CN102355180A

CN102355180A - 矿用新型磷酸铁锂开关磁阻电机车管控系统

Info

Publication number: CN102355180A
Application number: CN2011102645394A
Authority: CN
Inventors: 肖林京; 孙传余; 于志豪; 刘伟; 张绪帅
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102355180B

Abstract

本发明公开一种矿用新型磷酸铁锂开关磁阻电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、开关磁阻电机车控制装置和充电机。开关磁阻电机车控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、三个霍尔电流传感器、六个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、一个直流接触器、电机A相绕组接线端、电机B相绕组接线端、电机C相绕组接线端及两条通路。该系统具有控制精度高，设备使用寿命长的优势。

Description

矿用新型磷酸铁锂开关磁阻电机车管控系统

技术领域

本发明涉及矿用电机车控制系统。

背景技术

矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具，并且在煤矿中使用的数量越来越多，目前应用在电机车中的常用直流电机包括有刷直流电机、无刷直流电机、交流电机三种。有刷直流电机的缺点是：需进行定期的维护，更换换向环，成本高且非常不便。无刷直流电机的缺点是：需用电力电子器件检测和控制电流方向的改变，电路结构较复杂。交流电机的缺点是：需将电池组提供的直流电进行逆变，控制比较复杂，而且采用的逆变结构必然消耗电能，降低了电池的效率。而且，采用的动力电池均采用铅酸电池，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机车管控系统，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：

开关磁阻电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、开关磁阻电机车控制装置和充电机；

开关磁阻电机车控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、三个霍尔电流传感器、六个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、一个直流接触器、电机A相绕组接线端、电机B相绕组接线端、电机C相绕组接线端及两条通路；光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，六个绝缘栅双极型晶体管的栅极分别与斩波控制器连接，六个绝缘栅双极型晶体管分别连接在两条通路之间，各集电极与第一通路连接，各发射极与第二通路连接；电机A相绕组接线端连接在第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极之间，电机B相绕组接线端连接在第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的集电极之间，电机C相绕组接线端连接在第五绝缘栅双极型晶体管的发射极和第六绝缘栅双极型晶体管的集电极之间；第一霍尔电流传感器一端与第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器一端与第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，另一端连接斩波控制器，第三霍尔电流传感器一端与第六绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，另一端连接斩波控制器；直流接触器的线圈接在两条通路之间，直流接触器的常开触点设置在第一通路上，充电电容与第一通路连接。

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：

开关磁阻电机无需采用接触器进行绕组电流方向的切换，节省了控制装置内接触器的数量，接触器可防止外部电池组反接，反接时控制装置内无电压，同时也为回馈电路提供通路。

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，性能可靠。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。

具备完善的保护功能，包括浪涌、缺相、过流、过压、欠压、超温、短路等，发生故障后，由斩波控制器自动采取调节措施，采用闭环控制系统，当三个霍尔电流传感器检测到电机过流后，斩波控制器将封锁绝缘栅双极型晶体管斩波输出，从而保护了开关磁阻电机和绝缘栅双极型晶体管，减少了电器设备的故障率，

附图说明

图1是开关磁阻电机车控制装置的电路图。

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。

图4是开关磁阻电机的结构与控制示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明进行详细说明：

开关磁阻电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、开关磁阻电机车控制装置和充电机。

开关磁阻电机车控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、三个霍尔电流传感器11、12、13、六个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、充电电容2、一个直流接触器KMP、电机A相绕组接线端31、电机B相绕组接线端32、电机C相绕组接线端33及两条通路4、5。光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，六个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6的栅极分别与斩波控制器连接，六个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6分别连接在两条通路4、5之间，各集电极与第一通路连接4，各发射极与第二通路连接5。电机A相绕组接线端31连接在第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极之间，电机B相绕组接线端32连接在第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集电极之间，电机C相绕组接线端33连接在第五绝缘栅双极型晶体管IGBT5的发射极和第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6的集电极之间。第一霍尔电流传感器11一端与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器12一端与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT4的发射极连接，另一端连接斩波控制器，第三霍尔电流传感器13一端与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT6的发射极连接，另一端连接斩波控制器。直流接触器KMP的线圈接在两条通路4、5之间，直流接触器KMP的常开触点设置在第一通路4上，充电电容2与第一通路4连接。

