專利名稱：牽引控制單元及控制箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力機(jī)車牽引控制技術(shù)，尤其涉及一種牽引控制單元及控制箱。
背景技術(shù)：
近幾年隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對(duì)于鐵路行業(yè)的建設(shè)也逐年加大力度，鐵路行業(yè)迅猛發(fā)展?，F(xiàn)階段以北車集團(tuán)和南車集團(tuán)為代表的國內(nèi)機(jī)車龍頭企業(yè)已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各類型電力機(jī)車的能力，但在交流電力機(jī)車控制的核心部分還處于相對(duì)落后的階段，主要依賴于國外生產(chǎn)商，諸如動(dòng)車CRH系列，貨車HXD系列都是依靠技術(shù)引進(jìn)與國外生產(chǎn)商聯(lián)合設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，控制的核心部件牽引控制單元由國外生產(chǎn)商提供。目前國外有能力設(shè)計(jì)及生產(chǎn)交流電力機(jī)車牽引控制單元的知名廠家主要有德國西門子、日本川崎重工、法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪等。為了打破國外企業(yè)對(duì)于該領(lǐng)域壟斷的局面，這就要求我們生產(chǎn)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流電力機(jī)車牽引控制單元。
中國電力機(jī)車的研制開始于1958年，至90年代末期，先后研發(fā)出韶山I 韶山9共9類及其衍生出的電力機(jī)車產(chǎn)品。該系類的電力機(jī)車為中國鐵路的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，目前韶山系列電力機(jī)車仍然馳騁在祖國大地，繼續(xù)發(fā)揮著光和熱。但隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，韶山系列電力機(jī)車在技術(shù)上已經(jīng)處于相對(duì)落后的階段，其最大的軟肋就是采用交直控制，屬于直流電力機(jī)車范疇。目前國際主流電力機(jī)車采用交直交控制，就是通常意義上的交流電力機(jī)車，交流電力機(jī)車牽引功率大、功率因數(shù)高、諧波干擾少、具有優(yōu)異的牽引和制動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性、粘著利用和防空轉(zhuǎn)性能好、主電路簡(jiǎn)單等，在制造、性能、功能，體積、重量、成本、維護(hù)及可靠性等方面都要優(yōu)于直流電力機(jī)車，國內(nèi)之所以遲遲沒能在電力機(jī)車上應(yīng)用，主要是控制比較困難。
國內(nèi)目前具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電力機(jī)車主要是韶山系列直流電力機(jī)車，與目前國際主流交流電力機(jī)車相比，直流電力機(jī)車在牽引、制動(dòng)及其他方面都存在很大的差距，必將逐漸退出歷史舞臺(tái)。本世紀(jì)初至今，國內(nèi)開始了交流電力機(jī)車的研發(fā)，但由于起步晚、底子薄，交流電力機(jī)車的研發(fā)舉步維艱，為了加快推進(jìn)交流電力機(jī)車的發(fā)展，鐵道部走出了一條技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新的路子。近幾年，動(dòng)車CRH系列，貨車HXD系列交流電力機(jī)車基本上已經(jīng)替代了韶山系列直流電力機(jī)車，但控制的核心部分牽引控制單元技術(shù)仍然沒有完全掌握。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種牽引控制單元及控制箱，以實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車的交流牽引控制。
本發(fā)明一方面提供的牽引控制單元，包括:
電源模塊，用于為各模塊提供工作電壓；
模擬信號(hào)處理模塊，用于采集模擬信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊；
數(shù)字信號(hào)處理模塊，用于接收數(shù)字信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至所述中央處理模塊；以及接收所述中央處理模塊輸出的控制指令并將該控制指令轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)；
所述中央處理模塊，用于接收所述模擬信號(hào)處理模塊和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)，并依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及，
IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊，用于接收所述中央處理模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至IGBT驅(qū)動(dòng)板；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述中央處理模塊的故障接入端。
本發(fā)明另一方面提供的牽引控制箱，包括箱體，所述箱體內(nèi)設(shè)有上述牽引控制單元，所述牽引控制單元中的一個(gè)或多個(gè)模塊設(shè)置在一個(gè)子電路板上，所述牽引控制單元由至少一個(gè)所述子電路板構(gòu)成；所述箱體內(nèi)設(shè)有母板，各子電路板與所述母板電性和/或通信連接；所述箱體內(nèi)設(shè)有用于插設(shè)所述子電路板的插槽，所述子電路板插入并固定在所述箱體內(nèi)。
