充电机控制系统的制作方法

本实用新型涉及充电机控制技术，尤其涉及一种充电机控制系统。

背景技术：

轨道交通在优化城市空间结构、缓解城市交通拥挤、保护环境等多方面均已表现出了积极促进作用。在中国，随着城市化进程的加快，城市交通需求剧增，城市轨道交通的发展也开始进入高速发展时期。

城市轨道交通中，充电机是列车中一个重要组成部分，其一方面为列车上的直流负载提供直流电，另一方面为列车上的应急蓄电池充电。充电机性能的优劣将直接影响列车上直流负载工作的稳定性和蓄电池的寿命。

现有的列车充电机大多采用三相二极管不控整流，为后级直流负载和蓄电池提供电能。这种充电机的直流输出电压不可控，特别是蓄电池充电电流不可控，因此会影响蓄电池的使用寿命和充放电性能。

技术实现要素：

本实用新型提供一种充电机控制系统，用于实现充电机的输出电压和输出电流的调节，提高蓄电池的使用寿命和充放电性能。

本实用新型提供一种充电机控制系统，包括：充电机主电路和控制器；充电机主电路包括：变压器、晶闸管三相桥式半控整流电路和滤波电路，

变压器的输入端连接辅助逆变器，变压器的输出端连接晶闸管三相桥式半控整流电路的输入端；滤波电路的一端连接晶闸管三相桥式半控整流电路的输入端，滤波电路的另一端连接蓄电池和负载；控制器分别与晶闸管三相桥式半控整流电路、滤波电路和蓄电池连接；

控制器用于根据蓄电池的充电电压，调节晶闸管三相桥式半控整流电路中晶闸管的导通初始相位角，以调节充电机的输出电流或输出电压，并控制充电机的充电模式，充电模式包括：恒流充电模式和恒压充电模式。

在本实用新型的一实施例中，控制器包括：充电模式仲裁模块、恒流控制模块、恒压控制模块、过零检测模块和脉冲控制模块；

充电模式仲裁模块分别与滤波电路、蓄电池、恒流控制模块和恒压控制模块连接，恒流控制模块和恒压控制模块分别与蓄电池连接，过零检测模块与晶闸管三相桥式半控整流电路连接，脉冲控制模块分别与恒流控制模块、恒压控制模块、过零检测模块和晶闸管三相桥式半控整流电路连接；

充电模式仲裁模块，用于根据蓄电池的充电电压控制充电机的充电模式，充电模式包括：恒流充电模式和恒压充电模式；

恒流控制模块，用于在充电机为恒流充电模式时，根据蓄电池的充电电流控制脉冲控制模块调节充电机的输出电流；

恒压控制模块，用于在充电机为恒压充电模式时，根据蓄电池的充电电压控制脉冲控制模块调节充电机的输出电压；

过零检测模块，用于检测晶闸管三相桥式半控整流电路的输入电压的过零点，向脉冲控制模块输出零点信号；

脉冲控制模块，用于根据恒流控制模块或恒压控制模块的控制信号和零点信号，调节晶闸管三相桥式半控整流电路中晶闸管的导通初始相位角。

在本实用新型的一实施例中，充电模式仲裁模块具体用于根据蓄电池的充电电压采用电压滞环方式控制充电机的充电模式。

在本实用新型的一实施例中，充电模式仲裁模块具体用于：当蓄电池的充电电压上升至第一预设电压时，将充电机的充电模式切换为恒压充电模式；当蓄电池的充电电压下降至第二预设电压时，将充电机的充电模式切换为恒流充电模式；当蓄电池的充电电压高于第二预设电压、低于第一预设电压时，控制充电机的充电模式不变，第一预设电压高于第二预设电压。

在本实用新型的一实施例中，恒流控制模块具体用于：

当电流误差小于第一预设电流时，采用第一比例积分PI控制器保持控制量不变；

当电流误差大于等于第一预设电流、小于第二预设电流时，采用第二PI控制器调节充电机的输出电流；

当电流误差大于等于第二预设电流时，采用第三PI控制器调节充电机的输出电流；

其中，电流误差为恒流充电给定电流与蓄电池的充电电流的差值的绝对值，第二PI控制器的PI参数大于第一PI控制器的PI参数、小于第三PI控制器的PI参数，第一预设电流小于第二预设电流。

