CN105978424A - 一种励磁斩波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种励磁斩波器，包括：主电路模块、控制模块、散热器和封装外壳；所述封装外壳用于将所述主电路模块、控制模块和散热器封装在一起，以提高所述励磁斩波器的集成度，从而实现便于管理人员对所述励磁斩波器的快速控制、维护以及检修的目的。并且所述整理模块、斩波模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容固定于所述散热器表面；所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒中，充分利用空间，结构布局紧凑合理，充分考虑了散热点的温升，避免温度过度集中。进一步的，所述散热器对贴放在其表面的器件产生的热量进行传递和冷却，使所述整流模块和斩波模块中的元件处于正常工作范围。

Description

一种励磁斩波器

技术领域

本申请涉及机械自动化技术领域，更具体地说，涉及一种励磁斩波器。

背景技术

内燃机车中通常需要采用大电流发电机为其提供牵引动力，现有技术中通常采用相控控制方式或励磁斩波控制方式来实现对内燃机车发电机的控制。但是相控控制器容易引起输入电源波形畸变，谐波含量过高的问题，并且相控控制器对于同步信号和输入电源信号的要求较高。因此一般采用励磁斩波器实现对发电机的励磁斩波控制。

现有技术中的励磁斩波器主要包括整流部分、中间支撑电容、斩波部分和控制部分，此外还包括电压采集板、驱动板、放电电阻、吸收电容和吸收电阻。当所述励磁斩波器工作时，输入电压向所述励磁斩波器输入交流电压，经过整流部分整流为直流部分，由中间支撑电容进行储能滤波，后级送由斩波部分处理后向发电机的励磁线圈输出电流，以驱动所述发电机工作。在这个过程中，所述电压采集板、驱动板和控制部分在内燃机车的微机网路系统的控制下完成对所述励磁斩波器的工作状态的控制，以及所述发电机的状态检测。

但是现有技术中的整流部分、斩波部分以及控制部分通常都是彼此分立，并且控制部分通常集成于所述微机网络系统中，由于所述励磁斩波器的集成度低，因此不利于对所述励磁斩波器的快速控制以及维护和检修操作。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种励磁斩波器，以实现提高所述励磁斩波器的集成度，便于管理人员对所述励磁斩波器的快速控制以及维护、检修的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种励磁斩波器，用于为发电机提供励磁电流，包括：主电路模块、控制模块、散热器和封装外壳；其中，

所述主电路模块包括整流模块、支撑电容模块、斩波模块、控制模块、电压采集模块、驱动模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容，用于为所述发电机提供励磁电流；其中，所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒中；所述整流模块、斩波模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容固定于所述散热器表面；

所述电容盒与所述整流模块和斩波模块连接，固定于所述整流模块背离所述散热器一侧；

所述电压采集模块用于采集所述主电路模块的输入电压，并向所述控制模块传送；

所述控制模块设置于所述电容盒背离所述散热器一侧，与所述电容盒固定连接，用于获取所述发电机的输出，并根据外界电压指令、所述主电路模块的输入电压及所述发电机的输出控制所述主电路模块的工作状态；

优选的，所述控制模块包括电源板、控制板和检测板；

所述检测板用于检测所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号，并传送给所述控制板；

所述控制板根据所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号向所述驱动模块发送控制信号，所述驱动模块根据所述控制信号控制所述斩波模块中开关元件的关断脉冲频率和脉冲宽度，以调节所述励磁斩波器的输出电流。