本發(fā)明一個(gè)方面的技術(shù)效果是:本發(fā)明提供的牽引控制單元實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的交流牽引控制，具有牽引功率大、功率因數(shù)高、諧波干擾少、優(yōu)異的牽引和制動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性、粘著利用和防空轉(zhuǎn)性能好等優(yōu)點(diǎn)；此外，在制造、性能、功能，體積、重量、成本、維護(hù)及可靠性等方面都要優(yōu)于直流電力機(jī)車。本發(fā)明提供的牽引控制單元可以完全替代國外進(jìn)口的交流電力機(jī)車牽引控制單元，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明另一方面的技術(shù)效果是:本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的牽引控制箱具有易組裝、易拆卸,維修方便等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的牽引控制單元第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明提供的牽引控制單元第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明提供的牽引控制箱實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的牽引控制單元第一個(gè)實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例所述牽引控制單兀包括:電源模塊1、模擬信號(hào)處理模塊8、數(shù)字信號(hào)處理模塊506、中央處理模塊310和IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211。所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506的控制指令接收端與所述中央處理模塊310的控制指令輸出端通信連接；所述中央處理模塊310的信號(hào)接收端分別與所述模擬信號(hào)處理模塊8和數(shù)字信號(hào)處理模塊506的輸出端通信連接；所述中央處理模塊310的監(jiān)測(cè)故障接入端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211的反饋故障信號(hào)輸出端通信連接；所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端與所述中央處理模塊310的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端通信連接。其中，所述電源模塊I用于為各模塊提供工作電壓。所述模擬信號(hào)處理模塊8用于采集模擬信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊310。所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506用于接收數(shù)字信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至所述中央處理模塊310 ；以及接收所述中央處理模塊310輸出的控制指令并將該控制指令轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)。所述中央處理模塊310用于接收所述模擬信號(hào)處理模塊8和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506輸出的信號(hào)，并依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211用于接收所述中央處理模塊310輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至IGBT驅(qū)動(dòng)板；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述中央處理模塊310的故障接入端。
本實(shí)施例所述的牽引控制單元其電路實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的交流牽引控制。
本發(fā)明提供的牽引控制單元的第二個(gè)實(shí)施例。如圖2所示，本實(shí)施例基于實(shí)施例一，將實(shí)施例一中的所述模擬信號(hào)處理模塊8分為兩個(gè)子模塊。本實(shí)施例中所述的模擬信號(hào)處理模塊8包括第一模擬信號(hào)處理子模塊81和第二模擬信號(hào)處理子模塊82。第一模擬信號(hào)處理子模塊81的處理結(jié)果輸出端和所述第二模擬信號(hào)處理子模塊82的處理結(jié)果輸出端分別與所述中央處理模塊310的接收端通信連接。其中，所述第一模擬信號(hào)處理子模塊81用于采集牽引電路7的交流電接入端71的電流和電壓信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊310。所述第二模擬信號(hào)處理子模塊82用于接收牽引電路7的交流驅(qū)動(dòng)輸出端72的電流和電壓信號(hào)，以及牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊310。其中，所述的牽引電路7的交流電接入端71的電流和電壓信號(hào)包括交流電接入網(wǎng)端的電流和電壓信號(hào)，以及經(jīng)整流后的中間電壓。
本實(shí)施例將模擬信號(hào)處理模塊分為兩個(gè)子模塊，將各模塊接收的數(shù)據(jù)區(qū)分開，使各模塊具有特定的功能便于檢查和維修，此外，還有助于縮短牽引控制單元的響應(yīng)時(shí)間。
