CN209250240U - 一种基于四象限控制的集中式列供管理单元及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于四象限控制的集中式列供管理单元，包括AD数据采样单元、处理单元以及通信单元；所述AD数据采样单元包括第一AD采样电路、第二AD采样电路、第三AD采样电路以及第四AD采样电路；所述第一AD采样电路与列供柜输入端的电流传感器连接，所述第二AD采样电路与列供柜输入端的电压传感器连接，所述第三AD采样电路与列供柜输出端的电流传感器连接，所述第四AD采样电路与列供柜输出端的电压传感器连接；所述第一、第二、第三以及第四AD采样电路的输出端与处理单元连接；所述处理单元与列供柜的控制端连接；所述处理单元通过通信单元与机车网络中央控制单元连接，该列供管理单元可以精确的控制列供电的输出电压和电流。

Description

一种基于四象限控制的集中式列供管理单元及系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通领域，具体涉及一种基于四象限控制的集中式列供管理单元及系统。

背景技术

随着我国机车事业的快速发展，对于机车中各种配件提出越来远多的要求，列供柜用于为客运机车中为客运车厢提供电力，其输出电源的品质，越来越受人重视，传统的客运机车列供装置主要通过采样回路对列供的输入电压、输入电流、输出电压及输出电流进行采集，并对其进行相应的电压、电流调整以及过压、过流保护，然而，由于现有的列供柜不具有列供管理单元，无法精确的获得列供柜输入端和输出端的电压与电流，进而，无法精确的控制列供柜输入到客车逆变装置中的电压，容易造成列车中供电的波动。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种基于四象限控制的集中式列供管理单元，本实用新型采用的技术手段如下：

一种基于四象限控制的集中式列供管理单元，包括AD数据采样单元、处理单元以及通信单元；所述AD数据采样单元包括第一AD采样电路、第二AD采样电路、第三AD采样电路以及第四AD采样电路；所述第一AD采样电路与列供柜输入端的电流传感器连接，所述第二AD采样电路与列供柜输入端的电压传感器连接，所述第三AD采样电路与列供柜输出端的电流传感器连接，所述第四AD 采样电路与列供柜输出端的电压传感器连接；所述第一、第二、第三以及第四 AD采样电路的输出端与处理单元连接；所述处理单元与列供柜的控制端连接；所述处理单元通过通信单元与机车网络中央控制单元连接；

进一步地，还包括FPGA模块，所述FPGA模块与四路AD采样电路的输出端分别连接，所述FPGA模块还与DSP模块连接，所述FPGA模块将四路AD采样电路的输入信号转换成一路输出信号输入到DSP模块；

进一步地，所述第一、第二、第三以及第四AD采样电路具有相同的结构，均包括运放电路和AD模数转换电路，所述运放电路的输入端与列供柜的传感器的输出端连接，运放电路的输出端与AD模数转换电路的输入端连接，所述AD 模数转换电路的输出端与FPGA模块连接；

进一步地，所述运放电路包括电容C21、电容C22、电容C32、电容C38、电容C55、电容C45、电容C69、电阻R15、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R26、电阻R121、电阻R39、电阻R40、电阻R52、电阻R61、电阻R62、电阻 R209、电阻R213、电阻R63、电阻R66、电阻R79以及放大器，所述电容C21和电容C22的一端连接并接地，电容C21和电容C22的另一端与列供柜的传感器的两个输出端分别连接，电容C21与列供柜的传感器输出端连接的一端还连接有电阻R15，电阻R15的另一端接地，电阻R18、电阻R20和电阻R23并连在列供柜的传感器两个输出端之间，电阻R26一端与列供柜的传感器的一个输出端连接，另一端连接电容C32，电容C32另一端连接电容C38，电容C38另一端通过电阻R121与列供柜的传感器的另一个输出端连接，电容C32与电容C38相连接端接地，电阻R26与电容C32连接的一端与电阻R39一端连接，电阻R39的另一端连接电阻R52，电阻R52的另一端与电阻R40连接，电阻R40另一端与电阻121和电容C38连接的一端连接，电阻R39与电阻R52连接的一端与放大器的反向输入端连接，电阻R40与电阻R52连接的一端与放大器的同向输入端连接，放大器的同向输入端还连接有电阻R213、电阻R63和电容C55，电阻R213、电阻R63和电容C55的另一端相互连接后与电阻R209和电阻R66连接，电阻R66 的另一端接地，电阻R209的另一端接电源，电阻R61、电阻R62和电容C45并联在放大器的反向输入端和输出端之间，放大器的电源输入端连接有供电电源和电容C69，电容C69另一端接地，放大器的输出端连接有电阻R79，电阻R79 另一端接地；

