起重电磁铁配套蓄电池专用充电机的设计

唐奇

摘要：针对现有蓄电池充电系统技术“瓶颈”问题，设计一种起重电磁铁配套蓄电池专用充电机。介绍该设备的整体结构与工作原理，阐述其主要功能模块的电路设计方案。该设备电路结构简单、元器件数量少、可靠性高、适应性强、便于维护，适宜在各种生产现场推广使用。

关键词：蓄电池；充电机；起重电磁铁；功能模块；电路设计

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）04-0024-03

近年来，我国农业机械化发展迅速，农机制造工业也随之兴盛。起重电磁铁是机械制造中的重要设备，其在炼钢厂、轧钢厂、铸造车间等领域用来装卸和搬运生铁、废钢、方坯、板材、型材等铁磁性物质。由于生产现场会有断电的突发情况，因此起重电磁铁应配置铅酸蓄电池以备应急之需。但蓄电池电量消耗很大，正常情况下需要现场对蓄电池进行充电处理。

目前在行业应用中，电磁铁蓄电池充电系统面临三大难题：一是普通充电系统只具有简单的整流和调压电路，蓄电池处于从始至终不断电的状态，即使充满电量仍无法断开充电回路，导致蓄电池过充，长时间会造成蓄电池损坏，对蓄电池危害极大；二是对于久置不用的蓄电池，常规充电模式无法使其充满；三是现有多数蓄电池所用充电机的体积与自重较大，抗干扰能力差，且所用器件较多，电路结构复杂，成本高，维护困难。为解决上述问题，沈阳隆基电磁科技股份有限公司研究设计出一种起重电磁铁配套蓄电池专用充电机，攻克了现有技术的“瓶颈”问题，取得了实质性技术突破。

1 蓄电池专用充电机结构与原理

起重电磁铁配套蓄电池专用充电机由三相交流电源、变压器、三相整流桥、电解电容、IGBT智能模块、电压处理电路、高集成CPU中央处理芯片、驱动电路、续流二极管及电阻、电容等组成（如图1所示）。整个电路按照功能可分为整流功能模块、控制电压模块、CPU中央处理模块和驱动芯片IC2模块；电路中设置两个调节器，分别调节蓄电池的电压和电流值，电流调节器与电压调节器作为内、外环，形成了电压、电流双闭环控制系统，可实现蓄电池电压与电流信号的反馈调节与检测。

2 主要功能模块设计

2.1 整流功能模块

整流电路（如图2所示）接入到控制电压模块进行降压处理，继而分为主回路整流电路与控制电压电路。主回路整流后，利用高频通断器件IGBT对蓄电池的充电进行通断控制；控制电压电路为CPU中央处理电路及驱动芯片IC2供电。主回路整流电路首先将变压器的输出端接入整流电路模块进行由交流电到直流电的转变。整流装置VC1整流输出的两端并联一个滤波电容C0，再串接一个高频通断器件 IGBT，作为主回路的控制开关（其中，高频通断器件IGBT的集电极C极接到整流输出的正极，发射极E极接到整流输出的负极，栅极G极与驱动芯片IC2的电路连接）。驱动芯片IC2由CPU中央处理电路中的高集成芯片IC1控制。而后并联续流二极管VD1，在输出端串接入电抗器TC1和电阻R，最后接到蓄电池组相应的正负极上，构成蓄电池充电回路。

2.2 控制电压模块

控制电压电路（如图3所示）分两路获得第一直流电压V1与第二直流电压V2。首先通过控制变压器T2进行降压处理，继而经过单相整流模块VC2（VC3）接入三端稳压器件 VY1（VY2），在稳压前后并接入滤波电容C6（C9）；电容C7（C10）作为频率补偿，防止自激振荡及抑制高频干扰；滤波电容C8（C11）改善稳压电源电路瞬态负载响应特性。第一直流电压V1、第二直流电压V2分别作为CPU中央处理芯片、驱动芯片IC2的控制电压。