本發(fā)明提供的牽引控制單元的第三個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，將數(shù)字信號(hào)處理模塊506分為兩個(gè)子模塊。如圖2所示，本實(shí)施例中所述的數(shù)字信號(hào)處理模塊506包括:數(shù)字信號(hào)輸入子模塊5和數(shù)字信號(hào)輸出子模塊6。所述數(shù)字信號(hào)輸入子模塊5的處理結(jié)果輸出端與所述中央處理模塊310的接收端通信連接，所述數(shù)字信號(hào)輸出子模塊6的控制指令接收端與所述中央處理模塊310的控制指令輸出端通信連接。其中，所述數(shù)字信號(hào)輸入子模塊5用于接收數(shù)字信號(hào)，對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至所述中央處理模塊310。所述數(shù)字信號(hào)輸出子模塊6，用于接收所述中央處理模塊310輸出的控制指令并將該控制指令轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)。當(dāng)然，本實(shí)施例也可基于實(shí)施例一。本實(shí)施例將數(shù)字信號(hào)處理模塊細(xì)分為兩個(gè)模塊一個(gè)作為輸出一個(gè)作為輸入，使各模塊功能更為單一便于檢查和維修，并且將強(qiáng)電信號(hào)和弱點(diǎn)信號(hào)分開，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能。
進(jìn)一步地實(shí)施例，為提高牽引控制單元的控制效率，上述實(shí)施例二和實(shí)施例三中所述的中央處理模塊310包括:第一中央處理子模塊3和第二中央處理子模塊10，如圖2所示。所述第一中央處理子模塊3的接收端分別與所述第一模擬信號(hào)處理子模塊81和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506的輸出端通信連接，所述第一中央處理子模塊3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端通信連接，所述第一中央處理子模塊3的監(jiān)測(cè)故障接入端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211反饋故障信號(hào)輸出端通信連接。所述第二中央處理子模塊10的接收端分別與所述第二模擬信號(hào)處理子模塊82和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506的輸出端通信連接，所述第二中央處理子模塊10的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端通信連接，所述第二中央處理子模塊10的監(jiān)測(cè)故障接入端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211反饋故障信號(hào)輸出端通信連接。其中，所述第一中央處理子模塊3，用于接收所述第一模擬信號(hào)處理子模塊81和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506輸出的信號(hào)，依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。所述第二中央處理子模塊10，用于接收所述第二模擬信號(hào)處理子模塊82和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊506輸出的信號(hào)，依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
如圖2所示，交流電力機(jī)車的牽引電路包括整流電路、逆變電路和斬波電路；而這些電路都由IGBT作為功率輸出器件，若統(tǒng)一對(duì)這些IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或監(jiān)測(cè)，就使得牽引控制單元的驅(qū)動(dòng)與反饋模塊變得復(fù)雜，對(duì)外接口也難以實(shí)現(xiàn)。為了能分別驅(qū)動(dòng)并監(jiān)測(cè)牽引電路中各部分電路中的IGBT，本實(shí)用新型提供基于上述實(shí)施例的進(jìn)一步實(shí)施例，本實(shí)施例中所述的IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊211包括第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K2和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K11。所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)接收端與所述第一中央處理子模塊3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端通信連接，所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K2的反饋故障信號(hào)輸出端與所述第一中央處理子模塊3的監(jiān)測(cè)故障接入端通信連接。所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K11的驅(qū)動(dòng)信號(hào)接收端與所述第二中央處理子模塊10的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端通信連接，所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K11的反饋故障信號(hào)輸出端與所述第二中央處理子模塊10的監(jiān)測(cè)故障接入端通信連接。其中，所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K2用于接收所述第一中央處理子模塊3輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理并輸出至牽引電路的交流電接入網(wǎng)端電路中的第一 IGBT驅(qū)動(dòng)板，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該第一 IGBT驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)的IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述第一中央處理模塊3的故障接入端。所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K11用于接收所述第二中央處理器10輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理并輸出至牽引電路輸出端連接的逆變器中的第二IGBT驅(qū)動(dòng)板，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該第二 IGBT驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)的IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述第二中央處理模塊10的故障接入端。