优选的，所述控制模块包括：

获取单元，用于获取所述发电机的输出电压和输出电流；

换算单元，用于根据外界电压指令获取所述发电机的电压给定值；

补偿单元，用于比较所述输出电压与所述电压给定值，并根据比较结果对所述主电路模块进行负反馈补偿；

功率限制单元，用于根据所述发电机的输出电压和输出电流计算其输出功率，当所述输出功率超过预设值时限制所述主电路模块输出的励磁电流，以避免所述发电机的输出电流过大。

优选的，所述电容盒包括第一外壳以及通过电容支架固定于所述第一外壳中的4个干式薄膜滤波电容，所述干式薄膜滤波电容的极板朝向所述第一外壳内壁的同一侧；

4个所述干式薄膜滤波电容通过低感母排与所述整流模块和斩波模块连接；

所述驱动模块和电压采集模块固定于所述第一外壳外表面。

优选的，所述驱动模块和电压采集模块通过抽屉式固定架固定于所述第一外壳外表面。

优选的，所述励磁斩波器还包括绝缘板；

所述绝缘板设置于所述低感母排的出线处，用于防止电气击穿并增强所述励磁斩波器的绝缘耐压性能。

优选的，所述控制模块包括第二外壳以及设置于所述第二外壳内部的电源板、控制板和检测板；

所述第二外壳具有至少一个安装扶手。

优选的，所述控制模块通过第一连接器实现与所述主电路模块的连接，通过第二连接器实现与所述驱动模块的连接。

优选的，所述励磁斩波器还包括：至少两个支撑杆；

所述至少两个支撑杆设置于所述散热器一侧，用于当所述励磁斩波器垂直安装时，支撑所述励磁斩波器。

优选的，所述封装外壳为4个挡板；

所述4个挡板分别设置于所述控制模块和散热器与竖直方向平行的四个面的外表面，以防止异物进入所述励磁斩波器内部。

优选的，所述电压采集模块包括多个电压采集电路，用于采集所述励磁斩波器的输入端以及中间直流端的电压；

所述电压采集电路包括第一采集支路、第二采集支路和电流传感器；所述第一采集支路的一端作为电压检测输入端，另一端与所述电流传感器的输入端连接；所述第二采集支路的一端作为电压检测输出端，另一端与所述电流传感器的输出端连接；

所述第一采集支路包括多个依次串接的电阻，所述第二采集支路包括与所述第一采集支路数量相同且依次串接的电阻。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种励磁斩波器，所述励磁斩波器利用所述封装外壳将所述主电路模块、控制模块和散热器封装在一起，以提高所述励磁斩波器的集成度，从而实现便于管理人员对所述励磁斩波器的快速控制、维护以及检修的目的。并且所述整理模块、斩波模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容固定于所述散热器表面；所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒中，充分利用空间，结构布局紧凑合理，充分考虑了散热点的温升，避免温度过度集中。进一步的，所述散热器对贴放在其表面的器件产生的热量进行传递和冷却，使所述整流模块和斩波模块中的元件处于正常工作范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种励磁斩波器的电路结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种励磁斩波器的结构示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种散热器表面区域分布示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种励磁斩波器，用于为发电机提供励磁电流，如图1和图2所示，包括：主电路模块、控制模块101、散热器103和封装外壳；其中，

所述主电路模块包括整流模块、支撑电容模块、斩波模块、控制模块101、电压采集模块、驱动模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C，用于为所述发电机提供励磁电流；其中，所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒102中；所述整流模块、斩波模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C固定于所述散热器103表面；

所述电容盒102与所述整流模块和斩波模块连接，固定于所述整流模块背离所述散热器103一侧；

所述电压采集模块用于采集所述主电路模块的输入电压，并向所述控制模块101传送；

所述控制模块101设置于所述电容盒102背离所述散热器103一侧，与所述电容盒102固定连接，用于获取所述发电机的输出，并根据外界电压指令、所述主电路模块的输入电压及所述发电机的输出控制所述主电路模块的工作状态；

所述封装外壳(附图2中未示出)用于将所述主电路模块、控制模块101和散热器103封装在一起。

需要说明的是，图1中的标号100为所述励磁斩波器100的电路结构，主要包括整流模块、支撑电容模块、斩波模块和控制模块101，此外还包括电压采集板、驱动板、放电电阻R1、吸收电容C和吸收电阻R2。当所述励磁斩波器100工作时，输入电压向所述励磁斩波器100输入交流电压，经过整流模块整流为直流部分，由支撑电容模块进行储能滤波，以快速补充输出电流，保持中间电压的基本稳定，后级送由斩波模块处理后向发电机的励磁线圈输出电流，以驱动所述发电机工作。在这个过程中，所述电压采集板、驱动板和控制模块101完成对所述励磁斩波器100的工作状态的控制，以及所述发电机的状态检测。图2为所述励磁斩波器100的结构示意图。