2.3 CPU中央处理模块

CPU中央处理模块实现了恒压限流的充电方式，以及均充/浮充挡位的功能切换。CPU中央处理电路（如图4所示）主要由高集成芯片IC1电路组成，其输出直接控制驱动芯片IC2。第一直流电压V1接入到高集成芯片IC1的15脚，IC1的13脚、15脚串入限流电阻R1。电位器W1一端连接高集成芯片IC1的2脚、另一端连接地，中间滑动抽头连接到高集成芯片IC1的1脚，电阻R2两端连接高集成芯片IC1的2脚、5脚，电容C1一端连接高集成芯片IC1的2脚、另一端连接地GND1。电阻R0 两端连接高集成芯片IC1的3脚、4脚，蓄电池电流信号IF接入到高集成芯片IC1的4脚。高集成芯片IC1的12脚、16脚连接地GND1。高集成芯片IC1的8脚、9脚分别连接电阻R7、电容C3后连接地GND1。电阻R6兩端连接高集成芯片IC1的6脚、7脚，蓄电池电压信号VF连接电位器 W2、再接入到高集成芯片IC1的6脚，同时串入采样电阻R5后连接地GND1。电位器W2的中间滑动抽头连接到高集成芯片IC1的6脚，电容C2与采样电阻R5并联。

电位器W2、采样电阻R4、采样电阻R5为控制回路提供反馈电压VF，检测电阻 R0为控制回路提供反馈电流IF，其中充电电流峰值由电位器W1、电位器W2、采样电阻R5 的分压值及检测电阻R0决定。当蓄电池两端的电压低于额定值（即反馈电压VF小于参考电压U1）时，调节电位器W1使电压调节器饱和，则输出为电压U2。这时电压外环呈闭环状态，电压值的上升对充电机电路系统不产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。电压U2与反馈电流IF送入电流调节器，得到输出电压U3，输出电压U3与电阻R7、电容C3振荡产生的三角波进行比较，得到PWM脉冲信号，通过高集成芯片IC1的11脚、14脚的推挽输出控制驱动芯片IC2，再经过IC2来触发高频通断器件IGBT，利用IGBT的高频通断特性保证充电主回路瞬时开通关断，以有效保护蓄电池。电压经过电抗器TC1进行滤波，保证充电电压的稳定性，最终反馈到蓄电池的充电电流，实现恒流升压的充电过程。当充电到一定程度后，蓄电池两端电压接近于参考电压U1，电压调节器不饱和，输出电压U2开始下降，上述各变量的关系仍然存在，蓄电池充电电流IF开始逐渐减小，而充电电压VF维持不变，实现稳压降流的充电过程，直至充满。

均充/浮充开关N1串接R4，整体与电阻R5并联。二极管D1和二极管D2的正极分别连接高集成芯片IC1的14脚、11脚，另一端连接到驱动芯片IC2的14脚。拨动开关N1为均充/浮充挡位切换开关，当蓄电池久置未用或者深度放电时，蓄电池内阻增大，有效能量减少，此时需拨到均充挡（均充/浮充开关N1闭合，电阻R4接入），以较高电压来激活蓄电池的极板，充电过程中充电电压VF、充电电流IF大小的调整与上述完全一致，其他情况时以浮充状态为蓄电池充电即可。

2.4 驱动芯片IC2模块

驱动芯片IC2电路图如图5所示。第二直流电压V2接入到驱动芯片IC2的4脚，驱动芯片IC2的13脚、6脚连接地 GND2。电阻R8两端连接IC2的1脚、6脚。驱动芯片IC2的4脚连接电解电容C4的正极和稳压二极管 VW1的负极，驱动芯片IC2的6脚连接电阻R9的一端，以及电解电容C5的负极。电解电容C4的负极、VW1的正极、电阻R9的另一端及电解电容C5的正极都连接高频通断器件IGBT的发射极E极。电阻Rg的一端连接驱动芯片IC2的5脚，另一端连接IGBT的栅极G极。

3 结语

本研究设计一种起重电磁铁配套蓄电池专用充电机，以高频通断器件IGBT为核心开关器件，采用电压、电流双闭环负反馈控制系统，具备均充/浮充挡位转换功能，可实时检测蓄电池的电流、电压值，实现恒压限流的充电方式，最大程度延长蓄电池使用寿命；同时，可根据不同蓄电池的规格来调节充电参数，具有良好的适应性，可应用于各种现场。

参考文献

[1] 童正柱.集装箱装卸桥全数字控制系统的研究[D].上海：上海海运学院，2000.

[2] 赵晗彤，张建成.基于飞轮储能的独立光伏发电系统的研究[J].电测与仪表，2017（4）：34-38.

[3] 周定武，李霞辉，朱先明.蓄电池充电保电安全装置的设计[J].农业装备与车辆工程，2017（3）：75-77，80.