一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法與流程

本發明涉及電機車牽引控制技術領域，尤其涉及一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法。

背景技術：

電機車是工礦企業的一個傳統設備，主要用于礦用或者隧道作業。按照供電的方式不同可分為：架線電機車、蓄電池電瓶電機車；按照牽引力大小可分為：5t、8t、12t、20t、24t等系列電機車；按照調速方式的不同可分為：直流牽引電機串電阻調速，直流牽引電機斬波調速，交流牽引電機變頻調速。從技術發展的趨勢來看：架線車與蓄電池電瓶車會并行發展，而且以較大噸位（12t、20t）的蓄電池電瓶車占主導；直流斬波調速將取代傳統的串電阻調速；交流牽引電機變頻調速或者永磁同步電機變頻器調試將取代直流牽引電機調速。交流牽引電機車和永磁同步電機車與直流牽引電機車相比較，具有體積小、重量輕，可靠性高、維護量小，無滑環和換相器，易于安全防爆等優點，同時交流變頻調速具有明顯的節能效果，耗能和發熱量都明顯減少。所以說，交流牽引電機車取代直流牽引電機車，用先進的交流變頻調速技術取代傳統的直流串電阻和直流斬波調速技術是電機車發展的必然趨勢。

從隔爆、靈活性等方面考慮，蓄電池電機車是發展的趨勢。但電機車負載變化頻繁，電池電壓隨著工作的進行而減少，影響電機車的使用效率，工作環境惡劣，起動力矩大，同時要能在5‰的坡上停車，另外電機車制動頻繁，經常性急停，再生制動能量通過剎車轉成熱能浪費了，還影響電機車的壽命。根據實際應用背景，概括來說，電機車驅動控制系統應該具有如下要求：(1)驅動控制系統的容量從45kw-200kw；(2)蓄電池提供的電源電壓要穩壓；(3)再生制動能量要能吸收利用；(4)實現電機車輛的智能識別、定位跟蹤、故障診斷；（5）提高蓄電池的使用壽命和運行效率；（6）電機車安全、綠色運行，運行可靠，設備體積小，質量輕，便于移動,運輸和維修。

目前蓄電池電機車有兩種方案。異步交流電機車方案和永磁同步同步電機方案，這兩種方案的驅動控制系統都相同，如圖1所示，是一種典型的直-交（dc/ac）逆變方式。該系統存在的突出問題是：第一、電機車起動電壓脈動較大，損傷蓄電池；第二、電機車再生制動能量主要通過剎車發熱消耗，損害電機車的壽命，浪費能量，同時瞬間給電池組充電影響電池組的壽命；第三、隨著電機車的運行，蓄電池電壓逐步降低，影響電機車的運行效率；第四、電機車過于頻率的起動制動、重載運行，損傷蓄電池，降低蓄電池的效率；第五、電機車輛的智能識別、定位跟蹤、故障診斷的能力不足。

技術實現要素：

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，提供了一種集電力電子技術、智能控制于一身的智能化高效電機車牽引控制系統及其方法，設計巧妙，控制有效，智能化程度高，既能穩壓又能吸收再生制動能量，提高蓄電池的效率和壽命，使用安全節能環保等優點。

為實現上述目的，本發明提供了一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：包括總控制系統、第一控制系統、第二控制系統、第一雙向dc/dc變流器、第二雙向dc/dc變流器、逆變器，所述總控制系統分別與第一控制系統、第二控制系統相連接，所述第一控制系統輸出端分別與第一雙向dc/dc變流器、第二雙向dc/dc變流器連接，所述第二控制系統輸出端與逆變器連接，所述第一雙向dc/dc變流器、第二雙向dc/dc變流器的輸出端均與逆變器連接，所述逆變器輸出端與電機車連接。

上述的一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：所述第一雙向dc/dc變流器、第二雙向dc/dc變流器的輸入端分別連接蓄電池組、超級電容組。

上述的一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：所述總控制系統與第一控制系統、第二控制系統分別通過can總線連接。

上述的一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：所述蓄電池組為兩個或者兩個以上蓄電池串聯和并聯。

上述的一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：所述超級電容組為兩個或者兩個以上超級電容串聯和并聯。

一種利用所述智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其方法為：當系統處于牽引運行時候，能量從蓄電池流向電機車依次為：蓄電池組、雙向dc/dc變流器1、逆變器和電機車；

當系統處于再生制動運行時，能量從電機車流向超級電容依次為：電機車、逆變器、雙向dc/dc變流器2、超級電容組；

根據檢測蓄電池、超級電容的狀態，依據電機車的運行狀態以及運行停止等指令啟動智能化高效運行，同時各控制系統直接交換數據，自動調整智能化運行；

雙向dc/dc變流器1在電機車牽引運行時工作在升壓工況，可輸出穩定的直流電壓，能夠適應蓄電池由于工作運行不斷降低的電壓，確保逆變器輸入電壓一直保持不變，高效運行；在電機車再生制動工況時停止工作，與逆變器隔離；

電機車牽引運行時，當電機車起動瞬間，雙向dc/dc變流器1和雙向dc/dc變流器2兩電源協調并聯運行，通過控制雙向dc/dc變流器1工作在恒流工況，雙向dc/dc變流器2工作在恒壓工況，保持輸出穩定的直流電壓供給逆變器；