在本实用新型的一实施例中，滤波电路与蓄电池之间还串联有防反充二极管，防反充二极管的负极与滤波电路连接，防反充二极管的正极与蓄电池连接。

在本实用新型的一实施例中，滤波电路包括：滤波电感和滤波电容；滤波电感的一端与晶闸管三相桥式半控整流电路的各晶闸管的阴极连接，滤波电感的另一端与防反充二极管的正极连接；滤波电容的一端分别与滤波电感的另一端、防反充二极管的正极连接，滤波电容的另一端与晶闸管三相桥式半控整流电路的各二极管的正极连接。

本实用新型实施例提供的充电机控制系统，充电机主电路采用晶闸管三相桥式半控整流电路，通过控制器控制晶闸管三相桥式半控整流电路中晶闸管的导通初始相位角，实现了充电机的输出电流或输出电压的调节；并根据蓄电池的充电电压来控制充电机的充电模式，实现了蓄电池的恒流充电和恒压充电，提高了蓄电池的使用寿命和充放电性能。

附图说明

图1为本实用新型提供的充电机控制系统实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型提供的充电机控制系统实施例二的结构示意图；

图3为恒流控制模块分段PI控制的原理图。

附图标记说明：

10-充电机主电路；

20-控制器；

30-辅助逆变器；

40-蓄电池；

50-负载；

11-变压器；

12-晶闸管三相桥式半控整流电路；

13-滤波电路；

21-充电模式仲裁模块；

22-恒流控制模块；

23-恒压控制模块；

24-过零检测模块；

25-脉冲控制模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施例进行描述。

图1为本实用新型提供的充电机控制系统实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的充电机控制系统包括：充电机主电路10和控制器20；充电机主电路10包括：变压器11、晶闸管三相桥式半控整流电路12和滤波电路13，其中，变压器11的输入端连接辅助逆变器30，变压器11的输出端连接晶闸管三相桥式半控整流电路12的输入端；滤波电路13的一端连接晶闸管三相桥式半控整流电路12的输入端，滤波电路13的另一端连接蓄电池40和负载50；控制器20分别与晶闸管三相桥式半控整流电路12、滤波电路13和蓄电池40连接；控制器20用于根据蓄电池40的充电电压，调节晶闸管三相桥式半控整流电路12中晶闸管的导通初始相位角，以调节充电机的输出电流或输出电压，并控制充电机的充电模式，充电模式包括：恒流充电模式和恒压充电模式。

具体的，充电机主电路10中充电机的输入为辅助逆变器30输出的三相交流电压，晶闸管三相桥式半控整流电路12由三个分别与一个二极管相连的晶闸管并联而成；控制器20与晶闸管三相桥式半控整流电路12中晶闸管的门极连接，可以控制晶闸管的导通初始相位角。

充电机主电路10中，晶闸管三相桥式半控整流电路12的直流侧输出电压U₀与晶闸管的导通初始相位角θ之间的关系如公式(1)所示：

U₀＝1.17*Um*(cos(θ)+1) (1)

其中，Um为晶闸管三相桥式半控整流电路12的输入线电压有效值。

在工作时，控制器20以一定的频率采集蓄电池40的充电电压，然后根据蓄电池40的充电电压(即充电机输出电压)与预设电压的差值，调节晶闸管三相桥式半控整流电路12中晶闸管的导通初始相位角，以调节充电机的输出电流或输出电压，使充电机的输出电流或输出电压达到预设阈值；与此同时，控制器20根据蓄电池40的充电电压与预设电压的关系，控制充电机的充电模式，例如：当蓄电池40的充电电压低于预设电压时，控制充电机的充电模式为恒流充电模式；当蓄电池40的充电电压达到预设电压时，控制充电机的充电模式为恒压充电模式，实现蓄电池40的恒流充电和恒压充电。

现有技术中，充电机主电路采用三相二极管不控整流，充电机的直流输出电压不可控，因此会影响蓄电池的使用寿命和充放电性能；本实施例中，充电机主电路10采用三相桥式半控整流电路，控制器20通过控制晶闸管的导通初始相位角，使得充电机的输出电压和输出电流能够精确地调节至目标值，很好的满足了蓄电池40在不同电压状态下的充电需求；且可以根据蓄电池40的充电电压状态，实时的切换充电机的充电模式，控制蓄电池40为恒流充电或者恒压充电，从而改善了蓄电池40的充电性能，延长了车上蓄电池40的使用寿命；另外，充电机主电路10采用三相桥式半控整流电路，一方面节省了主电路硬件成本，另一方面提高了主电路的可靠性。

