許連丙

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用蓄電池支架搬運(yùn)車在我國煤礦的使用已相當(dāng)普及，尤其是地質(zhì)條件相對(duì)較好的神東礦區(qū)，其主要工作于綜采工作面，負(fù)責(zé)綜采設(shè)備的短距離運(yùn)輸工作。隨著礦用蓄電池車輛自身重量、載重量的不斷增加，以及客戶對(duì)車輛續(xù)航里程要求的提高，蓄電池的電壓等級(jí)及容量也在不斷增大，并且由于快速充電的要求促使礦用充電機(jī)的功率也不斷增大。

目前國內(nèi)礦用充電機(jī)主流生產(chǎn)廠家主要有上海申傳、濟(jì)南希格瑪、白山佳和等，生產(chǎn)的充電機(jī)多以固定式為主(使用地點(diǎn)固定)，主要針對(duì)礦用電動(dòng)機(jī)車蓄電池而設(shè)計(jì)，充電電流多在DC 200 A以下，以中小功率為主。另通過對(duì)神華神東、陜西煤業(yè)、神南煤業(yè)、內(nèi)蒙古伊泰、兗礦集團(tuán)等大型煤炭集團(tuán)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)在用的礦用鉛酸蓄電池車輛的大功率充電機(jī)多以進(jìn)口為主，尤其是神華神東、陜西煤業(yè)等使用的蓄電池支架搬運(yùn)車充電機(jī)幾乎都是進(jìn)口產(chǎn)品。

1 防爆充電機(jī)電控箱設(shè)計(jì)

1.1 防爆電控箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電機(jī)主要包括降壓單元與整流單元兩大部分，降壓單元主要是通過降壓變壓器將高壓電源降為整流單元需要的低壓電源，整流單元是通過控制可控硅的導(dǎo)通角將交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｔ诔潆姍C(jī)的工作過程中，不論是變壓器還是可控硅,都將產(chǎn)生大量的熱，如果不能有效散熱,有可能造成充電機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成變壓器或者功率器件損壞。通過對(duì)神東公司VTC680、VTC650以及VTC636等蓄電池支架搬運(yùn)車用進(jìn)口充電機(jī)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，將變壓器與整流單元分箱放置是提高充電機(jī)運(yùn)行可靠性的最直接有效的方式，因此本文設(shè)計(jì)的防爆充電機(jī)也將采用雙箱結(jié)構(gòu)，將變壓器與整流單元分箱放置。

1.2 防爆充電機(jī)電控箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為充電機(jī)的主要發(fā)熱部件，變壓箱的散熱設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，表1為目前礦用設(shè)備常用散熱方式，結(jié)合礦用防爆充電機(jī)的使用工況，本文設(shè)計(jì)的防爆充電機(jī)電控箱散熱方式采用自然冷卻。

表1 礦用設(shè)備散熱方式優(yōu)缺點(diǎn)

圖1為本文設(shè)計(jì)充電機(jī)防爆外殼的散熱殼體，采用此種“S”形波浪設(shè)計(jì)方式將在有效保證箱體應(yīng)力強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，增加箱體的外部散熱面積，提高箱體的散熱效率，同時(shí)減少箱體鋼材的用量，節(jié)約材料成本[8]。

圖1 充電機(jī)防爆散熱殼體

2 防爆充電機(jī)本體設(shè)計(jì)

防爆充電機(jī)本體主要由斷路器、接觸器、漏磁變壓器、可控整流器等組成的主回路以及由控制變壓器、同步變壓器、主控制器，電壓電流傳感器、人機(jī)交互界面組成的控制回路兩部分構(gòu)成,如圖2所示。

圖2 充電機(jī)電氣系統(tǒng)原理

充電機(jī)控制回路中數(shù)據(jù)檢測部分主要用于對(duì)充電電壓、充電電流的采集，本文電流檢測采用測量范圍0～500 A，輸出0～20 mA的電流霍爾來實(shí)現(xiàn)，電壓檢測采用測量范圍0～500 V，輸出0～20 mA的電壓傳感器來實(shí)現(xiàn)。

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

2.1.1 變壓器選擇及容量計(jì)算

圖3為單體鉛酸蓄電池標(biāo)準(zhǔn)充電曲線，曲線表明,隨著充電電壓的升高，要求充電電流逐漸減小，這一充電特性與漏磁變壓器所特有的輸出特性相吻合。漏磁變壓器是一種特殊形式的變壓器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加了產(chǎn)生漏磁通的分磁路，由于漏磁路的存在，隨著變壓器輸出電流的增大，變壓器的輸出電壓也逐漸降低，因此利用漏磁變壓器特有的輸出特性結(jié)合可控硅整流技術(shù)就可以設(shè)計(jì)出合理的蓄電池充電曲線[1]。

