CN104980072A - 一种内燃机车辅发电机励磁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内燃机车辅发电机励磁系统，包括辅发电压信号处理模块和电压采集模块、DC/DC电压调节模块和PWM驱动电路，所述DC/DC电压调节模块的输入端与直流电源连接，输出端正极与辅发电机励磁绕组高端连接，输出端负极接地，PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；所述PWM驱动电路的输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，PWM驱动电路输出高端与辅发电机励磁绕组高端连接，PWM驱动电路输出低端与辅发电机励磁绕组低端连接。本发明具有励磁电压调节范围广、励磁电压稳定性高、励磁电流精度高、发热量小、结构紧凑、系统可靠性高等优点，适应范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及到内燃机车领域，尤其涉及一种适用于内燃机车的辅发电机励磁系统。
背景技术
目前内燃机车辅发电机励磁斩波驱动的电源一般是蓄电池提供，蓄电池的电压一般比较固定，为110V或74V或24V，无刷发电机的励磁绕组阻值设计一般范围比较宽，当励磁电阻比较小时，提供励磁电流时，需串联一个比较大的励磁限流电阻，而当励磁电阻比较大时，则强励时不能满足要求，或需重新设计发电机，造成设计成本巨大。同时由于蓄电池的电压随着负载不同，而有电压波动，当电压波动时会导致励磁电流调节不稳，从而出现辅发电机输出电压不稳的现象。
常见的内燃机车辅发电机励磁系统模式如图1、图2所示，交流辅发电机的励磁电流由微机LCS辅发电压信号处理电路驱动辅发励磁驱动模块输出控制H桥，通过调节PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)脉冲的占空比来调节辅发输出电压，使之稳定在规定范围内，为了避免可调PWM脉宽范围太窄，一般串联一个励磁限流电阻。当辅助设备负载或柴油机转速变化时，动态地调节PWM脉冲开断时间来使辅发输出电压稳定。
微机LCS辅发电压信号处理电路将反馈电压信号经降压、放大、滤波整形，再经比较器产生方波信号，经MCF5235的eTPU进行频率信号处理，计算出柴油机的转速，从而计算出辅发电机的电压目标值；三相电压信号，同时经绝对值电路再经AD采集电路，计算得到辅发电机的电压信号幅值。
但该励磁系统存在以下缺点：
1.由于提供励磁电源的电压固定，对于发电机设计比较困难，一旦发电机的励磁电压比较高时，满足不了控制要求，而发电机的励磁电压太低，则需串联比较大的电阻。电阻既消耗功率，同时又是发热体，导致蓄电池能量损耗，结构设计困难。
2.由于蓄电池的电压随着蓄电池负载变化有波动，相应地导致辅发励磁电流产生波动，严重时会导致辅发输出电压产生振荡，损害辅发输出负载。
3.采用H桥控制需要四个IGBT或MOS管，成本比较高，驱动比较复杂，相对成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种励磁电压调节范围广、励磁电压稳定性高、励磁电流精度高、发热量小、结构紧凑、系统可靠性高的内燃机车辅发电机励磁系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种内燃机车辅发电机励磁系统，包括辅发电压信号处理模块、电压采集模块、DC/DC电压调节模块和PWM驱动电路，所述DC/DC电压调节模块的输入端与直流电源连接，输出端正极与辅发电机励磁绕组的高端连接，输出端负极接地，PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；所述PWM驱动电路的PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，所述PWM驱动电路输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，所述PWM驱动电路输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接。
作为本发明的进一步改进，所述DC/DC电压调节模块包括电感器L、第一二极管V1、第一电容器C1和第一开关管T1；所述电感器L的一端与电源正极连接，另一端与第一二极管V1的正极连接，第一二极管V1的负极作为DC/DC电压调节模块的输出端的正极；所述第一开关管T1的集电极与所述第一二极管V1的正极连接，基极为PWM脉冲输入端，与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，发射极与电源的负极连接，发射极作为DC/DC电压调节模块的输出端负极；所述第一电容器C1连接在输出端的正极与负极之间。
