几百kVA以上的煤矿井下大容量蓄电池组充电装置，多数依赖进口，如美国、德国的设备，而且是国外八十年代的技术，体现在主电路结构和控制系统都比较简单，智能化程度低，设备庞大，体积大，价格贵，这些装置都有待国产化，提高产品的性能价格比。容量在几百kVA以下的，较小容量的蓄电池组充电装置，多数为国内制造的产品。
[0004]当前煤矿上所使用的铅酸蓄电池充电设备大多还是七八十年代开发的基于晶闸管的充电设备，存在体积大，充电时间长对电池的损害大，充电时间长等缺点，随着技术的发展，目前煤矿矿用充电机主要的关键技术趋向集中为以下几点:
[0005]a.高度集成化，密集化。功率器件的体积在不断变小，集成化程度越来越高，其中尤以集成化IGBT的出现为代表。控制系统的集成程度也在不断提高，工艺越来越复杂，正在朝着规模化的集成电路发展。
[0006]b.频率越来越高，随着GTO等传统晶闸管功率器件逐渐被IGBT绝缘栅双极晶体管所替代，充电器的频率、耐压、功耗变得越来越来高，高频化可以明显减少磁性变压器材料和大电解电容的体积、重量等，可以明显减少网侧低次谐波含量，提高充电器的EMC性能，减轻对煤矿电网的谐波污染。
[0007]c.高度的数字化和智能化，尽量减少人工干预。
[0008]目前煤矿大容量铅酸蓄电池充电方案中主要采用如图1的结构:
[0009]I).主回路采用三相半控桥式电路，由快速熔断器，整流变压器，压敏电阻、分流器、三相半控桥式整流电路组成。
[0010]A、主回路中压敏电阻的作用是保护操作过电压限制回路中的浪涌电流。
[0011]B、主回路中的快速熔断器用于回路的短路保护。
[0012]C、跨接在主回路蓄电池两端的导线(104、103)是反接保护。当充电装置与蓄电池组接反时，蓄电池组本身电压接通主回路反接保护继电器K线圈，继电器吸合，切断主回路启动器控制回路电源，反接保护指示灯D5亮(红色)。
[0013]2).移相触发电路(⑶-KJCF-001)，是两单元合为一体组成的电路板，其特点是不用同步变压器，只将整流变压器，二次输出端接入脉冲触发电路板通过光电隔离后，信号由单片机统一处理相序的检测，同步信号的检测，电源供给的AC18V(由控制变压器输出)与相序同步没有关系，即同步信号的检测是通过整流变压器的二次侧，且电压范围很宽，不受一次侧是否是660V还是380V的影响。由同步检测电路来的同步脉冲和调节检测电路来的移相电压通过移相模块进行变换，然后输出移相脉冲给单片机，单片机根据移相脉冲和检测的相序情况，分别依次以脉冲列的形式输出脉冲，经驱动电路脉冲变压器，并输出1KHZ脉冲列触发可控硅改变移相范围。
[0014]3).计算控制电路板(CD-KJWJ-001)，须和移相触发电路板配套使用。为简便起见，以下计算机控制板简称“微机板”，移相触发控制板简称“触发板”，微机板和触发板配套使用可实现恒流充电，供电电源交流双13V± 5 %，一路经双积分进入A/D转换器，一路经二进制进入D/A转换器，当正常开机后，有30秒初始时间，顺时针旋转调流电位器1/3圆周开始充电，10分钟内确定电池块数，在30秒左右后至10分钟内不影响正常的稳流充电，。充电装置完成稳流、稳压、常规充电的过程中，全部由微机板控制程序，做到一次完成。
[0015]现有技术一般采用晶闸管相控整流的技术方案，该方案由于只能工作在较低频率下，磁性变压器和电解电容的体积和重量都比较大，采用的移相触发控制板相比于目前比较流行的高位处理系统比较落后，不够智能化。另外现有充电技术由于采用晶闸管相控整流，无功功率较大，充电效率低，网侧大量谐波窜入电网容易造成谐波污染给电网中其他的电气设备的正常运行带来损害，输出纹波大，容易造成蓄电池发热影响寿命。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，旨在解决现有技术只能工作在低频、充电系统不智能、无功功率较大，充电效率低等问题。
[0017]本发明是这样实现的，一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器包括:主电路和控制电路，其中主电路包括用于选择交流源的接触器，与接触器连接用于整流的三相全桥整流电路，与三相全桥整流电路连接用于逆变的单相高频逆变电路，与单相高频逆变电路连接用于变压的高频变压器，与高频变压器连接用于高频整流的单相高频整流电路，控制电路包括与单相高频整流电路连接用于检测电压的电压检测电路，与单相高频整流电路连接用于检测电流的电流检测电路，与电压检测电路和电流检测电路连接的控制电路模块，与控制电路模块连接的驱动模块、电压检测模块、显示电路和键盘电路。
[0018]所述接触器与交流输入源和电压检测模块连接，能够在控制电路模块控制下对交流源 AC380V/50Hz 和 AC660V/50Hz 进行选择。
