起重電磁鐵配套蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)的設(shè)計(jì)

唐奇

摘要：針對(duì)現(xiàn)有蓄電池充電系統(tǒng)技術(shù)“瓶頸”問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種起重電磁鐵配套蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)。介紹該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)與工作原理，闡述其主要功能模塊的電路設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)量少、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、便于維護(hù)，適宜在各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。

關(guān)鍵詞：蓄電池；充電機(jī)；起重電磁鐵；功能模塊；電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）04-0024-03

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展迅速，農(nóng)機(jī)制造工業(yè)也隨之興盛。起重電磁鐵是機(jī)械制造中的重要設(shè)備，其在煉鋼廠、軋鋼廠、鑄造車(chē)間等領(lǐng)域用來(lái)裝卸和搬運(yùn)生鐵、廢鋼、方坯、板材、型材等鐵磁性物質(zhì)。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有斷電的突發(fā)情況，因此起重電磁鐵應(yīng)配置鉛酸蓄電池以備應(yīng)急之需。但蓄電池電量消耗很大，正常情況下需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電處理。

目前在行業(yè)應(yīng)用中，電磁鐵蓄電池充電系統(tǒng)面臨三大難題：一是普通充電系統(tǒng)只具有簡(jiǎn)單的整流和調(diào)壓電路，蓄電池處于從始至終不斷電的狀態(tài)，即使充滿電量仍無(wú)法斷開(kāi)充電回路，導(dǎo)致蓄電池過(guò)充，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成蓄電池?fù)p壞，對(duì)蓄電池危害極大；二是對(duì)于久置不用的蓄電池，常規(guī)充電模式無(wú)法使其充滿；三是現(xiàn)有多數(shù)蓄電池所用充電機(jī)的體積與自重較大，抗干擾能力差，且所用器件較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)困難。為解決上述問(wèn)題，沈陽(yáng)隆基電磁科技股份有限公司研究設(shè)計(jì)出一種起重電磁鐵配套蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)，攻克了現(xiàn)有技術(shù)的“瓶頸”問(wèn)題，取得了實(shí)質(zhì)性技術(shù)突破。

1 蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

起重電磁鐵配套蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)由三相交流電源、變壓器、三相整流橋、電解電容、IGBT智能模塊、電壓處理電路、高集成CPU中央處理芯片、驅(qū)動(dòng)電路、續(xù)流二極管及電阻、電容等組成（如圖1所示）。整個(gè)電路按照功能可分為整流功能模塊、控制電壓模塊、CPU中央處理模塊和驅(qū)動(dòng)芯片IC2模塊；電路中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)蓄電池的電壓和電流值，電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器作為內(nèi)、外環(huán)，形成了電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓與電流信號(hào)的反饋調(diào)節(jié)與檢測(cè)。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 整流功能模塊

整流電路（如圖2所示）接入到控制電壓模塊進(jìn)行降壓處理，繼而分為主回路整流電路與控制電壓電路。主回路整流后，利用高頻通斷器件IGBT對(duì)蓄電池的充電進(jìn)行通斷控制；控制電壓電路為CPU中央處理電路及驅(qū)動(dòng)芯片IC2供電。主回路整流電路首先將變壓器的輸出端接入整流電路模塊進(jìn)行由交流電到直流電的轉(zhuǎn)變。整流裝置VC1整流輸出的兩端并聯(lián)一個(gè)濾波電容C0，再串接一個(gè)高頻通斷器件 IGBT，作為主回路的控制開(kāi)關(guān)（其中，高頻通斷器件IGBT的集電極C極接到整流輸出的正極，發(fā)射極E極接到整流輸出的負(fù)極，柵極G極與驅(qū)動(dòng)芯片IC2的電路連接）。驅(qū)動(dòng)芯片IC2由CPU中央處理電路中的高集成芯片IC1控制。而后并聯(lián)續(xù)流二極管VD1，在輸出端串接入電抗器TC1和電阻R，最后接到蓄電池組相應(yīng)的正負(fù)極上，構(gòu)成蓄電池充電回路。

2.2 控制電壓模塊

控制電壓電路（如圖3所示）分兩路獲得第一直流電壓V1與第二直流電壓V2。首先通過(guò)控制變壓器T2進(jìn)行降壓處理，繼而經(jīng)過(guò)單相整流模塊VC2（VC3）接入三端穩(wěn)壓器件 VY1（VY2），在穩(wěn)壓前后并接入濾波電容C6（C9）；電容C7（C10）作為頻率補(bǔ)償，防止自激振蕩及抑制高頻干擾；濾波電容C8（C11）改善穩(wěn)壓電源電路瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。第一直流電壓V1、第二直流電壓V2分別作為CPU中央處理芯片、驅(qū)動(dòng)芯片IC2的控制電壓。