作为本发明的进一步改进，所述PWM驱动电路包括第一运算放大器N1、光耦合器G1、控制芯片N4、第二开关管T2和续流二极管V2；所述第一运算放大器N1的输入端与所述辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；所述光耦合器G1的输入端与第一运算放大器N1的输出端连接，降低PWM脉冲信号的噪声；所述控制芯片N4的输入端与光耦合器的输出端连接，输出端与第二开关管T2连接；所述第二开关管T2的栅极与控制芯片的输出端连接，第二开关管T2的漏极分为两路，一路作为输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接，一路与续流二极管V2正向串联后作为输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，第二开关管T2的源极接地。
作为本发明的进一步改进，所述PWM驱动电路还包括接口防护电路；所述接口防护电路包括稳压二极管V4、第二二极管V5、电阻R8和第二电容器C5，所述稳压二极管V4的正极与所述第二开关管T2的源极连接，负极与第二开关管T2的漏极连接；所述电阻R8与第二电容器C5串联后与稳压二极管并联；所述第二二极管V5与所述电阻R8并联。
作为本发明的进一步改进，所述PWM驱动电路通过接触器KM1与辅发电机励磁绕组连接，还包括一个输出端与接触器KM1连接的硬件过压保护电路，硬件过压保护电路通过比较电压采集模块采集的反馈电压与辅发电压信号处理模块计算得出的基准电压的差值，在反馈电压超出预设的保护电压时，驱动接触器KM1断路。
作为本发明的进一步改进，所述硬件过压保护电路包括第二运算放大器N2、第三运算放大器N3、第三二极管V3和继电器G2；所述反馈电压与基准电压分别作为第二运算放大器N2的输入，第二放大器的输出端分为两路，一路与第三运算放大器N3的输入端连接，一路与所述继电器G2的输入端连接；所述第三运算放大器N3的输出端与第三二极管V3正向串联后与第二运算放大器N2连接反馈电压的输入端连接；所述继电器的输出端作为硬件过压保护电路的输出端，与所述接触器KM1连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用可调节输出的DC/DC电压调节模块作为辅发电机励磁绕组的励磁电源，通过外部PWM脉冲实现输出电压的调节，不需要通过更换硬件，电压调节灵活方便、调节范围广，对各种设计好的发电机均可应用；同时，免去了降压用的励磁电阻，降低了蓄电池的功耗，减少了发热源，能够更好的优化系统设计结构。
2、本发明的DC/DC电压调节模块输出电压调节精度高、输出稳定，使得励磁电流的控制精准且稳定，从而延长了辅助系统的寿命，增强了系统的可靠性。
3、本发明包括硬件过压保护电路，在软件过压保护失效时，通过硬件电路检测到电压值过高，断开接触器，使过压保护更加可靠。
附图说明
图1为现有技术辅发电机励磁系统示意图。
图2为现有技术微机LCS辅发电压信号处理模块示意图。
图3为本发明实施例辅发电机励磁系统示意图。
图4为本发明实施例DC/DC电压调节模块示意图。
图5为本发明实施例PWM驱动电路示意图。
图6为本发明实施例PWM占空比与励磁电流变化示意图。
图7为本发明实施例硬件过压保护电路示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图3所示，本实施例一种内燃机车辅发电机励磁系统，包括辅发电压信号处理模块、电压采集模块、DC/DC电压调节模块和PWM驱动电路，DC/DC电压调节模块的输入端与直流电源连接，输出端正极与辅发电机励磁绕组的高端连接，输出端负极接地，PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；PWM驱动电路的PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，PWM驱动电路输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，PWM驱动电路输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接。
在本实施例中，内燃机辅发电机励磁绕组的电源由DC/DC电压调节模块提供，其中，DC/DC电压调节模块的输入电压可以是标准的110V、74V或24V，其输出电压可通过PWM脉冲进行调节，当辅发电机励磁电阻较大时，将DC/DC电压调节模块的输出电压调高，当辅发电机励磁电阻较小时，将DC/DC电压调节模块的输出电压调低。由于DC/DC电压调节模块输出电压调节范围广、调节方式方便灵活，因此对各种设计好的发电机均可应用。内燃机辅发电机的励磁电流由辅发电压信号处理模块驱动PWM驱动电路输出控制，当辅助设备负载或柴油机转速变化时，通过动态地调节PWM脉冲的占空比来控制辅发电机的输出电压，使之稳定在规定的范围之内。
