專利名稱：一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛，尤其涉及電動車輛的電氣控制技術(shù)，特別涉及變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，具體的是一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，電動車輛以其零污染、低噪音、高經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛得到應(yīng)用。在城市公交電車方面，城市無軌或有軌電車的電氣驅(qū)動絕大多數(shù)采用直流斬波驅(qū)動方式，采用機(jī)械抱閘停車，無法實(shí)現(xiàn)再生回饋式電制動，能耗與維修量大，同時城市無軌或有軌電車受架空線網(wǎng)供電的限制，靈活性、機(jī)動性差，架空供電線網(wǎng)又增加了城市空間的視覺污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題是由于現(xiàn)有技術(shù)中，城市無軌或有軌電車的電氣驅(qū)動絕大多數(shù)采用直流斬波驅(qū)動方式，采用機(jī)械抱閘停車，無法實(shí)現(xiàn)再生回饋式電制動，能耗與維修量大，同時城市無軌或有軌電車受架空線網(wǎng)供電的限制，靈活性、機(jī)動性差，架空供電線網(wǎng)又增加了城市空間的視覺污染。
本發(fā)明為解決已有技術(shù)中的上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，所述的這種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)由低壓車頭控制部分和高壓系統(tǒng)控制部分構(gòu)成，其中，所述的低壓車頭控制部分由車頭控制器等構(gòu)成，所述的車頭控制器通過光纖耦合部件與CAN總線連接，所述的高壓系統(tǒng)控制部分由系統(tǒng)控制器和變頻驅(qū)動控制器等構(gòu)成，所述的系統(tǒng)控制器與所述的CAN總線連接，所述的CAN總線上同時連接有變頻驅(qū)動控制器，所述的變頻驅(qū)動控制器與交流變頻調(diào)速電機(jī)連接，所述的變頻驅(qū)動控制器通過第一接觸器與超級電容器連接，所述的超級電容器與車載充電器連接，所述的車載充電器與外部工作電源連接，所述的變頻驅(qū)動控制器也可通過第二接觸器與外部工作電源連接。
進(jìn)一步的，電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運(yùn)行狀態(tài)主令信號送入所述的車頭控制器，并通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設(shè)定值與控制命令傳送給所述的系統(tǒng)控制器，所述的系統(tǒng)控制器根據(jù)輸入的信號進(jìn)行邏輯狀態(tài)判別并通過所述的CAN總線與所述的變頻驅(qū)動控制器通訊，所述的變頻驅(qū)動控制器控制所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)的工作狀態(tài)和車輛的運(yùn)行，所述的變頻驅(qū)動控制器和所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)工作的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)際值數(shù)據(jù)通過所述的CAN總線由所述的系統(tǒng)控制器發(fā)送至所述的車頭控制器。
進(jìn)一步的，所述的超級電容器儲存直流電能，所述的超級電容器中儲存的直流電能通過所述的變頻驅(qū)動控制器以交流電形式提供給交流變頻調(diào)速電機(jī)，所述的變頻驅(qū)動控制器以轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動電車運(yùn)行。
進(jìn)一步的，用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能通過所述的變頻驅(qū)動控制器轉(zhuǎn)化為直流電能對所述的超級電容器充電。
進(jìn)一步的，所述的車頭控制器連接有監(jiān)測顯示屏。顯示屏顯示運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述的變頻驅(qū)動控制器可以采用外部架空線網(wǎng)工作電源和超級電容器雙電源自動選擇切換的供電方式。具體的，切換過程通過所述的第一接觸器和所述的第二接觸器的切換動作實(shí)現(xiàn)。也可以采用區(qū)間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然后在無架空線網(wǎng)條件下，用超級電容器單獨(dú)供電方式驅(qū)動。
進(jìn)一步的，所述的低壓車頭控制部分的工作電壓為24伏直流電壓。
進(jìn)一步的，所述的車頭控制器和系統(tǒng)控制器分別由DSP微處理器構(gòu)成。
本發(fā)明的工作過程如下所述電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運(yùn)行狀態(tài)主令信號送入所述的車頭控制器，并通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設(shè)定值與控制命令傳送給所述的系統(tǒng)控制器，所述的系統(tǒng)控制器根據(jù)輸入的信號進(jìn)行邏輯狀態(tài)判別并通過所述的CAN總線與所述的變頻驅(qū)動控制器通訊，控制所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)的工作狀態(tài)和車輛的運(yùn)行，所述的變頻驅(qū)動控制器和所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)工作的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)際值數(shù)據(jù)通過所述的CAN總線由所述的系統(tǒng)控制器發(fā)送至所述的車頭控制器，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后在中文界面的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示屏上顯示，顯示屏主畫面有多種功能畫面，可顯示超級電容器實(shí)時的電壓及電流、變頻電機(jī)實(shí)時的電壓及電流、車速、累計(jì)里程、能耗、故障、車輛運(yùn)行狀態(tài)、超級電容器充、放電能量以及制動回饋能量等。