[0019]所述三相全桥整流电路与接触器连接，采用三相不可控二极管，将输入的交流整流为DC510V或DC900V直流电。
[0020]所述单相高频逆变电路采用IGBT逆变器，得到幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压。
[0021]所述高频变压器采用超微晶铁芯的高频变压器，实现对逆变器产生的20kHz高频方波电压的降压变换，即将幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压降压变换至幅值为AC300V/20kHz的交流高频方波电压，实现了输入电压与输出电压之间的电气隔离。[0022]所述单相高频整流电路可输出DCO?300V连续可调的直流电压。
[0023]主电路输出电压的连续调节由第一级功率变换器中的IGBT单相逆变器来完成，并采用定幅调宽(即幅值不变而改变脉冲宽度)的控制方式。高频变压器的原边采用等匝数的双绕组-第一绕组和第二绕组，通过这2套绕组的并联、串联连接实现对输入电压2种制式的有效切换，绕组的串并联切换由控制2只互锁的第一接触器、第二接触器来完成。当第一接触器闭合、第二接触器断开时，第一绕组与第二绕组并联，该方式适用于输入电压为AC380V的制式；当第二接触器闭合、第一接触器断开时，第一绕组与第二绕组串联，该方式适用于输入电压为AC660V的制式。
[0024]依据变压器运行原理，变压器的铁芯体积与输入交流电压的频率成反比，因此，设计充电器中变压器的输入电压为20kHz的高频交流方波电压，并采用超微晶铁芯，大大减小了变压器的体积和重量。
[0025]所述与单相高频整流电路连接的电压检测电路、电流检测电路为控制电路模块提供电压和电流反馈。
[0026]所述控制电路模块采用PWM发生芯片UCC3895。
[0027]所述驱动模块采用2SP0115T2AX驱动模块，具有使用简单、运行可靠、有短路保护、有输入电压监测、隔离电压高等优点。
[0028]所述显示电路用于显示蓄电池充电的电流、容量等参数信息。
[0029]所述按键电路用于用户设定充电参数信息。
[0030]效果汇总
[0031]本发明的一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，本发明用最新的绝缘栅双极晶体管(IJBT)代替传统矿用充电器中采用的晶闸管功率器件，提高了开关频率，能明显减小磁性变压器材料和大电解电容的体积、重量，采用高频变压器可以隔离蓄电池负载对充电机的影响，提高安全性，另外对输出电压也能起到一定的滤波作用。
[0032]本发明采用各种信号采集电路和现场总线对充电机工作时的温度，网侧、输出侧电压等参数信号进行监测、显示，当发生意外的时候能自动保护充电机不被损坏。对电池状态信号进行监测和显示，保护电池不被损坏。
[0033]本发明中采用两阶段式充电方法，在电流电压PI环节调节下充电曲线比较接近铅蓄电池的理想充电曲线，使蓄电池能够快速充分充满电，且性能保持稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是传统晶闸管相控整流方案框图；
[0035]图2是本发明实施例提供的智能充电器系统结构图；
[0036]图3是本发明实施例提供的智能充电器主电路连接图；
[0037]图4是本发明实施例提供的智能充电器控制电路图；
[0038]图5是本发明实施例提供的智能充电器控制系统闭环结构图；
[0039]图6是本发明实施例提供的主电路全桥变换器的一种可替换结构图；
[0040]其中:1、接触器；2、三相全桥整流电路；3、单相高频逆变电路；4、高频变压器；5、单相闻频整流电路；6、电压检测电路；7、电流检测电路；8、控制电路|旲块；9、驱动|旲块；10、电压检测电路；11、显示电路；12、按键电路；【具体实施方式】
[0041]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]如图2所示，本发明是这样实现的，一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器包括:用于选择交流源的接触器1，与接触器I连接用于整流的三相全桥整流电路2，与三相全桥整流电路2连接用于逆变的单相高频逆变电路3，与单相高频逆变电路3连接用于变压的高频变压器4，与高频变压器4连接用于高频整流的单相高频整流电路5，与单相高频整流电路5连接用于检测电压的电压检测电路6，与单相高频整流电路5连接用于检测电流的电流检测电路7，与电压检测电路6和电流检测电路7连接的控制电路模块8，与控制电路模块连接的驱动模块9、电压检测模块10、显示电路11和键盘电路12。
