一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法与流程

本发明涉及电机车牵引控制技术领域，尤其涉及一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法。

背景技术：

电机车是工矿企业的一个传统设备，主要用于矿用或者隧道作业。按照供电的方式不同可分为：架线电机车、蓄电池电瓶电机车；按照牵引力大小可分为：5t、8t、12t、20t、24t等系列电机车；按照调速方式的不同可分为：直流牵引电机串电阻调速，直流牵引电机斩波调速，交流牵引电机变频调速。从技术发展的趋势来看：架线车与蓄电池电瓶车会并行发展，而且以较大吨位（12t、20t）的蓄电池电瓶车占主导；直流斩波调速将取代传统的串电阻调速；交流牵引电机变频调速或者永磁同步电机变频器调试将取代直流牵引电机调速。交流牵引电机车和永磁同步电机车与直流牵引电机车相比较，具有体积小、重量轻，可靠性高、维护量小，无滑环和换相器，易于安全防爆等优点，同时交流变频调速具有明显的节能效果，耗能和发热量都明显减少。所以说，交流牵引电机车取代直流牵引电机车，用先进的交流变频调速技术取代传统的直流串电阻和直流斩波调速技术是电机车发展的必然趋势。

从隔爆、灵活性等方面考虑，蓄电池电机车是发展的趋势。但电机车负载变化频繁，电池电压随着工作的进行而减少，影响电机车的使用效率，工作环境恶劣，起动力矩大，同时要能在5‰的坡上停车，另外电机车制动频繁，经常性急停，再生制动能量通过刹车转成热能浪费了，还影响电机车的寿命。根据实际应用背景，概括来说，电机车驱动控制系统应该具有如下要求：(1)驱动控制系统的容量从45kw-200kw；(2)蓄电池提供的电源电压要稳压；(3)再生制动能量要能吸收利用；(4)实现电机车辆的智能识别、定位跟踪、故障诊断；（5）提高蓄电池的使用寿命和运行效率；（6）电机车安全、绿色运行，运行可靠，设备体积小，质量轻，便于移动,运输和维修。

目前蓄电池电机车有两种方案。异步交流电机车方案和永磁同步同步电机方案，这两种方案的驱动控制系统都相同，如图1所示，是一种典型的直-交（dc/ac）逆变方式。该系统存在的突出问题是：第一、电机车起动电压脉动较大，损伤蓄电池；第二、电机车再生制动能量主要通过刹车发热消耗，损害电机车的寿命，浪费能量，同时瞬间给电池组充电影响电池组的寿命；第三、随着电机车的运行，蓄电池电压逐步降低，影响电机车的运行效率；第四、电机车过于频率的起动制动、重载运行，损伤蓄电池，降低蓄电池的效率；第五、电机车辆的智能识别、定位跟踪、故障诊断的能力不足。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，提供了一种集电力电子技术、智能控制于一身的智能化高效电机车牵引控制系统及其方法，设计巧妙，控制有效，智能化程度高，既能稳压又能吸收再生制动能量，提高蓄电池的效率和寿命，使用安全节能环保等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：包括总控制系统、第一控制系统、第二控制系统、第一双向dc/dc变流器、第二双向dc/dc变流器、逆变器，所述总控制系统分别与第一控制系统、第二控制系统相连接，所述第一控制系统输出端分别与第一双向dc/dc变流器、第二双向dc/dc变流器连接，所述第二控制系统输出端与逆变器连接，所述第一双向dc/dc变流器、第二双向dc/dc变流器的输出端均与逆变器连接，所述逆变器输出端与电机车连接。

上述的一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：所述第一双向dc/dc变流器、第二双向dc/dc变流器的输入端分别连接蓄电池组、超级电容组。

上述的一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：所述总控制系统与第一控制系统、第二控制系统分别通过can总线连接。

上述的一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：所述蓄电池组为两个或者两个以上蓄电池串联和并联。

上述的一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：所述超级电容组为两个或者两个以上超级电容串联和并联。

一种利用所述智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其方法为：当系统处于牵引运行时候，能量从蓄电池流向电机车依次为：蓄电池组、双向dc/dc变流器1、逆变器和电机车；

当系统处于再生制动运行时，能量从电机车流向超级电容依次为：电机车、逆变器、双向dc/dc变流器2、超级电容组；

根据检测蓄电池、超级电容的状态，依据电机车的运行状态以及运行停止等指令启动智能化高效运行，同时各控制系统直接交换数据，自动调整智能化运行；

双向dc/dc变流器1在电机车牵引运行时工作在升压工况，可输出稳定的直流电压，能够适应蓄电池由于工作运行不断降低的电压，确保逆变器输入电压一直保持不变，高效运行；在电机车再生制动工况时停止工作，与逆变器隔离；

电机车牵引运行时，当电机车起动瞬间，双向dc/dc变流器1和双向dc/dc变流器2两电源协调并联运行，通过控制双向dc/dc变流器1工作在恒流工况，双向dc/dc变流器2工作在恒压工况，保持输出稳定的直流电压供给逆变器；

