CN103434431A - 一种移动式机车牵引供电、储能电源车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动式机车牵引供电、储能电源车，包括授电器、牵引变压器、IGBT整流电路、接入切换单元、IGBT双向逆变器、系统控制器、用电变换单元、储能斩波单元，授电器一端与铁路牵引电源相连接，另一端通过接触器与牵引变压器输入侧相连接，牵引变压器输出侧与整流电路连接，接入切换单元分别与整流电路、储能斩波单元、系统控制器、AC220V用电器连接，接入切换单元的一路与双向逆变器、用电变换电源相连。优点是：多功能、机动、灵活，可提供和应对各种工作现场、灾害等电力供应而专门创新设计的车载式移动电站，也可作为应急电源使用；储能锂电池除用铁路牽引电源充电，还可使用外接AC220V电源充电。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动电源车，尤其涉及一种移动式机车牵引供电、储能电源车。
背景技术
移动电源车是为提供和应对各种工作现场、灾害、应急等电力供应而专门设计的车载式移动电站，其特点是机动、灵活。除提供移动电源外，还能随车带一定工作人员、工作设备和工具等，完成现场作业，能满足各类用户的多种作业要求。
目前移动电源车，多是采用柴油发电机供电，这是一种经济实用的方案。但是它必须携代大量柴油，在发电的同时，会产生很大的噪声和汚染。这在医院和某些军亊场合是不允许的。
当前，由于新能源和电动车的快速发展，各种储能电池相继上市，为移动电源车提供了新的发展机遇。其充电电源也多种多样，最常用的有：AC380V、AC220V和DC110V。而铁路牵引电源—单相25kV～27.5kV可沿铁路线使用，如能利用铁路牵引电源，对部队换防、拉练、野外施工都是一个新的创新应用。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种移动式机车牵引供电、储能电源车，利用铁路牵引电源供电，满足AC380V、AC220V和DC110V供电需要。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种移动式机车牵引供电、储能电源车，包括授电器、牵引变压器、IGBT整流电路、接入切换单元、IGBT双向逆变器、系统控制器、用电变换单元、储能斩波单元、储能锂电池组、电池均衡器，授电器一端与铁路牵引电源相连接，另一端通过接触器与牵引变压器输入侧相连接，牵引变压器输出侧与IGBT整流电路连接，接入切换单元分别与IGBT整流电路、储能斩波单元、系统控制器、AC220V用电器连接，接入切换单元的一路依次与IGBT双向逆变器、用电变换电源相连；用电变换单元外接220V电源、AC220V用电器、DC110V用电器、AC380V用电器；
授电器接收的25-27.5kV铁路牵引电源经牵引变压器降压，通过IGBT整流电路整流，依次经过接入切换单元、IGBT双向逆变器到用电变换单元，提供AC380V、AC220V、DC110V电源；通过IGBT整流电路整流，经接入切换单元、储能斩波单元为储能锂电池组充电；外接AC220V电源经接入切换单元的整流电路整流，储能斩波单元为储能锂电池组充电；储能后的锂电池组通过储能斩波单元、接入切换单元与双向逆变器相通，由双向逆变器与用电变换单元连接，利用锂电池组中的电能为用电器供电；
所述的系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP和Modbus现场总线分别与储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、IGBT整流电路、用电变换单元、IGBT双向逆变器相连接。
所述的接入切换单元包括开关QF1、QF2、QF3和QF4，直流降压电路、整流电路，由操作控制器控制开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭，接入切换单元内连接有直流降压电路、整流电路；
当QF1闭合，QF3、QF2和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF13、QF14连通，IGBT整流电路与IGBT双向逆变器相通；
当QF2闭合，QF1、QF3和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF31、QF32连通，IGBT整流电路经直流降压电路降压与储能斩波单元相通；
当QF4闭合，QF1、QF2和QF3打开时控制接点QF41、QF42分别与控制接点QF31、QF32连通，外接AC220V电源经整流电路整流与储能斩波单元相通，为储能锂电池组充电；
当QF3闭合，QF1、QF2和QF4打开时控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF13、QF14连通，储能斩波单元与双向逆变器相通，利用锂电池组中的电能为用电器供电；
所述的操作控制器包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口、RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量开入端与开关量开出驱动单元连接，通过RS-485接口输出指令操作开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭。
所述的IGBT双向逆变器包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的QF1闭合，经QF13、Q14接双向逆变器，接触器K合上时，此时开关管T7截止，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端A、B、C输出至用电变换单元。
