专利名称：一种矿井电力机车驱动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井电力机车运行的驱动控制系统，特别是用超级电容代替传统蓄电池、以无刷的开关磁阻电机控制系统取代有刷的直流电机，属于矿井电力机车的电气驱动控制技术领域。
背景技术：
煤炭是当前我国最主要的能源支柱，矿井电力机车是煤矿运输的重要设备。现有矿井电力机车分两种，一种为蓄电池电力机车，另一种为架线式矿井电力机车。对于高瓦斯矿井，由于不准使用架线式电力机车，所以必须采用蓄电池电力机车。此外，现有电力机车主要以有刷直流电机驱动为主，也有少量交流感应电机驱动的车辆，且每台机车需要两台同等功率的电机，负责前进与后退驱动。
现有技术的缺点有1)架线式矿井电力机车不准用于高瓦斯矿井；2)蓄电池电力机车在换能、系统运行中效率低，而且电池寿命短、维护量大，引发高费用，增加煤炭成本；3)每台机车需配备两台电机，造价高、结构复杂；4)直流电机驱动时，由于机械换向与碳刷，使得维护量大，更换频繁；5)井下防爆要求以及潮湿的工作环境都不利于电机散热，而直流电机与交流感应电机的转子都产生热量，对电机散热要求较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，为高瓦斯矿井提供一种矿井电力机车驱动控制系统，使矿井电力机车实现高效、节能、免维护和经济运行，改善机车性能，降低煤炭成本，即，采用快速充电超级电容组取代蓄电池，以改善效率、延长寿命；用一台开关磁阻电机取代传统两台直流电机驱动，以简化系统、降低造价和维护量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的驱动控制系统是由开关磁阻电机、功率变换器、电机控制器、整车控制器、能量控制管理单元、双向DC/DC变换器、超级电容组、电压均衡管理单元、充电用整流器及直流母线电解电容C组成。其联接方式为超级电容组通过双向DC/DC变换器、直流母线电解电容C和开关磁阻电机的功率变换器相联，构成可控的能量双向流动通路；电机控制器通过CAN总线与整车控制器、能量控制管理单元相联，构成信息双向流动的通路；开关磁阻电机与功率变换器相联，并受电机控制器控制；超级电容组通过双向DC/DC变换器与直流母线相联，并受能量控制管理单元控制；电压均衡管理单元直接与超级电容组相联，对超级电容组各单体电容进行电压均衡管理；交流电源插座通过充电用整流器与直流母线电解电容C相联，为快速充电提供能源。本发明的控制技术方案为正常充电时，交流电源插座与地面交流电源插头对接，能量控制管理单元输出PWM信号，控制双向DC/DC变换器，使能量经充电用整流器与双向DC/DC变换器给超级电容组快速充电，为矿井电力机车提供短途运行能量；在发电制动期间，开关磁阻电机经功率变换器将发电能量传输至直流母线电解电容C，能量控制管理单元则控制双向DC/DC变换器，将此再生发电能量快速转存于超级电容组；电动期间，能量控制管理单元控制双向DC/DC变换器，确保直流母线电压恒定，超级电容组向开关磁阻电机提供能量。整车控制器基于司机需求，结合超级电容组电量与开关磁阻电机运行速度与状态(电动或发电)，优化整车控制策略。电机控制器根据整车指令，输出PWM信号给功率变换器，以控制开关磁阻电机。整车控制器实时显示系统状态，如超级电容荷电状态、车速、各单体电容是否有故障等。
本发明中，开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器经过一体化设计，将功率变换器和电机控制器封装于开关磁阻电机壳体之中，使三者之间的连线从电机壳体内部穿过，而仅外置电机控制器CAN总线与直流母线。
本发明中，开关磁阻电机采取两端出轴，且两端都配置有总速比相同的齿轮箱。通过控制开关磁阻电机正转与反转，可控制机车前进与后退，制动时则将能量通过开关磁阻电机、功率变换器回馈到直流母线，能量控制管理单元则控制双向DC/DC变换器将回馈能量存储于超级电容组。驱动系统的电源即采用快速充电超级电容组。
为方便描述，将开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器通称为电机与控制一体化系统，将充电用整流器、直流母线电解电容C、能量控制管理单元和双向DC/DC变换器通称为能量控制器。
