矿用电机车车载充电系统研究.pdf

第45卷 第1期 2019年1月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 文章编号6 7 1 - 2 5 1 X 2 0 1 9 0 1 - 0 1 0 4 0 5 D O I1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 - 2 5 1 x . 2 0 1 8 0 6 0 0 1 1 矿用电机车车载充电系统研究 杨金鑫， 祝龙记 安黴理工大学电气与信息工程学院， 安黴淮南2 3 2 0 0 1 摘要 针对现有矿用铅酸蓄电池电机车充电系统存在电能质量差、 续航能力小、 蓄电池使用寿命短、蓄 电池充电装置与电机车驱动系统分离等问题， 设计了一种新型一体化车载充电系统。该系统由前级P W M 整流电路和后级B u c k电路串联组成， 充电时将电动机绕组重构为P WM整流电路的升压电感， 组成一体化 车载充放电电路； 采用超级电容代替蓄电池作为储能元件， 可实现车载快速充放电功能。仿真结果表明， 与 传统充电系统相比， 该系统充电时间短、 效率高， 可实现功率因数校正、 抑制纹波、 高效快速充放电等功能。 关键词 矿用电机车；永磁同步电动机；绕组重构；车载充电；一体化充放电电路； 超级电容 中图分类号 T D 6 1 1 文献标志码 A 网络出版地址H t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c m s / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 8 1 2 2 8 . 1 0 0 5 . 0 0 1 . h t m l Research on on-board charging system of mine-used electric locomotive Y A N G J i n x i n , Z H U L o n g i S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 , C h i n a Abstract I n v i e w o f p r o b l e m s o f l o w p o w e r q u a l i t y , l o w c r u i s i n g p o w e r , s h o r t s e r v i c e l i f e o f b a t t e r y , s e p a r a t i o n b e t w e e n b a t t e r y c h a r g i n g d e v i c e a n d l o c o m o t i v e d r i v i n g s y s t e m e x i s t e d i n c u r r e n t c h a r g i n g s y s t e m o f m i n e - u s e d e l e c t r i c l o c o m o t i v e w i t h l e a d - a c i d b a t t e r y , a n e w i n t e g r a t e d o n - b o a r d c h a r g i n g s y s t e m w a s d e s i g n e d . T h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f t h e f r o n t - s t a g e P W M r e c t i f i e r c i r c u i t a n d t h e b a c k - s t a g e B u c k c i r c u i t i n s e r i e s . W h e n c h a r g i n g , t h e m o t o r w i n d i n g s a r e r e c o n s t r u c t e d i n t o t h e b o o s t i n d u c t a n c e o f t h e P W M r e c t i f i e r c i r c u i t t o f o r m a n i n t e g r a t e d o n - b o a r d c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g c i r c u i t . T h e s u p e r c a p a c i t o r i s u s e d t o r e p l a c e t h e b a t t e r y a s t h e e n e r g y s t o r a g e e l e m e n t , w h i c h c a n r e a l i z e q u i c k o n - b o a r d c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g f u n c t i o n . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h e s y s t e m h a s s h o r t e r c h a r g i n g t i m e a n d h i g h e r e f f i c i e n c y , a n d c a n r e a l i z e f u n c t i o n s s u c h a s p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n , r i p p l e s u p p r e s s i o n , e f f i c i e n t a n d r a p i d c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l c h a r g i n g s y s t e m . Key words m i n e - u s e d e l e c t r i c l o c o m o t i v e ; p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r ; w i n d i n g r e c o n s t r u c t i o n； o n - b o a r d c h a r g i n g； i n t e g r a t e d c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g c i r c u i t ; s u p e r c a p a c i t o r 〇 引言〇 引言 目前，矿山运输中使用较多的是矿用铅酸蓄电 池电机车，其以直流电动机作为驱动电动机，虽然牵 引性能良好，启动转矩较大，但启动方式是串电阻启 动，启动过程会消耗大量电能，需经常对其进行充 电[ 1 ]。现有的矿用铅酸蓄电池电机车充电系统主要 由三相电源、充电电路和储能元件（铅酸蓄电池） 组 成。其中，充电电路为晶闸管相控整流电路，整流得 到的直流电中含有大量纹波，电能质量差；以铅酸蓄 电池作为储能元件，功率密度低，寿命短，且铅酸蓄 电池与车身通过插销连接，充电时需要从电机车上 收 稿 日 期 2018-06-06;修 回 日 期 2018-11-25;责 任 编 辑 张 强 。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （U1610120 。 作 者 筒 介 杨 金 鑫 （1994一） ， 男 ， 安 徽 淮 南 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 电 力 电 子 技 术 及 应 用 ，E-mail754599554qq. com。 引 用 格 式 杨 金 鑫 ， 祝 龙 记.矿 用 电 机 车 车 载 充 电 系 统 研 究 工 矿 自 动 化 ，2019,45104-108. YANG Jinxin,ZHU Longji. Research on on-board charging system of mine-used electric locomotive[J]. Industry and Mine Automation,2019,451 ； 104-108. 2 0 1 9 年 第 1 期杨 金 鑫 等 矿 用 电 机 车 车 载 充 电 系 统 研 究 105 拆 卸 下 来 运 到 专 用 充 电 机 房 进 ， 充 电 过 程 费 费 力 ， 大 大 降 低 了 工 作 [2]。 目前矿 机 车 系 统 中 充 电 电 路 和 储 能 元 件 问 题 ， 设 计 了 一 套 矿 机 车 车 i 系 统 。 用 功 率 密 度 大* * 、 适 大 、 大 电 流 场 合[3 5]的 超 代 替 铅 酸 蓄 电 池 ， 并 且 固 定 在 电 机 车 上 ， ； 用 体 积 小 、 能 耗 低 、 启 大 、 调 速 范 同步 机 （ ]代 流 机 ， 永 磁 同 步 机 定 子 绕 组 简 单 重 ， 作 为P W M整 流 电 路 中 的 升 感 ， 使 连 进 ； 用 一 体 化 车 载 充 放 路 代 闸 管 流 电 路 ，更 优 的 P f M整 流 策 略 代 流 策 略 ， 以 达 到 提 数 、 输 出 高 质 目 的 。 1矿用电机车车载充电系统1矿用电机车车载充电系统 矿 用 电 机 车 车 载 充 电 系 统 主 要 由 三 相 交 流 电 源 、P f M整 流 电 路 、B u c k斩 波 电 路 及 超 级 电 容 组 ， 如 图1所 示 。 三 相 交 流 提 ， 经 过 P f M整 流 电 路 整 流 后 ， 得 质 流 电 。但 流 得 流 ， 超 级 电 容 可 坏 器 件 ， 需 要B u c k斩 波 电 路 进 一 步 把 电 压 降 低 值 后 再 对 超 。 图1矿 用 电 机 车 车 载 充 电 系 统 组 成 Fig. 1 Composition of on-board charging system of 0充电放电一体化电路结构充电放电一体化电路结构 2.1 体化电路 矿 机 车 体 路 图 2 所 ， 其 有2种 工 作 （ 驱 动 ） 模 式 。 6 2中，S C为 储 能 超 级 电 容 组，V T 7、V D 8及 匕 组 成 充 电 电 路 中 的B u c k电 路 ，C为 滤 波 稳 压 电 容 。 V T V T 6组 向变 ， 下 作 为 逆 变 器 使 用 ， 下 作 流 器 使 用 。K M是 ， 连 机 的 定 组 上 。 在 驱 动 模 式 下，，La 、a 、Lb、、Lc分 别 与K M- -2端 子 连 接 ， 定 子 三 组 连 ， 永 磁 同 步 机 工 作 于 运 行 状 态 。 下 ，K M线 圈 得 电 ， 开 关 触 点K M- -1闭 合 ，La、Lb、Lc被K M- -1接 入 三 相 交 流 电 源 〃a、 你 、 处 ，、 你 、 处 ，电 动 机 三 相 绕 组 变 成 了 P f M整 流 电 路 中 的 升 压 储 能 电 感La、、Lb、、Lc。。 2.2 定子特殊绕组通电对转子的影响 状 态 下 ， 定 子 三 组 ， 变 成 图2充 电 放 电 一 体 化 电 路 Fig. 2 Integrated circuit for charge and discharge 3个 独 感 。 