CN211556877U - 一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，包括系统控制器、模块控制器以及DC/DC隔离电源，其特征在于，所述系统控制器包括输入隔离电路、输出隔离电路和光纤通讯电路；输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与所述中央控制单元连接；输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与中央控制单元连接，本实用新型适用于高铁动车、城市轨道交通地铁轻轨与其他高压大容量电力电子变流器系统等复杂电磁应用环境下,能较好的应对在此环境下的干扰,是具有特殊应用环境的实用新型。

Description

一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统

技术领域

本实用新型涉及智能控制技术领域，具体是一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统。

背景技术

随着城市规模的飞速扩大，近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速，地铁建设运营里程不断增加，任何一个大型城市，其地铁系统的覆盖范围均占城市面积的三分之一以上。

在运行过程中，由于地铁运行速度快，且站点设置较多，因此，相邻两站之间的通行时间一般控制在两分钟到三分钟之间，这就导致了地铁需要频繁起动和制动，在制动过程中，会产生巨大的制动能量，如果浪费不用，在现如今全球能源紧张的情况下，不得不说非常奢侈，也十分可惜，因此，对地铁制动能量进行回收利用已成为现有地下交通缩减运营成本、节约运行能源的重要课题。

随着我国节能减排和地铁可持续发展政策的实施，地铁再生制动能量回收技术应用逐步得到认可。

随着电力电子技术的发展，能量回馈装置逐渐在地铁里得到了应用。能量回馈装置的基本原理是将电机发出的直流电能逆变成交流电回馈到电网，这样电能就得到了再生利用，有效地提高了能源的利用效率。地铁再生制动能量逆变回馈系统可直接将再生制动能量回馈至交流电网，使再生制动能量得到充分利用，规避了制动电阻将再生制动能量全部消耗的缺陷，也不像电容储能技术需要较大空间，同时不会带来变电所的温升和污染问题。

国内若干高校和企业对地铁能量回馈装置进行了有益的研究和探索：株洲中车时代电气股份有限公司的专利《一种地铁能馈系统和应用于地铁能馈系统的方法及装置》(申请号：201711008587.0)、南京亚派科技股份有限公司的专利《一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法》(申请号：201510493534.7)。目前，国内针对复杂地铁应用环境以及抗电磁干扰等方面，还没有提出多通道全隔离设计方案，没有完全实现控制系统的输入输出通道全隔离，不能满足强电磁干扰工作环境，存在可靠性隐患。

能量回馈装置安装在地铁牵引变电站，大容量的地铁再生制动能量逆变回馈装置包括控制柜、变流柜、变压器柜，基于DSP+CPLD的逆变回馈控制系统安装于直流控制柜、变流柜，其中变流柜中的逆变模块有大量的电力电子器件，包括IGBT开关器件、电容、电感等，电力电子器件IGBT模块开关过程中会产生大量的电磁干扰信号，电磁隔离开关、接触器开关、电感在工作过程中也会产生大量的电磁干扰信号，这些大量的电磁干扰信号可能干扰控制系统的输入输出、通讯信号。如果系统信号被干扰，可能出现系统故障、误保护、误动作等问题，会导致系统出错、故障。

现有技术如图1和2所示，1、非隔离：输入通道不隔离，输出通道不隔离；例如，输入采用三极管电路，直接输入；输出采用三极管电路或者“三极管+继电器”，直接输出。

2、局部隔离：例如输入通道隔离，输出通道不隔离，或者仅部分通道隔离。现有部分厂家输入通道采用光耦进行隔离。例如，输出通道需要驱动输出电流大的负载或者感性负载，要求有100mA-1000mA的驱动能力以及限流保护能力，现有的技术方案采用24V驱动控制继电器，采用110V驱动控制接触器，现有公司及企业厂家多采用MOS管或高边开关控制器直接驱动继电器等负载，没有进行输出隔离。

