一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統的製作方法
2023-09-22 15:46:00 1
專利名稱：一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及車輛，尤其涉及電動車輛的電氣控制技術，特別涉及變頻驅動電氣控制系統，具體的是一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統。
背景技術：
現有技術中，電動車輛以其零汙染、低噪音、高經濟性等優點，廣泛得到應用。在城市公交電車方面，城市無軌或有軌電車的電氣驅動絕大多數採用直流斬波驅動方式，採用機械抱閘停車，無法實現再生回饋式電制動，能耗與維修量大，同時城市無軌或有軌電車受架空線網供電的限制，靈活性、機動性差，架空供電線網又增加了城市空間的視覺汙染。
發明內容
本發明所要解決的現有技術中的技術問題是由於現有技術中，城市無軌或有軌電車的電氣驅動絕大多數採用直流斬波驅動方式，採用機械抱閘停車，無法實現再生回饋式電制動，能耗與維修量大，同時城市無軌或有軌電車受架空線網供電的限制，靈活性、機動性差，架空供電線網又增加了城市空間的視覺汙染。
本發明為解決已有技術中的上述技術問題所採用的技術方案是提供一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，所述的這種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統由低壓車頭控制部分和高壓系統控制部分構成，其中，所述的低壓車頭控制部分由車頭控制器等構成，所述的車頭控制器通過光纖耦合部件與CAN總線連接，所述的高壓系統控制部分由系統控制器和變頻驅動控制器等構成，所述的系統控制器與所述的CAN總線連接，所述的CAN總線上同時連接有變頻驅動控制器，所述的變頻驅動控制器與交流變頻調速電機連接，所述的變頻驅動控制器通過第一接觸器與超級電容器連接，所述的超級電容器與車載充電器連接，所述的車載充電器與外部工作電源連接，所述的變頻驅動控制器也可通過第二接觸器與外部工作電源連接。
進一步的，電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運行狀態主令信號送入所述的車頭控制器，並通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設定值與控制命令傳送給所述的系統控制器，所述的系統控制器根據輸入的信號進行邏輯狀態判別並通過所述的CAN總線與所述的變頻驅動控制器通訊，所述的變頻驅動控制器控制所述的交流變頻調速電機的工作狀態和車輛的運行，所述的變頻驅動控制器和所述的交流變頻調速電機工作的運行狀態及實際值數據通過所述的CAN總線由所述的系統控制器發送至所述的車頭控制器。
進一步的，所述的超級電容器儲存直流電能，所述的超級電容器中儲存的直流電能通過所述的變頻驅動控制器以交流電形式提供給交流變頻調速電機，所述的變頻驅動控制器以轉矩控制方式驅動電車運行。
進一步的，用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能通過所述的變頻驅動控制器轉化為直流電能對所述的超級電容器充電。
進一步的，所述的車頭控制器連接有監測顯示屏。顯示屏顯示運行狀態及數據。
進一步的，所述的變頻驅動控制器可以採用外部架空線網工作電源和超級電容器雙電源自動選擇切換的供電方式。具體的，切換過程通過所述的第一接觸器和所述的第二接觸器的切換動作實現。也可以採用區間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然後在無架空線網條件下，用超級電容器單獨供電方式驅動。
進一步的，所述的低壓車頭控制部分的工作電壓為24伏直流電壓。
進一步的，所述的車頭控制器和系統控制器分別由DSP微處理器構成。
本發明的工作過程如下所述電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運行狀態主令信號送入所述的車頭控制器，並通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設定值與控制命令傳送給所述的系統控制器，所述的系統控制器根據輸入的信號進行邏輯狀態判別並通過所述的CAN總線與所述的變頻驅動控制器通訊，控制所述的交流變頻調速電機的工作狀態和車輛的運行，所述的變頻驅動控制器和所述的交流變頻調速電機工作的運行狀態及實際值數據通過所述的CAN總線由所述的系統控制器發送至所述的車頭控制器，並經數據處理後在中文界面的運行狀態及數據監測顯示屏上顯示，顯示屏主畫面有多種功能畫面，可顯示超級電容器實時的電壓及電流、變頻電機實時的電壓及電流、車速、累計裡程、能耗、故障、車輛運行狀態、超級電容器充、放電能量以及制動回饋能量等。
本發明中所述的變頻驅動控制器、超級電容器、車載充電器、交流變頻調速電機、監測顯示屏和接觸器以及CAN總線為電氣行業公知技術，在此不再贅述。
本發明與已有技術相對照，其效果是積極和明顯的。本發明的具體優點如下所述本發明採用全數字轉矩控制的矢量控制變頻調速系統，用DSP微處理器作車頭控制器和系統控制器，高、低壓設備間採用光纖總線通訊模式，系統線路結構簡潔，減少了大量控制線與接線端子，極大提高電車運行的可靠性，並實現安全可靠的電隔離。