圖3 單體鉛酸蓄電池標(biāo)準(zhǔn)充電曲線

本文設(shè)計(jì)的充電機(jī)適配鉛酸蓄電池標(biāo)稱電壓為DC 240 V,電池容量為2 000 AH。依據(jù)鉛酸蓄電池充電原理，鉛酸蓄電池的最大充電電流為0.12～0.15 C，本文設(shè)計(jì)充電機(jī)的額定充電電流如下：

Imax=0.13×2 000 A=260 A

(1)

充電機(jī)的充電電流是隨著充電電壓的增大而逐漸減小，當(dāng)單體充電電壓小于2.4 V時(shí)，都以Imax對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，因此當(dāng)單體充電電壓2.4 V時(shí)，變壓器的輸出功率最大：

Pmax=240×1.2×300=86.4 kW

(2)

充電機(jī)采用三相全橋半控整流電路，考慮其功率因素約為0.67，設(shè)定變壓器及整流單元的轉(zhuǎn)換效率0.85，變壓器容量安全系數(shù)0.7，則變壓器的輸入功率為：

S=86400/0.67/0.85/0.8≈190 kVA

(3)

2.1.2 變壓器的電氣連接形式

支架搬運(yùn)車充電機(jī)由于使用地點(diǎn)的不同經(jīng)常需要搬運(yùn)，且搬運(yùn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)傾斜、跌落,甚至是傾覆等現(xiàn)象，鑒于如上情況，本文中變壓器的電氣連接形式將采用4臺(tái)47.5 kVA變壓器通過原邊并聯(lián)，副邊各相串聯(lián)，終端采用三相“Y”形接法的形式實(shí)現(xiàn)190 kVA變壓器的功能。這樣的設(shè)計(jì)方式能夠有效減小單臺(tái)變壓器的尺寸和重量,便于充電機(jī)的維護(hù)，同時(shí)可以降低變壓器的重心，有利用提高充電機(jī)的穩(wěn)定性，便于整機(jī)的運(yùn)輸,如圖4所示。

圖4 變壓器電氣連接形式

2.1.3 變壓器輸出電壓設(shè)計(jì)

充電機(jī)的標(biāo)稱電壓為DC 240 V，充電機(jī)的最大充電電壓約為標(biāo)稱電壓1.5倍，因此

Umax=240×1.5=360 V

(4)

考慮到電纜壓降以及可控硅導(dǎo)通壓降等情況，實(shí)際設(shè)計(jì)變壓器輸出電壓以0.85的安全系數(shù)考慮，單臺(tái)變壓器輸出相電壓：

UN=360/0.85/1.35/1.732≈45 V

(5)

2.2 整流單元設(shè)計(jì)

圖5為整流單元電氣原理圖，采用三相全橋半控整流電路。單臺(tái)變壓器單相輸出電壓為AC 45 V，考慮到4臺(tái)變壓器副邊每相串聯(lián)，然后三相“Y”形連接，則整流橋的輸入電壓為：

U=45×4×1.732=311 V

(6)

因此可控硅的最小反向電壓[3]：

(7)

圖5 整流單元電氣圖

考慮到充電機(jī)設(shè)計(jì)輸出最大充電電流為300 A，因此選擇反向電壓大于1 000 V，額定電流為500 A的可控硅。

2.3 充電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

充電機(jī)的控制電路主要由主控芯片及外圍接口電路組成，主控芯片采用TMS320LF2407A，外圍接口電路主要包括電流、電壓采樣電路、可控硅驅(qū)動(dòng)電路、通信接口電路等，DSP與外圍接口電路相配合，完成對(duì)鉛酸蓄電池的充電。

2.3.1 采樣電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)蓄電池安全可靠充電并保證充電機(jī)安全運(yùn)行，本文對(duì)充電機(jī)運(yùn)行過程中的充電電壓、充電電流、變壓器溫度、可控硅溫度等信號(hào)進(jìn)行采集。

圖6為電流/電壓采樣電路原理圖，該電路將電壓傳感器及電流霍爾輸出的0～20 mA電流信號(hào)通過采樣電阻R2、R3變?yōu)殡妷盒盘?hào)，又將電壓信號(hào)通過運(yùn)放LM358進(jìn)行放大處理后轉(zhuǎn)換為DSP2407 A可識(shí)別的小于3.3 V的電壓信號(hào)，通過DSP2407 A的模擬量采樣外設(shè)對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期性的采集計(jì)算，最終得到充電電壓及電流值。

圖6 電流/電壓采樣電路原理

2.3.2 通信接口電路設(shè)計(jì)

鑒于礦用設(shè)備對(duì)遠(yuǎn)程及網(wǎng)絡(luò)化控制的要求，同時(shí)為使用者提供在線監(jiān)控的便利，本文利用主控芯片DSP2407的CAN外設(shè)為充電機(jī)設(shè)計(jì)了CAN通信接口,如圖7所示。