在本实施例中，如图4所示，DC/DC电压调节模块包括电感器L、第一二极管V1、第一电容器C1和第一开关管T1；电感器L的一端与电源正极连接，另一端与第一二极管V1的正极连接，第一二极管V1的负极作为DC/DC电压调节模块的输出端的正极；第一开关管T1的集电极与第一二极管V1的正极连接，基极为PWM脉冲输入端，与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，发射极与电源的负极连接，发射极作为DC/DC电压调节模块的输出端负极；输出端的正极与负极之间连接有滤波电容C1。需要说明的是，DC/DC电压调节模块的设计可以采用隔离方式或非隔离方式，本发明采用了非隔离的调节方式，当微机LCS辅发电压信号处理模块计算好辅发电机励磁绕组需要的励磁电压值，然后提供一个固定的PWM占空比给第一开关管T1，使输出电压维持恒定，如果励磁电压范围不合适，调节脉冲占空比即可，不需要另外增加设备。在本实施例中，第一开关管T1为三极管。
在本实施例中，如图5所示，PWM驱动电路包括第一运算放大器N1、光耦合器G1、控制芯片N4、第二开关管T2和续流二极管V2；第一运算放大器N1的输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；光耦合器G1的输入端与第一运算放大器N1的输出端连接，用于降低PWM脉冲信号的噪声；控制芯片N4的输入端与光耦合器的输出端连接，输出端与第二开关管T2连接；第二开关管T2的栅极与控制芯片的输出端连接，第二开关管T2的漏极分为两路，一路作为输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接，一路与续流二极管V2正向串联后作为输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，第二开关管T2的源极接地。
在本实施例中，控制芯片N4采用施密特触发芯片，第二开关管T2和第三开关管T3为MOS管(金属-氧化物-半导体场效应管)，通过采用两个MOS管并联，可以减少导通电阻，降低电路的发热量。辅发电压信号处理模块的PWM脉冲通过第一运算放大器N1实现波形反向驱动，经光耦合器G1隔离，降低PWM脉冲信号的噪声，输出信号经分压电阻R3后分两路分别连接到施密特触发芯片N4的两个输入端，施密特触发芯片N4的输出端1OUT与电阻R5串联后与第二开关管T2的栅极连接，输出端2OUT与电阻R6串联后与第三开关管T3的栅极连接，第二开关管T2漏极与第三开关管T3的漏极连接后分为两路，一路作为输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接，一路与第二二极管V2正向串联后作为输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，第二开关管T2和第三开关管T3的源极接地。当PWM的脉宽从0～90％之间变化时，MOS管的一个周期内导通时间也从0～90％变化，输出的励磁电流则满足0～90％的变化范围，本实施例实际的励磁电流与占空比关系如图6所示。
在本实施例中，PWM驱动电路还包括接口防护电路；接口防护电路包括稳压二极管V4、第二二极管V5、电阻R8和第二电容器C5；稳压二极管V4的正极与第二开关管T2的源极连接，负极与第二开关管T2的漏极连接；电阻R8与第二电容器C5串联后与稳压二极管并联；第二二极管V5与电阻R8并联。通过接口防护电路，可抑制电路中的电压振荡和电流噪声，进一步保证辅发电机励磁电流的精准稳定。
在本实施例中，如图7所示，PWM驱动电路通过接触器KM1与辅发电机励磁绕组连接，还包括一个输出端与接触器KM1连接的硬件过压保护电路，硬件过压保护电路通过比较电压采集模块采集的反馈电压与辅发电压信号处理模块计算得出的基准电压的差值，在反馈电压超出预设的保护电压时，驱动接触器KM1断路。硬件过压保护电路包括第二运算放大器N2和第三运算放大器N3和继电器G2；反馈电压与基准电压分别作为第二运算放大器N2的输入，第二放大器的输出端分为两路，一路与所述继电器G2的输入端连接，一路与第三运算放大器N3的输入端连接；所述第三运算放大器N3的输出端与第三二极管V3正向串联后与第二运算放大器N2连接反馈电压的输入端连接；继电器的输出端为硬件过压保护电路的输出端与所述接触器KM1连接。第二运算放大器的输出端还串联一个发光二极管V9，以实现在反馈电压超出预设的保护电压时，驱动发光二极管发光，发出过压保护信号。