所述AD模数转换电路包括电阻R144、电阻R217、电阻R223、电容C81、单路2输入正与门U14以及AD转换芯片，所述电阻R144一端与运放电路的输出端连接，另一端与AD转换芯片的输入端连接，所述AD转换芯片的输入端还连接有电容C81，电容C81另一端接地，AD转换芯片的输出端连接电阻R217，电阻R217的另一端与单路2输入正与门U14的输入端连接，单路2输入正与门 U14的输出端连接有电阻R223，电阻R223的另一端与FPGA模块连接；

进一步地，所述通信单元包括MVB通信单元和以太网通信单元，所述MVB 通信单元和以太网通信单元并联连接在处理单元和机车网络中央控制单元之间；

进一步地，所述AD转换芯片型号为ADCS7476；

一种列供管理系统，包括机车网络中央控制单元、两组列供柜以及两组本实用新型公开的所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，所述机车网络中央控制单元通过两组所述基于四象限控制的集中式列供管理单元与两组列供柜分别连接；

进一步地，还包括牵引供电管理单元，所述牵引供电管理单元与机车网络中央控制单元连接。

与现有技术比较，本实用新型所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元具有以下有益效果：1、本实用新型公开的列供管理单元包括多路AD采样电路，AD采样电路可以精确的采集列供柜输入端和输出端的电压与电流，并将采集的电压和电流输入到处理单元，处理单元根据获得的电压值和电流值可以对列供柜的控制端进行控制，进而可以精确的控制列供柜的输出电压；2、列供管理单元具有通信单元，通过通信单元，机车中央网络反馈单元可以向列供管理单元发送各种控制指令，同时，列供管理单元可以将采集的各种信息传输给机车中央网络反馈单元，实现了机车中央网络反馈单元对列供管理单元的有效监测和控制；3、通信单元包括MVB通信单元和以太网通信单元，两种通信单元互为冗余，可以避免整车运行过程中，因为单一通讯方式的故障而导致整个列供系统的瘫痪，而造成列供管理单元无法正常工作；4、本实用新型提供的列供管理系统由于具有两套互为冗余的列供管理单元，且两套列供管理单元分别通过通信单元与机车中央网络反馈单元进行通信，进而实现两个供电管理单元的相互通信，每组列供管理单元分别与一个列供柜连接，使得当其中一组列供柜出现故障时，另一组列供柜可以继续工作，保证了供电安全可靠。

附图说明

图1是实用新型公开的基于四象限控制的集中式列供管理单元的结构原理图(虚线框中结构)；

图2为本实用新型公开的基于四象限控制的集中式列供管理单元在列供系统中应用的原理图；

图3为列供管理单元的另一种实施例；

图4为功放电路的电路图；

图5为AD模数转换电路的电路图；

图6为本实用新型公开的列供管理系统的结构框图。

图中：10、第一AD采样电路，11、第二AD采样电路，12、第三AD采样电路，13、第四AD采样电路，2、处理单元，20、FPGA模块，21、DSP模块，3、通信单元，30、MVB通信单元，31、以太网通信单元，4、列供柜，5、机车网络中央控制单元，6、牵引供电管理单元,70、客车逆变装置,71、列车变压器。

具体实施方式

如图1和图2所示为本实用新型公开的基于四象限控制的集中式列供管理单元，包括AD数据采样单元、处理单元2以及通信单元3；所述AD数据采样单元包括第一AD采样电路10、第二AD采样电路11、第三AD采样电路12以及第四AD采样电路13；所述第一AD采样电路10与列供柜4输入端的电流传感器连接，所述第二AD采样电路11与列供柜4输入端的电压传感器连接，所述第三 AD采样电路12与列供柜4输出端的电流传感器连接，所述第四AD采样电路13 与列供柜4输出端的电压传感器连接；所述第一、第二、第三以及第四AD采样电路的输出端与处理单元连接；所述处理单元与列供柜的控制端连接；所述处理单元通过通信单元与机车网络中央控制单元连接。