本发明具有如下优点和效益(1)以快速充电超级电容组储能代替蓄电池，改善换能效率，节约能量，解决蓄电池寿命短、维护量大的问题，降低运行成本；(2)充分利用开关磁阻电机正、反转及制动功能，以一台无刷的开关磁阻电机驱动电力机车取代原两台有刷的直流电机驱动机车，节约费用，降低维护要求，降低造价，简化系统；(3)驱动电力机车的开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器采用一体化设计，提高了集成度，减少外部连线，改善系统可靠性；(4)开关磁阻电机的转子发热低，可降低对散热的要求；(5)由开关磁阻电机构成的驱动系统具有结构简单坚固、成本低廉、工作可靠，几乎不需要维护，且具有故障容错性，运行效率高等优点，将解决直流电机维护量大的问题，改善机车性能；(6)通过本发明可以改善机车运煤效率，实现节能、免维护、环保目的，降低煤炭成本。
图1是本发明矿井电力机车驱动控制系统方框图；图2是本发明矿井电力机车底盘结构示意图；图3是本发明矿井电力机车驱动系统在车体中的布局结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明矿井电力机车驱动控制系统包括开关磁阻电机，功率变换器，电机控制器，整车控制器，能量控制管理单元，双向DC/DC变换器，超级电容组，电压均衡管理单元，充电用整流器，直流母线电解电容C。系统的联接方式为超级电容组通过双向DC/DC变换器、直流母线电解电容C和开关磁阻电机的功率变换器相联，构成可控的能量双向流动通路；电机控制器通过CAN总线与整车控制器、能量控制管理单元相联，构成信息双向流动的通路；电压均衡管理单元直接与超级电容组相联，对超级电容组各单体电容进行电压均衡管理；充电用整流器直接与直流母线电解电容C相联，通过交流电源插座为超级电容组的快速充电提供能源；电机控制器通过传感器接受开关磁阻电机的电流与转子位置信号反馈，输出PWM信号给功率变换器，以控制开关磁阻电机；能量控制管理单元通过传感器接受超级电容组的电压、电流信号和直流母线电压信号，输出PWM信号给双向DC/DC变换器，以控制超级电容组与直流母线间的双向能量流动。
整车控制器根据电机控制器提供的电机速度与状态(电动与发电)，结合能量控制管理单元提供的超级电容组电量及司机需求，优化整车控制策略。能量控制管理单元根据整车控制器给出的指令，进行能量管理。电机控制器根据整车控制器指令，控制开关磁阻电机进行电动或制动运行。基于电机控制器与能量控制管理单元提供的信息，整车控制器完成整车状态的信息显示，如超级电容荷电状态、车速、各单体电容是否有故障等。
当制动时，能量控制管理单元控制双向DC/DC变换器，将开关磁阻电机转化的能量回收到超级电容组；当电动时，能量控制管理单元控制双向DC/DC变换器由超级电容组提供电能给直流母线，为开关磁阻电机运行提供能量，并确保直流母线电压恒定；当正常快速充电时，机车交流电源插座与地面交流电源插头对接，能量经过充电用整流器将交流电整流为直流电，供给直流母线，能量控制管理单元控制双向DC/DC变换器将能量快速存储于超级电容组中。
图2给出了本发明的矿井电力机车底盘结构示意图。开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器采取一体化设计，将功率变换器和电机控制器封装于开关磁阻电机壳体之中，使三者之间的连线从电机壳体内部穿过，而仅外置电机控制器CAN总线与直流母线。而且，开关磁阻电机采取两端出轴，且两端都配置有总速比相同的齿轮箱(Z1、Z2和Z3、Z4)。通过控制开关磁阻电机正转与反转，可控制机车前进与后退，制动时则将能量通过开关磁阻电机、功率变换器回馈给直流母线。
图3为本发明系统在车体中的布局结构示意图。能量控制器(包括充电用整流器、直流母线电解电容C、能量控制管理单元和双向DC/DC变换器)、超级电容组、电压均衡管理单元都被封装于防爆箱体内，外接引线为CAN总线、直流母线及交流电源插座(防爆接口)。电机与控制一体化系统包括开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器，布置于机车底盘，外置直流母线与CAN总线。整车控制器被布置于驾驶室内，有显示及司机操作手柄等，外留接口为CAN总线。
本发明的其他变化和修改对本领域技术人员来说是显而易见的，本发明并不局限于所述的具体实施方式