3、输出隔离电路复杂：单通道输出控制电路复杂，多通道输出电路器件占用面积大，在相同尺寸大小的电路板里面，可以摆放的输入输出通道电路数量受限制。如果采用40路以上输入电路、40路以上的输出电路，电路板体积大，例如采用“三极管+继电器”输出电路，控制系统的电路比较复杂，降低了可靠性；电路板的尺寸较大，器件较多，增加了控制器的体积，增加了控制系统成本。

现有技术一的缺点如下：一方面，地铁制动能量逆变回馈控制系统需采集的信号类型很多，驱动控制对象类型较多，输入输出信号数量很多，如果没有很好隔离，不同的回路以及控制模块之间会存在地线干扰，存在以下缺点：

1、控制器输入采集信号错误，系统工作异常；

2、某个输入通道或者输出通道有电磁干扰信号，可能会串入电路，造成多个通道输入信号之间相互干扰，或者输出信号之间互相干扰。

3、由于电磁干扰影响，系统控制器与模块控制器之间通讯故障；

4、高压信号串入控制器，控制器输入通道或者输出通道器件过压损坏；

5、高压信号串入控制器，导致控制系统电路板线路烧损；

6、静电放电ESD可能导致电路故障，控制系统失效。

另一方面，传统的多通道输出控制电路复杂，电路器件占用面积大，增加了控制器的体积，增加了控制系统成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，包括系统控制器、模块控制器以及DC/DC隔离电源，所述系统控制器包括输入隔离电路、输出隔离电路和光纤通讯电路；输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与所述中央控制单元连接；输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与中央控制单元连接，输出端输出一路指令信号,通过连接器对外输出；中央控制单元通过光纤通讯板连接模块控制器。

作为本实用新型的进一步方案：所述模块控制器的输入输出通道全部采用隔离电路，包括光隔离电路、光纤通讯电路。

作为本实用新型的进一步方案：所述模块控制器通过线束连接器与交流隔离采样板、直流隔离采样板进行连接。

作为本实用新型的进一步方案：所述输入隔离单元包括信号采集电路、隔离电路和信号输入电路，信号采集电路、隔离电路和信号输入电路依次连接。

作为本实用新型的进一步方案：所述输出隔离单元包括信号输出电路、隔离电路和负载驱动电路，信号输出电路、隔离电路和负载驱动电路依次连接。

作为本实用新型的进一步方案：所述光纤通讯板采用光纤收发器，光纤收发器的型号为HFBR1531或HFBR2531。

作为本实用新型的进一步方案：所述隔离电路采用光控制MOSFET双向开关。

作为本实用新型的进一步方案：所述隔离电路采用光控制MOSFET双向开关。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、系统输入输出多通道全隔离，输入信号之间互相不干扰，输出信号之间互相不干扰，通过安全隔离，提高可靠性；2、输入通道电路简单，减小控制系统体积，降低成本，提高可靠性；3、输出通道电路简单，减小控制系统体积，降低成本，提高可靠性；4、系统控制器与模块控制器之间采用光纤通讯，光纤隔离，提高了通讯可靠性；5、可以满足2500V以上的电压隔离，可以防止ESD静电放电，减小控制系统损坏几率。

附图说明

图1为传统的非隔离输入电路(采用三极管)的电路图。

图2为传统的非隔离输出电路(三极管+继电器)的电路图。

图3为多通道全隔离控制系统原理框图。

图4为模块控制原理框图图；

图5为输入通道隔离电路图；

图6为输入通道控制电路图；

图7为输出通道隔离电路图；

图8为输出通道控制电路图；

图9为光纤CAN通讯-发送控制电路图；

图10为光纤CAN通讯-接收控制电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：请参阅图3-10，本实用新型实施例中，一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，如图3所示。包括：

1、系统控制器：包括微机控制器1(主控板)、微机控制器2(光纤通讯板)。其中微机控制器1由输入隔离电路、输出隔离电路、中央处理器等组成；微机控制器2由光纤通讯电路等组成。

