专利名称：矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿用电机车控制系统。
背景技术：
矿用电机车在煤矿中使用的数量越来越多，现有技术中大功率的电机车一般配有双电机，这种双电机有2组动力电池，通过2台电机和2组电池的串并联组合来实现起动和调速，具体地先将2组电池并联，2台电机串联；然后将2组电池并联，2台电机并联；再将 2组电池串联，2台电机并联。这种电机车的缺点是尽管控制系统比较简单，但是在减速齿轮变速比一定的条件下，速度不能实现无级调节，使用有时不便，而且动力电池有2组，串并联使用却很难对之进行电池管理，电池性能得不到最佳发挥，材料上仍采用铅酸电池，铅酸电池的循环寿命差，体积大重量沉，铅和硫酸都污染环境，充电周期长，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，从而达到延长动力电池的使用时间的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双电机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双电机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、 双电机电机车斩波调速控制装置和充电机；双电机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、 两个霍尔电流传感器、三个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、两个电机电枢绕组、两个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，第五直流接触器的线圈连接在两条通路之间，第五直流接触器的常开触点连接在第一通路上；三个绝缘栅双极型晶体管的栅极分别与斩波控制器连接；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第一电机励磁绕组，第一直流接触器的常开触点和第二直流接触器的常开触点相接后，连接第一电机电枢绕组，之后连接第一绝缘栅双极型晶体管的发射极，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第一直流接触器的常闭触点和第二直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第四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第二电机励磁绕组，第三直流接触器的常开触点和第四直流接触器的常开触点相接后，连接第二电机电枢绕组，之后连接第二绝缘栅双极型晶体管的发射极，第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第三直流接触器的常闭触点和第四直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与第一、第二绝缘栅
3双极型晶体管的发射极连接，第一霍尔电流传感器一端与第一直流接触器的常闭触点、第二直流接触器的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器一端与第三直流接触器的常闭触点、第四直流接触器的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，充电电容与第一通路连接。进一步，所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关。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。本发明的有益效果每台电机的电枢绕组和励磁绕组是串联的，2台电机之间是并联的，进而实现起动特性软，小电流力矩大，2台电机负荷自动均衡的特性。在下坡运动时，直流双电机电机车可工作在制动状态，2台电机为并联发电机，第三绝缘栅双极型晶体管导通形成制动通路，第三绝缘栅双极型晶体管断开给磷酸铁锂电池组充电，延长了电池组的使用寿命。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。
图1是双电机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。
具体实施例方式下面结合图1至图3对本发明进行详细说明双电机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、 双电机电机车斩波调速控制装置和充电机。双电机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、 两个霍尔电流传感器11、12、三个绝缘栅双极型晶体管IGBTl、IGBT2、IGBT3、充电电容、五个直流接触器KMl、KM2、KM3、KM4、KMP、两个电机电枢绕组S1、S2、两个电机励磁绕组C1、C2 及两条通路2、3。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KMl 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KM4的线圈分别与斩波控制器连接，第五直流接触器KMP的线圈连接在两条通路2、3之间，第五直流接触器KMP的常开触点连接在第一通路上2。三个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、 IGBT3的栅极分别与斩波控制器连接；第一直流接触器KMl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第一电机励磁绕组Cl，第一直流接触器KMl的常开触点和第二直流接触器KM2的常开触点相接后， 连接第一电机电枢绕组Si，之后连接第一绝缘栅双极型晶体管IGBTl的发射极，第一绝缘栅双极型晶体管IGBTl的集电极连接第一通路2，第一直流接触器KMl的常闭触点和第二直流接触器KM2的常闭触点相接后，连接第二通路3。第三直流接触器KM3的常开触点和常闭触点串联，第四直流接触器KM4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第二电机励磁绕组C2，第三直流接触器KM3的常开触点和第四直流接触器KM4的常开触点相接后，连接第二电机电枢绕组S2，之后连接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极连接第一通路2，第三直流接触器KM3的常闭触点和第四直流接触器KM4的常闭触点相接后，连接第二通路3。第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极与第一、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2的发射极连接，第一霍尔电流传感器11 一端与第一直流接触器KMl的常闭触点、第二直流接触器KM2的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器12 —端与第三直流接触器KM3的常闭触点、第四直流接触器KM4的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，充电电容4与第一通路2连接。所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关5。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6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7，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。双电机电机车斩波调速控制装置的主要特点1)每台电机的电枢绕组和励磁绕组是串联的，2台电机之间是并联的，进而实现起动特性软，小电流力矩大，2台电机负荷自动均衡的特性。接触器KMl KM2和KM3 KM4分别用于改变励磁绕组中的电流方向，从而改变电机的正反转，2台电机只能同向转动，不允许反向转动。不同阶段下，各器件的状态为向前行驶阶段:KMP KMl KM3吸合，KM2 KM4断开，IGBTl IGBT2斩波控制，IGBT3
