一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，包括：主電路和控制電路，其中主電路包括接觸器，與接觸器連接用于整流的三相全橋整流電路，與三相全橋整流電路連接用于逆變的單相高頻逆變電路，與單相高頻逆變電路連接用于變壓的高頻變壓器，與高頻變壓器連接用于高頻整流的單相高頻整流電路，控制電路包括與單相高頻整流電路連接用于檢測電壓的電壓檢測電路，與單相高頻整流電路連接用于檢測電流的電流檢測電路，與電壓檢測電路和電流檢測電路連接的控制電路模塊，與控制電路模塊連接的驅動模塊、電壓檢測模塊、顯示電路和鍵盤電路。該充電器能夠適應不同性能的蓄電池，具有良好的電池充電和電池管理功能。
【專利說明】一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器
【技術領域】
[0001]本發明屬于蓄電池充電領域，尤其涉及一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器。【背景技術】
[0002]煤礦井下的運煤車、鏟車等大型煤礦開采設備所需要的動力來源一般都是鉛酸蓄電池組，由多個單節蓄電池相串聯而組成。鉛酸蓄電池組的容量從200Ah — lOOOAh，蓄電池靠充電來實現能量循環利用，實現蓄電池組充電的設備就是充電器裝置，其容量從幾十至幾百kVA，充電時間多數在8小時以內。目前煤礦所用蓄電池組充電器裝置非常廣泛，一個年產約1000萬噸的大型煤礦，所用容量在幾百kVA以上的蓄電池組充電器裝置約100多臺。煤礦電氣裝備的大修規程規定，充電器裝置的運用壽命為每生產300萬噸煤就進入大修期(意味著裝置的主體部件更換或整機完全更換)。
[0003]通過對神化煤田集團的幾個大型煤礦的調研，目前容量在幾百kVA以上的煤礦井下大容量蓄電池組充電裝置，多數依賴進口，如美國、德國的設備，而且是國外八十年代的技術，體現在主電路結構和控制系統都比較簡單，智能化程度低，設備龐大，體積大，價格貴，這些裝置都有待國產化，提高產品的性能價格比。容量在幾百kVA以下的，較小容量的蓄電池組充電裝置，多數為國內制造的產品。
[0004]當前煤礦上所使用的鉛酸蓄電池充電設備大多還是七八十年代開發的基于晶閘管的充電設備，存在體積大，充電時間長對電池的損害大，充電時間長等缺點，隨著技術的發展，目前煤礦礦用充電機主要的關鍵技術趨向集中為以下幾點:
[0005]a.高度集成化，密集化。功率器件的體積在不斷變小，集成化程度越來越高，其中尤以集成化IGBT的出現為代表。控制系統的集成程度也在不斷提高，工藝越來越復雜，正在朝著規模化的集成電路發展。
[0006]b.頻率越來越高，隨著GTO等傳統晶閘管功率器件逐漸被IGBT絕緣柵雙極晶體管所替代，充電器的頻率、耐壓、功耗變得越來越來高，高頻化可以明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容的體積、重量等，可以明顯減少網側低次諧波含量，提高充電器的EMC性能，減輕對煤礦電網的諧波污染。
[0007]c.高度的數字化和智能化，盡量減少人工干預。
[0008]目前煤礦大容量鉛酸蓄電池充電方案中主要采用如圖1的結構:
[0009]I).主回路采用三相半控橋式電路，由快速熔斷器，整流變壓器，壓敏電阻、分流器、三相半控橋式整流電路組成。
[0010]A、主回路中壓敏電阻的作用是保護操作過電壓限制回路中的浪涌電流。
[0011]B、主回路中的快速熔斷器用于回路的短路保護。
[0012]C、跨接在主回路蓄電池兩端的導線(104、103)是反接保護。當充電裝置與蓄電池組接反時，蓄電池組本身電壓接通主回路反接保護繼電器K線圈，繼電器吸合，切斷主回路啟動器控制回路電源，反接保護指示燈D5亮(紅色)。