所述励磁斩波器100利用所述封装外壳将所述主电路模块、控制模块101和散热器103封装在一起，以提高所述励磁斩波器100的集成度，从而实现便于管理人员对所述励磁斩波器100的快速控制、维护以及检修的目的。并且所述整理模块、斩波模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C固定于所述散热器103表面；所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒102中，充分利用空间，结构布局紧凑合理，充分考虑了散热点的温升，避免温度过度集中。进一步的，所述散热器103对贴放在其表面的器件产生的热量进行传递和冷却，使所述整流模块和斩波模块中的元件处于正常工作范围。

在上述实施例的基础上，本申请的一个具体实施例中提供了一种可行的将所述整流模块、斩波模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C固定于所述散热器103表面的分布方式，如图3所示，在本实施例中，所述散热器103表面具有沿第一方向分布的第一区域103A和第二区域103B；所述整流模块固定于所述第一区域103A中，所述斩波模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C沿第二方向固定于所述第一区域103A中。其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向平行于所述散热器103长边方向。

需要说明的是，由图1可以看出所述整流模块由多个二极管构成，所述斩波模块由两个二极管和两个场效应管构成，在所述励磁斩波器100工作时，其产生的热量主要是由所述斩波模块和整流模块产生的，因此将所述斩波模块和整流模块分别设置于所述第一区域103A和第二区域103B有助于它们自身产生的热量通过所述散热器103散发或者直接向空气中挥发掉。本实施例仅提供了一种可行的所述散热器103表面器件分布的方式，但本申请对此并不做限定，其他分布方式亦可，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述控制模块101包括电源板、控制板和检测板，所述检测板用于检测所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号，并传送给所述控制板；

所述控制板根据所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号向所述驱动模块发送控制信号，所述驱动模块根据所述控制信号控制所述斩波模块中开关元件的关断脉冲频率和脉冲宽度，以调节所述励磁斩波器100的输出电流；

所述电源板用于接收外部电源(如图1所示的蓄电池)的驱动电源，并将所述驱动电压转换后为所述控制板、检测板和驱动模块提供工作电源。

需要说明的是，由于所述控制板、检测板和驱动模块的所需的工作电源均不相同，因此需要所述电源板将所述外部电源的驱动电源进行转换后为所述控制板、检测板和驱动模块提供工作电源。

在本实施例中，所述电源板在将所述外部电源的驱动电源转换为幅值为5V、15V和-15V工作电源后分别为所述控制板、检测板以及驱动模块提供。检测板检测所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号后，传送给所述控制板进行处理；所述控制板根据所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号向所述驱动模块发送控制信号(脉冲宽度调制波，Pulse Width Modulation，PWM波)，所述驱动模块根据所述控制信号控制所述斩波模块中开关元件的关断脉冲频率和脉冲宽度，以调节所述励磁斩波器100的输出电流(即所述发电机励磁线圈中的励磁电流)，从而实现所述励磁斩波器100的控制闭环。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图4所示，所述控制模块101包括：

获取单元C11，用于获取所述发电机的输出电压和输出电流；

换算单元C12，用于根据外界电压指令获取所述发电机的电压给定值；

补偿单元C13，用于比较所述输出电压与所述电压给定值，并根据比较结果对所述主电路模块进行负反馈补偿；

功率限制单元C14，用于根据所述发电机的输出电压和输出电流计算其输出功率，当所述输出功率超过预设值时限制所述主电路模块输出的励磁电流，以避免所述发电机的输出电流过大。

需要说明的是，在本实施例中，如图1所示，所述获取单元C11通过所述励磁斩波器100外部的电压反馈装置获取所述发电机的输出电压，通过电流反馈装置获取所述发电机的输出电流；换算单元C12根据外界电压指令(一般通过图1中的微机网络系统发出)获取发电机的电压给定值；所述补充单元根据所述输出电压与电压给定值之间的偏差值进行负反馈补偿(比例-积分-微分调节，Proportion-Integral-Differential coefficient Regulating，PID调节)，并且所述PID调节采取可变参数调节，当所述偏差值大于预设阈值时，采取较大的P参数，当所述偏差值小于预设阈值时，采取较小的P参数，实现快速电压跟踪控制。

并且，为了避免出现发电机输出电流过大的情况，所述功率限制单元C14用于根据所述发电机的输出电压和输出电流计算其输出功率，当所述输出功率超过预设值时限制所述主电路模块输出的励磁电流，以避免所述发电机的输出电流过大。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述电容盒102包括第一外壳以及通过电容支架固定于所述第一外壳中的4个干式薄膜滤波电容，所述干式薄膜滤波电容的极板朝向所述第一外壳内壁的同一侧；