具体地，如图2所示，列车变压器71将输入的25KV高压通过二次侧列供绕组降压成输入到列供柜4中的交流低压，本实施例中，列车变压器将25KV电压降低为AC307V输入到列供柜。列供柜中的整流模块将输入的电压AC307V转换成DC600V并输入到客车逆变装置70，客车逆变装置将DC600V电压转换成 AC380V电压后用于给列车负载供电，本实用新型公开的列供管理单元与列供柜连接用于获取列供柜的电压、电流并对列供柜的输出进行控制。

具体地，如图1所示，所述第一AD采样电路10通过电流传感器采集列供柜输入端的电流值，所述第二AD采样电路11通过电压传感器采集列供柜输入端的电压值，所述第三AD采样电路12通过电流传感器采集列供柜输出端的电流值，所述第四AD采样电路13通过电压传感器采集列供柜输出端的电压值，图中电压传感器和电流传感器均未示出，该结构为本领域所熟知的结构。优选地，所述第一AD采样电路10、第二AD采样电路11、第三AD采样电路12以及第四AD采样电路13具有相同的结构，其包括运放电路和AD模数转换电路，运放电路的输入端与传感器的输出端连接，运放电路的输出端与AD模数转换电路的输入端连接。具体地，如图4所示为功放电路的具体电路图，包括电容C21、电容C22、电容C32、电容C38、电容C55、电容C45、电容C69、电阻R15、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R26、电阻R121、电阻R39、电阻R40、电阻 R52、电阻R61、电阻R62、电阻R209、电阻R213、电阻R63、电阻R66、电阻 R79以及放大器，所述电容C21和电容C22的一端连接并接地，电容C21和电容 C22的另一端与列供柜的传感器的两个输出端分别连接，电容C21与列供柜的传感器输出端连接的一端还连接有电阻R15，电阻R15的另一端接地，电阻R18、电阻R20和电阻R23并连在列供柜的传感器两个输出端之间，电阻R26一端与列供柜的传感器的一个输出端连接，另一端连接电容C32，电容C32另一端连接电容C38，电容C38另一端通过电阻R121与列供柜的传感器的另一个输出端连接，电容C32与电容C38相连接端接地，电阻R26与电容C32连接的一端与电阻R39一端连接，电阻R39的另一端连接电阻R52，电阻R52的另一端与电阻 R40连接，电阻R40另一端与电阻121和电容C38连接的一端连接，电阻R39与电阻R52连接的一端与放大器的反向输入端连接，电阻R40与电阻R52连接的一端与放大器的同向输入端连接，放大器的同向输入端还连接有电阻R213、电阻R63和电容C55，电阻R213、电阻R63和电容C55的另一端相互连接后与电阻R209和电阻R66连接，电阻R66的另一端接地，电阻R209的另一端接电源，电阻R61、电阻R62和电容C45并联在放大器的反向输入端和输出端之间，放大器的电源输入端连接有供电电源和电容C69，电容C69另一端接地，放大器的输出端连接有电阻R79，电阻R79另一端接地。

通过运放电路对采集的电压电流数据进行放大处理并输出到AD模数转换电路的输入端，如图5所示，AD模数转换电路采用ADCS7476芯片以及外围电路组成，其具体结构如下：所述AD模数转换电路包括电阻R144、电阻R217、电阻 R223、电容C81、单路2输入正与门U14以及AD转换芯片，本实施例中单路2 输入正与门U14采用74LVC1G08型号芯片，所述电阻R144一端与运放电路的输出端连接，另一端与AD转换芯片的输入端连接，所述AD转换芯片的输入端还连接有电容C81，电容C81另一端接地，AD转换芯片的输出端连接电阻R217，电阻R217的另一端与74LVC1G08的输入端连接，74LVC1G08的输出端连接有电阻R223，电阻R223的另一端与处理单元连接。

AD模数转换电路将功放电路输入的模拟信号转换成数字信号后传输到处理单元。处理单元根据采集的电压和电流数据控制列供柜的控制端，用于调整列供柜的输出电压和电流，具体地，处理单元对采集的电压和电流数据进行计算，获得当前列供柜的输入和输出的电压与电流值，并与设定值进行比较，根据比较结果调整输入到列供柜控制端的PWM的占空比，进而改变列供柜的输出的电流和电压。其中，处理单元中对电流、电压信号的处理过程可以采用本领域常规的信号处理方法。处理单元通过通信单元可以将采集的电压、电流等信息传输至机车网络中央控制单元，便于实时的了解列供柜中的各电压和电流等信息。