系统控制器的输入输出通道全部采用隔离电路，包括光隔离电路、光纤通讯电路等等。

2、模块控制器：模块NPC-1控制器、模块NPC-2控制器、…模块NPC-n控制器等组成。模块控制器由输入隔离电路、输出隔离单路、中央处理器等组成。

模块控制器的输入输出通道全部采用隔离电路，包括光隔离电路、光纤通讯电路等等。

同时，模块控制器通过线束连接器与交流隔离采样板、直流隔离采样板进行连接，高电压、大电流信号经过隔离电路处理转换为小信号，经过差分放大、有源滤波电路，送给中央处理器进行数据计算、分析处理。

本实用新型提供的多通道全隔离逆变回馈控制系统，包括主控制板、光纤通讯板、模块控制板以及交流采样板、直流采样板等多块分开的PCB电路板，均采用输入输出通道全隔离、通讯全隔离，多通道输入隔离电路、多通道输出隔离电路使用光耦隔离原理实现多个通道同时对输入输出信号进行隔离。实现了输入信号之间相互不干扰,同时输出信号驱动的各个负载也相互不干扰,各单板以及子系统之间也通过光纤隔离通讯互不干扰，通过光信号的转换实现了对强电磁干扰的隔离。另外,每块单板上均设计有输入隔离电路和输出隔离电路，通过不同的连接器对外连接，输入输出信号通道都使用屏蔽性能好、电气性能佳的TE泰科连接器代替传统的连接头对信号隔离提供一定保障。

综上所述,本实用新型实施例的优点在于实现了信号隔离输入和隔离输出、隔离通讯的功能,提供多通道信号传输,同时基于光耦、光MOS开关、光纤收发器设计了信号采集电路和负载驱动电路以及通讯电路,信号采集电路的设计增加了可以采集信号的类型,负载驱动电路的设计提高了隔离器的带载能力,光纤收发器电路的隔离设计提高了CAN通讯的抗干扰能力，同时通过隔离电源的设计保证了隔离的两端耐受上千伏高压的能力,将这些全部集中在一个控制系统多个控制器中,只需电源线、多根光纤就可以完成,同时通过40PIN以及8PIN规格的泰科连接器(TE)与输入线束、输出线束以及外界进行通信,这些使得本实用新型具有使用方使、实用性广的特点。本实用新型适用于高铁动车、城市轨道交通地铁轻轨与其他高压大容量电力电子变流器系统等复杂电磁应用环境下,能较好的应对在此环境下的干扰,是具有特殊应用环境的实用新型。

实施例2：在实施例1的基础上，地铁制动能量逆变回馈控制系统需采集的信号类型很多，例如干接点和湿接点信号，这样就需要在隔离信号输入的前端设计通用的信号采集电路进行处理，信号经过隔离后，输入中央处理单元(CCU)。输入电路采用光耦进行隔离，电路如图5。

而输出指令信号需要驱动的负载类型也包含很多,例如继电器一类的电感性负载、风机等负载。

输出电路采用小型的光MOS开关(光控制MOSFET双向开关)，驱动电流可以满足100mA-1000mA，电路如图7。

主控板与模块控制板之间通过光纤通讯板进行通讯。光纤通讯电路采用光纤收发器(例如HFBR1531、HFBR2531)，电路如图9。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，包括系统控制器、模块控制器以及DC/DC隔离电源，其特征在于，所述系统控制器包括输入隔离电路、输出隔离电路和光纤通讯电路；输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与中央控制单元连接；输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与中央控制单元连接，输出端输出一路指令信号,通过连接器对外输出；中央控制单元通过光纤通讯板连接模块控制器。

2.根据权利要求1所述的一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，其特征在于，所述模块控制器的输入输出通道全部采用隔离电路，包括光隔离电路、光纤通讯电路。

3.根据权利要求2所述的一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，其特征在于，所述模块控制器通过线束连接器与交流隔离采样板、直流隔离采样板进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，其特征在于，所述输入隔离单元包括信号采集电路、隔离电路和信号输入电路，信号采集电路、隔离电路和信号输入电路依次连接。

5.根据权利要求1所述的一种多通道全隔离地铁制动能量逆变回馈控制系统，其特征在于，所述输出隔离单元包括信号输出电路、隔离电路和负载驱动电路，信号输出电路、隔离电路和负载驱动电路依次连接。

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