[0043]接触器I与交流输入源和电压检测模块10连接，能够在控制电路模块控制下对交流源 AC380V/50Hz 和 AC660V/50Hz 进行选择。
[0044]三相全桥整流电路2与接触器I连接，采用三相不可控二极管，将输入的交流整流为DC510V或DC900V直流电。
[0045]单相高频逆变电路3采用IGBT逆变器，得到幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压。
[0046]高频变压器4采用超微晶铁芯的高频变压器，实现对逆变器产生的20kHz高频方波电压的降压变换，即将幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压降压变换至幅值为AC300V/20kHz的交流高频方波电压，实现了输入电压与输出电压之间的电
气隔离。
[0047]单相高频整流电路5可输出DCO?300V连续可调的直流电压。
[0048]与单相高频整流电路5连接的电压检测电路6、电流检测电路7为控制电路模块8提供电压和电流反馈。
[0049]控制电路模块8采用PWM发生芯片UCC3895。
[0050]驱动模块9采用2SP0115T2AX驱动模块，具有使用简单、运行可靠、有短路保护、有输入电压监测、隔离电压高等优点。
[0051]显示电路11用于显示蓄电池充电的电流、容量等参数信息。
[0052]按键电路12用于用户设定充电参数信息。
[0053]主电路:
[0054]图3为本发明实施例提供的一个主电路连接图，如图所示，智能充电器主电路由2组功率变换器组成，前一级AC/DC/AC1功率变换器原理:输入三相AC380V/50HZ或三相AC660V/50HZ交流工频正弦波电压经三相不可控二极管整流，得到DC510V或DC900V的直流电压；再经过单相IGBT逆变器变换，得到幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压。后一级AC2/DC功率变换器实现从输入幅值为AC300V/20kHz的交流高频方波电压至直流电压的整流变换。从ACl到AC2的变换是一种高频交流电压变换，由超微晶铁芯的高频变压器完成，实现对逆变器产生的20kHz高频方波电压的降压变换，即将幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压降压变换至幅值为AC300V/20kHz的交流高频方波电压，也即实现了输入电压与输出电压之间的电气隔离。最终提供给铅酸蓄电池的充电电压是DCO~300V连续可调的，适用于不同额定电压、不同容量的铅酸蓄电池组及不同牵引吨位的矿用电机车。
[0055]主电路输出电压的连续调节由第一级功率变换器中的IGBT单相逆变器来完成，并采用定幅调宽(即幅值不变而改变脉冲宽度)的控制方式。高频变压器的原边采用等匝数的双绕组NI和N2，通过这2套绕组的并联、串联连接实现对输入电压2种制式的有效切换，绕组的串并联切换由控制2只互锁的接触器KM5、KM6来完成。当KM5闭合、KM6断开时，绕组NI与N2并联，该方式适用于输入电压为AC380V的制式；当KM6闭合、KM5断开时，绕组NI与N2串联，该方式适用于输入电压为AC660V的制式。
[0056]依据变压器运行原理，变压器的铁芯体积与输入交流电压的频率成反比，因此，设计充电器中变压器的输入电压为20kHz的高频交流方波电压，并采用超微晶铁芯，大大减小了变压器的体积和重量.[0057]以输入三相AC380V/50HZ地面工作的电压制式为例，说明智能充电器的运行原理。当闭合KM3接触器(KM2互锁断开)时，通过由Dl~D6组成的整流桥实现AC/DC整流变换，给支撑电容C4充电，建立DC510V电压。在KM3闭合前，KM4会先短时闭合(KMz互锁断开)，以限制给电容C4的充电电流。一旦直流电压接近建立起来时，KM4会自动断开，由KMg来完成供电。串联的电阻R3和R4为支撑电容C4提供了停机时的放电通路，电容Cl~C3并联在由2只整流二极管串联组成的桥臂上，可吸收线路漏感在器件换流时引起的尖峰脉冲电压。将直流电压经过由IGBTKl~K4组成的单相逆变器，将直流电压逆变成单相高频交流方波电压AC510V/20kHz，实现第一级的AC/DC/AC1变换.[0058]高频变压器完成降压隔离变换，将AC510V/20kHz的交流方波变为AC300V/20kHz，通过控制逆变器IGBT导通的移相角Θ控制逆变器的输出电压，使其在O~300V范围内变化。电容C5~C6同样为保护IGBT的过电压吸收电路。高频交流方波电压通过由第二级快速二极管(反向恢复时间小于20ns)D7~DlO组成的单相整流桥进行整流变换，得到O~300V连续可调的直流 电压，然后经过高频电感LI和电解电容C17组成的LC滤波电路，最后通过二极管Dll输出给铅酸蓄电池组充电。