所述电池温度检测单元中温度变送器Tn发出的温度信号输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯；
所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑依次连接组成，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。
所述的用电变换单元包括开关ACK2、ACK3、ACK4、ACK5，操作控制器、整流电路以及变压器TR2，由操作控制器控制开关ACK2、ACK3、ACK4和ACK5的开闭；当ACK2关闭，且ACK3、ACK4和ACK5打开时，提供AC380V电源；当ACK2和ACK5关闭、ACK3和ACK4打开时，电流依次经变压器TR2变压，整流电路整流，控制接点QF51、QF52提供DC110V电源；当ACK2和ACK4关闭、ACK3和ACK5打开时，电流经变压器TR2变压，控制接点QF41、QF42提供AC220V电源；当ACK3关闭，且ACK2、ACK4和ACK5打开时，由外接电源给控制接点QF41、QF42提供AC220V电源。
所述的牵引变压器通过接地线与铁轨连接，进而接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明由汽车牵引的移动式电源车，它和用电拖车一起安放在电气化机车的火车厢上，通过弹性授电器接取铁路牵引25-27.5kV单相电源，经过变压、整流、逆变成3相交流380V和交流220V及直流110V电源。如部队行军雷达、通讯、做饭、取暖等车载移动用电，避免使用柴油发电机发电时的噪声和烟气暴露目标，又不用携带大量柴油；在无铁路牵引电源情况下，可采用储能逆变电源供电；本移动电源车可提供和应对各种工作现场、灾害等电力供应而专门创新设计的车载式移动电站，也可作为应急电源（EPS）使用，移动电源车（汽车托动）可载人、设备和工具等；移动电源车中的储能锂电池除用铁路牽引电源充电，还可使用外接AC220V电源充电；其特点是多功能、机动、灵活。
附图说明
图1是移动式机车牵引供电、储能电源车结构示意图。
图2是移动式机车牵引供电、储能电源车的原理图。
图3是图2中系统控制器原理图。
图4是图2中接入切换单元原理图。
图5是图4中操作控制器原理图。
图6是图2中双向逆变器原理图。
图7是图2中储能斩波单元原理图。
图8是图2中电池均衡器原理图。
图9是储能锂电池1-8测温接线图。
图10是储能锂电池9-16测温接线图。
图11是图8中网络数据采集器原理图。
图12是图2中用电变换单元原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
见图2，移动式机车牵引供电、储能电源车，包括授电器3、牵引变压器、IGBT整流电路、接入切换单元、IGBT双向逆变器、系统控制器、用电变换单元、储能斩波单元、储能锂电池组、电池均衡器，授电器3一端与铁路牵引电源相连接，另一端通过接触器与牵引变压器输入侧相连接，牵引变压器输出侧与IGBT整流电路连接，接入切换单元分别与IGBT整流电路、储能斩波单元、系统控制器、AC220V用电器连接，接入切换单元的一路依次与IGBT双向逆变器、用电变换电源相连；用电变换单元外接220V电源、AC220V用电器、DC110V用电器、AC380V用电器；授电器接收的25-27.5kV铁路牵引电源经牵引变压器降压，通过IGBT整流电路整流，依次经过接入切换单元、IGBT双向逆变器到用电变换单元，提供AC380V、AC220V、DC110V电源；通过IGBT整流电路整流，经接入切换单元、储能斩波单元为储能锂电池组充电；外接AC220V电源经接入切换单元的整流电路整流，储能斩波单元为储能锂电池组充电；储能后的锂电池组通过储能斩波单元、接入切换单元与双向逆变器相通，由双向逆变器与用电变换单元连接，利用锂电池组中的电能为用电器供电。
见图3，所述的系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP和Modbus现场总线分别与储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、IGBT整流电路、用电变换单元、IGBT双向逆变器相连接。
见图1，授电器3安装在移动式机车牵引供电、储能电源车2顶部，与铁路单相供电线1抵靠，电源车2通过车辆连接器4与用电车6相连接，电源车2与用电车6的电气设备和元件通过输电缆5连接，电源车2与用电车6放置在车厢7内，牵引变压器通过接地线与火车车轮连接，并通过铁轨8接地。
见图4、图5，接入切换单元由操作控制器控制开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭，接入切换单元内连接有直流降压电路、整流电路；
当QF1闭合，QF3、QF2和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF13、QF14连通，IGBT整流电路与IGBT双向逆变器相通；
当QF2闭合，QF1、QF3和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF31、QF32连通，IGBT整流电路经直流降压电路降压与储能斩波单元相通，将电能存储在锂电池组中，并通过电池均衡器控制储能过程；
当QF4闭合，QF1、QF2和QF3打开时控制接点QF41、QF42分别与控制接点QF31、QF32连通，外接AC220V电源经整流电路整流与储能斩波单元相通，为储能锂电池组充电；
