CN110125523B - 一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及钢轨闪光焊领域，具体的说，是一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其包括焊机、焊机辅助设备和供电装置，所述供电装置包括电池组供电部分和超级电容组供电部分，电池组供电部分对焊机辅助设备和超级电容组供电部分供电；超级电容组供电部分对焊机进行供电。焊接前准备时，电池组供电部分为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件，并且电池组供电部分为超级电容组供电部分充电；当要焊接时，超级电容组供电部分给焊机供电。电池组和超级电容组配合，可在负荷波动较大的情况下，显著降低电池组高强度供电的概率，并且可提高电源的能量密度，同时满足尖峰电流的需求。
Description
技术领域
本申请涉及钢轨闪光焊领域，具体的说，是一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机。
背景技术
现有移动式钢轨闪光焊机是由焊接机头、吊架、液压泵站、集装箱、液压支腿和柴油发电机等几大部分组成，各系统之间通过控制电缆、冷却水管及液压油管连接成一个有机的整体，广泛用于钢轨焊接现场的大型机器。如图3所示，现有移动式闪光焊机多采用柴油发电机组给闪光焊机主回路供电。
在目前移动式交流钢轨闪光焊系统中，多采用柴油发电机组作为焊机的供电电源，这种供电方式具有环境适应性好、供电连续等优点。但是因为脉动闪光焊系统采用的是两相电源，导致柴油发电机组工作在三相负载不平衡的工况下，尤其是在焊轨车进行焊接作业时柴油发电机组超负荷运行，排放黑烟、积碳现象严重，噪声增加，污染环境严重。
高原地区的气压低，空气稀薄，含氧的风量更少，受高原特殊环境条件的影响，柴油发电机组原动机功率下降，油耗增加，热负荷上升，对机组功率及主要电气参数产生较大影响，即使是强化增压型机组，由于原动机受高原条件影响的实质并未改变，只是性能下降幅度有所减小，问题依然存在。机组油耗率、热负荷升高和可靠性的下降给闪光焊机在高原进行焊接作业造成巨大的困难。
发明内容
为解决上述问题，本申请的目的是提供一种通过供电装置的设计，解决钢轨闪光焊轨车进行焊接作业是柴油发电机组超负荷运行，排放黑烟，积碳严重现象的大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机。
为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：
一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：包括焊机、焊机辅助设备和供电装置，所述供电装置包括电池组供电部分和超级电容组供电部分，电池组供电部分对焊机辅助设备和超级电容组供电部分供电；超级电容组供电部分对焊机进行供电。
焊接前准备时，电池组供电部分为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件，并且电池组供电部分为超级电容组供电部分充电；当要焊接时，超级电容组供电部分给焊机供电。
电池组供电部分包括充电装置和电池组，所述充电装置为电池组充电，所述电池组作为输入端分别与逆变器和辅助逆变器相连。这里提到的充电装置为本申请技术人员熟知的，可用于电池组充电的充电装置。
电池组为磷酸铁锂电池组。
超级电容组供电部分包括超级电容组，提供直流电的超级电容组与DC-DC转换器相连后，作为输入端分别与逆变器和辅助逆变器相连。
焊接前准备时，辅助逆变器从电池组取电，为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件。
焊接前准备时，电池组通过DC-DC转换器为超级电容组充电。
当要焊接时，超级电容组通过DC-DC转换器、逆变器和第二LCL滤波电路实现对焊机供电。
辅助逆变器与第一LCL滤波电路相连后，为焊接辅助设备供电。
逆变器与第二LCL滤波电路相连后，为焊机提供三相交流电。
逆变器为500KW逆变器。
辅助逆变器为50KW辅助逆变器。
超级电容组包括有与辅助逆变器单独放置的超级电容以及与逆变器单独放置的超级电容；电池组包括有开关柜和充电柜，以上结构均单独放置在驾驶室外的焊机旁。
一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊工艺，使用连续闪光焊工艺与脉冲闪光焊工艺相结合的方式进行，具有焊接电流相对较小，焊接变压器的负载较小，焊接时间较长，损耗低，加热均匀等特点。焊接阶段包括：闪光阶段、顶锻阶段和保压推瘤阶段；