電機車再生制動狀態時，停止雙向dc/dc變流1，控制雙向dc/dc變流2把再生制動能量快速存儲到超級電容組。

本發明的有益效果是：

本發明運用電力電子技術、全數字化智能化技術，實現電機車及其蓄電池的高效運行，蓄電池組和超級電容組的有機結合能更加有效的實現電機車的各種特殊工況，實現對再生能量的有效利用，電機車起動瞬間和重載情況下，通過超級電容組能量的補充，延長了蓄電池的使用壽命和使用效率，結合具有的能量存儲功能，避免了能源的浪費，實現節能環保，提高了整個產品的隔爆性能和使用安全性能。

以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是現有技術的電機車驅動控制系統原理圖。

圖2是本發明的電機車驅動控制系統原理圖。

具體實施方式

如圖2所示，一種智能化高效電機車牽引驅動控制系統及其方法，其特征在于：包括總控制系統1、第一控制系統2、第二控制系統3、第一雙向dc/dc變流器4、第二雙向dc/dc變流器5、逆變器6，所述總控制系統1分別與第一控制系統2、第二控制系統3相連接，所述第一控制系統2輸出端分別與第一雙向dc/dc變流器4、第二雙向dc/dc變流器5連接，所述第二控制系統3輸出端與逆變器6連接，所述第一雙向dc/dc變流器4、第二雙向dc/dc變流器5的輸出端均與逆變器6連接，所述逆變器6輸出端與電機車7連接。

本實施例中，所述第一雙向dc/dc變流器4、第二雙向dc/dc變流器5的輸入端分別連接蓄電池組、超級電容組，所述總控制系統1與第一控制系統2、第二控制系統3分別通過can總線連接，所述蓄電池組為兩個或者兩個以上蓄電池串聯和并聯。

本實施例中，所述超級電容組為兩個或者兩個以上超級電容串聯和并聯。

本發明的顯著特點是本系統可實現能量的雙向流動，通過控制算法可以實現逆變器輸入電壓的穩壓，再生制動能量的快速吸收再利用，具有快速、安全、節能環保等優點，其結構如圖2所示。即蓄電池組結合超級電容組←→雙向dc/dc變流器1和2←→逆變器牽引驅動控制方案。其工作原理：

1、如圖2所示，一種智能化高效電機車驅動控制系統系統及其方法由6個部分組成，蓄電池組與超級電容組，雙向dc/dc變流器1，雙向dc/dc變流器2，逆變器以及各控制系統等，本系統能實現蓄電池供電電源的穩定輸出和再生制動能量的吸收利用；

2、當系統處于牽引運行時候，能量從蓄電池流向電機車：蓄電池組→雙向dc/dc變流器1→逆變器→電機車；當系統處于再生制動運行時，能量從電機車流向超級電容：電機車→逆變器→雙向dc/dc變流器2→超級電容組；

3、一種智能化高效電機車驅動控制系統及其方法根據檢測蓄電池組、超級電容組的狀態，依據電機車的運行狀態以及運行停止等指令啟動智能化高效運行，同時各控制系統直接交換數據，自動調整智能化運行；

4、雙向dc/dc變流器1，在電機車牽引運行時工作在升壓工況，可輸出穩定的直流電壓，能夠適應蓄電池由于工作運行而不斷降低的電壓，使得逆變器輸入電壓一直保持不變；在電機車再生制動工況時停止工作，與逆變器隔離，防止再生制動能量瞬間回饋蓄電池從而損傷蓄電池，提高了驅動控制系統的控制性能、隔爆性能和可靠性以及提高了電機車的效率；

5、電機車牽引運行時，當電機車起動瞬間，雙向dc/dc變流器1同雙向dc/dc變流器2兩電源協調并聯運行，通過控制雙向dc/dc變流器1工作在恒流工況，不至于輸出過高的電流而損傷蓄電池，雙向dc/dc變流器2工作在恒壓工況，保持輸出穩定的直流電壓供給逆變器，使電機車高效運行；

6、電機車再生制動狀態時，停止雙向dc/dc變流1，控制雙向dc/dc變流,2把再生制動能量快速存儲到超級電容組，實現快速儲能，無需外加放電電阻單元，提高了驅動控制系統的控制性能、隔爆性能和可靠性以及提高電機車的效率；

7、控制雙向dc/dc變流2能快速給超級電容組充電，給電機車提供電源，在一些特殊工況下，能夠短期運行電機車。

8、控制系統1控制控制雙向dc/dc變流1和2運行，控制系統2控制逆變器運行，總控制系統具有有線無線功能模塊，能夠進行智能識別、定位跟蹤、故障診斷。各控制系統通過can總線進行數據交換，合理控制電機車運行，可以有效應付不同的工作狀況和惡劣環境，使電機車和蓄電池始終工作在最高的運行效率，不過度使用，保護了蓄電池的壽命。尤其是在再生制動的過程中，快速存儲能量，起動的瞬間快速補充能量，不會損害電池的質量，還提高了蓄電池的壽命，節能環保。

與現有技術相比本發明的優點在于：本發明運用電力電子技術、全數字化智能化技術，實現電機車及其蓄電池的高效運行，蓄電池組和超級電容組的有機結合能更加有效的實現電機車的各種特殊工況，實現對再生能量的有效利用，電機車起動瞬間和重載情況下，能量的補充，延長了蓄電池的使用壽命和使用效率，具有的能量存儲功能，避免了能源的浪費，實現節能環保，提高了整個產品的隔爆性能和使用安全性能。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。