其中，所述牽引電路的交流電接入網(wǎng)端電路包括整流電路，或還包括斬波電路。所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K2和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K11均由PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路構(gòu)成，其中所述PWM驅(qū)動(dòng)電路包括PWM發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)電路，如圖2中所示。
進(jìn)一步地，為簡(jiǎn)化電源模塊以適應(yīng)不同模塊和驅(qū)動(dòng)板的供電需求，上述各實(shí)施例中所述的電源模塊包括:第一電源子模塊和第二電源子模塊。其中，所述第一電源子模塊用于為各模塊提供工作電壓。所述第二電源子模塊用于為各IGBT驅(qū)動(dòng)板提供驅(qū)動(dòng)電壓。
再進(jìn)一步地，為完善本發(fā)明提供的各實(shí)施例中所述的牽引控制單元的功能，上述各實(shí)施例中所述的牽引控制單元還包括:水溫度傳感器、電機(jī)溫度傳感器、水壓傳感器，或其中任意兩種或三種的組合。模擬信號(hào)處理模塊接收上述各傳感器輸出的信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)處理后輸出至所述中央處理模塊，中央處理模塊依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的控制指令，如顯示控制指令或報(bào)警控制指令，以使與所述中央處理模塊通信連接的顯示屏或報(bào)警器顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)或發(fā)出報(bào)警提示。
再進(jìn)一步地，上述各實(shí)施例中所述的牽引控制單元還包括用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)模塊12，如圖2所示。所述中央處理模塊的第一中央處理子模塊3和第二中央處理子模塊10的數(shù)據(jù)通信輸出端經(jīng)CAN (Controller AreaNetwork，控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線與所述網(wǎng)關(guān)模塊12的數(shù)據(jù)接入端相連,所述網(wǎng)關(guān)模塊12的數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)MVB (Multifunction VehicleBus，多功能車輛總線)總線與外部設(shè)備相連。通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)模塊12可實(shí)現(xiàn)中央處理模塊與外部設(shè)備的通信。
更進(jìn)一步地，為方便牽引控制單元維護(hù)、檢修和調(diào)試，上述各實(shí)施例中所述的牽引控制單元還包括維修接口模塊4，如圖2所示。所述維修接口模塊4用于連接外接顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)下載設(shè)備或在調(diào)試設(shè)備。所述維修接口模塊4與所述中央處理模塊通信連接，如圖所示，所述維修接口模塊4分別與第一中央處理子模塊3和第二中央處理子模塊10通信連接。
下面結(jié)合本發(fā)明提供的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述牽引控制單元的工作原理作詳細(xì)說明。牽引控制單元工作原理是:
司機(jī)室給出牽引或制動(dòng)等命令，數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)其處理后送入中央處理模塊，中央處理模塊對(duì)其進(jìn)行判斷后，將指令反饋回?cái)?shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊將反饋回的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)，以控制外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如電源的接入或斷開、接觸器的吸合、風(fēng)機(jī)的通斷等。
司機(jī)室給出牽引命令后，牽引電路接入交流電經(jīng)整流逆變后轉(zhuǎn)換為三相驅(qū)動(dòng)交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)車運(yùn)行。整個(gè)過程中，模擬信號(hào)處理模塊對(duì)牽弓I電路接入網(wǎng)端的同步電流、同步電壓和接地電流，以及交流驅(qū)動(dòng)輸出端的電流和電壓等模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。因同步電壓具有高次諧波，要求模擬信號(hào)處理模塊對(duì)其濾波處理，同時(shí)處理完的波形與實(shí)際網(wǎng)壓波形要求同步，以滿足四象限整流的需要。模擬信號(hào)處理模塊將采集到的信號(hào)處理完成后送入中央處理模塊。中央處理模塊在接收到模擬信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)后首先對(duì)該信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷該信號(hào)是否為錯(cuò)誤信號(hào)，若是中央處理模塊停止向IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，中央處理模塊向IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)IGBT工作。IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的IGBT工作同時(shí)還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作狀態(tài)。若被監(jiān)測(cè)的IGBT處于非正常工作狀態(tài)，所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊將該故障信號(hào)進(jìn)行鎖存，并直接封鎖中央處理模塊發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖。同時(shí)中央處理模塊也會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其故障接入端是否有故障信號(hào)輸入，若有中央處理模塊會(huì)停止向所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以保護(hù)牽引電路中各IGBT。同時(shí)，模擬信號(hào)處理模塊還會(huì)采集牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速并對(duì)采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，處理后送入所述中央處理模塊。中央處理模塊接收到信號(hào)后首先對(duì)該信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷該信號(hào)是否為錯(cuò)誤信號(hào)，若是，中央處理模塊停止向IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，中央處理模塊向IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)IGBT工作來控制電力機(jī)車運(yùn)行速度及牽引功率。其中，中央處理模塊停止向IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖的功能實(shí)現(xiàn)可通過軟件設(shè)計(jì)，也可通過硬件電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以同時(shí)使用以起到雙重保護(hù)的目的。
電力機(jī)車在特殊情況下運(yùn)行有可能引起中間電壓波動(dòng)較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使中間電壓過壓，導(dǎo)致電力機(jī)車停車。其中，如圖1所示，中間電壓為經(jīng)整流電路整流后輸出的電壓。為了避免這種情況發(fā)生，如圖1所示牽引電路中設(shè)置了斬波功能，即在整流電路和逆變電路之間設(shè)置一個(gè)斬波電路。模擬信號(hào)處理模塊實(shí)時(shí)采集經(jīng)整流電路后輸出的中間電壓并對(duì)其進(jìn)行處理，處理后輸出至所述中央處理模塊。中央處理模塊根據(jù)接收到的中間電壓判斷是否對(duì)中間電壓進(jìn)行斬波。如果中間電壓高于設(shè)定值，中央處理模塊發(fā)斬波驅(qū)動(dòng)脈沖，通過IGBT驅(qū)動(dòng)與反饋模塊處理后驅(qū)動(dòng)斬波IGBT工作，將能量消耗到斬波電阻上，平穩(wěn)中間電壓。如果斬波電流過大或IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊輸出為故障狀態(tài)，中央處理模塊停止向所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊輸出斬波驅(qū)動(dòng)脈沖，以防止斬波電阻因瞬時(shí)能量過大而燒毀以及斬波IGBT因電流過大而損壞的現(xiàn)象發(fā)生。
如圖3所示，本發(fā)明提供的牽引控制箱實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例包括箱體20，所述箱體20內(nèi)設(shè)有上述任一實(shí)施例中所述的牽引控制單元。所述牽引控制單元中的一個(gè)或多個(gè)模塊設(shè)置在一個(gè)子電路板21上，所述牽引控制單元由至少一個(gè)所述子電路板21構(gòu)成。所述箱體20上設(shè)有母板，各子電路板21與所述母板電性和/或通信連接。所述箱體20上設(shè)有用于插設(shè)所述子電路板21的插槽。所述子電路板21插入并固定在所述箱體20內(nèi)。
進(jìn)一步地，上述實(shí)施例中所述的箱體上還設(shè)有用于連接外部設(shè)備的接口，所述子電路板經(jīng)該接口與所述外部設(shè)備連接。
再進(jìn)一步地，上述各實(shí)施例中所述的牽引控制箱還包括維修接口板。所述維修接口板設(shè)置在所述母板上。
本發(fā)明提供的牽引控制箱的一具體實(shí)施例。如圖3所示，牽引控制箱由便攜式箱體20構(gòu)成，采用可插拔的結(jié)構(gòu)方式。箱體20上設(shè)有用于固定的支架。箱體20的對(duì)外低壓電氣接口安裝在支架上，箱體20內(nèi)設(shè)有插槽用于安裝子電路板。該箱體20內(nèi)總共安裝有16塊子電路板，其中14塊子電路板位于箱體內(nèi)部，另外2塊為母板和維修接口板固定在箱體的一側(cè)。維修接口板位于母板上，箱體20內(nèi)14塊子電路板由母板提供連接關(guān)系，子電路板的一端通過F48連接器與母板連接，子電路板的另一端也通過F48連接器與外部低壓電氣端口連接。這14塊子電路板構(gòu)成了牽引控制單元。這14塊子電路板包括:4塊電源子電路板，3塊模擬信號(hào)處理子電路板，2塊數(shù)字信號(hào)處理子電路板，2塊中央處理子電路板，I塊網(wǎng)關(guān)子電路板，2塊IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)与娐钒?。其?4塊電源子電路板中，I塊用于箱體內(nèi)部子電路板供電，2塊用于IGBT驅(qū)動(dòng)板供電，還有I塊用于外部傳感器供電。3塊模擬信號(hào)處理子電路板中，I塊上設(shè)有第一模擬信號(hào)處理子模塊用于采集和處理四象限信號(hào)；1塊上設(shè)有第二模擬信號(hào)處理子模塊用于采集和處理逆變器信號(hào)；還有I塊上設(shè)有第三模擬信號(hào)處理子模塊用于采集和處理斬波電流、水溫、水壓和/或電機(jī)溫度等模擬信號(hào)，該第三模擬信號(hào)處理子模塊的功能也可由前兩塊子電路板其中一個(gè)或兩個(gè)來代替。