进一步地，如图3所示，处理单元2包括FPGA模块20和DSP模块21，所述FPGA模块20与四路AD采样电路的输出端分别连接，所述FPGA模块20与DSP 模块21串行连接，所述FPGA模块20用于获取四路AD采样电路采集的电压和电流数据并将其进行数据转换后串行输入到DSP模块。具体地，每一路AD采样电路的输出端分别与FPGA模块20的一个引脚连接使得四路AD采样电路并行的将采集的数据输入到FPGA模块20，FPGA模块20获得的AD模数转换电路的数据为二进制数据，FPGA模块20将获得的数据进行处理并输出，其处理内容包括将四路二进制数据分别转换成十进制数据。FPGA模块20通过一路引脚与DSP模块21连接，FPGA模块20将四路数据串行输入到DSP模块21。处理单元包括FPGA 模块与DSP模块可以减少占用DSP模块管脚的数量，方便DSP模块进行其他功能扩展。

DSP模块21对FPGA模块20中传输的数据进行计算，以确定实际输入到列供柜中的电压和电流值以及列供柜实际输出的电压和电流值，并根据计算结果调整DSP模块输出的PWM信号的占空比，DSP模块输出PWM信号的引脚与列供柜中整流模块中的IGBT连接并控制IGBT的开关，进而进一步调整列供柜的输出电压和电流。

优选地，如图3所示，通信单元3包括MVB通信单元30和以太网通信单元 31。其工作过程如下：当机车正常运行过程中，机车网络中央控制单元5通过 MVB通信单元30和以太网通信单元31同时与DSP模块21进行通信，DSP模块 21同时接收到MVB通信单元30和以太网通信单元31发送的数据，但是，正常运行时，DSP模块只处理MVB通信单元发过来的数据，对以太网通信单元的数据只进行接收不进行处理。在机车运行过程中，当MVB通信单元出现故障或者错误帧较多时，DSP模块会切换成以太网通信单元用于与机车网络中央控制单元进行通信。通过设置两种通信单元，两种通讯方式互为冗余，可以避免机车运行过程中因为单一的通讯方式出现故障而造成列供系统通讯瘫痪，而导致系统无法正常工作的问题。

DSP模块21通过通信单元3与机车网络中央控制单元5进行网络指令，机车其他单元运行状态，列供柜本身电压电流数据及运行状态，故障时故障信息等通信传输。

如图6所示为本实用新型公开的列供管理系统，包括机车网络中央控制单元5、两组列供柜4以及两组本实用新型公开的基于四象限控制的集中式列供管理单元，所述机车网络中央控制单元5通过两组所述基于四象限控制的集中式列供管理单元与两组列供柜4分别连接。

进一步地，还包括牵引供电管理单元6，所述牵引供电管理单元6与机车网络中央控制单元5连接。

在机车运行过程中，机车网络中央控制单元同时与两组列供管理单元通信，并且由两组列供管理单元对列供柜进行管理和控制，两组列供柜在列供管理单元的控制下向列车供电，同时两组列供管理单元通过机车网络中央控制单元可以相互了解对方的工作状况，当其中一组列供柜出现故障时，其会通过通信单元将故障信息传输至机车网络中央控制单元，机车网络中央控制单元并将故障信息传输至另一组列供管理单元，另一组列供管理单元接收到故障信息后会进行相应的处理，保证列车供电的正常。通过设置有两组列供柜并且通过列供管理单元与机车网络中央控制单元进行相互通信，保证机车的供电安全和可靠性。

同时当机车网络中央控制单元还与牵引供电管理单元连接时，列供管理单元和牵引供电管理单元可以通过机车网络中央控制单元进行相互通信，当机车进行过分相时，牵引供电管理单元可以将过分相预告信号通过机车网络中央控制单元传输给列供管理单元，列供管理单元获得过分相预告信号后调整列供柜的输出相位，保证列供柜中的相位与牵引系统所产生的网压相位一致，过分相结束后，再次进行相位调整，保证列供系统与牵引系统的相位同步调整。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：包括AD数据采样单元、处理单元以及通信单元；