当QF3闭合，QF1、QF2和QF4打开时控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF13、QF14连通，储能斩波单元与双向逆变器相通，利用锂电池组中的电能为用电器供电；
所述的操作控制器包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口、RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量开入端与开关量开出驱动单元连接，通过RS-485接口输出指令操作开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭。
见图6，所述的IGBT双向逆变器包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的QF1闭合，经QF13、Q14接双向逆变器，接触器K合上时，此时开关管T7截止，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端A、B、C输出至用电变换单元。
见图7，储能斩波单元的功能是将由接入切换单元的控制接点QF31、QF32输出的直流信号变成方波，对电池组充电，开关管T8、T9，电容C4、C5及电感L4构成典型的斩波电路，储能斩波单元控制器结构与图5中的操作控制器相同均为嵌入式微电脑结构，同时具有联网功能以及开关量和模拟量输入输出功能。
见图9、图10，电池温度检测单元中温度变送器Tn发出的温度信号输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯；
电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。电池1～8为储能锂电池，T1～T8为DS18B20一线总线数字式温度变送器，能实现8个储能锂电池的温度自动检测，避免电池的不正常温升，Vd为供电电源，CD1接系统电脑上的I/O口，地为接供电电源接地，见图9。
电池9～16为储能锂电池，T9～T16为DS18B20一线总线数字式温度变送器，Vd为供电电源，CD2接系统电脑的I/O口，地为接供电电源地，见图10。
见图11，网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑依次连接组成，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。
信号接入单元中IN11、IN21和IN31为第1路信号输入端，同理，IN18、IN28和IN38为第8路信号输入端。QH为信号接入单元选通信号，低电平为选通状态，D2、D1和D0为输入端选控信号，输入信号为分时按顺序接入。信号选通接入后都由A1、A2、和A3输出给信号变换单元。
信号变换单元是将来自信号接入单元的各种信号转换成标准电压信号。信号变换单元接收信号接入单元输出端A1、A2、和A3端信号，通过信号变换单元的调理转换成规定的输出端B1、B2和B3的输出信号。Vout是外加基准电压，D2、D1及D0是来自系统的嵌入式微电脑的选控信号，以控制输入信号的转换。
隔离放大单元是实现将调理单元与放大电路的可靠隔离，以控制增益放大电路与前端干扰。同时根据信号的大小，自动选定其放大电路的增益，即选择量程，称之为可编程增益隔离放大。
见图12，用电变换单元包括开关ACK2、ACK3、ACK4、ACK5，整流电路以及变压器TR2，由操作控制器控制开关ACK2、ACK3、ACK4和ACK5的开闭；当ACK2关闭，且ACK3、ACK4和ACK5打开时，提供AC380V电源；当ACK2和ACK5关闭、ACK3和ACK4打开时，电流依次经变压器TR2变压，整流电路整流，控制接点QF51、QF52提供DC110V电源，用于变电站直流操作应急电源；当ACK2和ACK4关闭、ACK3和ACK5打开时，电流经变压器TR2变压，控制接点QF41、QF42提供AC220V电源，方便野外生活、照明等用电；当ACK3关闭，且ACK2、ACK4和ACK5打开时，由外接电源给控制接点QF41、QF42提供AC220V电源，主要用于方便外接AC220V电源的情况。操作控制器结构与接入切换单元的操作控制器相同，由系统控制器控制。
使用时，将电源车2和它所牵引的用电车6安放在货车底盘上，用弹性授电器3接取铁路牵引25-27.5kV单相电源。在机车运行或停泊时，均可通过电源变换器用电，且可同时为移动电源车2内的储能电池充电储能。当机车停泊在铁道叉上供电，也可将移动电源车2开离机车牵引货车，到其它用电场所，采用储能逆变电源供电。
本发明由汽车牵引的移动式电源车，它和用电车一起安放在电气化机车的火车车厢上，通过弹性授电器接取铁路牵引25-27.5kV单相电源，经过变压、整流、逆变成相交流380V和交流220V及直流110V电源。可在机车行进中，通过用电拖车进行用电。如部队行军雷达、通讯、做饭等车载移动用电，避免使用柴油发电机发电时的噪声和烟气暴露目标，又不用携带大量柴油。
在铁路机车停运时，可将此节货载箱停泊在某道叉上，电源车仍可工作；
在铁路机车停运时，可将移动电源车开离机车牵引货车，到其它用电场所，采用储能逆变电源供电；
本移动电源车，可用于部队在机车上行军实时供电，也可沿铁路线停车供电，也可开离机车牵引货车，到其它用电场所，采用储能逆变电源供电；本移动电源车可提供和应对各种工作现场、灾害等电力供应而专门创新设计的车载式移动电站，其特点是多功能、机动、灵活。
Claims (6)