停止工作。向后行驶阶段:KMP KM2KM4吸合，KMl KM3断开，IGBTl IGBT2斩波控制，IGBT3停
止工作。电机车加速和全速行驶时工作的IGBT功率管是一样，不过全速行驶时的导通角为100%，而且功率管IGBTl IGBT2并联同频驱动使用。2)在下坡运动时，直流双电机电机车可工作在制动状态，2台电机为并联发电机， 功率管IGBT3导通形成制动通路，功率管IGBT3断开给磷酸铁锂电池组充电，进一步延长了电池组的使用寿命，不同阶段下，各器件的状态为向前制动阶段KMP KM2 KM4吸合，KMl KM3断开，IGBTl IGBT2停止工作，IGBT3
5斩波控制。向后制动阶段KMP KMl KM3吸合，KM2 KM4断开，IGBTl IGBT2停止工作，IGBT3 斩波控制。经功率管IGBT3斩波控制后，电机两端电压升高，充电电压经二极管、主控与副控互锁切换开关、缓冲电容阵列、KMP接触器触点、隔爆插销后，给磷酸铁锂电池组充电。3)斩波控制箱内接触器KMP KMl或KM2 KM3或KM4互锁切换开关SKl或SK2均吸合后，再由IGBTl和IGBT2逐渐增大电机绕组中的电流，接触器为无弧通断，无触头损耗，使用寿命长。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。互锁切换开关SKl SK2用于主驾驶室和副驾驶室控制时的自动切换。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2个霍尔电流传感器检测到电机过流动作后，斩波控制器都将封锁IGBT斩波输出，从而保护了电机和IGBT功率管，减少了电器设备的故障率。在煤矿瓦斯浓度高的环境中，系统能自动断电保护，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。斩波控制处理器再根据光电给定器给定的电压，来调节IGBT功率管驱动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)在起动、调速、加速和制动情形下，光电给定器给定的电压输入斩波控制器，通过内部电流闭环PID调节算法，输出占空比与之成比例的PWM信号控制IGBTl IGBT2或 IGBT3的通断，进而调节电机中的电流，该电流经霍尔电流传感器后，产生0-4V模拟反馈信号输入斩波处理控制器，以调整IGBTl IGBT2或IGBT3的通断频率，通过这种闭环电流控制方式，实现了司机操作把柄摆角与电机车速度的一一对应关系。7)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，都由斩波控制处理器予以禁止响应。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η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η-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η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 lOOAh，则串并联后电池组的电压为3. 2*n，最大容量为100*mAh。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Qvl Qv2 Qv3 Qv4……Qvten-D Qvi2n)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Qvl Qv2 Qv3 Qv4……Qv(2n_D 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①Qv4 Qv(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。③Qv2 Qvi2lri)有效，2#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。④Qvi2lri)无效，Qvl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Qlm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。
权利要求
1.双电机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、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机；双电机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、两个霍尔电流传感器、三个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、两个电机电枢绕组、两个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，第五直流接触器的线圈连接在两条通路之间，第五直流接触器的常开触点连接在第一通路上；三个绝缘栅双极型晶体管的栅极分别与斩波控制器连接；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第一电机励磁绕组，第一直流接触器的常开触点和第二直流接触器的常开触点相接后，连接第一电机电枢绕组，之后连接第一绝缘栅双极型晶体管的发射极，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第一直流接触器的常闭触点和第二直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第四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第二电机励磁绕组，第三直流接触器的常开触点和第四直流接触器的常开触点相接后，连接第二电机电枢绕组，之后连接第二绝缘栅双极型晶体管的发射极，第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第三直流接触器的常闭触点和第四直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与第一、第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，第一霍尔电流传感器一端与第一直流接触器的常闭触点、第二直流接触器的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器一端与第三直流接触器的常闭触点、第四直流接触器的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，充电电容与第一通路连接。
2.根据权利要求1所述的双电机斩波调速电机车管控系统，其特征在于所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关。
3.根据权利要求1或2所述的双电机斩波调速电机车管控系统，其特征在于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。
全文摘要
本发明公开一种矿用新型磷酸铁锂双电机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、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机。双电机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、两个霍尔电流传感器、三个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、两个电机电枢绕组、两个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。
文档编号H02P6/04GK102324876SQ201110264630
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者于志豪, 孙传余, 李洪宇, 肖林京, 高峰 申请人:山东科技大学