[0013]2).移相觸發電路(⑶-KJCF-001)，是兩單元合為一體組成的電路板，其特點是不用同步變壓器，只將整流變壓器，二次輸出端接入脈沖觸發電路板通過光電隔離后，信號由單片機統一處理相序的檢測，同步信號的檢測，電源供給的AC18V(由控制變壓器輸出)與相序同步沒有關系，即同步信號的檢測是通過整流變壓器的二次側，且電壓范圍很寬，不受一次側是否是660V還是380V的影響。由同步檢測電路來的同步脈沖和調節檢測電路來的移相電壓通過移相模塊進行變換，然后輸出移相脈沖給單片機，單片機根據移相脈沖和檢測的相序情況，分別依次以脈沖列的形式輸出脈沖，經驅動電路脈沖變壓器，并輸出1KHZ脈沖列觸發可控硅改變移相范圍。
[0014]3).計算控制電路板(CD-KJWJ-001)，須和移相觸發電路板配套使用。為簡便起見，以下計算機控制板簡稱“微機板”，移相觸發控制板簡稱“觸發板”，微機板和觸發板配套使用可實現恒流充電，供電電源交流雙13V± 5 %，一路經雙積分進入A/D轉換器，一路經二進制進入D/A轉換器，當正常開機后，有30秒初始時間，順時針旋轉調流電位器1/3圓周開始充電，10分鐘內確定電池塊數，在30秒左右后至10分鐘內不影響正常的穩流充電，。充電裝置完成穩流、穩壓、常規充電的過程中，全部由微機板控制程序，做到一次完成。
[0015]現有技術一般采用晶閘管相控整流的技術方案，該方案由于只能工作在較低頻率下，磁性變壓器和電解電容的體積和重量都比較大，采用的移相觸發控制板相比于目前比較流行的高位處理系統比較落后，不夠智能化。另外現有充電技術由于采用晶閘管相控整流，無功功率較大，充電效率低，網側大量諧波竄入電網容易造成諧波污染給電網中其他的電氣設備的正常運行帶來損害，輸出紋波大，容易造成蓄電池發熱影響壽命。
【發明內容】
[0016]本發明的目的在于提供一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，旨在解決現有技術只能工作在低頻、充電系統不智能、無功功率較大，充電效率低等問題。
[0017]本發明是這樣實現的，一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器包括:主電路和控制電路，其中主電路包括用于選擇交流源的接觸器，與接觸器連接用于整流的三相全橋整流電路，與三相全橋整流電路連接用于逆變的單相高頻逆變電路，與單相高頻逆變電路連接用于變壓的高頻變壓器，與高頻變壓器連接用于高頻整流的單相高頻整流電路，控制電路包括與單相高頻整流電路連接用于檢測電壓的電壓檢測電路，與單相高頻整流電路連接用于檢測電流的電流檢測電路，與電壓檢測電路和電流檢測電路連接的控制電路模塊，與控制電路模塊連接的驅動模塊、電壓檢測模塊、顯示電路和鍵盤電路。
[0018]所述接觸器與交流輸入源和電壓檢測模塊連接，能夠在控制電路模塊控制下對交流源 AC380V/50Hz 和 AC660V/50Hz 進行選擇。
[0019]所述三相全橋整流電路與接觸器連接，采用三相不可控二極管，將輸入的交流整流為DC510V或DC900V直流電。
[0020]所述單相高頻逆變電路采用IGBT逆變器，得到幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓。
[0021]所述高頻變壓器采用超微晶鐵芯的高頻變壓器，實現對逆變器產生的20kHz高頻方波電壓的降壓變換，即將幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓降壓變換至幅值為AC300V/20kHz的交流高頻方波電壓，實現了輸入電壓與輸出電壓之間的電氣隔離。[0022]所述單相高頻整流電路可輸出DCO?300V連續可調的直流電壓。
[0023]主電路輸出電壓的連續調節由第一級功率變換器中的IGBT單相逆變器來完成，并采用定幅調寬(即幅值不變而改變脈沖寬度)的控制方式。高頻變壓器的原邊采用等匝數的雙繞組-第一繞組和第二繞組，通過這2套繞組的并聯、串聯連接實現對輸入電壓2種制式的有效切換，繞組的串并聯切換由控制2只互鎖的第一接觸器、第二接觸器來完成。當第一接觸器閉合、第二接觸器斷開時，第一繞組與第二繞組并聯，該方式適用于輸入電壓為AC380V的制式；當第二接觸器閉合、第一接觸器斷開時，第一繞組與第二繞組串聯，該方式適用于輸入電壓為AC660V的制式。
[0024]依據變壓器運行原理，變壓器的鐵芯體積與輸入交流電壓的頻率成反比，因此，設計充電器中變壓器的輸入電壓為20kHz的高頻交流方波電壓，并采用超微晶鐵芯，大大減小了變壓器的體積和重量。