电机车再生制动状态时，停止双向dc/dc变流1，控制双向dc/dc变流2把再生制动能量快速存储到超级电容组。

本发明的有益效果是：

本发明运用电力电子技术、全数字化智能化技术，实现电机车及其蓄电池的高效运行，蓄电池组和超级电容组的有机结合能更加有效的实现电机车的各种特殊工况，实现对再生能量的有效利用，电机车起动瞬间和重载情况下，通过超级电容组能量的补充，延长了蓄电池的使用寿命和使用效率，结合具有的能量存储功能，避免了能源的浪费，实现节能环保，提高了整个产品的隔爆性能和使用安全性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的电机车驱动控制系统原理图。

图2是本发明的电机车驱动控制系统原理图。

具体实施方式

如图2所示，一种智能化高效电机车牵引驱动控制系统及其方法，其特征在于：包括总控制系统1、第一控制系统2、第二控制系统3、第一双向dc/dc变流器4、第二双向dc/dc变流器5、逆变器6，所述总控制系统1分别与第一控制系统2、第二控制系统3相连接，所述第一控制系统2输出端分别与第一双向dc/dc变流器4、第二双向dc/dc变流器5连接，所述第二控制系统3输出端与逆变器6连接，所述第一双向dc/dc变流器4、第二双向dc/dc变流器5的输出端均与逆变器6连接，所述逆变器6输出端与电机车7连接。

本实施例中，所述第一双向dc/dc变流器4、第二双向dc/dc变流器5的输入端分别连接蓄电池组、超级电容组，所述总控制系统1与第一控制系统2、第二控制系统3分别通过can总线连接，所述蓄电池组为两个或者两个以上蓄电池串联和并联。

本实施例中，所述超级电容组为两个或者两个以上超级电容串联和并联。

本发明的显著特点是本系统可实现能量的双向流动，通过控制算法可以实现逆变器输入电压的稳压，再生制动能量的快速吸收再利用，具有快速、安全、节能环保等优点，其结构如图2所示。即蓄电池组结合超级电容组←→双向dc/dc变流器1和2←→逆变器牵引驱动控制方案。其工作原理：

1、如图2所示，一种智能化高效电机车驱动控制系统系统及其方法由6个部分组成，蓄电池组与超级电容组，双向dc/dc变流器1，双向dc/dc变流器2，逆变器以及各控制系统等，本系统能实现蓄电池供电电源的稳定输出和再生制动能量的吸收利用；

2、当系统处于牵引运行时候，能量从蓄电池流向电机车：蓄电池组→双向dc/dc变流器1→逆变器→电机车；当系统处于再生制动运行时，能量从电机车流向超级电容：电机车→逆变器→双向dc/dc变流器2→超级电容组；

3、一种智能化高效电机车驱动控制系统及其方法根据检测蓄电池组、超级电容组的状态，依据电机车的运行状态以及运行停止等指令启动智能化高效运行，同时各控制系统直接交换数据，自动调整智能化运行；

4、双向dc/dc变流器1，在电机车牵引运行时工作在升压工况，可输出稳定的直流电压，能够适应蓄电池由于工作运行而不断降低的电压，使得逆变器输入电压一直保持不变；在电机车再生制动工况时停止工作，与逆变器隔离，防止再生制动能量瞬间回馈蓄电池从而损伤蓄电池，提高了驱动控制系统的控制性能、隔爆性能和可靠性以及提高了电机车的效率；

5、电机车牵引运行时，当电机车起动瞬间，双向dc/dc变流器1同双向dc/dc变流器2两电源协调并联运行，通过控制双向dc/dc变流器1工作在恒流工况，不至于输出过高的电流而损伤蓄电池，双向dc/dc变流器2工作在恒压工况，保持输出稳定的直流电压供给逆变器，使电机车高效运行；

6、电机车再生制动状态时，停止双向dc/dc变流1，控制双向dc/dc变流,2把再生制动能量快速存储到超级电容组，实现快速储能，无需外加放电电阻单元，提高了驱动控制系统的控制性能、隔爆性能和可靠性以及提高电机车的效率；

7、控制双向dc/dc变流2能快速给超级电容组充电，给电机车提供电源，在一些特殊工况下，能够短期运行电机车。

8、控制系统1控制控制双向dc/dc变流1和2运行，控制系统2控制逆变器运行，总控制系统具有有线无线功能模块，能够进行智能识别、定位跟踪、故障诊断。各控制系统通过can总线进行数据交换，合理控制电机车运行，可以有效应付不同的工作状况和恶劣环境，使电机车和蓄电池始终工作在最高的运行效率，不过度使用，保护了蓄电池的寿命。尤其是在再生制动的过程中，快速存储能量，起动的瞬间快速补充能量，不会损害电池的质量，还提高了蓄电池的寿命，节能环保。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明运用电力电子技术、全数字化智能化技术，实现电机车及其蓄电池的高效运行，蓄电池组和超级电容组的有机结合能更加有效的实现电机车的各种特殊工况，实现对再生能量的有效利用，电机车起动瞬间和重载情况下，能量的补充，延长了蓄电池的使用寿命和使用效率，具有的能量存储功能，避免了能源的浪费，实现节能环保，提高了整个产品的隔爆性能和使用安全性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。