1.一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，包括授电器、牵引变压器、IGBT整流电路、接入切换单元、IGBT双向逆变器、系统控制器、用电变换单元、储能斩波单元、储能锂电池组、电池均衡器，授电器一端与铁路牵引电源相连接，另一端通过接触器与牵引变压器输入侧相连接，牵引变压器输出侧与IGBT整流电路连接，接入切换单元分别与IGBT整流电路、储能斩波单元、系统控制器、AC220V用电器连接，接入切换单元的一路依次与IGBT双向逆变器、用电变换电源相连；用电变换单元外接220V电源、AC220V用电器、DC110V用电器、AC380V用电器；
授电器接收的25-27.5kV铁路牵引电源经牵引变压器降压，通过IGBT整流电路整流，依次经过接入切换单元、IGBT双向逆变器到用电变换单元，提供AC380V、AC220V、DC110V电源；通过IGBT整流电路整流，经接入切换单元、储能斩波单元为储能锂电池组充电；外接AC220V电源经接入切换单元的整流电路整流，储能斩波单元为储能锂电池组充电；储能后的锂电池组通过储能斩波单元、接入切换单元与双向逆变器相通，由双向逆变器与用电变换单元连接，利用锂电池组中的电能为用电器供电；
所述的系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP和Modbus现场总线分别与储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、IGBT整流电路、用电变换单元、IGBT双向逆变器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，所述的接入切换单元包括开关QF1、QF2、QF3和QF4，直流降压电路、整流电路，由操作控制器控制开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭，接入切换单元内连接有直流降压电路、整流电路；
当QF1闭合，QF3、QF2和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF13、QF14连通，IGBT整流电路与IGBT双向逆变器相通；
当QF2闭合，QF1、QF3和QF4打开时控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF31、QF32连通，IGBT整流电路经直流降压电路降压与储能斩波单元相通；
当QF4闭合，QF1、QF2和QF3打开时控制接点QF41、QF42分别与控制接点QF31、QF32连通，外接AC220V电源经整流电路整流与储能斩波单元相通，为储能锂电池组充电；
当QF3闭合，QF1、QF2和QF4打开时控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF13、QF14连通，储能斩波单元与双向逆变器相通，利用锂电池组中的电能为用电器供电；
所述的操作控制器包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口、RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量开入端与开关量开出驱动单元连接，通过RS-485接口输出指令操作开关QF1、QF2、QF3和QF4的开闭。
3.根据权利要求1所述的一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，所述的IGBT双向逆变器包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的QF1闭合，经QF13、Q14接双向逆变器，接触器K合上时，此时开关管T7截止，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端A、B、C输出至用电变换单元。
4.根据权利要求1所述的一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，所述电池温度检测单元中温度变送器Tn发出的温度信号输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯；
所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑依次连接组成，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。
5.根据权利要求1所述的一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，所述的用电变换单元包括开关ACK2、ACK3、ACK4、ACK5，操作控制器、整流电路以及变压器TR2，由操作控制器控制开关ACK2、ACK3、ACK4和ACK5的开闭；当ACK2关闭，且ACK3、ACK4和ACK5打开时，提供AC380V电源；当ACK2和ACK5关闭、ACK3和ACK4打开时，电流依次经变压器TR2变压，整流电路整流，控制接点QF51、QF52提供DC110V电源；当ACK2和ACK4关闭、ACK3和ACK5打开时，电流经变压器TR2变压，控制接点QF41、QF42提供AC220V电源；当ACK3关闭，且ACK2、ACK4和ACK5打开时，由外接电源给控制接点QF41、QF42提供AC220V电源。
6.根据权利要求1所述的一种移动式机车牵引供电、储能电源车，其特征在于，所述的牵引变压器通过接地线与铁轨连接，进而接地。
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