[0025]所述與單相高頻整流電路連接的電壓檢測電路、電流檢測電路為控制電路模塊提供電壓和電流反饋。
[0026]所述控制電路模塊采用PWM發生芯片UCC3895。
[0027]所述驅動模塊采用2SP0115T2AX驅動模塊，具有使用簡單、運行可靠、有短路保護、有輸入電壓監測、隔離電壓高等優點。
[0028]所述顯示電路用于顯示蓄電池充電的電流、容量等參數信息。
[0029]所述按鍵電路用于用戶設定充電參數信息。
[0030]效果匯總
[0031]本發明的一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，本發明用最新的絕緣柵雙極晶體管(IJBT)代替傳統礦用充電器中采用的晶閘管功率器件，提高了開關頻率，能明顯減小磁性變壓器材料和大電解電容的體積、重量，采用高頻變壓器可以隔離蓄電池負載對充電機的影響，提高安全性，另外對輸出電壓也能起到一定的濾波作用。
[0032]本發明采用各種信號采集電路和現場總線對充電機工作時的溫度，網側、輸出側電壓等參數信號進行監測、顯示，當發生意外的時候能自動保護充電機不被損壞。對電池狀態信號進行監測和顯示，保護電池不被損壞。
[0033]本發明中采用兩階段式充電方法，在電流電壓PI環節調節下充電曲線比較接近鉛蓄電池的理想充電曲線，使蓄電池能夠快速充分充滿電，且性能保持穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是傳統晶閘管相控整流方案框圖；
[0035]圖2是本發明實施例提供的智能充電器系統結構圖；
[0036]圖3是本發明實施例提供的智能充電器主電路連接圖；
[0037]圖4是本發明實施例提供的智能充電器控制電路圖；
[0038]圖5是本發明實施例提供的智能充電器控制系統閉環結構圖；
[0039]圖6是本發明實施例提供的主電路全橋變換器的一種可替換結構圖；
[0040]其中:1、接觸器；2、三相全橋整流電路；3、單相高頻逆變電路；4、高頻變壓器；5、單相聞頻整流電路；6、電壓檢測電路；7、電流檢測電路；8、控制電路|旲塊；9、驅動|旲塊；10、電壓檢測電路；11、顯示電路；12、按鍵電路；【具體實施方式】
[0041]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0042]如圖2所示，本發明是這樣實現的，一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器包括:用于選擇交流源的接觸器1，與接觸器I連接用于整流的三相全橋整流電路2，與三相全橋整流電路2連接用于逆變的單相高頻逆變電路3，與單相高頻逆變電路3連接用于變壓的高頻變壓器4，與高頻變壓器4連接用于高頻整流的單相高頻整流電路5，與單相高頻整流電路5連接用于檢測電壓的電壓檢測電路6，與單相高頻整流電路5連接用于檢測電流的電流檢測電路7，與電壓檢測電路6和電流檢測電路7連接的控制電路模塊8，與控制電路模塊連接的驅動模塊9、電壓檢測模塊10、顯示電路11和鍵盤電路12。
[0043]接觸器I與交流輸入源和電壓檢測模塊10連接，能夠在控制電路模塊控制下對交流源 AC380V/50Hz 和 AC660V/50Hz 進行選擇。
[0044]三相全橋整流電路2與接觸器I連接，采用三相不可控二極管，將輸入的交流整流為DC510V或DC900V直流電。
[0045]單相高頻逆變電路3采用IGBT逆變器，得到幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓。
[0046]高頻變壓器4采用超微晶鐵芯的高頻變壓器，實現對逆變器產生的20kHz高頻方波電壓的降壓變換，即將幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓降壓變換至幅值為AC300V/20kHz的交流高頻方波電壓，實現了輸入電壓與輸出電壓之間的電
氣隔離。
[0047]單相高頻整流電路5可輸出DCO?300V連續可調的直流電壓。