本發(fā)明中所述的變頻驅(qū)動控制器、超級電容器、車載充電器、交流變頻調(diào)速電機(jī)、監(jiān)測顯示屏和接觸器以及CAN總線為電氣行業(yè)公知技術(shù)，在此不再贅述。
本發(fā)明與已有技術(shù)相對照，其效果是積極和明顯的。本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下所述本發(fā)明采用全數(shù)字轉(zhuǎn)矩控制的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，用DSP微處理器作車頭控制器和系統(tǒng)控制器，高、低壓設(shè)備間采用光纖總線通訊模式，系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)簡潔，減少了大量控制線與接線端子，極大提高電車運(yùn)行的可靠性，并實(shí)現(xiàn)安全可靠的電隔離。
本發(fā)明把貯存在超級電容器中的直流電能通過變頻驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流電，供電給交流電動機(jī)并以轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動電車運(yùn)行。在用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能又通過變頻驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)化為直流電能對超級電容器充電蓄能，具有良好的節(jié)能節(jié)電效果，電能回收率約為10％-30％。
微處理器實(shí)現(xiàn)的車頭控制器與系統(tǒng)控制器具有操作運(yùn)行的自動選擇和協(xié)調(diào)控制等邏輯功能，并具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和分類提取功能。
車輛控制系統(tǒng)操作簡便、直觀，牽引踏板主令信號相當(dāng)于汽車的油門，便于車輛起動及加速的操作運(yùn)行。提高了起動加速力矩和車輛運(yùn)行的穩(wěn)定度，有效的電氣制動無論在平地或斜坡都可以在無機(jī)械剎車條件下使電車制動減速到速度為零。
控制系統(tǒng)具有專用功能控制、可保證在零位保護(hù)條件下電車無牽引主令輸入，確保設(shè)備和人身的安全，包括牽引主令零位，主接觸器零位及經(jīng)過架空線電門時的零位保護(hù)。并具有平地/斜坡的自動判別功能、零速時制動力控制功能，保證平地制動到零時減小制動力矩使電車平穩(wěn)停車、而在斜坡制動時保證電車保持最大制動力矩，使電車在斜坡上無須機(jī)械剎車而電制動停車。另外在平地零速時即使踏下電制動踏板，也保證無電制動力矩，防止平地零速時再加入電氣制動而造成車輛倒流后再停車的現(xiàn)象。
具有超級電容器和架空線網(wǎng)兩套自動切換控制的供電系統(tǒng)，提高了車輛運(yùn)行的機(jī)動性，也可以完全脫離架空線網(wǎng)，采用區(qū)間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然后用超級電容器單獨(dú)供電驅(qū)動電車，消除架空線網(wǎng)的空中視覺污染，能滿足新一輪市政建設(shè)中景觀區(qū)域環(huán)保建設(shè)要求。
本控制系統(tǒng)還可以選擇配置提供以下選件內(nèi)容非接觸式刷卡裝置及管理數(shù)據(jù)軟件包，用于加強(qiáng)智能化集中管理功能。
全球定位系統(tǒng)(GPS)及無線電通訊技術(shù)應(yīng)用(GPRS)，用于提高系統(tǒng)運(yùn)營的集中管理調(diào)度功能。
Internet網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件，可使所有投用的車輛，通過Internet網(wǎng)以Web方式對其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時傳輸監(jiān)測。同時，可以將歷史運(yùn)行參數(shù)以曲線、圖表的形式加以顯示。
本發(fā)明的目的、特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)的一個優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)的一個優(yōu)選實(shí)施例中的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，由低壓車頭控制部分和高壓系統(tǒng)控制部分構(gòu)成，其中，所述的低壓車頭控制部分以車頭控制器1為主控單元，所述的高壓系統(tǒng)控制部分以系統(tǒng)控制器2為主控單元，所述的車頭控制器1通過光纖耦合部件10與所述的系統(tǒng)控制器2相連的CAN總線20相互通訊，電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運(yùn)行狀態(tài)主令信號送入所述的車頭控制器1，并通過所述的光纖耦合部件10和所述的CAN總線20把設(shè)定值與控制命令傳送給所述的系統(tǒng)控制器2，所述的系統(tǒng)控制器2根據(jù)輸入的信號進(jìn)行邏輯狀態(tài)判別并通過所述的CAN總線20與變頻驅(qū)動控制器3通訊，控制交流變頻調(diào)速電機(jī)4的工作狀態(tài