引言
在矿井的辅助运输中,电机车起主要作用,而电机车的运行时间及效率主要靠蓄电池的性能来决定,如果电机车的蓄电池充电不充分,就会降低蓄电池的性能和使用寿命,而且在对蓄电池进行充电的过程中,会释放出对人体有害的气体,都会对矿井安全生产带来损失,也严重影响矿井电机车的发展。
为了对蓄电池不合理充电产生的问题进行解决,对蓄电池的充电装置进行改进,同时考虑蓄电池的使用寿命、充电时间以及所使用的人力物力等情况,通过对充电装置的优化,使电机车更好地发挥作用,实现对蓄电池的智能化管理。
1.蓄电池充电原理
在对电机车蓄电池进行充电时,如果充电装置的电流比蓄电池的额定电流大时,会使电池极板上的活性物质的导电强度逐渐丧失,并在电池内产生大量的气泡,当电池极板被大量的气泡冲击后,极板上的活性物质会逐渐变软甚至出现脱落现象,导致电池发热而影响其性能和使用寿命。如果充电装置的电流比蓄电池的额定电流小时,蓄电池的充电时间会大幅度增加,电池极板上的活性物质不能得到完全反应,出现长时间的充电不足,减小电池容量,提高电池温度,从而降低了电池的使用寿命。因此,要提高蓄电池的性能,延长使用寿命,需要选择合适的电流来进行充电,依据马斯规律[1]得到蓄电池的充电电流I与充电时间t的关系曲线如图1所示。
2.智能充电装置硬件设计
根据蓄电池的充电原理[2],在充电过程中,为了减少电池的极化现象,设计智能充电装置,根据蓄电池所能接受的最大电流,采用高频开关电源技术进行充电,短时间去极化方法来进行,以提高使用寿命,缩短充电时间。得到蓄电池的智能充电装置的硬件原理图如图2所示。
(1)主电路
主电路主要包括整流、滤波和逆变电路,其中整流电路采用的是三相桥式整流,滤波电路是对输出电容进行滤波,逆变电路采用的是全桥逆变模式,蓄电池的充电电流变换是采用交—直—交—直型方式,首先给主电路输入电压为380V的交流电,经整流和滤波后得到变换的直流电,通过开关电源的集成芯片来控制IGBT模块的通断,直流电在全桥逆变电路下转换成高频的交流电,在15KHz的高频开关电源技术的耦合作用下,对其副边采用二极管整流,最后经输出滤波的电容和电感,得到连续的直流电,将直流电输出,最终实现蓄电池的充电。
(2)控制电路
控制电路主要包括DSP控制器和PWM控制电路、A/D采样电路、IGBT驱动电路等外围电路,其中,以控制器为核心,按照事先设定好的程序进行自动充电,主要采用TMS320F2407型数字芯片[3],该芯片内含有大量的程序存储空间,有单双口存储器,可以存储近1.5k字的数据,其中双口随机存储器可存储544字,单口随机存储器可存储2k字,两个时间管理器模块,两个16位的定时器以及10位的A/D模块转换器。在外围电路的配合下,将充电数据进行采集,编写相应的充电程序,确保能够对蓄电池进行初次充电和变换电流充电等多种控制方式。
3.智能充电装置软件设计
(1)主程序设计
在CCS3.1的软件开发环境下,采用模块化的编程方式来编写充电程序,其主程序流程图如图3所示,在准备充电时,先对系统的定时器、时间管理器及I/O口等进行初始化,待完成初始化后,开中断,进入主程序循环,当定时器4中断时,执行中断程序,将模拟量转成数字量并采集相应的数据,如果定时器4不中断,则对充电装置的工作状态进行判断,通过启动故障处理程序来进行故障检测,显示出故障发生的原因并及时报警,在判断充电装置处于正常工作状态下,调用充电计时程序,对蓄电池充电所需的时间进行计算,如果蓄电池在某一段的充电时间过长,超出了充电装置所设置的限幅,充电装置会自动变化交流电,进入下一段继续充电,最后执行判断程序,判断蓄电池是否充电结束,如果没有结束则继续进行充电,结束则充电装置停机。
(2)数字PID控制程序设计
对软件程序的设计采用增量式闭环PID控制算法[4],输入PID的比例、积分、微分系数以及采样周期,计算出对应的系数,然后测出被控量的实际值,求出偏差,再将偏差值进行积分分离,比较偏差与设定值的大小,根据对应的公式计算出控制增量,并最终输出控制量。
4.智能充电装置应用效果
将智能充电装置在某煤矿上进行为期2周的充电试验,选择7列电机车,使用60节蓄电池来进行充电试验,得到蓄电池在充电时,蓄电池的端电压及充电电流随充电时间变化的曲线如图4所示。
从图中可以看出,在充电的初始阶段,充电电流是80A,蓄电池的端电压从140V缓慢变化到150V,在进行充电28分钟后,蓄电池的端电压升高到170V,在达到充电结束的电压后,停止充电5分钟,可以看到蓄电池端电压下降到120V,在进行第五段充电时,蓄电池的端电压在刚开始时增长缓慢,而充电时间越长,端电压越稳定,且伴有小幅度的端电压下降,而在经过五段变电流的充电后,可以看到蓄电池已基本充满,且满电的电机车可以持续工作8小时。根据充电试验结果,可以看出,智能充电装置能够有效缩短充电时间,提高使用寿命。
5.结论
根据电机车蓄电池出现的充电时间长,使用寿命短的缺陷,根据蓄电池的充电原理,设计一种智能的蓄电池充电装置,得到如下结果:
(1)智能充电装置采用高频开关电源技术替代传统的工频变压器,减小了充电装置的整体体积,提高了充电装置的可靠性和效率。
(2)采用DSP先进控制技术,实现对蓄电池充电全过程的智能监控。
(3)对智能充电装置在某矿上进行试验,根据试验结果,可以看出,智能充电装置在经过不同的充电电流段后,充电时间大大缩短,且一次充满电后,使用时间长达8小时,降低了能耗,延长了寿命,效果显著。
摘要：针对目前矿井中使用的电机车蓄电池充电慢、使用时间短等问题,设计一种新型的大功率智能充电装置,采用高频开关技术对充电装置的电路进行拓扑,选用DSP对蓄电池的状态进行采集和处理,智能充电装置是采用变化电流的充电方式进行充电,以满足不同充电要求,将充电装置应用在实际中,结果表明:智能充电装置能将充电时间大大缩短,且便捷度更高,体积更小,性能更优。
关键词：蓄电池,电机车,高频开关,DSP,充电装置
参考文献
[1] 郭俊,曹以龙.新型矿用电机车蓄电池充电装置[J].煤矿机电,2007(1):63-65.
[2] 芮秀凤,朱一凡,关宁,等.煤矿井下蓄电池电机车充电装置的研究[J].煤矿机械,2011(11):147-149.
[3] 张小群,高艳霞,余威,等.矿用电机车蓄电池智能充电机的研制[J].煤矿机械,2007,28(1):121-123.
[4] 徐美华,耿宇翔,郑昌陆.矿用蓄电池智能充电机的设计与实现[J].制造业自动化,2014,36(11):122-125.