本实施例提供的充电机控制系统，充电机主电路采用晶闸管三相桥式半控整流电路，通过控制器控制晶闸管三相桥式半控整流电路中晶闸管的导通初始相位角，实现了充电机的输出电流或输出电压的调节；并根据蓄电池的充电电压来控制充电机的充电模式，实现了蓄电池的恒流充电和恒压充电，提高了蓄电池的使用寿命和充放电性能。

图2为本实用新型提供的充电机控制系统实施例二的结构示意图，本实施例是对图1所示实施例的进一步优化补充。如图2所示，在所述图1所示实施例的基础上，本实施例提供的控制器20包括：充电模式仲裁模块21、恒流控制模块22、恒压控制模块23、过零检测模块24和脉冲控制模块25；其中，充电模式仲裁模块21分别与滤波电路13、蓄电池40、恒流控制模块22和恒压控制模块23连接，恒流控制模块22和恒压控制模块23分别与蓄电池40连接，过零检测模块24与晶闸管三相桥式半控整流电路12连接，脉冲控制模块25分别与恒流控制模块22、恒压控制模块23、过零检测模块24和晶闸管三相桥式半控整流电路12连接。

充电模式仲裁模块21，用于根据蓄电池40的充电电压控制充电机的充电模式，充电模式包括：恒流充电模式和恒压充电模式；恒流控制模块22，用于在充电机为恒流充电模式时，根据蓄电池40的充电电流控制脉冲控制模块25调节充电机的输出电流；恒压控制模块23，用于在充电机为恒压充电模式时，根据蓄电池40的充电电压控制脉冲控制模块25调节充电机的输出电压；过零检测模块24，用于检测晶闸管三相桥式半控整流电路12的输入电压的过零点，向脉冲控制模块25输出零点信号；脉冲控制模块25，用于根据恒流控制模块22或恒压控制模块23的控制信号和零点信号，调节晶闸管三相桥式半控整流电路12中晶闸管的导通初始相位角。

具体的，充电模式仲裁模块21通过判断蓄电池40的充电电压控制充电机的充电模式，本实施例中，为了避免由于负载50扰动引起的蓄电池40充电模式频繁切换，充电模式仲裁模块21根据蓄电池40的充电电压采用电压滞环方式控制充电机的充电模式。

其中，电压滞环方式的控制原理为：当蓄电池40的充电电压上升至第一预设电压时，将充电机的充电模式切换为恒压充电模式；当蓄电池40的充电电压下降至第二预设电压时，将充电机的充电模式切换为恒流充电模式；当蓄电池40的充电电压高于第二预设电压、低于第一预设电压时，控制充电机的充电模式不变。第一预设电压高于第二预设电压，第一预设电压和第二预设电压的值可以根据实际需要设置，本实施例不做特别限制。

以第一预设电压为114V，第二预设电压为112V，当前充电模式为恒流充电模式为例，当蓄电池40的充电电压上升至114V之前，控制充电机的充电模式保持恒流充电模式不变；当蓄电池40的充电电压上升至114V时，将充电机的充电模式切换为恒压充电模式；蓄电池40放电，蓄电池40的充电电压下降，当蓄电池40的充电电压下降至112V之前，控制充电机的充电模式保持恒压充电模式不变；当蓄电池40的充电电压下降至112V时，将充电机的充电模式切换为恒流充电模式。

在进行恒流充电时，充电机工作于电压开环电流闭环状态。具体工作原理为：恒流控制模块22以预设频率采集蓄电池40的充电电流Ic(Ic可根据蓄电池40的充电电压Uc和蓄电池40的阻抗Zkc获得)；然后将Ic与蓄电池给定电流Iref比较，根据Iref与Ic的差值Ie，通过比例积分(proportional integral，PI)控制器的输出控制量Piout控制脉冲控制模块25输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，调节晶闸管的导通初始相位角，以调节充电机的输出电流。