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。

开关磁阻电机是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品，开关磁阻电机结构简单、制造容易，工作转速高，耐高温，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境，低速性能好，起动转矩大，无起动冲击电流，调速范围宽，控制灵活，能四象限运行，具有较强的再生制动能力，系统效率高，功率器件不会出现直通故障，可靠性高，因此开关磁阻电机在煤矿有广泛的应用前景，可应用于牵引采煤机、绞车、输送机、电机车等对调速要求较高的设备。

开关磁阻电机车控制装置的主要特点：

1)开关磁阻电机的定子与转子结构均为三相凸12/8极结构，是由硅钢片叠压而成，转子上即无绕组也无永磁体，定子极上绕有线圈，如图4所示。以A相绕组为例，当定子A相绕组通电时，电机内建立起磁场，A1a1同磁极，A2a2同磁极，A1与A2异磁极，根据最小磁阻原理形成电磁闭合通路，当两凸极位置不对齐时，磁力线被扭曲而产生切向磁拉力，产生转矩，使转子转动，当两凸极位置对齐时，转子达到平衡位置，然后B相绕组或C相绕组再通电，由于定转子上的凸极数量不等，磁力线必是被扭曲而产生新的切向磁拉力，如此往复产生旋转运动。旋转方向与电流方向无关，只于绕组的通电顺序有关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。通过控制A相绕组的功率管IGBT1IGBT2，B相绕组的功率管IGBT3IGBT4，C相绕组的功率管IGBT5IGBT6的导通状态和频率，就可改变电机的转向和速度。

向前行驶时：A相IGBT1 IGBT2→B相IGBT3 IGBT4→C相IGBT5 IGBT6

向后行驶时：A相IGBT1 IGBT2→C相IGBT5 IGBT6→B相IGBT3 IGBT4

2)在下坡运动时，电机车工作在制动状态，开关磁阻电机发电运行过程为：IGBT功率管导通时磷酸铁锂电池组分别供给三相定子绕组A、B、C励磁电流，产生制动转矩吸收机械能，所吸收的机械能转化为电磁能储存在定子绕组中，IGBT功率管断开时，三相定子绕组A、B、C储存的电磁能分别通过续流二极管向磷酸铁锂电池组充电。定子三相绕组交替导通，定子绕组输出脉动回馈电压，脉动频率随电机转速升高而增加，幅值随电机回馈功率增加而增大。

向前制动时：A相IGBT1 IGBT2→B相IGBT3 IGBT4→C相IGBT5 IGBT6

向后制动时：A相IGBT1 IGBT2→C相IGBT5 IGBT6→B相IGBT3 IGBT4

3)开关磁阻电机无需采用接触器进行绕组电流方向的切换，节省了控制装置内接触器的数量，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。开关磁阻电机需安装位置传感器，向斩波控制器提供转子相对位置及速度的信号，使斩波控制器能够正确判断和决定开关磁阻电机三相定子绕组各个的导通和关断时刻，确保开关磁阻电机的正常工作。

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，性能可靠。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)具备完善的保护功能，包括浪涌、缺相、过流、过压、欠压、超温、短路等，发生故障后，由斩波控制器自动采取调节措施，采用闭环控制系统，当3个霍尔电流传感器检测到电机过流或3个温控开关过热动作后，斩波控制器都将封锁IGBT斩波输出，从而保护了开关磁阻电机和IGBT功率管，减少了电器设备的故障率，同时非正常的司机操作，如电机车行驶过程中改变电机转向，都由斩波控制器予以禁止响应。

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n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n-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n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100Ah，则串并联后电池组的电压为3.2*n，最大容量为100*m Ah。

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Q_v1 Q_v2 Q_v3 Q_v4……Q_v(2n-1) Q_v(2n)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Q_v1 Q_v2 Q_v3 Q_v4……Q_v(2n-1) Q_v(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：

①Q_v4 Q_v(2n)有效，n#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。

②Q_v(2n)无效，Q_v3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。

③Q_v2 Q_v(2n-1)有效，2#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。

④Q_v(2n-1)无效，Q_v1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Q_Im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。

Claims

1.开关磁阻电机车管控系统，其特征在于：包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、开关磁阻电机车控制装置和充电机；

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机车管控系统，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。