一種礦井電力機車驅動控制系統的製作方法
2023-12-01 05:57:51
專利名稱：一種礦井電力機車驅動控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種礦井電力機車運行的驅動控制系統，特別是用超級電容代替傳統蓄電池、以無刷的開關磁阻電機控制系統取代有刷的直流電機，屬於礦井電力機車的電氣驅動控制技術領域。
背景技術：
煤炭是當前我國最主要的能源支柱，礦井電力機車是煤礦運輸的重要設備。現有礦井電力機車分兩種，一種為蓄電池電力機車，另一種為架線式礦井電力機車。對於高瓦斯礦井，由於不準使用架線式電力機車，所以必須採用蓄電池電力機車。此外，現有電力機車主要以有刷直流電機驅動為主，也有少量交流感應電機驅動的車輛，且每臺機車需要兩臺同等功率的電機，負責前進與後退驅動。
現有技術的缺點有1)架線式礦井電力機車不準用於高瓦斯礦井；2)蓄電池電力機車在換能、系統運行中效率低，而且電池壽命短、維護量大，引發高費用，增加煤炭成本；3)每臺機車需配備兩臺電機，造價高、結構複雜；4)直流電機驅動時，由於機械換向與碳刷，使得維護量大，更換頻繁；5)井下防爆要求以及潮溼的工作環境都不利於電機散熱，而直流電機與交流感應電機的轉子都產生熱量，對電機散熱要求較高。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，為高瓦斯礦井提供一種礦井電力機車驅動控制系統，使礦井電力機車實現高效、節能、免維護和經濟運行，改善機車性能，降低煤炭成本，即，採用快速充電超級電容組取代蓄電池，以改善效率、延長壽命；用一臺開關磁阻電機取代傳統兩臺直流電機驅動，以簡化系統、降低造價和維護量。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
本發明的驅動控制系統是由開關磁阻電機、功率變換器、電機控制器、整車控制器、能量控制管理單元、雙向DC/DC變換器、超級電容組、電壓均衡管理單元、充電用整流器及直流母線電解電容C組成。其聯接方式為超級電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關磁阻電機的功率變換器相聯，構成可控的能量雙向流動通路；電機控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯，構成信息雙向流動的通路；開關磁阻電機與功率變換器相聯，並受電機控制器控制；超級電容組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相聯，並受能量控制管理單元控制；電壓均衡管理單元直接與超級電容組相聯，對超級電容組各單體電容進行電壓均衡管理；交流電源插座通過充電用整流器與直流母線電解電容C相聯，為快速充電提供能源。本發明的控制技術方案為正常充電時，交流電源插座與地面交流電源插頭對接，能量控制管理單元輸出PWM信號，控制雙向DC/DC變換器，使能量經充電用整流器與雙向DC/DC變換器給超級電容組快速充電，為礦井電力機車提供短途運行能量；在發電制動期間，開關磁阻電機經功率變換器將發電能量傳輸至直流母線電解電容C，能量控制管理單元則控制雙向DC/DC變換器，將此再生發電能量快速轉存於超級電容組；電動期間，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器，確保直流母線電壓恆定，超級電容組向開關磁阻電機提供能量。整車控制器基於司機需求，結合超級電容組電量與開關磁阻電機運行速度與狀態(電動或發電)，優化整車控制策略。電機控制器根據整車指令，輸出PWM信號給功率變換器，以控制開關磁阻電機。整車控制器實時顯示系統狀態，如超級電容荷電狀態、車速、各單體電容是否有故障等。
本發明中，開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器經過一體化設計，將功率變換器和電機控制器封裝於開關磁阻電機殼體之中，使三者之間的連線從電機殼體內部穿過，而僅外置電機控制器CAN總線與直流母線。
本發明中，開關磁阻電機採取兩端出軸，且兩端都配置有總速比相同的齒輪箱。通過控制開關磁阻電機正轉與反轉，可控制機車前進與後退，制動時則將能量通過開關磁阻電機、功率變換器回饋到直流母線，能量控制管理單元則控制雙向DC/DC變換器將回饋能量存儲於超級電容組。驅動系統的電源即採用快速充電超級電容組。
為方便描述，將開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器通稱為電機與控制一體化系統，將充電用整流器、直流母線電解電容C、能量控制管理單元和雙向DC/DC變換器通稱為能量控制器。
本發明具有如下優點和效益(1)以快速充電超級電容組儲能代替蓄電池，改善換能效率，節約能量，解決蓄電池壽命短、維護量大的問題，降低運行成本；(2)充分利用開關磁阻電機正、反轉及制動功能，以一臺無刷的開關磁阻電機驅動電力機車取代原兩臺有刷的直流電機驅動機車，節約費用，降低維護要求，降低造價，簡化系統；(3)驅動電力機車的開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器採用一體化設計，提高了集成度，減少外部連線，改善系統可靠性；(4)開關磁阻電機的轉子發熱低，可降低對散熱的要求；(5)由開關磁阻電機構成的驅動系統具有結構簡單堅固、成本低廉、工作可靠，幾乎不需要維護，且具有故障容錯性，運行效率高等優點，將解決直流電機維護量大的問題，改善機車性能；(6)通過本發明可以改善機車運煤效率，實現節能、免維護、環保目的，降低煤炭成本。
圖1是本發明礦井電力機車驅動控制系統方框圖；圖2是本發明礦井電力機車底盤結構示意圖；圖3是本發明礦井電力機車驅動系統在車體中的布局結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步描述。
如圖1所示，本發明礦井電力機車驅動控制系統包括開關磁阻電機，功率變換器，電機控制器，整車控制器，能量控制管理單元，雙向DC/DC變換器，超級電容組，電壓均衡管理單元，充電用整流器，直流母線電解電容C。系統的聯接方式為超級電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關磁阻電機的功率變換器相聯，構成可控的能量雙向流動通路；電機控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯，構成信息雙向流動的通路；電壓均衡管理單元直接與超級電容組相聯，對超級電容組各單體電容進行電壓均衡管理；充電用整流器直接與直流母線電解電容C相聯，通過交流電源插座為超級電容組的快速充電提供能源；電機控制器通過傳感器接受開關磁阻電機的電流與轉子位置信號反饋，輸出PWM信號給功率變換器，以控制開關磁阻電機；能量控制管理單元通過傳感器接受超級電容組的電壓、電流信號和直流母線電壓信號，輸出PWM信號給雙向DC/DC變換器，以控制超級電容組與直流母線間的雙向能量流動。
整車控制器根據電機控制器提供的電機速度與狀態(電動與發電)，結合能量控制管理單元提供的超級電容組電量及司機需求，優化整車控制策略。能量控制管理單元根據整車控制器給出的指令，進行能量管理。電機控制器根據整車控制器指令，控制開關磁阻電機進行電動或制動運行。基於電機控制器與能量控制管理單元提供的信息，整車控制器完成整車狀態的信息顯示，如超級電容荷電狀態、車速、各單體電容是否有故障等。
當制動時，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器，將開關磁阻電機轉化的能量回收到超級電容組；當電動時，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器由超級電容組提供電能給直流母線，為開關磁阻電機運行提供能量，並確保直流母線電壓恆定；當正常快速充電時，機車交流電源插座與地面交流電源插頭對接，能量經過充電用整流器將交流電整流為直流電，供給直流母線，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器將能量快速存儲於超級電容組中。
圖2給出了本發明的礦井電力機車底盤結構示意圖。開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器採取一體化設計，將功率變換器和電機控制器封裝於開關磁阻電機殼體之中，使三者之間的連線從電機殼體內部穿過，而僅外置電機控制器CAN總線與直流母線。而且，開關磁阻電機採取兩端出軸，且兩端都配置有總速比相同的齒輪箱(Z1、Z2和Z3、Z4)。通過控制開關磁阻電機正轉與反轉，可控制機車前進與後退，制動時則將能量通過開關磁阻電機、功率變換器回饋給直流母線。
圖3為本發明系統在車體中的布局結構示意圖。能量控制器(包括充電用整流器、直流母線電解電容C、能量控制管理單元和雙向DC/DC變換器)、超級電容組、電壓均衡管理單元都被封裝於防爆箱體內，外接引線為CAN總線、直流母線及交流電源插座(防爆接口)。電機與控制一體化系統包括開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器，布置於機車底盤，外置直流母線與CAN總線。整車控制器被布置於駕駛室內，有顯示及司機操作手柄等，外留接口為CAN總線。
本發明的其他變化和修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，本發明並不局限於所述的具體實施方式
。因此，與本發明所公開內容的真正實質和基本原則範圍內的任何/所有修改、變化或等效變換，都屬於本發明的權利要求保護範圍。
權利要求
1.一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於它包括開關磁阻電機、功率變換器、電機控制器、整車控制器、能量控制管理單元、雙向DC/DC變換器、超級電容組、電壓均衡管理單元、充電用整流器、直流母線電解電容C；其聯接方式為超級電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關磁阻電機的功率變換器相聯，構成可控的能量雙向流動通路；電機控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯，構成信息雙向流動的通路；開關磁阻電機與功率變換器相聯，並受電機控制器控制；超級電容組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相聯，能量控制管理單元控制超級電容組與直流母線間能量的流動；電壓均衡管理單元直接與超級電容組相聯，對超級電容組各單體電容進行電壓均衡管理；充電用整流器直接與直流母線電解電容C相聯，通過交流電源插座，為超級電容組快速充電提供能源。
2.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於驅動電機為單臺開關磁阻電機，該電機採取兩端出軸，且兩端都配置有總速比相同的齒輪箱。通過控制開關磁阻電機正轉與反轉，可控制機車前進與後退。
3.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於開關磁阻電機、功率變換器及電機控制器經過一體化設計，將功率變換器和電機控制器封裝於開關磁阻電機殼體之中，使三者之間的連線從電機殼體內部穿過，而僅外置電機控制器CAN總線與直流母線。
4.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於整車控制器、電機控制器及能量控制管理單元間採用CAN總線通信。
5.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於機車電源採用快速充電超級電容組。
6.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於當正常快速充電時，將機車充電用交流電源插座與地面交流插頭對接，充電用整流器將交流電整流為直流電，供給直流母線電解電容C，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器，以給超級電容組充電。
7.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於電動期間，利用能量控制管理單元和雙向DC/DC變換器確保直流母線電壓恆定，由超級電容組向電機提供能量。
8.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於在發電制動期間，電力機車利用能量控制管理單元、雙向DC/DC變換器，將開關磁阻電機傳輸到直流母線電解電容C的能量快速回收到超級電容組。
9.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於基於電機控制器與能量控制管理單元提供的信息，整車控制器完成整車狀態的信息顯示，如超級電容荷電狀態、車速、各單體超級電容是否有故障等。
10.根據權利要求1所述的一種礦井電力機車驅動控制系統，其特徵在於整車控制器根據電機控制器提供的電機速度與狀態(電動與發電)，結合能量控制管理單元提供的電容器組電量及司機需求，優化整車控制策略。
全文摘要
本發明公開了一種礦井電力機車驅動控制系統，它以超級電容組為電源、以單臺開關磁阻電機為驅動電機。超級電容組為機車驅動電機提供每個運輸周期的能量，在運輸起始地點將機車充電用交流電源插座與地面交流插頭對接，完成快速充電；機車制動發電期間，通過能量控制器將發電能量快速回收到超級電容組；整車控制器通過CAN總線與電機控制器、能量控制器通信，根據司機需求、電機運行狀態與超級電容組荷電狀態，優化整車控制策略，發出能量管理指令和電機控制指令。電機與控制一體化系統被封裝於電機殼體之中，簡化了外部連線。本發明將有效改善機車運行效率，降低運行成本，實現節能、免維護、環保目的，在礦井電力機車中具有很好的推廣價值。
文檔編號B60L15/20GK1948045SQ20061011457
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者葛寶明 申請人:北京交通大學