2塊數(shù)字信號(hào)處理子電路板中，I塊上設(shè)有數(shù)字信號(hào)輸入子模塊用于數(shù)字信號(hào)的輸入，并對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理；I塊上設(shè)有數(shù)字信號(hào)輸出子模塊用于數(shù)字信號(hào)的輸出，對(duì)接收自所述中央處理模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行處理生成外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作的執(zhí)行信號(hào)，如小功率的機(jī)械觸點(diǎn)繼電器輸出或大功率的MOSFET輸出等等。2塊中央處理子電路板中，I塊上設(shè)有第一中央處理子模塊用于處理四象限信號(hào)；1塊上設(shè)有第二中央處理子模塊用于處理逆變信號(hào)。2塊IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)与娐钒逯校琁塊上設(shè)有第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K用于處理四象限驅(qū)動(dòng)與反饋，I塊上設(shè)有第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K用于逆變驅(qū)動(dòng)與反饋。
本發(fā)明提供了一種牽引控制單元以及設(shè)有該牽引控制單元的控制箱，實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的交流控制。依據(jù)本發(fā)明制造出的牽引控制單元滿足目前國內(nèi)交流電力機(jī)車牽引控制要求，可以實(shí)現(xiàn)交流電力機(jī)車220KM/H、單軸功率1600KW的運(yùn)行工況。
最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種牽引控制單元，其特征在于，包括: 電源模塊，用于為各模塊提供工作電壓； 模擬信號(hào)處理模塊，用于采集模擬信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊； 數(shù)字信號(hào)處理模塊，用于接收數(shù)字信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至所述中央處理模塊；以及接收所述中央處理模塊輸出的控制指令并將該控制指令轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)； 所述中央處理模塊，用于接收所述模擬信號(hào)處理模塊和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)，并依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及， IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊，用于接收所述中央處理模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至IGBT驅(qū)動(dòng)板；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述中央處理模塊的故障接入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牽引控制單元，其特征在于，所述模擬信號(hào)處理模塊包括第一模擬信號(hào)處理子模塊和第二模擬信號(hào)處理子模塊；其中， 所述第一模擬信號(hào)處理子模塊，用于采集牽引電路的交流電接入端的電流和電壓信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊； 所述第二模擬信號(hào)處理子模塊，用于采集牽引電路的交流驅(qū)動(dòng)輸出端的電流和電壓信號(hào)，以及牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至中央處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的牽引控制單元，其特征在于，所述牽引電路的交流電接入端的電流和電壓信號(hào)包括:交流電接入網(wǎng)端的電流和電壓信號(hào)以及整流后的中間電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的牽引控制單元，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊包括:數(shù)字信號(hào)輸入子模塊和數(shù)字信號(hào)輸出子模塊；其中， 所述數(shù)字信號(hào)輸入子模塊，用于接收數(shù)字信號(hào)，對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)輸出至所述中央處理模塊； 所述數(shù)字信號(hào)輸出子模塊，用于接收所述中央處理模塊輸出的控制指令并將該控制指令轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備執(zhí)行操作所需的執(zhí)行信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2 所述的牽引控制單元，其特征在于，所述中央處理模塊包括:第一中央處理子模塊和第二中央處理子模塊；其中， 所述第一中央處理子模塊，用于接收所述第一模擬信號(hào)處理子模塊和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)，依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 所述第二中央處理子模塊，用于接收所述第二模擬信號(hào)處理子模塊和所述數(shù)字信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)，依據(jù)接收的信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或控制指令；以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障接入端，當(dāng)所述故障接入端有故障信號(hào)輸入時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的牽引控制單元，其特征在于，所述IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊包括第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K;其中， 所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K，用于接收所述第一中央處理子模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理并輸出至牽引電路的交流電接入網(wǎng)端電路中的第一 IGBT驅(qū)動(dòng)板，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該第一 IGBT驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)的IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述第一中央處理模塊的故障接入端； 所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋?zhàn)幽K，用于接收所述第二中央處理器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理并輸出至牽引電路輸出端連接的逆變器中的第二 IGBT驅(qū)動(dòng)板，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該第二 IGBT驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)的IGBT的工作狀態(tài)，當(dāng)所述IGBT處于異常工作狀態(tài)時(shí)反饋故障信號(hào)至所述第二中央處理模塊的故障接入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的牽引控制單元，其特征在于，所述電源模塊包括:第一電源子模塊和第二電源子模塊；其中， 所述第一電源子模塊，用于為各模塊提供工作電壓； 所述第二電源子模塊，用于為各IGBT驅(qū)動(dòng)板提供驅(qū)動(dòng)電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牽引控制單元，其特征在于，還包括:水溫度傳感器、電機(jī)溫度傳感器、水壓傳感器，或其中任意兩種或三種的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牽引控制單元，其特征在于，還包括:用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)模塊，所述中央處理模塊的數(shù)據(jù)通信輸出端經(jīng)CAN總線與所述網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)接入端相連，所述網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)MVB總線與外部設(shè)備相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牽引控制單元，其特征在于，還包括:維修接口模塊，與所述中央處理模塊通信連接，用于連接外接顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)下載設(shè)備和/或在調(diào)試設(shè)備。
11.一種牽引控制箱，包括箱體，其特 征在于，所述箱體內(nèi)設(shè)有上述權(quán)利要求1至10中任意一所述的牽引控制單元，所述牽引控制單元中的一個(gè)或多個(gè)模塊設(shè)置在一個(gè)子電路板上，所述牽引控制單元由至少一個(gè)所述子電路板構(gòu)成；所述箱體上設(shè)有母板，各子電路板與所述母板電性和/或通信連接；所述箱體內(nèi)設(shè)有用于插設(shè)所述子電路板的插槽，所述子電路板插入并固定在所述箱體內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的牽引控制箱，其特征在于，所述箱體上還設(shè)有用于連接外部設(shè)備的接口，所述子電路板經(jīng)該接口與所述外部設(shè)備連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的牽引控制箱，其特征在于，還包括維修接口板，所述維修接口板設(shè)置在所述母板上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種牽引控制單元及控制箱。所述牽引控制單元包括電源模塊、模擬信號(hào)處理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、中央處理模塊和IGBT驅(qū)動(dòng)及反饋模塊。所述牽引控制箱包括箱體，所述箱體內(nèi)設(shè)有所述的牽引控制單元，所述牽引控制單元中的一個(gè)或多個(gè)模塊設(shè)置在一個(gè)子電路板上，所述牽引控制單元由至少一個(gè)所述子電路板構(gòu)成；所述箱體上設(shè)有母板，各子電路板與所述母板電性和/或通信連接；所述箱體內(nèi)設(shè)有用于插設(shè)所述子電路板的插槽，所述子電路板插入并固定在所述箱體內(nèi)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的交流牽引控制，具有牽引功率大、功率因數(shù)高、諧波干擾少、優(yōu)異的牽引和制動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性、維修方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B60L15/00GK103144548SQ20111040400
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者陳鐵年, 隋德磊, 韓紅彬, 徐從謙, 耿輝, 于躍, 王曉鵬 申請(qǐng)人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心