)和車輛的運(yùn)行，所述的變頻驅(qū)動控制器3和所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)4工作的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)際值數(shù)據(jù)通過所述的CAN總線20由所述的系統(tǒng)控制器2發(fā)送至所述的車頭控制器1，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后在中文界面的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示屏5上顯示，顯示屏主畫面有多種功能畫面，可顯示超級電容器6實(shí)時的電壓及電流、變頻調(diào)速電機(jī)4實(shí)時的電壓及電流、車速、累計(jì)里程、能耗、故障、車輛運(yùn)行狀態(tài)、超級電容器6充、放電能量以及制動回饋能量等。
本發(fā)明的運(yùn)行特征是采用區(qū)間快速充電站的直流電源通過所述的車載充電器7向所述的超級電容器6快速充電貯存電能，然后在無架空線網(wǎng)條件下，用所述的超級電容器6貯存的直流電能通過所述的變頻驅(qū)動控制器3轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流電，給交流變頻調(diào)速電機(jī)4供電并以轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動電車運(yùn)行，在用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能又通過所述的變頻驅(qū)動控制器3轉(zhuǎn)化為直流電能對超級容器6充電蓄能。所述的變頻驅(qū)動控制器3也可以采用外部架空線網(wǎng)工作電源和超級電容器6雙電源自動選擇切換的供電方式，具體的，切換過程是通過所述的第一接觸器30和所述的第二接觸器40的切換來實(shí)現(xiàn)的。
變頻驅(qū)動控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的矢量控制逆變器，構(gòu)成轉(zhuǎn)矩控制的PWM矢量控制方式運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，牽引主令信號通過倒車/順車選擇器后作為轉(zhuǎn)矩給定限幅值TLim*送入變頻驅(qū)動控制器，由此使交流變頻電機(jī)AM產(chǎn)生相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩TEM，電磁轉(zhuǎn)矩TEM與車輛的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL之差即為動態(tài)加速轉(zhuǎn)矩TDA(TEM-TL＝TDA)，同時TLim*也決定了系統(tǒng)的速度設(shè)定值n*，TLim*小于0時，n*為正向速度給定的最大值，當(dāng)TLim*大于零時則n*為反向速度給定最大值，當(dāng)牽引主令為零時(即TLim*＝0)則n*＝0。動態(tài)加速轉(zhuǎn)矩TDA使電機(jī)加速，直到速度等于最大給定速度。只有當(dāng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TEM等于車輛的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時，電機(jī)才穩(wěn)速運(yùn)行，因此牽引主令信號的大小相當(dāng)于汽車的油門，可方便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及車輛的起動及加速的操作運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中n*和由與交流電機(jī)AM同軸的脈沖發(fā)生器PG得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速nact的差值送入n調(diào)節(jié)器構(gòu)成速度閑環(huán)。由轉(zhuǎn)矩限幅環(huán)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值T*，經(jīng)變換后作為電流轉(zhuǎn)矩分量的設(shè)定值IT*，IM*為電流磁通分量的設(shè)定值，IT*和IM*與由矢量變換的電機(jī)模型得到的電流實(shí)際值ITact和IMact，通過IT調(diào)節(jié)器與IM調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流閉環(huán)。IT調(diào)節(jié)器與IM調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)坐標(biāo)變換后得到電壓設(shè)定值U*和相位角α，U*經(jīng)Ud校正環(huán)節(jié)后得到電機(jī)定子電壓的控制值UST。另外由脈沖發(fā)生器PG輸出的轉(zhuǎn)子頻率f2與矢量變換的電機(jī)模型輸出的滑差頻率fs構(gòu)成轉(zhuǎn)差閉環(huán)，得到定子頻率f(f＝f2+fs)。UST、α、f經(jīng)PWM驅(qū)動觸發(fā)裝置后使逆變器的6個IGBT主元件輪流導(dǎo)電工作，輸出一定頻率的交流電，使交流電機(jī)按轉(zhuǎn)矩控制要求變頻調(diào)速運(yùn)行。
同樣制動主令信號通過倒車/順車選擇器后使電機(jī)產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，可有效地將車輛減速到速度為零，在電制動過程中，可把車輛的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽虺夒娙萜骰仞伋潆?，有明顯的節(jié)能效果。
超級電容蓄能變頻驅(qū)動電車電氣控制系統(tǒng)可以采用架空線網(wǎng)和超級電容器雙電源自動選擇切換供電，也可以不用架空線網(wǎng)采用超級電容器單獨(dú)供電運(yùn)行。