4个所述干式薄膜滤波电容通过低感母排与所述整流模块和斩波模块连接，以降低杂散电感，减少所述主电路模块中的电压电流尖峰；

所述驱动模块和电压采集模块固定于所述第一外壳外表面。

需要说明的是，干式薄膜滤波电容相较于普通极板电容在高频条件下，内阻阻抗降低，噪声减小，而且寿命较长；并且相较于极板电容的体积较小，有助于降低所述励磁斩波器100的体积，实现其小型化。但本申请对所述支撑电容模块采用的电容的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

所述干式薄膜滤波电容的极板朝向所述第一外壳内壁的同一侧的目的是便于所述低感母排直接连接。并且为了进一步节省空间，所述电压采集模块和驱动模块固定安装在所述电容盒102(第一外壳)的下表面。

进一步的，在本申请的一个优选实施例中，所述驱动模块和电压模块通过抽屉式固定架固定于所述第一外壳外表面，便于所述驱动模块和电压采集模块的安装和拆卸。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述励磁斩波器100还包括绝缘板；

所述绝缘板设置于所述低感母排的出线处，用于防止电气击穿并增强所述励磁斩波器100的绝缘耐压性能。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，所述控制模块101包括第二外壳以及设置于所述第二外壳内部的电源板、控制板和检测板；

所述第二外壳具有至少一个安装扶手。

需要说明的是，设置所述安装扶手的目的是便于所述励磁斩波器100的组装以及挪动。在本申请的一个优选实施例中，所述第二外壳具有两个安装扶手，且所述两个安装扶手分别设置于所述第二外壳的两条边。但本申请对所述安装扶手的数量以及在上述第二外壳表面的分布方式并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的再一个实施例中，所述控制模块101通过第一连接器实现与所述主电路模块的连接，通过第二连接器实现与所述驱动模块的连接。

在本实施例中，所述第一连接器实现将所述主电路模块与控制模块101之间的信号传输，并且实现了所述励磁斩波器100与外部器件(如图1中的蓄电池、微机网络系统等)的信号传输；所述第二连接器实现所述控制模块101与所述驱动模块之间的信号传输。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述励磁斩波器100还包括：至少两个支撑杆；

所述至少两个支撑杆设置于所述散热器103一侧，用于当所述励磁斩波器100垂直安装时，支撑所述励磁斩波器100。本申请对所述支撑杆的具体数量并不做限定，可以是2个、3个或4个等，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个优选实施例中，所述封装外壳为4个挡板；

所述4个挡板分别设置于所述控制模块101和散热器103与竖直方向平行的四个面的外表面，以防止异物进入所述励磁斩波器100内部。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个优选实施例中，所述电压采集模块包括多个电压采集电路，用于采集所述励磁斩波器100的输入端以及中间直流端的电压；

所述电压采集电路包括第一采集支路、第二采集支路和电流传感器；所述第一采集支路的一端作为电压检测输入端，另一端与所述电流传感器的输入端连接；所述第二采集支路的一端作为电压检测输出端，另一端与所述电流传感器的输出端连接；

所述第一采集支路包括多个依次串接的电阻，所述第二采集支路包括与所述第一采集支路数量相同且依次串接的电阻。

在本实施例中，所述电压采集电路通过电阻分压降压，形成一个小电流信号，该信号经过所述电流传感器进行隔离转换，送给所述控制板进行处理以获得所述励磁斩波器100的输入端以及中间直流端的电压。所述电压采集电路的结构简单，成本低廉，并且有交流电压采集和直流电压采集互为备份的优势。当一路信号出现问题时，可以方便地采用另外一路信号进行处理。

综上所述，本发明实施例提供了一种励磁斩波器100，所述励磁斩波器100利用所述封装外壳将所述主电路模块、控制模块101和散热器103封装在一起，以提高所述励磁斩波器100的集成度，从而实现便于管理人员对所述励磁斩波器100的快速控制、维护以及检修的目的。并且所述整理模块、斩波模块、放电电阻R1、吸收电阻R2和吸收电容C固定于所述散热器103表面；所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒102中，充分利用空间，结构布局紧凑合理，充分考虑了散热点的温升，避免温度过度集中。进一步的，所述散热器103对贴放在其表面的器件产生的热量进行传递和冷却，使所述整流模块和斩波模块中的元件处于正常工作范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种励磁斩波器，用于为发电机提供励磁电流，其特征在于，包括：主电路模块、控制模块、散热器和封装外壳；其中，