当 独 立 的 定 组 电 感La、Lb、 Lc分 别 通 入 交 流 电 压Wa、 〃b、 〃c时 ， 定 子 每 相 绕 组 感 产 生 磁 场 。 电 动 机 定 中 ， 三 相 绕 组a x、b y、c za、b、c是 出 线 端 ，X、Y、Z是 进 线 沿 圆 分 布 。 下 ， 三 组 两 ， 产 生 磁 场 ， 按 右 手 螺 旋 定 定 绕 组 轴 线 方 向 ， 将 这3个 方 向 作 为 空 间 标 轴 的 轴 线 ， 建 立A B C三 相 静 止 坐 标 系 。 同 时 根 体 轴 线 轴 及 与 其 垂 方 向 确 定 匈 平 面 直 角 系 ， 定 子 绕 组 分 布 及 坐 标 系 如 6 3 a 所 示 。 以A 组 为 例 ， 分 析 通 电 产 生 \ 场 。 八 组 的A X端 产 生 的 场 分 布 如 图3 b 所 示 ，A相 绕 组A端 电 流 从 纸 面 流向 ，X端 电 流 从 纸 外 流 向 纸 面 。从 图 中 可 以 看 出 ，S极 与A轴 正 方 向 重 合 。 此 时 ， 来 ，A X端 产 生 的 空 间 磁 场 产 生 的 作 用 大 小 相 等 、 方向 ， 永 磁 体 平 衡 ， 转 子 ， 静 止 。 b A相 绕 组 的A端 和X端 产 生的磁场分布 图3定 子 绕 组 通 电 分 析 Fig. 3 Analysis of electrify of stator winding 106 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 同理可得B 相 、 C 相通电时转子的转矩也为零， 转子静止。 2. 3 放电电路 功率因数。 在 办 旋转坐标系下， 三相交流电ma、 b、 c的 电压方程为 当接触器K M 处在驱动模式下时， La、 Lb、 Lc 的 X Y Z 端 由 K M 开关触点连接在一起， 形成永磁 同步电动机的三相绕组， 得 到 如 图 4 所示的放电电 路 。超级电容器工作在放电状态， 电能通过VD7 * 三相电压型逆变器后转换成永磁同步电动机的机械 能 ， 电机车工作在电动运行状态。 图4放电电路 Fig. 4 Circuit of discharge 2. 4 充电电路 当一体化充放电电路在充电模式时， 其电路如 图5所示。其中，La、Lb、Lc的X Y Z端 由K M接触 器控制分开， 分别连接到三相交流电源上， 与三相逆 变器一起组成P W M整流电路。充电电路采用两级 式充电结构， 如一级王要由三相父流电A、 W、 处 、 升压储能电感La、Lb、Lc及P W M整流桥组成； 后 级 电 路 主 要 是B u c k电 路 ， 由V T7、 续流二极管 V D7、 电感L组成， 主要用来控制超级电容器的充电 流。 图5充电电路 Fig. 5 Circuit of charging 3 充电控制策略3 充电控制策略 采用三相PW M整流代替传统电机车的相控整 流 ， 解决了相控整流电路中存在大量谐波的问题， 可 提高单位功率因数710。 3. 1 PW M 整流控制策略 一体化车载充电电路中的三相PW M整流的控 制策略是基于办旋转坐标的双闭环控制， 即电压 电流双闭环和电压前置反馈相结合。双闭环控制 中， 电压环是外环， 电流环是内环。电压前置反馈目 的是输出稳定直流电， 双闭环控制目的是实现单位 6l L 6l L d l d t d ed d t _ Lg十从Id ■ Ld 6 1 中 Ld、 6l、 6i、 6 分 别 表 坐标系下电网电 压和整流器交流侧输入电压Res为超级电容组等效 内阻;Wi为 Buck电路输入电压。 超级电容充电电流的大小决定于其储存电量的 大小。充电过程中电流与电量关系如图8 所示。根 据监测到的SOC State of Charge值，将充电分 为 5 个阶段。在 0〜 阶 段 ， 为了避免突加大电流 超 ， 流 从 始 升 ， 逐渐 达最大值，SOC 开始增加； 在 〜 “ 阶段，保持大 电流快充， SOC 快速升高至70 ;在 〜 在 在〜段， 快充满 时， 电压外环退出饱和， 实现电压控制， 充电电流逐渐 降低， 转入恒压浮充阶段。这种控制策略可以实现对 超 级 电 容 的 高 效 、 安 全 充 电 。图 中 ， 〜 0代表 SOC 达 到 1 0 〜100时对应的充电电流的大小。 I- .-0/销 t v / u o s 108 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 时间/s 图1 1充 电 电 流 曲 线 Fig. 11 Charging current curve 超级电容电量曲线如图12所示， 充电开始到结 束时间大概需要5 0 充电时间远远小于蓄电池充 电的时间， 反映出超级电容快速充电的特性。 图1 2超级电容电量曲线 Fig. 12 Curve of electric quantity of supercapacitor 3结语3结语 矿用电机车车载充电系统采用三相P f M 整流 电路与Buck电路串联电路代替传统的相控整流电 路 ， 用永磁同步电动机代替传统的直流电动机， 对定 子绕组进行简单重构， 重构后定子绕组变成普通电 感 ， 作 为 P f M 整流电路中的升压电感， 储能元件采 用性能更好的超级电容， 实现了车载快速充放电功 能 。仿真分析结果表明， 该充电系统能够实现功率 因数校正、 抑制纹波、 高效快速充放电等功能， 满足 矿用电机车的使用要求。 参 考 文 献 （References 1 李振璧， 石晓艳.基于D SP控制的蓄电池电机车直流 斩波调速系统[J ].