圖7 通信接口原理

2.3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

可控硅是一種開關(guān)元件，能在高電壓、大電流條件下工作，為了控制可控硅的導(dǎo)通就需要在可控硅的門極及陰極間施加觸發(fā)信號(hào)，然而主控芯片并不具備直接觸發(fā)可控硅的能力，因此就需要驅(qū)動(dòng)電路作為橋接實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅的驅(qū)動(dòng)[10-11],如圖8所示。

圖8 可控硅驅(qū)動(dòng)電路原理

2.3.4 缺相保護(hù)電路設(shè)計(jì)

礦用防爆大功率充電機(jī)適用于煤礦井下，一旦供電電源出現(xiàn)缺相問題，容易造成充電機(jī)變壓器發(fā)熱增大、交流輸入側(cè)電流增大、充電機(jī)充電功率減小等情況，為了杜絕此類情況，設(shè)計(jì)了充電機(jī)缺相保護(hù)電路，其工作原理如圖9。

圖9 充電機(jī)缺相保護(hù)電路原理

2.3.5 其他保護(hù)電路

為了保證充電機(jī)的可靠運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少充電機(jī)故障運(yùn)行情況的出現(xiàn)，本文還設(shè)計(jì)了蓄電池未接及反接保護(hù)、蓄電池欠壓及過壓保護(hù)、蓄電池充足保護(hù)等諸多保護(hù)。

2.4 充電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

總結(jié)目前鉛酸蓄電池的充電方法，設(shè)計(jì)了多種充電方法相結(jié)合的復(fù)合性充電方式，整個(gè)充電過程將分為3個(gè)部分:第一部分為電池電量測試階段，第二部分為電池充電階段，第三部分為電池維護(hù)階段，控制流程如圖10所示。

充電機(jī)具有電池電量測試功能，開機(jī)后要進(jìn)行3 min的蓄電池電量測試操作，依據(jù)充電電壓、充電電流以及充電電量計(jì)算電池的剩余電量，然后依據(jù)電池電量的具體情況選擇合適的充電曲線來完成第二部分的充電。第二部分采用變電流充電方式，依據(jù)電池電壓采取分階段變電流充電方式。本文設(shè)計(jì)充電機(jī)的最后充電階段為電池維護(hù)階段，采用脈沖充電方式，可以有效降低電池的硫化程度，延長電池的使用壽命[5]。

圖10 充電機(jī)充電流程

3 樣機(jī)制造及測試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求制造了充電機(jī)樣機(jī)，如圖11所示，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，樣機(jī)的額定電壓為AC 660 V，額定電流為AC 166 A，變壓器最大輸入容量為190 kVA，充電機(jī)最大輸出電壓為DC 360 V，最大輸出電流為DC 300 A。

圖11 防爆大功率充電機(jī)樣機(jī)

圖12、圖13為本文設(shè)計(jì)的充電機(jī)樣機(jī)對(duì)標(biāo)稱電壓DC 240 V，容量2 000 AH蓄電池充電時(shí)的電壓與電流曲線。從圖13電流曲線可以看出，充電機(jī)開機(jī)后進(jìn)行了短暫的半電流(150 A)充電用于對(duì)蓄電池剩余電量的檢測，然后對(duì)蓄電池進(jìn)行全電流(300 A)充電，并且隨著充電電壓的逐漸上升，充電電流階段性下降，這與圖3所描述的單體鉛酸蓄電池充電曲線相吻合。另外在蓄電池充電的最后階段，充電電壓和充電電流出現(xiàn)了周期性脈沖波動(dòng)，這也正是本文設(shè)計(jì)的蓄電池充電的最后維護(hù)階段，通過脈沖充電方式對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)。

圖12 充電機(jī)充電電壓(V)

圖13 充電機(jī)充電電流(A)

4 結(jié)論

針對(duì)目前礦用鉛酸蓄電池支架搬運(yùn)車充電機(jī)存在的問題，吸取了神東公司在用蓄電池支架搬運(yùn)車進(jìn)口充電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一款高可靠性、更適合煤礦蓄電池支架搬運(yùn)車使用的智能大功率充電機(jī)，與國內(nèi)在用的礦用充電機(jī)相比：

1) 在最大充電電壓DC 360 V下可輸出最大充電電流DC 300 A，其功率更大。

2) 露天陽光直曬、環(huán)境溫度20℃、DC 300 A充電條件下，變壓器線圈熱平衡溫度為78℃(實(shí)驗(yàn)測量)，說明變壓器發(fā)熱量更低、充電機(jī)的散熱效率更高。

3) 本文設(shè)計(jì)的充電機(jī)充分考慮了礦用蓄電池支架搬運(yùn)車充電機(jī)的使用工況，因此其搬運(yùn)穩(wěn)定性及工況適用性更好。