所述AD数据采样单元包括第一AD采样电路、第二AD采样电路、第三AD采样电路以及第四AD采样电路；

所述第一AD采样电路与列供柜输入端的电流传感器连接，所述第二AD采样电路与列供柜输入端的电压传感器连接，所述第三AD采样电路与列供柜输出端的电流传感器连接，所述第四AD采样电路与列供柜输出端的电压传感器连接；

所述第一、第二、第三以及第四AD采样电路的输出端与处理单元连接；

所述处理单元与列供柜的控制端连接；

所述处理单元通过通信单元与机车网络中央控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：还包括FPGA模块，所述FPGA模块与四路AD采样电路的输出端分别连接，所述FPGA模块还与DSP模块连接，所述FPGA模块将四路AD采样电路的输入信号转换成一路输出信号输入到DSP模块。

3.根据权利要求2所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：所述第一、第二、第三以及第四AD采样电路具有相同的结构，均包括运放电路和AD模数转换电路，所述运放电路的输入端与列供柜的传感器的输出端连接，运放电路的输出端与AD模数转换电路的输入端连接，所述AD模数转换电路的输出端与FPGA模块连接。

4.根据权利要求3所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：所述运放电路包括电容C21、电容C22、电容C32、电容C38、电容C55、电容C45、电容C69、电阻R15、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R26、电阻R121、电阻R39、电阻R40、电阻R52、电阻R61、电阻R62、电阻R209、电阻R213、电阻R63、电阻R66、电阻R79以及放大器，所述电容C21和电容C22的一端连接并接地，电容C21和电容C22的另一端与列供柜的传感器的两个输出端分别连接，电容C21与列供柜的传感器输出端连接的一端还连接有电阻R15，电阻R15的另一端接地，电阻R18、电阻R20和电阻R23并连在列供柜的传感器两个输出端之间，电阻R26一端与列供柜的传感器的一个输出端连接，另一端连接电容C32，电容C32另一端连接电容C38，电容C38另一端通过电阻R121 与列供柜的传感器的另一个输出端连接，电容C32与电容C38相连接端接地，电阻R26与电容C32连接的一端与电阻R39一端连接，电阻R39的另一端连接电阻R52，电阻R52的另一端与电阻R40连接，电阻R40另一端与电阻121和电容C38连接的一端连接，电阻R39与电阻R52连接的一端与放大器的反向输入端连接，电阻R40与电阻R52连接的一端与放大器的同向输入端连接，放大器的同向输入端还连接有电阻R213、电阻R63和电容C55，电阻R213、电阻R63和电容C55的另一端相互连接后与电阻R209和电阻R66连接，电阻R66的另一端接地，电阻R209的另一端接电源，电阻R61、电阻R62和电容C45并联在放大器的反向输入端和输出端之间，放大器的电源输入端连接有供电电源和电容C69，电容C69另一端接地，放大器的输出端连接有电阻R79，电阻R79另一端接地；

所述AD模数转换电路包括电阻R144、电阻R217、电阻R223、电容C81、单路2输入正与门U14以及AD转换芯片，所述电阻R144一端与运放电路的输出端连接，另一端与AD转换芯片的输入端连接，所述AD转换芯片的输入端还连接有电容C81，电容C81另一端接地，AD转换芯片的输出端连接电阻R217，电阻R217的另一端与单路2输入正与门U14的输入端连接，单路2输入正与门U14的输出端连接有电阻R223，电阻R223的另一端与FPGA模块连接。

5.根据权利要求1所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：所述通信单元包括MVB通信单元和以太网通信单元，所述MVB通信单元和以太网通信单元并联连接在处理单元和机车网络中央控制单元之间。

6.根据权利要求4所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，其特征在于：所述AD转换芯片型号为ADCS7476。

7.一种列供管理系统，其特征在于：包括机车网络中央控制单元、两组列供柜以及两组权利要求1至6中任意一项所述的基于四象限控制的集中式列供管理单元，所述机车网络中央控制单元通过两组所述基于四象限控制的集中式列供管理单元与两组列供柜分别连接。

8.根据权利要求7所述的列供管理系统，其特征在于：还包括牵引供电管理单元，所述牵引供电管理单元与机车网络中央控制单元连接。