为了保证蓄电池恒流充电的动态性能和稳定性能，本实施例中，采用分段式PI与滞环相结合的控制方式，具体原理如图3所示：

恒流控制模块22根据电流误差(Ie的绝对值)的值，采用三个PI参数不同的PI控制器输出控制量Piout调节蓄电池40的充电电流。具体的，当电流误差小于第一预设电流I1时，采用第一PI控制器PI0，保持上周期的控制量不变；当电流误差大于等于I1、小于第二预设电流I2时，采用PI参数较小的第二PI控制器PI1调节充电机的输出电流，以对蓄电池40的充电电流进行微调；当电流误差大于等于I2时，采用PI参数较大的第三PI控制器PI2调节充电机的输出电流，以实现蓄电池40的充电电流的快速调节；其中，PI1的PI参数大于PI0的PI参数、小于PI2的PI参数，I1小于I2。

在进行恒压充电时，充电机工作于电压闭环状态。具体工作原理为：恒压控制模块23以预设频率采集蓄电池40的充电电压Uc，然后将Uc与蓄电池给定电压Uref比较，根据电压误差Ue(即Uref与Uc的差值)，通过PI控制器控制脉冲控制模块25输出PWM信号，调节晶闸管的导通初始相位角，以调节充电机的输出电压。

在进行过零检测时，过零检测模块24采用锁相环技术来检测晶闸管三相桥式半控整流电路12的三相输入电压的过零点，得到三相输入电压的零点信号后，输出给脉冲控制模块25，由脉冲控制模块25以此为基准，来调节晶闸管的导通初始相位角，实现晶闸管输出电压、电流的调节。

过零检测具体的工作原理为：过零检测模块24以一定的频率采集闸管三相桥式半控整流电路的输入电压U1(变压器11的UV相线电压)、U2(变压器11的VW相线电压)；然后将U1、U2经过公式(2)、(3)变换后，得到旋转坐标系下的d轴分量Ud和q轴分量Uq；再将Uq经PI控制器调节，当调节至0时，锁相输出角度θ即和变压器11的U相电压相位相同，则输出零点信号给脉冲控制模块25。

在进行脉冲控制时，脉冲控制模块25具体与晶闸管三相桥式半控整流电路12中晶闸管的门极连接，具体根据恒流控制模块22或恒压控制模块23的控制信号和零点信号，输出不同占空比的PWM信号(如图2中的PWM1、PWM2和PWM3)控制晶闸管的导通初始相位角。

如图2所示，本实施例中，晶闸管三相桥式半控整流电路12包括三个晶闸管Sa1、Sb2、Sc3和三个二极管Sa2、Sb2、Sc2，其中，Sa1与Sa2串联，Sb1与Sb2串联，Sc1与Sc2串联，与二极管串联后的三个晶闸管Sa1、Sb2、Sc3并联连接；变压器ATR的U相分别与Sa1的阳极、Sa2的负极连接，V相分别与Sb1的阳极、Sb2的负极连接，W相分别与Sc1的阳极、Sc2的负极连接。

可选的，本实施例中，滤波电路13与蓄电池40之间还串联有防反充二极管BD，以防止蓄电池40的电流反过来向充电机输送，损坏充电机组件。其中，防反充二极管BD的负极与滤波电路13连接，防反充二极管BD的正极与蓄电池40连接。

进一步的，滤波电路13包括：滤波电感L和滤波电容C；滤波电感L的一端与晶闸管三相桥式半控整流电路12的三个晶闸管Sa1、Sb2、Sc3的阴极连接，滤波电感L的另一端与防反充二极管BD的正极连接；滤波电容C的一端分别与滤波电感L的另一端、防反充二极管BD的正极连接，滤波电容C的另一端与晶闸管三相桥式半控整流电路12的三个二极管Sa2、Sb2、Sc2的正极连接。

本实施例提供的充电机控制系统，充电模式仲裁模块根据蓄电池的充电电压采用电压滞环方式控制充电机的充电模式，避免了由于负载扰动引起的蓄电池充电模式频繁切换；在进行恒流充电时，恒流控制模块采用分段PI控制方式调节充电机的输出电流，保证了蓄电池恒流充电的动态性能和稳定性能，提高了充电机在负载突变时的动态响应性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。