該系統(tǒng)中電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與最大制動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到200％額定轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)具有參數(shù)自動辯識、故障自動診斷、參數(shù)自動尋優(yōu)等良好的調(diào)試、運(yùn)行手段，并具有完善的故障保護(hù)措施(過壓、欠壓、超速、過流、過載、通訊故障等)，確保電車可靠運(yùn)行。
本發(fā)明可適用于各種電動車輛如城市無軌電車、有軌電車、電動轎車、電動卡車及電動叉車等。
權(quán)利要求
1.一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，由低壓車頭控制部分和高壓系統(tǒng)控制部分構(gòu)成，其特征在于所述的低壓車頭控制部分由車頭控制器等構(gòu)成，所述的車頭控制器通過光纖耦合部件與CAN總線連接，所述的高壓系統(tǒng)控制部分由系統(tǒng)控制器和變頻驅(qū)動控制器等構(gòu)成，所述的系統(tǒng)控制器與所述的CAN總線連接，所述的CAN總線上同時連接有變頻驅(qū)動控制器，所述的變頻驅(qū)動控制器與交流變頻調(diào)速電機(jī)連接，所述的變頻驅(qū)動控制器通過第一接觸器與超級電容器連接，所述的超級電容器與車載充電器連接，所述的車載充電器與外部工作電源連接，所述的變頻驅(qū)動控制器也可通過第二接觸器與外部工作電源連接。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于電車的腳踏牽引主令信號、腳踏制動主令信號及運(yùn)行狀態(tài)主令信號送入所述的車頭控制器，并通過所述的光纖耦合部件和所述的CAN總線把設(shè)定值與控制命令傳送給所述的系統(tǒng)控制器，所述的系統(tǒng)控制器根據(jù)輸入的信號進(jìn)行邏輯狀態(tài)判別并通過所述的CAN總線與所述的變頻驅(qū)動控制器通訊，所述的變頻驅(qū)動控制器控制所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)的工作狀態(tài)和車輛的運(yùn)行，所述的變頻驅(qū)動控制器和所述的交流變頻調(diào)速電機(jī)工作的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)際值數(shù)據(jù)通過所述的CAN總線由所述的系統(tǒng)控制器發(fā)送至所述的車頭控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的超級電容器儲存直流電能，所述的超級電容器中儲存的直流電能通過所述的變頻驅(qū)動控制器以交流電形式提供給交流變頻調(diào)速電機(jī)，所述的變頻驅(qū)動控制器以轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動電車運(yùn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于用再生回饋式電氣制動時，車輛的動能通過所述的變頻驅(qū)動控制器轉(zhuǎn)化為直流電能對所述的超級電容器充電。
5.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的車頭控制器連接有監(jiān)測顯示屏。
6.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的變頻驅(qū)動控制器采用外部架空線網(wǎng)工作電源和超級電容器雙電源自動選擇切換的供電方式。
7.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的變頻驅(qū)動控制器由區(qū)間快速充電站的直流電源通過車載充電器向超級電容器快速充電貯存電能，然后在無架空線網(wǎng)條件下，用超級電容器單獨(dú)供電方式驅(qū)動。
8.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的低壓車頭控制部分的工作電壓為24伏直流電壓。
9.如權(quán)利要求1所述的用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的車頭控制器和系統(tǒng)控制器分別由DSP微處理器構(gòu)成。
全文摘要
一種用于電車的超級電容蓄能變頻驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)，由低壓車頭控制部分和高壓系統(tǒng)控制部分構(gòu)成，低壓車頭控制部分通過光纖耦合部件與總線連接，高壓系統(tǒng)控制部分由系統(tǒng)控制器和變頻驅(qū)動控制器等構(gòu)成，總線上連接有系統(tǒng)控制器與變頻驅(qū)動控制器，變頻驅(qū)動控制器與交流變頻調(diào)速電機(jī)連接，變頻驅(qū)動控制器通過接觸器與超級電容器連接，牽引、制動及運(yùn)行狀態(tài)主令送入車頭控制器，通過總線與系統(tǒng)控制器及變頻驅(qū)動控制器通訊，交流變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動電車的正、反向運(yùn)行，電車制動時動能回饋給超級電容器蓄能。結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、調(diào)試方便，使電車在可靠性、安全性、靈活性、節(jié)能性、視覺污染及技術(shù)性能指標(biāo)等方面都優(yōu)于目前使用的直流斬波驅(qū)動電車。
文檔編號B60L15/02GK1739998SQ20041005398
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月25日
發(fā)明者夏新順, 陸政德, 樊華, 冒勇 申請人:上海瑞華(集團(tuán))有限公司