所述主电路模块包括整流模块、支撑电容模块、斩波模块、控制模块、电压采集模块、驱动模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容，用于为所述发电机提供励磁电流；其中，所述支撑电容模块、驱动模块和电压采集模块封装于电容盒中；所述整流模块、斩波模块、放电电阻、吸收电阻和吸收电容固定于所述散热器表面；

所述电容盒与所述整流模块和斩波模块连接，固定于所述整流模块背离所述散热器一侧；

所述电压采集模块用于采集所述主电路模块的输入电压，并向所述控制模块传送；

所述控制模块设置于所述电容盒背离所述散热器一侧，与所述电容盒固定连接，用于获取所述发电机的输出，并根据外界电压指令、所述主电路模块的输入电压及所述发电机的输出控制所述主电路模块的工作状态；

所述封装外壳用于将所述主电路模块、控制模块和散热器封装在一起。

2.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述控制模块包括电源板、控制板和检测板；

所述检测板用于检测所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号，并传送给所述控制板；

所述控制板根据所述主电路模块的输入信号、输出信号以及所述发电机的输出信号向所述驱动模块发送控制信号，所述驱动模块根据所述控制信号控制所述斩波模块中开关元件的关断脉冲频率和脉冲宽度，以调节所述励磁斩波器的输出电流。

3.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述控制模块包括：

获取单元，用于获取所述发电机的输出电压和输出电流；

换算单元，用于根据外界电压指令获取所述发电机的电压给定值；

补偿单元，用于比较所述输出电压与所述电压给定值，并根据比较结果对所述主电路模块进行负反馈补偿；

功率限制单元，用于根据所述发电机的输出电压和输出电流计算其输出功率，当所述输出功率超过预设值时限制所述主电路模块输出的励磁电流，以避免所述发电机的输出电流过大。

4.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述电容盒包括第一外壳以及通过电容支架固定于所述第一外壳中的4个干式薄膜滤波电容，所述干式薄膜滤波电容的极板朝向所述第一外壳内壁的同一侧；

4个所述干式薄膜滤波电容通过低感母排与所述整流模块和斩波模块连接；

所述驱动模块和电压采集模块固定于所述第一外壳外表面。

5.根据权利要求4所述的励磁斩波器，其特征在于，所述驱动模块和电压采集模块通过抽屉式固定架固定于所述第一外壳外表面。

6.根据权利要求4所述的励磁斩波器，其特征在于，所述励磁斩波器还包括绝缘板；

所述绝缘板设置于所述低感母排的出线处，用于防止电气击穿并增强所述励磁斩波器的绝缘耐压性能。

7.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述控制模块包括第二外壳以及设置于所述第二外壳内部的电源板、控制板和检测板；

所述第二外壳具有至少一个安装扶手。

8.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述控制模块通过第一连接器实现与所述主电路模块的连接，通过第二连接器实现与所述驱动模块的连接。

9.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述励磁斩波器还包括：至少两个支撑杆；

所述至少两个支撑杆设置于所述散热器一侧，用于当所述励磁斩波器垂直安装时，支撑所述励磁斩波器。

10.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述封装外壳为4个挡板；

所述4个挡板分别设置于所述控制模块和散热器与竖直方向平行的四个面的外表面，以防止异物进入所述励磁斩波器内部。

11.根据权利要求1所述的励磁斩波器，其特征在于，所述电压采集模块包括多个电压采集电路，用于采集所述励磁斩波器的输入端以及中间直流端的电压；

所述电压采集电路包括第一采集支路、第二采集支路和电流传感器；所述第一采集支路的一端作为电压检测输入端，另一端与所述电流传感器的输入端连接；所述第二采集支路的一端作为电压检测输出端，另一端与所述电流传感器的输出端连接；

所述第一采集支路包括多个依次串接的电阻，所述第二采集支路包括与所述第一采集支路数量相同且依次串接的电阻。