煤矿机电，20072 26-28. LI Zhenbi， SHI Xiaoyan. DC chopped-wave speed regulating system of battery locomotive based on DSP control [ J ]. Colliery Mechanical k Electrical Technology，20072 26-28. [2 王栋梁， 温灿国.锂离子蓄电池在矿用电机车上的应 用[ J 矿山机械，2011，394 40-43. WANG Dongliang, WEN Canguo. Application of lith- iumion batteries to mining electric locomotives [J. Mining k Processing Equipm ent,2011 394 40-43. 后 ， 电量达到8 0 ， 再次降低充电电流， 进入慢充阶 段 ， 持 续 22 s。48 s 后 ， 转入恒压充电， 电流逐渐降 为零， 充电完成。图 11说明了超级电容的充电电流 范围大， 既可大电流快速充电， 也可以小电流浮充， 大 概 要 50s 。 [ 3 那凯鹏， 刘国忠， 杨宇飞.超级电容充电方法研究[J. 电子设计工程，2014,2222 91-93. NA Kaipeng， LIU Guozhong， YANG Yufei. Study on charging of supercapacitor [J]. Electronic DesignEngineering，2014,2222 91-93. [4 ]彭波， 文方.超级电容的充放电控制策略研究[J] 工 业控制计算机，2013,2612 38-139. PENG BoWEN Fang Supercapacitor charge and discharge control strategy [J. Industrial Control Computer，2013,2612 38-139. [5 孟彦京， 张商州， 陈景文， 等.充电方式对超级电容能 量效率的影响[J] 电子器件，2014，371 3-16. MENG Yanjing， ZHANG Shangzhou， CHEN Jingwen，et al. The impact of charging mode pairs of super-capacitor energy efficiency [J. Chinese Journal of Electron Devices 2014 371 13-16. [ 6 ]李永东， 朱昊.永磁同步电机无速度传感器控制综述 [ J ]电气传动，2009，399-10. LI Yongdong， ZHU Hao. Overview of sensorless control of permanent magnet synchronous motors [J. ElectricDrive，2009，399 -10. [7 刘金海， 陈为， 胡金高.永 磁 同 步 电 机 办 电感 参 数 新 实验获取法[J.电工技术学报，2014，297 7-103. LIU Jinhai， CHEN Wei， HU Jingao. Novel experimental s of acquiring dq inductance of permanent magnet synchronous motors [ J Transactions of China Electrotechnical Society 2014， 297 7-103. [8 FENG Yuelu， KONISHI Y， NAKAOKA M. Deadbeat control scheme for three phase current-fed PFC converter with an optimum PWM strategy [C //IEEE 1999 International Conference on Power Electronics andDrive Systems ,1999485-488. [9 VEEN A V S， M H RAVICHANDRAN， SADASIVAN A ， et al. Vector control of three phase PMSM drive using power transations for future spacecraft application [ C // 2014 International Conference on Circuit Power and Computing Technologies，2014 313-318. [10 BIWET A M， MAMO M. Closed loop control strategy of back to back PWM converter fed by PMSG using plecs toolbox on Matlab/Simulink for wind energy application [ C // IEEE African 2017 Proceedings，2017 313-1318. [11 WANG Xiaoyu，LIU Jinjun，MENG Yuji，et al. Frequency-domain transation approaches to develop the d-q synchronous-frame models of three- phase symme,rical ne,works and applica,ions in modeling of PWM power converters [C // The 7th International Conference onPower Electronics，2007 851-856. o o o 6 4 2 3 3 1 V/雪