本發明把貯存在超級電容器中的直流電能通過變頻驅動裝置轉換成一定頻率的交流電，供電給交流電動機並以轉矩控制方式驅動電車運行。在用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能又通過變頻驅動裝置轉化為直流電能對超級電容器充電蓄能，具有良好的節能節電效果，電能回收率約為10％-30％。
微處理器實現的車頭控制器與系統控制器具有操作運行的自動選擇和協調控制等邏輯功能，並具有運行數據的處理和分類提取功能。
車輛控制系統操作簡便、直觀，牽引踏板主令信號相當於汽車的油門，便於車輛起動及加速的操作運行。提高了起動加速力矩和車輛運行的穩定度，有效的電氣制動無論在平地或斜坡都可以在無機械剎車條件下使電車制動減速到速度為零。
控制系統具有專用功能控制、可保證在零位保護條件下電車無牽引主令輸入，確保設備和人身的安全，包括牽引主令零位，主接觸器零位及經過架空線電門時的零位保護。並具有平地/斜坡的自動判別功能、零速時制動力控制功能，保證平地制動到零時減小制動力矩使電車平穩停車、而在斜坡制動時保證電車保持最大制動力矩，使電車在斜坡上無須機械剎車而電制動停車。另外在平地零速時即使踏下電制動踏板，也保證無電制動力矩，防止平地零速時再加入電氣制動而造成車輛倒流後再停車的現象。
具有超級電容器和架空線網兩套自動切換控制的供電系統，提高了車輛運行的機動性，也可以完全脫離架空線網，採用區間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然後用超級電容器單獨供電驅動電車，消除架空線網的空中視覺汙染，能滿足新一輪市政建設中景觀區域環保建設要求。
本控制系統還可以選擇配置提供以下選件內容非接觸式刷卡裝置及管理數據軟體包，用於加強智能化集中管理功能。
全球定位系統(GPS)及無線電通訊技術應用(GPRS)，用於提高系統運營的集中管理調度功能。
Internet網絡管理系統軟體，可使所有投用的車輛，通過Internet網以Web方式對其運行參數進行實時傳輸監測。同時，可以將歷史運行參數以曲線、圖表的形式加以顯示。
本發明的目的、特徵及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
圖1是本發明一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統的一個優選實施例的系統功能結構示意圖。
圖2是本發明一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統的一個優選實施例中的轉矩控制系統的原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，由低壓車頭控制部分和高壓系統控制部分構成，其中，所述的低壓車頭控制部分以車頭控制器1為主控單元，所述的高壓系統控制部分以系統控制器2為主控單元，所述的車頭控制器1通過光纖耦合部件10與所述的系統控制器2相連的CAN總線20相互通訊，電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運行狀態主令信號送入所述的車頭控制器1，並通過所述的光纖耦合部件10和所述的CAN總線20把設定值與控制命令傳送給所述的系統控制器2，所述的系統控制器2根據輸入的信號進行邏輯狀態判別並通過所述的CAN總線20與變頻驅動控制器3通訊，控制交流變頻調速電機4的工作狀態和車輛的運行，所述的變頻驅動控制器3和所述的交流變頻調速電機4工作的運行狀態及實際值數據通過所述的CAN總線20由所述的系統控制器2發送至所述的車頭控制器1，並經數據處理後在中文界面的運行狀態及數據監測顯示屏5上顯示，顯示屏主畫面有多種功能畫面，可顯示超級電容器6實時的電壓及電流、變頻調速電機4實時的電壓及電流、車速、累計裡程、能耗、故障、車輛運行狀態、超級電容器6充、放電能量以及制動回饋能量等。
本發明的運行特徵是採用區間快速充電站的直流電源通過所述的車載充電器7向所述的超級電容器6快速充電貯存電能，然後在無架空線網條件下，用所述的超級電容器6貯存的直流電能通過所述的變頻驅動控制器3轉換成一定頻率的交流電，給交流變頻調速電機4供電並以轉矩控制方式驅動電車運行，在用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能又通過所述的變頻驅動控制器3轉化為直流電能對超級容器6充電蓄能。所述的變頻驅動控制器3也可以採用外部架空線網工作電源和超級電容器6雙電源自動選擇切換的供電方式，具體的，切換過程是通過所述的第一接觸器30和所述的第二接觸器40的切換來實現的。
變頻驅動控制器採用標準的矢量控制逆變器，構成轉矩控制的PWM矢量控制方式運行，轉矩控制系統的原理框圖如圖2所示，牽引主令信號通過倒車/順車選擇器後作為轉矩給定限幅值TLim*送入變頻驅動控制器，由此使交流變頻電機AM產生相應的電磁轉矩TEM，電磁轉矩TEM與車輛的負載轉矩TL之差即為動態加速轉矩TDA(TEM-TL＝TDA)，同時TLim*也決定了系統的速度設定值n*，TLim*小於0時，n*為正向速度給定的最大值，當TLim*大於零時則n*為反向速度給定最大值，當牽引主令為零時(即TLim*＝0)則n*＝0。動態加速轉矩TDA使電機加速，直到速度等於最大給定速度。只有當電機的電磁轉矩TEM等於車輛的負載轉矩TL時，電機才穩速運行，因此牽引主令信號的大小相當於汽車的油門，可方便控制電機的轉矩以及車輛的起動及加速的操作運行。轉矩控制系統中n*和由與交流電機AM同軸的脈衝發生器PG得到的實際轉速nact的差值送入n調節器構成速度閒環。由轉矩限幅環節輸出的轉矩設定值T*，經變換後作為電流轉矩分量的設定值IT*，IM*為電流磁通分量的設定值，IT*和IM*與由矢量變換的電機模型得到的電流實際值ITact和IMact，通過IT調節器與IM調節器構成電流閉環。IT調節器與IM調節器的輸出經坐標變換後得到電壓設定值U*和相位角α，U*經Ud校正環節後得到電機定子電壓的控制值UST。另外由脈衝發生器PG輸出的轉子頻率f2與矢量變換的電機模型輸出的滑差頻率fs構成轉差閉環，得到定子頻率f(f＝f2+fs)。UST、α、f經PWM驅動觸發裝置後使逆變器的6個IGBT主元件輪流導電工作，輸出一定頻率的交流電，使交流電機按轉矩控制要求變頻調速運行。
