起重電磁鐵配套蓄電池專用充電機的設計

唐奇

摘要：針對現有蓄電池充電系統技術“瓶頸”問題，設計一種起重電磁鐵配套蓄電池專用充電機。介紹該設備的整體結構與工作原理，闡述其主要功能模塊的電路設計方案。該設備電路結構簡單、元器件數量少、可靠性高、適應性強、便于維護，適宜在各種生產現場推廣使用。

關鍵詞：蓄電池；充電機；起重電磁鐵；功能模塊；電路設計

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）04-0024-03

近年來，我國農業機械化發展迅速，農機制造工業也隨之興盛。起重電磁鐵是機械制造中的重要設備，其在煉鋼廠、軋鋼廠、鑄造車間等領域用來裝卸和搬運生鐵、廢鋼、方坯、板材、型材等鐵磁性物質。由于生產現場會有斷電的突發情況，因此起重電磁鐵應配置鉛酸蓄電池以備應急之需。但蓄電池電量消耗很大，正常情況下需要現場對蓄電池進行充電處理。

目前在行業應用中，電磁鐵蓄電池充電系統面臨三大難題：一是普通充電系統只具有簡單的整流和調壓電路，蓄電池處于從始至終不斷電的狀態，即使充滿電量仍無法斷開充電回路，導致蓄電池過充，長時間會造成蓄電池損壞，對蓄電池危害極大；二是對于久置不用的蓄電池，常規充電模式無法使其充滿；三是現有多數蓄電池所用充電機的體積與自重較大，抗干擾能力差，且所用器件較多，電路結構復雜，成本高，維護困難。為解決上述問題，沈陽隆基電磁科技股份有限公司研究設計出一種起重電磁鐵配套蓄電池專用充電機，攻克了現有技術的“瓶頸”問題，取得了實質性技術突破。

1 蓄電池專用充電機結構與原理

起重電磁鐵配套蓄電池專用充電機由三相交流電源、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、驅動電路、續流二極管及電阻、電容等組成（如圖1所示）。整個電路按照功能可分為整流功能模塊、控制電壓模塊、CPU中央處理模塊和驅動芯片IC2模塊；電路中設置兩個調節器，分別調節蓄電池的電壓和電流值，電流調節器與電壓調節器作為內、外環，形成了電壓、電流雙閉環控制系統，可實現蓄電池電壓與電流信號的反饋調節與檢測。

2 主要功能模塊設計

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對蓄電池的充電進行通斷控制；控制電壓電路為CPU中央處理電路及驅動芯片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行由交流電到直流電的轉變。整流裝置VC1整流輸出的兩端并聯一個濾波電容C0，再串接一個高頻通斷器件 IGBT，作為主回路的控制開關（其中，高頻通斷器件IGBT的集電極C極接到整流輸出的正極，發射極E極接到整流輸出的負極，柵極G極與驅動芯片IC2的電路連接）。驅動芯片IC2由CPU中央處理電路中的高集成芯片IC1控制。而后并聯續流二極管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的正負極上，構成蓄電池充電回路。

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。首先通過控制變壓器T2進行降壓處理，繼而經過單相整流模塊VC2（VC3）接入三端穩壓器件 VY1（VY2），在穩壓前后并接入濾波電容C6（C9）；電容C7（C10）作為頻率補償，防止自激振蕩及抑制高頻干擾；濾波電容C8（C11）改善穩壓電源電路瞬態負載響應特性。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、驅動芯片IC2的控制電壓。

2.3 CPU中央處理模塊

CPU中央處理模塊實現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，其輸出直接控制驅動芯片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VF連接電位器 W2、再接入到高集成芯片IC1的6腳，同時串入采樣電阻R5后連接地GND1。電位器W2的中間滑動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。

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 的分壓值及檢測電阻R0決定。當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，調節電位器W1使電壓調節器飽和，則輸出為電壓U2。這時電壓外環呈閉環狀態，電壓值的上升對充電機電路系統不產生影響，雙閉環系統變成一個電流無靜差的單閉環系統。電壓U2與反饋電流IF送入電流調節器，得到輸出電壓U3，輸出電壓U3與電阻R7、電容C3振蕩產生的三角波進行比較，得到PWM脈沖信號，通過高集成芯片IC1的11腳、14腳的推挽輸出控制驅動芯片IC2，再經過IC2來觸發高頻通斷器件IGBT，利用IGBT的高頻通斷特性保證充電主回路瞬時開通關斷，以有效保護蓄電池。電壓經過電抗器TC1進行濾波，保證充電電壓的穩定性，最終反饋到蓄電池的充電電流，實現恒流升壓的充電過程。當充電到一定程度后，蓄電池兩端電壓接近于參考電壓U1，電壓調節器不飽和，輸出電壓U2開始下降，上述各變量的關系仍然存在，蓄電池充電電流IF開始逐漸減小，而充電電壓VF維持不變，實現穩壓降流的充電過程，直至充滿。

均充/浮充開關N1串接R4，整體與電阻R5并聯。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，另一端連接到驅動芯片IC2的14腳。撥動開關N1為均充/浮充擋位切換開關，當蓄電池久置未用或者深度放電時，蓄電池內阻增大，有效能量減少，此時需撥到均充擋（均充/浮充開關N1閉合，電阻R4接入），以較高電壓來激活蓄電池的極板，充電過程中充電電壓VF、充電電流IF大小的調整與上述完全一致，其他情況時以浮充狀態為蓄電池充電即可。

2.4 驅動芯片IC2模塊

驅動芯片IC2電路圖如圖5所示。第二直流電壓V2接入到驅動芯片IC2的4腳，驅動芯片IC2的13腳、6腳連接地 GND2。電阻R8兩端連接IC2的1腳、6腳。驅動芯片IC2的4腳連接電解電容C4的正極和穩壓二極管 VW1的負極，驅動芯片IC2的6腳連接電阻R9的一端，以及電解電容C5的負極。電解電容C4的負極、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的發射極E極。電阻Rg的一端連接驅動芯片IC2的5腳，另一端連接IGBT的柵極G極。

3 結語

本研究設計一種起重電磁鐵配套蓄電池專用充電機，以高頻通斷器件IGBT為核心開關器件，采用電壓、電流雙閉環負反饋控制系統，具備均充/浮充擋位轉換功能，可實時檢測蓄電池的電流、電壓值，實現恒壓限流的充電方式，最大程度延長蓄電池使用壽命；同時，可根據不同蓄電池的規格來調節充電參數，具有良好的適應性，可應用于各種現場。

參考文獻

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