[0048]與單相高頻整流電路5連接的電壓檢測電路6、電流檢測電路7為控制電路模塊8提供電壓和電流反饋。
[0049]控制電路模塊8采用PWM發生芯片UCC3895。
[0050]驅動模塊9采用2SP0115T2AX驅動模塊，具有使用簡單、運行可靠、有短路保護、有輸入電壓監測、隔離電壓高等優點。
[0051]顯示電路11用于顯示蓄電池充電的電流、容量等參數信息。
[0052]按鍵電路12用于用戶設定充電參數信息。
[0053]主電路:
[0054]圖3為本發明實施例提供的一個主電路連接圖，如圖所示，智能充電器主電路由2組功率變換器組成，前一級AC/DC/AC1功率變換器原理:輸入三相AC380V/50HZ或三相AC660V/50HZ交流工頻正弦波電壓經三相不可控二極管整流，得到DC510V或DC900V的直流電壓；再經過單相IGBT逆變器變換，得到幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓。后一級AC2/DC功率變換器實現從輸入幅值為AC300V/20kHz的交流高頻方波電壓至直流電壓的整流變換。從ACl到AC2的變換是一種高頻交流電壓變換，由超微晶鐵芯的高頻變壓器完成，實現對逆變器產生的20kHz高頻方波電壓的降壓變換，即將幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓降壓變換至幅值為AC300V/20kHz的交流高頻方波電壓，也即實現了輸入電壓與輸出電壓之間的電氣隔離。最終提供給鉛酸蓄電池的充電電壓是DCO~300V連續可調的，適用于不同額定電壓、不同容量的鉛酸蓄電池組及不同牽引噸位的礦用電機車。
[0055]主電路輸出電壓的連續調節由第一級功率變換器中的IGBT單相逆變器來完成，并采用定幅調寬(即幅值不變而改變脈沖寬度)的控制方式。高頻變壓器的原邊采用等匝數的雙繞組NI和N2，通過這2套繞組的并聯、串聯連接實現對輸入電壓2種制式的有效切換，繞組的串并聯切換由控制2只互鎖的接觸器KM5、KM6來完成。當KM5閉合、KM6斷開時，繞組NI與N2并聯，該方式適用于輸入電壓為AC380V的制式；當KM6閉合、KM5斷開時，繞組NI與N2串聯，該方式適用于輸入電壓為AC660V的制式。
[0056]依據變壓器運行原理，變壓器的鐵芯體積與輸入交流電壓的頻率成反比，因此，設計充電器中變壓器的輸入電壓為20kHz的高頻交流方波電壓，并采用超微晶鐵芯，大大減小了變壓器的體積和重量.[0057]以輸入三相AC380V/50HZ地面工作的電壓制式為例，說明智能充電器的運行原理。當閉合KM3接觸器(KM2互鎖斷開)時，通過由Dl~D6組成的整流橋實現AC/DC整流變換，給支撐電容C4充電，建立DC510V電壓。在KM3閉合前，KM4會先短時閉合(KMz互鎖斷開)，以限制給電容C4的充電電流。一旦直流電壓接近建立起來時，KM4會自動斷開，由KMg來完成供電。串聯的電阻R3和R4為支撐電容C4提供了停機時的放電通路，電容Cl~C3并聯在由2只整流二極管串聯組成的橋臂上，可吸收線路漏感在器件換流時引起的尖峰脈沖電壓。將直流電壓經過由IGBTKl~K4組成的單相逆變器，將直流電壓逆變成單相高頻交流方波電壓AC510V/20kHz，實現第一級的AC/DC/AC1變換.[0058]高頻變壓器完成降壓隔離變換，將AC510V/20kHz的交流方波變為AC300V/20kHz，通過控制逆變器IGBT導通的移相角Θ控制逆變器的輸出電壓，使其在O~300V范圍內變化。電容C5~C6同樣為保護IGBT的過電壓吸收電路。高頻交流方波電壓通過由第二級快速二極管(反向恢復時間小于20ns)D7~DlO組成的單相整流橋進行整流變換，得到O~300V連續可調的直流 電壓，然后經過高頻電感LI和電解電容C17組成的LC濾波電路，最后通過二極管Dll輸出給鉛酸蓄電池組充電。
[0059]將2只快速整流二極管串聯是為了提高其耐壓值，以適應高電壓(AC660V)制式的輸入。C7~C14用于為快速二極管均壓兼吸收高頻電壓尖峰，以達到保護快速二極管的目的。輸出側二極管Dll的作用:①防止將蓄電池正負極接反時(誤接負載時)，與整流橋構成短路將充電器的輸出電壓與蓄電池組的電壓隔開，將這2個電壓值同時作為反饋值(如圖1所示)，以便于實現對充電器恒壓、恒流工作模式的控制。