[0059]将2只快速整流二极管串联是为了提高其耐压值，以适应高电压(AC660V)制式的输入。C7~C14用于为快速二极管均压兼吸收高频电压尖峰，以达到保护快速二极管的目的。输出侧二极管Dll的作用:①防止将蓄电池正负极接反时(误接负载时)，与整流桥构成短路将充电器的输出电压与蓄电池组的电压隔开，将这2个电压值同时作为反馈值(如图1所示)，以便于实现对充电器恒压、恒流工作模式的控制。
[0060]单相逆变器的功率器件选用FF300R17ME4型IGBT，其最大集电极电流Ic = 300A,最大集射极间耐压Uces = 1700V,内部集成了 NTC温度传感器，适合工作的开关频率为15~30kHz。该IGBT功率管的驱动模块选用2SP0115T2Ax，该驱动模块具有使用简单、运行可靠、有短路保护、有输入电压监测、隔离电压高等优点。
[0061]该部分主电路全桥变换器也可以采用如图6所示结构:
[0062]①压变换方式:G1管常通，G2管按PWM方式导通。这时充电电压比为:
【权利要求】
1.一种矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，包括:主电路和控制电路，其中主电路包括接触器，与接触器连接用于整流的三相全桥整流电路，与三相全桥整流电路连接用于逆变的单相高频逆变电路，与单相高频逆变电路连接用于变压的高频变压器，与高频变压器连接用于高频整流的单相高频整流电路，控制电路包括与单相高频整流电路连接用于检测电压的电压检测电路，与单相高频整流电路连接用于检测电流的电流检测电路，与电压检测电路和电流检测电路连接的控制电路模块，与控制电路模块连接的驱动模块、电压检测模块、显示电路和键盘电路。
2.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述接触器与交流输入源和电压检测模块连接，能够在控制电路模块控制下对交流源AC380V/50HZ和AC660V/50Hz进行选择。
3.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述三相全桥整流电路与接触器连接，采用三相不可控二极管，将输入的交流整流为DC510V或DC900V直流电。
4.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述单相高频逆变电路采用IGBT逆变器，得到幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压。
5.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述高频变压器采用超微晶铁芯的高频变压器，实现对逆变器产生的20kHz高频方波电压的降压变换，即将幅值为AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高频方波电压降压变换至幅值为AC300V/20kHz的交流高频方波电压，实现了输入电压与输出电压之间的电气隔离。
6.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述单相高频整流电路可输出DCO?300V连续可调的直流电压。
7.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述与单相高频整流电路连接的电压检测电路、电流检测电路为控制电路模块提供电压和电流反馈。
8.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述控制电路模块采用PWM发生芯片UCC3895。
9.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述驱动模块采用2SP0115T2AX驱动模块，具有使用简单、运行可靠、有短路保护、有输入电压监测、隔离电压高等优点。
10.根据权利要求1所述的矿用大容量铅酸蓄电池智能充电器，其特征在于，所述显示电路用于显示蓄电池充电的电流、容量等参数信息；所述按键电路用于用户设定充电参数信息。
【文档编号】H02H7/18GK104037919SQ201410257487
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】张全柱, 邓永红, 雷旻, 赵立永, 马红梅, 黄成玉, 孙晓磊 申请人:华北科技学院