2.3 CPU中央處理模塊

CPU中央處理模塊實(shí)現(xiàn)了恒壓限流的充電方式，以及均充/浮充擋位的功能切換。CPU中央處理電路（如圖4所示）主要由高集成芯片IC1電路組成，其輸出直接控制驅(qū)動(dòng)芯片IC2。第一直流電壓V1接入到高集成芯片IC1的15腳，IC1的13腳、15腳串入限流電阻R1。電位器W1一端連接高集成芯片IC1的2腳、另一端連接地，中間滑動(dòng)抽頭連接到高集成芯片IC1的1腳，電阻R2兩端連接高集成芯片IC1的2腳、5腳，電容C1一端連接高集成芯片IC1的2腳、另一端連接地GND1。電阻R0 兩端連接高集成芯片IC1的3腳、4腳，蓄電池電流信號(hào)IF接入到高集成芯片IC1的4腳。高集成芯片IC1的12腳、16腳連接地GND1。高集成芯片IC1的8腳、9腳分別連接電阻R7、電容C3后連接地GND1。電阻R6兩端連接高集成芯片IC1的6腳、7腳，蓄電池電壓信號(hào)VF連接電位器 W2、再接入到高集成芯片IC1的6腳，同時(shí)串入采樣電阻R5后連接地GND1。電位器W2的中間滑動(dòng)抽頭連接到高集成芯片IC1的6腳，電容C2與采樣電阻R5并聯(lián)。

電位器W2、采樣電阻R4、采樣電阻R5為控制回路提供反饋電壓VF，檢測(cè)電阻 R0為控制回路提供反饋電流IF，其中充電電流峰值由電位器W1、電位器W2、采樣電阻R5 的分壓值及檢測(cè)電阻R0決定。當(dāng)蓄電池兩端的電壓低于額定值（即反饋電壓VF小于參考電壓U1）時(shí)，調(diào)節(jié)電位器W1使電壓調(diào)節(jié)器飽和，則輸出為電壓U2。這時(shí)電壓外環(huán)呈閉環(huán)狀態(tài)，電壓值的上升對(duì)充電機(jī)電路系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。電壓U2與反饋電流IF送入電流調(diào)節(jié)器，得到輸出電壓U3，輸出電壓U3與電阻R7、電容C3振蕩產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，得到PWM脈沖信號(hào)，通過(guò)高集成芯片IC1的11腳、14腳的推挽輸出控制驅(qū)動(dòng)芯片IC2，再經(jīng)過(guò)IC2來(lái)觸發(fā)高頻通斷器件IGBT，利用IGBT的高頻通斷特性保證充電主回路瞬時(shí)開(kāi)通關(guān)斷，以有效保護(hù)蓄電池。電壓經(jīng)過(guò)電抗器TC1進(jìn)行濾波，保證充電電壓的穩(wěn)定性，最終反饋到蓄電池的充電電流，實(shí)現(xiàn)恒流升壓的充電過(guò)程。當(dāng)充電到一定程度后，蓄電池兩端電壓接近于參考電壓U1，電壓調(diào)節(jié)器不飽和，輸出電壓U2開(kāi)始下降，上述各變量的關(guān)系仍然存在，蓄電池充電電流IF開(kāi)始逐漸減小，而充電電壓VF維持不變，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓降流的充電過(guò)程，直至充滿。

均充/浮充開(kāi)關(guān)N1串接R4，整體與電阻R5并聯(lián)。二極管D1和二極管D2的正極分別連接高集成芯片IC1的14腳、11腳，另一端連接到驅(qū)動(dòng)芯片IC2的14腳。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)N1為均充/浮充擋位切換開(kāi)關(guān)，當(dāng)蓄電池久置未用或者深度放電時(shí)，蓄電池內(nèi)阻增大，有效能量減少，此時(shí)需撥到均充擋（均充/浮充開(kāi)關(guān)N1閉合，電阻R4接入），以較高電壓來(lái)激活蓄電池的極板，充電過(guò)程中充電電壓VF、充電電流IF大小的調(diào)整與上述完全一致，其他情況時(shí)以浮充狀態(tài)為蓄電池充電即可。

2.4 驅(qū)動(dòng)芯片IC2模塊

驅(qū)動(dòng)芯片IC2電路圖如圖5所示。第二直流電壓V2接入到驅(qū)動(dòng)芯片IC2的4腳，驅(qū)動(dòng)芯片IC2的13腳、6腳連接地 GND2。電阻R8兩端連接IC2的1腳、6腳。驅(qū)動(dòng)芯片IC2的4腳連接電解電容C4的正極和穩(wěn)壓二極管 VW1的負(fù)極，驅(qū)動(dòng)芯片IC2的6腳連接電阻R9的一端，以及電解電容C5的負(fù)極。電解電容C4的負(fù)極、VW1的正極、電阻R9的另一端及電解電容C5的正極都連接高頻通斷器件IGBT的發(fā)射極E極。電阻Rg的一端連接驅(qū)動(dòng)芯片IC2的5腳，另一端連接IGBT的柵極G極。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)一種起重電磁鐵配套蓄電池專(zhuān)用充電機(jī)，以高頻通斷器件IGBT為核心開(kāi)關(guān)器件，采用電壓、電流雙閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，具備均充/浮充擋位轉(zhuǎn)換功能，可實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的電流、電壓值，實(shí)現(xiàn)恒壓限流的充電方式，最大程度延長(zhǎng)蓄電池使用壽命；同時(shí)，可根據(jù)不同蓄電池的規(guī)格來(lái)調(diào)節(jié)充電參數(shù)，具有良好的適應(yīng)性，可應(yīng)用于各種現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 童正柱.集裝箱裝卸橋全數(shù)字控制系統(tǒng)的研究[D].上海：上海海運(yùn)學(xué)院，2000.

[2] 趙晗彤，張建成.基于飛輪儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].電測(cè)與儀表，2017（4）：34-38.

[3] 周定武，李霞輝，朱先明.蓄電池充電保電安全裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2017（3）：75-77，80.