同樣制動主令信號通過倒車/順車選擇器後使電機產生反向制動轉矩，可有效地將車輛減速到速度為零，在電制動過程中，可把車輛的動能轉變為電能，向超級電容器回饋充電，有明顯的節能效果。
超級電容蓄能變頻驅動電車電氣控制系統可以採用架空線網和超級電容器雙電源自動選擇切換供電，也可以不用架空線網採用超級電容器單獨供電運行。
該系統中電機的最大電磁轉矩與最大制動轉矩可達到200％額定轉矩。
本發明的控制系統具有參數自動辯識、故障自動診斷、參數自動尋優等良好的調試、運行手段，並具有完善的故障保護措施(過壓、欠壓、超速、過流、過載、通訊故障等)，確保電車可靠運行。
本發明可適用於各種電動車輛如城市無軌電車、有軌電車、電動轎車、電動卡車及電動叉車等。
權利要求
1.一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，由低壓車頭控制部分和高壓系統控制部分構成，其特徵在於所述的低壓車頭控制部分由車頭控制器等構成，所述的車頭控制器通過光纖耦合部件與CAN總線連接，所述的高壓系統控制部分由系統控制器和變頻驅動控制器等構成，所述的系統控制器與所述的CAN總線連接，所述的CAN總線上同時連接有變頻驅動控制器，所述的變頻驅動控制器與交流變頻調速電機連接，所述的變頻驅動控制器通過第一接觸器與超級電容器連接，所述的超級電容器與車載充電器連接，所述的車載充電器與外部工作電源連接，所述的變頻驅動控制器也可通過第二接觸器與外部工作電源連接。
2.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運行狀態主令信號送入所述的車頭控制器，並通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設定值與控制命令傳送給所述的系統控制器，所述的系統控制器根據輸入的信號進行邏輯狀態判別並通過所述的CAN總線與所述的變頻驅動控制器通訊，所述的變頻驅動控制器控制所述的交流變頻調速電機的工作狀態和車輛的運行，所述的變頻驅動控制器和所述的交流變頻調速電機工作的運行狀態及實際值數據通過所述的CAN總線由所述的系統控制器發送至所述的車頭控制器。
3.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的超級電容器儲存直流電能，所述的超級電容器中儲存的直流電能通過所述的變頻驅動控制器以交流電形式提供給交流變頻調速電機，所述的變頻驅動控制器以轉矩控制方式驅動電車運行。
4.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能通過所述的變頻驅動控制器轉化為直流電能對所述的超級電容器充電。
5.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的車頭控制器連接有監測顯示屏。
6.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的變頻驅動控制器採用外部架空線網工作電源和超級電容器雙電源自動選擇切換的供電方式。
7.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的變頻驅動控制器由區間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然後在無架空線網條件下，用超級電容器單獨供電方式驅動。
8.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的低壓車頭控制部分的工作電壓為24伏直流電壓。
9.如權利要求1所述的用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，其特徵在於所述的車頭控制器和系統控制器分別由DSP微處理器構成。
全文摘要
一種用於電車的超級電容蓄能變頻驅動電氣控制系統，由低壓車頭控制部分和高壓系統控制部分構成，低壓車頭控制部分通過光纖耦合部件與總線連接，高壓系統控制部分由系統控制器和變頻驅動控制器等構成，總線上連接有系統控制器與變頻驅動控制器，變頻驅動控制器與交流變頻調速電機連接，變頻驅動控制器通過接觸器與超級電容器連接，牽引、制動及運行狀態主令送入車頭控制器，通過總線與系統控制器及變頻驅動控制器通訊，交流變頻調速電機驅動電車的正、反向運行，電車制動時動能回饋給超級電容器蓄能。結構簡單、維護容易、調試方便，使電車在可靠性、安全性、靈活性、節能性、視覺汙染及技術性能指標等方面都優於目前使用的直流斬波驅動電車。
文檔編號B60L15/02GK1739998SQ20041005398
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月25日 優先權日2004年8月25日
發明者夏新順, 陸政德, 樊華, 冒勇 申請人:上海瑞華(集團)有限公司