在本实施例中，反馈电压经分压电阻R9分压，进入第二运算放大器N2，基准电压经分压电阻R12分压，进入第二运算放大器，当分压后的输入电压超过分压后的基准电压时，第二运算放大器N2输出高电平，驱动发光二极管发光，同时驱动继电器G2闭合，使得OVP+与OVP-短接，从而驱动接触器KM1断开，实现保护目的。同时，第二运算放大器N2的输出经第三运算放大器N3跟随，使第三二极管V3输出高电平，从而实现过压保护锁定，需要断电重启才能解锁。本实施例通过硬件过压保护电路，实现了对内燃机车辅发电机励磁系统的双重保护，在软件保护失效时，通过硬件断开接触器KM1，使得对电路的过压保护更加可靠。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种内燃机车辅发电机励磁系统，包括辅发电压信号处理模块和电压采集模块，其特征在于：还包括DC/DC电压调节模块和PWM驱动电路，所述DC/DC电压调节模块的输入端与直流电源连接，输出端正极与辅发电机励磁绕组的高端连接，输出端负极接地，PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；所述PWM驱动电路的PWM脉冲输入端与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，所述PWM驱动电路输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，所述PWM驱动电路输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接。
2.根据权利要求1所述的内燃机车辅发电机励磁系统，其特征在于：所述DC/DC电压调节模块包括电感器L、第一二极管V1、第一电容器C1和第一开关管T1；所述电感器L的一端与电源正极连接，另一端与第一二极管V1的正极连接，第一二极管V1的负极作为DC/DC电压调节模块的输出端的正极；所述第一开关管T1的集电极与所述第一二极管V1的正极连接，基极为PWM脉冲输入端，与辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接，发射极与电源的负极连接，发射极作为DC/DC电压调节模块的输出端负极；所述第一电容器C1连接在输出端的正极与负极之间。
3.根据权利要求1所述的内燃机车辅发电机励磁系统，其特征在于，所述PWM驱动电路包括第一运算放大器N1、光耦合器G1、控制芯片N4、第二开关管T2和续流二极管V2；
所述第一运算放大器N1的输入端与所述辅发电压信号处理模块的PWM脉冲输出端连接；
所述光耦合器G1的输入端与第一运算放大器N1的输出端连接，降低PWM脉冲信号的噪声；
所述控制芯片N4的输入端与光耦合器的输出端连接，输出端与第二开关管T2连接；
所述第二开关管T2的栅极与控制芯片的输出端连接，第二开关管T2的漏极分为两路，一路作为输出端的低端与辅发电机励磁绕组的低端连接，一路与续流二极管V2正向串联后作为输出端的高端与辅发电机励磁绕组的高端连接，第二开关管T2的源极接地。
4.根据权利要求3所述的内燃机车辅发电机励磁系统，其特征在于：所述PWM驱动电路还包括接口防护电路；所述接口防护电路包括稳压二极管V4、第二二极管V5、电阻R8和第二电容器C5，所述稳压二极管V4的正极与所述第二开关管T2的源极连接，负极与第二开关管T2的漏极连接；所述电阻R8与第二电容器C5串联后与稳压二极管并联；所述第二二极管V5与所述电阻R8并联。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机车辅发电机励磁系统，其特征在于：所述PWM驱动电路通过接触器KM1与辅发电机励磁绕组连接，还包括一个输出端与接触器KM1连接的硬件过压保护电路，硬件过压保护电路通过比较电压采集模块采集的反馈电压与辅发电压信号处理模块计算得出的基准电压的差值，在反馈电压超出预设的保护电压时，驱动接触器KM1断路。
6.根据权利要求5所述的内燃机车辅发电机励磁系统，其特征在于：所述硬件过压保护电路包括第二运算放大器N2、第三运算放大器N3、第三二极管V3和继电器G2；所述反馈电压与基准电压分别作为第二运算放大器N2的输入，第二放大器的输出端分为两路，一路与第三运算放大器N3的输入端连接，一路与所述继电器G2的输入端连接；所述第三运算放大器N3的输出端与第三二极管V3正向串联后与第二运算放大器N2连接反馈电压的输入端连接；所述继电器的输出端作为硬件过压保护电路的输出端，与所述接触器KM1连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151014 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |