專利名稱：一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井電力機(jī)車運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，特別是用超級(jí)電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)蓄電池、以無刷的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)取代有刷的直流電機(jī)，屬于礦井電力機(jī)車的電氣驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤炭是當(dāng)前我國(guó)最主要的能源支柱，礦井電力機(jī)車是煤礦運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備?，F(xiàn)有礦井電力機(jī)車分兩種，一種為蓄電池電力機(jī)車，另一種為架線式礦井電力機(jī)車。對(duì)于高瓦斯礦井，由于不準(zhǔn)使用架線式電力機(jī)車，所以必須采用蓄電池電力機(jī)車。此外，現(xiàn)有電力機(jī)車主要以有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，也有少量交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛，且每臺(tái)機(jī)車需要兩臺(tái)同等功率的電機(jī)，負(fù)責(zé)前進(jìn)與后退驅(qū)動(dòng)。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)有1)架線式礦井電力機(jī)車不準(zhǔn)用于高瓦斯礦井；2)蓄電池電力機(jī)車在換能、系統(tǒng)運(yùn)行中效率低，而且電池壽命短、維護(hù)量大，引發(fā)高費(fèi)用，增加煤炭成本；3)每臺(tái)機(jī)車需配備兩臺(tái)電機(jī)，造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；4)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械換向與碳刷，使得維護(hù)量大，更換頻繁；5)井下防爆要求以及潮濕的工作環(huán)境都不利于電機(jī)散熱，而直流電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都產(chǎn)生熱量，對(duì)電機(jī)散熱要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為高瓦斯礦井提供一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，使礦井電力機(jī)車實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、免維護(hù)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，改善機(jī)車性能，降低煤炭成本，即，采用快速充電超級(jí)電容組取代蓄電池，以改善效率、延長(zhǎng)壽命；用一臺(tái)開關(guān)磁阻電機(jī)取代傳統(tǒng)兩臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低造價(jià)和維護(hù)量。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、電機(jī)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(jí)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(lián)接方式為超級(jí)電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器相聯(lián)，構(gòu)成可控的能量雙向流動(dòng)通路；電機(jī)控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯(lián)，構(gòu)成信息雙向流動(dòng)的通路；開關(guān)磁阻電機(jī)與功率變換器相聯(lián)，并受電機(jī)控制器控制；超級(jí)電容組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相聯(lián)，并受能量控制管理單元控制；電壓均衡管理單元直接與超級(jí)電容組相聯(lián)，對(duì)超級(jí)電容組各單體電容進(jìn)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(lián)，為快速充電提供能源。本發(fā)明的控制技術(shù)方案為正常充電時(shí)，交流電源插座與地面交流電源插頭對(duì)接，能量控制管理單元輸出PWM信號(hào)，控制雙向DC/DC變換器，使能量經(jīng)充電用整流器與雙向DC/DC變換器給超級(jí)電容組快速充電，為礦井電力機(jī)車提供短途運(yùn)行能量；在發(fā)電制動(dòng)期間，開關(guān)磁阻電機(jī)經(jīng)功率變換器將發(fā)電能量傳輸至直流母線電解電容C，能量控制管理單元?jiǎng)t控制雙向DC/DC變換器，將此再生發(fā)電能量快速轉(zhuǎn)存于超級(jí)電容組；電動(dòng)期間，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器，確保直流母線電壓恒定，超級(jí)電容組向開關(guān)磁阻電機(jī)提供能量。整車控制器基于司機(jī)需求，結(jié)合超級(jí)電容組電量與開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行速度與狀態(tài)(電動(dòng)或發(fā)電)，優(yōu)化整車控制策略。電機(jī)控制器根據(jù)整車指令，輸出PWM信號(hào)給功率變換器，以控制開關(guān)磁阻電機(jī)。整車控制器實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，如超級(jí)電容荷電狀態(tài)、車速、各單體電容是否有故障等。
本發(fā)明中，開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)，將功率變換器和電機(jī)控制器封裝于開關(guān)磁阻電機(jī)殼體之中，使三者之間的連線從電機(jī)殼體內(nèi)部穿過，而僅外置電機(jī)控制器CAN總線與直流母線。
本發(fā)明中，開關(guān)磁阻電機(jī)采取兩端出軸，且兩端都配置有總速比相同的齒輪箱。通過控制開關(guān)磁阻電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，可控制機(jī)車前進(jìn)與后退，制動(dòng)時(shí)則將能量通過開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器回饋到直流母線，能量控制管理單元?jiǎng)t控制雙向DC/DC變換器將回饋能量存儲(chǔ)于超級(jí)電容組。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源即采用快速充電超級(jí)電容組。
為方便描述，將開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器通稱為電機(jī)與控制一體化系統(tǒng)，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(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效益(1)以快速充電超級(jí)電容組儲(chǔ)能代替蓄電池，改善換能效率，節(jié)約能量，解決蓄電池壽命短、維護(hù)量大的問題，降低運(yùn)行成本；(2)充分利用開關(guān)磁阻電機(jī)正、反轉(zhuǎn)及制動(dòng)功能，以一臺(tái)無刷的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車取代原兩臺(tái)有刷的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車，節(jié)約費(fèi)用，降低維護(hù)要求，降低造價(jià)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)；(3)驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車的開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器采用一體化設(shè)計(jì)，提高了集成度，減少外部連線，改善系統(tǒng)可靠性；(4)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱低，可降低對(duì)散熱的要求；(5)由開關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、成本低廉、工作可靠，幾乎不需要維護(hù)，且具有故障容錯(cuò)性，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，將解決直流電機(jī)維護(hù)量大的問題，改善機(jī)車性能；(6)通過本發(fā)明可以改善機(jī)車運(yùn)煤效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、免維護(hù)、環(huán)保目的，降低煤炭成本。


圖1是本發(fā)明礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖；圖2是本發(fā)明礦井電力機(jī)車底盤結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在車體中的布局結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
如圖1所示，本發(fā)明礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括開關(guān)磁阻電機(jī)，功率變換器，電機(jī)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(jí)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(tǒng)的聯(lián)接方式為超級(jí)電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器相聯(lián)，構(gòu)成可控的能量雙向流動(dòng)通路；電機(jī)控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯(lián)，構(gòu)成信息雙向流動(dòng)的通路；電壓均衡管理單元直接與超級(jí)電容組相聯(lián)，對(duì)超級(jí)電容組各單體電容進(jìn)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(lián)，通過交流電源插座為超級(jí)電容組的快速充電提供能源；電機(jī)控制器通過傳感器接受開關(guān)磁阻電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)反饋，輸出PWM信號(hào)給功率變換器，以控制開關(guān)磁阻電機(jī)；能量控制管理單元通過傳感器接受超級(jí)電容組的電壓、電流信號(hào)和直流母線電壓信號(hào)，輸出PWM信號(hào)給雙向DC/DC變換器，以控制超級(jí)電容組與直流母線間的雙向能量流動(dòng)。
整車控制器根據(jù)電機(jī)控制器提供的電機(jī)速度與狀態(tài)(電動(dòng)與發(fā)電)，結(jié)合能量控制管理單元提供的超級(jí)電容組電量及司機(jī)需求，優(yōu)化整車控制策略。能量控制管理單元根據(jù)整車控制器給出的指令，進(jìn)行能量管理。電機(jī)控制器根據(jù)整車控制器指令，控制開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行電動(dòng)或制動(dòng)運(yùn)行?；陔姍C(jī)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(tài)的信息顯示，如超級(jí)電容荷電狀態(tài)、車速、各單體電容是否有故障等。
當(dāng)制動(dòng)時(shí)，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器，將開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)化的能量回收到超級(jí)電容組；當(dāng)電動(dòng)時(shí)，能量控制管理單元控制雙向DC/DC變換器由超級(jí)電容組提供電能給直流母線，為開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行提供能量，并確保直流母線電壓恒定；當(dāng)正常快速充電時(shí)，機(jī)車交流電源插座與地面交流電源插頭對(duì)接，能量經(jīng)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(chǔ)于超級(jí)電容組中。
圖2給出了本發(fā)明的礦井電力機(jī)車底盤結(jié)構(gòu)示意圖。開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器采取一體化設(shè)計(jì)，將功率變換器和電機(jī)控制器封裝于開關(guān)磁阻電機(jī)殼體之中，使三者之間的連線從電機(jī)殼體內(nèi)部穿過，而僅外置電機(jī)控制器CAN總線與直流母線。而且，開關(guān)磁阻電機(jī)采取兩端出軸，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(guān)磁阻電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，可控制機(jī)車前進(jìn)與后退，制動(dòng)時(shí)則將能量通過開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器回饋給直流母線。
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)在車體中的布局結(jié)構(gòu)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(jí)電容組、電壓均衡管理單元都被封裝于防爆箱體內(nèi)，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(jī)與控制一體化系統(tǒng)包括開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器，布置于機(jī)車底盤，外置直流母線與CAN總線。整車控制器被布置于駕駛室內(nèi)，有顯示及司機(jī)操作手柄等，外留接口為CAN總線。
本發(fā)明的其他變化和修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，本發(fā)明并不局限于所述的具體實(shí)施方式
。因此，與本發(fā)明所公開內(nèi)容的真正實(shí)質(zhì)和基本原則范圍內(nèi)的任何/所有修改、變化或等效變換，都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于它包括開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、電機(jī)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(jí)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(lián)接方式為超級(jí)電容組通過雙向DC/DC變換器、直流母線電解電容C和開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器相聯(lián)，構(gòu)成可控的能量雙向流動(dòng)通路；電機(jī)控制器通過CAN總線與整車控制器、能量控制管理單元相聯(lián)，構(gòu)成信息雙向流動(dòng)的通路；開關(guān)磁阻電機(jī)與功率變換器相聯(lián)，并受電機(jī)控制器控制；超級(jí)電容組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相聯(lián)，能量控制管理單元控制超級(jí)電容組與直流母線間能量的流動(dòng)；電壓均衡管理單元直接與超級(jí)電容組相聯(lián)，對(duì)超級(jí)電容組各單體電容進(jìn)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(lián)，通過交流電源插座，為超級(jí)電容組快速充電提供能源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動(dòng)電機(jī)為單臺(tái)開關(guān)磁阻電機(jī)，該電機(jī)采取兩端出軸，且兩端都配置有總速比相同的齒輪箱。通過控制開關(guān)磁阻電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，可控制機(jī)車前進(jìn)與后退。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器及電機(jī)控制器經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)，將功率變換器和電機(jī)控制器封裝于開關(guān)磁阻電機(jī)殼體之中，使三者之間的連線從電機(jī)殼體內(nèi)部穿過，而僅外置電機(jī)控制器CAN總線與直流母線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于整車控制器、電機(jī)控制器及能量控制管理單元間采用CAN總線通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于機(jī)車電源采用快速充電超級(jí)電容組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)正常快速充電時(shí)，將機(jī)車充電用交流電源插座與地面交流插頭對(duì)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(jí)電容組充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于電動(dòng)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恒定，由超級(jí)電容組向電機(jī)提供能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于在發(fā)電制動(dòng)期間，電力機(jī)車?yán)媚芰靠刂乒芾韱卧㈦p向DC/DC變換器，將開關(guān)磁阻電機(jī)傳輸?shù)街绷髂妇€電解電容C的能量快速回收到超級(jí)電容組。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于基于電機(jī)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(tài)的信息顯示，如超級(jí)電容荷電狀態(tài)、車速、各單體超級(jí)電容是否有故障等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于整車控制器根據(jù)電機(jī)控制器提供的電機(jī)速度與狀態(tài)(電動(dòng)與發(fā)電)，結(jié)合能量控制管理單元提供的電容器組電量及司機(jī)需求，優(yōu)化整車控制策略。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種礦井電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，它以超級(jí)電容組為電源、以單臺(tái)開關(guān)磁阻電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。超級(jí)電容組為機(jī)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供每個(gè)運(yùn)輸周期的能量，在運(yùn)輸起始地點(diǎn)將機(jī)車充電用交流電源插座與地面交流插頭對(duì)接，完成快速充電；機(jī)車制動(dòng)發(fā)電期間，通過能量控制器將發(fā)電能量快速回收到超級(jí)電容組；整車控制器通過CAN總線與電機(jī)控制器、能量控制器通信，根據(jù)司機(jī)需求、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與超級(jí)電容組荷電狀態(tài)，優(yōu)化整車控制策略，發(fā)出能量管理指令和電機(jī)控制指令。電機(jī)與控制一體化系統(tǒng)被封裝于電機(jī)殼體之中，簡(jiǎn)化了外部連線。本發(fā)明將有效改善機(jī)車運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、免維護(hù)、環(huán)保目的，在礦井電力機(jī)車中具有很好的推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)B60L15/20GK1948045SQ20061011457
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者葛寶明 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)