。因此，与本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1.一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于它包括开关磁阻电机、功率变换器、电机控制器、整车控制器、能量控制管理单元、双向DC/DC变换器、超级电容组、电压均衡管理单元、充电用整流器、直流母线电解电容C；其联接方式为超级电容组通过双向DC/DC变换器、直流母线电解电容C和开关磁阻电机的功率变换器相联，构成可控的能量双向流动通路；电机控制器通过CAN总线与整车控制器、能量控制管理单元相联，构成信息双向流动的通路；开关磁阻电机与功率变换器相联，并受电机控制器控制；超级电容组通过双向DC/DC变换器与直流母线相联，能量控制管理单元控制超级电容组与直流母线间能量的流动；电压均衡管理单元直接与超级电容组相联，对超级电容组各单体电容进行电压均衡管理；充电用整流器直接与直流母线电解电容C相联，通过交流电源插座，为超级电容组快速充电提供能源。
2.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于驱动电机为单台开关磁阻电机，该电机采取两端出轴，且两端都配置有总速比相同的齿轮箱。通过控制开关磁阻电机正转与反转，可控制机车前进与后退。
3.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于开关磁阻电机、功率变换器及电机控制器经过一体化设计，将功率变换器和电机控制器封装于开关磁阻电机壳体之中，使三者之间的连线从电机壳体内部穿过，而仅外置电机控制器CAN总线与直流母线。
4.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于整车控制器、电机控制器及能量控制管理单元间采用CAN总线通信。
5.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于机车电源采用快速充电超级电容组。
6.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于当正常快速充电时，将机车充电用交流电源插座与地面交流插头对接，充电用整流器将交流电整流为直流电，供给直流母线电解电容C，能量控制管理单元控制双向DC/DC变换器，以给超级电容组充电。
7.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于电动期间，利用能量控制管理单元和双向DC/DC变换器确保直流母线电压恒定，由超级电容组向电机提供能量。
8.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于在发电制动期间，电力机车利用能量控制管理单元、双向DC/DC变换器，将开关磁阻电机传输到直流母线电解电容C的能量快速回收到超级电容组。
9.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于基于电机控制器与能量控制管理单元提供的信息，整车控制器完成整车状态的信息显示，如超级电容荷电状态、车速、各单体超级电容是否有故障等。
10.根据权利要求1所述的一种矿井电力机车驱动控制系统，其特征在于整车控制器根据电机控制器提供的电机速度与状态(电动与发电)，结合能量控制管理单元提供的电容器组电量及司机需求，优化整车控制策略。
全文摘要
本发明公开了一种矿井电力机车驱动控制系统，它以超级电容组为电源、以单台开关磁阻电机为驱动电机。超级电容组为机车驱动电机提供每个运输周期的能量，在运输起始地点将机车充电用交流电源插座与地面交流插头对接，完成快速充电；机车制动发电期间，通过能量控制器将发电能量快速回收到超级电容组；整车控制器通过CAN总线与电机控制器、能量控制器通信，根据司机需求、电机运行状态与超级电容组荷电状态，优化整车控制策略，发出能量管理指令和电机控制指令。电机与控制一体化系统被封装于电机壳体之中，简化了外部连线。本发明将有效改善机车运行效率，降低运行成本，实现节能、免维护、环保目的，在矿井电力机车中具有很好的推广价值。
文档编号B60L15/20GK1948045SQ20061011457
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者葛宝明 申请人:北京交通大学