[0060]單相逆變器的功率器件選用FF300R17ME4型IGBT，其最大集電極電流Ic = 300A,最大集射極間耐壓Uces = 1700V,內部集成了 NTC溫度傳感器，適合工作的開關頻率為15~30kHz。該IGBT功率管的驅動模塊選用2SP0115T2Ax，該驅動模塊具有使用簡單、運行可靠、有短路保護、有輸入電壓監測、隔離電壓高等優點。
[0061]該部分主電路全橋變換器也可以采用如圖6所示結構:
[0062]①壓變換方式:G1管常通，G2管按PWM方式導通。這時充電電壓比為:
【權利要求】
1.一種礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，包括:主電路和控制電路，其中主電路包括接觸器，與接觸器連接用于整流的三相全橋整流電路，與三相全橋整流電路連接用于逆變的單相高頻逆變電路，與單相高頻逆變電路連接用于變壓的高頻變壓器，與高頻變壓器連接用于高頻整流的單相高頻整流電路，控制電路包括與單相高頻整流電路連接用于檢測電壓的電壓檢測電路，與單相高頻整流電路連接用于檢測電流的電流檢測電路，與電壓檢測電路和電流檢測電路連接的控制電路模塊，與控制電路模塊連接的驅動模塊、電壓檢測模塊、顯示電路和鍵盤電路。
2.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述接觸器與交流輸入源和電壓檢測模塊連接，能夠在控制電路模塊控制下對交流源AC380V/50HZ和AC660V/50Hz進行選擇。
3.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述三相全橋整流電路與接觸器連接，采用三相不可控二極管，將輸入的交流整流為DC510V或DC900V直流電。
4.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述單相高頻逆變電路采用IGBT逆變器，得到幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓。
5.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述高頻變壓器采用超微晶鐵芯的高頻變壓器，實現對逆變器產生的20kHz高頻方波電壓的降壓變換，即將幅值為AC510V/20kHz或AC900V/20kHz的交流高頻方波電壓降壓變換至幅值為AC300V/20kHz的交流高頻方波電壓，實現了輸入電壓與輸出電壓之間的電氣隔離。
6.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述單相高頻整流電路可輸出DCO?300V連續可調的直流電壓。
7.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述與單相高頻整流電路連接的電壓檢測電路、電流檢測電路為控制電路模塊提供電壓和電流反饋。
8.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述控制電路模塊采用PWM發生芯片UCC3895。
9.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述驅動模塊采用2SP0115T2AX驅動模塊，具有使用簡單、運行可靠、有短路保護、有輸入電壓監測、隔離電壓高等優點。
10.根據權利要求1所述的礦用大容量鉛酸蓄電池智能充電器，其特征在于，所述顯示電路用于顯示蓄電池充電的電流、容量等參數信息；所述按鍵電路用于用戶設定充電參數信息。
【文檔編號】H02H7/18GK104037919SQ201410257487
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】張全柱, 鄧永紅, 雷旻, 趙立永, 馬紅梅, 黃成玉, 孫曉磊 申請人:華北科技學院