闪光阶段，焊件断面快速熔化形成液桥爆破，加热接头；
顶锻阶段，焊缝处过量的金属被挤出，热影响区发生塑性变形；
保压推瘤阶段，被挤出的液态金属凝固成为焊瘤，使用推瘤刀将其推掉；
所述闪光阶段分为：预闪阶段、高压闪光及低压闪光阶段和加速闪光阶段；
所述加速闪光阶段的最长短路持续时间为0.1s-0.3s；
所述闪光阶段的短路电流为530A-650A；
所述预闪阶段和高压闪光及低压闪光阶段的高压阶段电压降到350-370V；高压短路电流为600A-700A，持续短路时间为0.1s-0.3s；高压阶段短路加热需要的功率输出约为364-448kVA。
新型焊接工艺采取的措施是降低闪光焊接过程中的短路电流和增加后退速度，从而降低短路持续时间，并降低高压阶段的焊接电压,低压阶段最长短路持续时间约为0.3s,短路电流约为600A,高压阶段电压降到350-370 V,高压短路电流约为700 A,且大部分持续时间远小于0.3s,因此,高压阶段短路加热需要的功率输出约为364-448 kVA,且焊接短路持续的时间明显缩短，降低对供电装置的冲击载荷，在原有焊接时间的基础上，将总体焊接时间增加10-20s以保证接头热输入量，有效保证焊接质量。
本申请的工作原理为：
辅助逆变器直接从电池组取电，主要用于持续为驱动系统和辅助设备供电。逆变器用于焊机系统的直流/交流变换，利用电池组作为主电源持续供电，利用超级电容组满足加速、启动等高强度电流要求，电池组和超级电容组配合，可在负荷波动较大的情况下，显著降低电池组高强度供电的概率，并且可提高电源的能量密度，同时满足尖峰电流的需求。
具体而言，提供直流电的超级电容组连接DC-DC转换器与磷酸铁锂电池组作为输入端连接50KW辅助逆变器和第一LCL滤波电路后为焊机辅助设备供电。超级电容组和磷酸铁锂电池组共同连接500KW逆变器后再连接第二LCL滤波电路，给焊机提供三相交流电。其中充电装置用于为磷酸铁锂电池组充电。
本申请的优点在于：
在目前移动式交流钢轨闪光焊系统中，多采用柴油发电机组作为焊机系统的供电电源，这种供电方式具有环境适应性好、供电连续等优点。但是因为脉动闪光焊系统采用的是两相电源，这就导致了柴油发电机组工作在三相负载不平衡的工况下，尤其是在焊轨车进行焊接作业时柴油发电机组超负荷运行，排放黑烟、积碳现象严重，污染和噪声增加，背离了节约资源、保护环境的我国的基本国策。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，为开展本领域的节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型和促进可持续发展的道路，提交本方案，旨在引入新的技术模式以到达节能降耗和绿色生产的目的。供电装置中的超级电容与传统二次电池相比，具有功率密度大，可瞬间释放大功率，并且超级电容能量密度较低。供电装置中的磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，一个主要用途是用作动力电池，相比较镍氢电池和镍铬电池有很大优势。磷酸铁锂电池晶体中的化学键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也拥有良好的安全性；磷酸铁锂电池具有大电流，可达2C，充放电能力，比普通电池更大的容量，无记忆效应、无污染，重量轻等诸多特点。
附图说明
图1是本申请整体连接示意图。
图2是本申请部分布局示意图。
图3为现有结构的示意图。
附图中：1-电池组，2-辅助逆变器，3-第一LCL滤波电路，4-焊机辅助设备，5-超级电容组，6-DC-DC转换器，7-逆变器，8-第二LCL滤波电路，9-焊机，10-充电装置，11-开关柜，12-充电柜，13-超级电容，14-驾驶室。
具体实施方式
实施例1
一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机包括焊机9、焊机辅助设备4和供电装置，所述供电装置包括电池组供电部分和超级电容组供电部分，所述，电池组1供电部分对焊机辅助设备4超级电容组5供电部分供电；超级电容组5供电部分对焊机9进行供电。
焊接前准备时，电池组1供电部分为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件，并且电池组1供电部分为超级电容组5供电部分充电；当要焊接时，超级电容组5供电部分给焊机9供电。
电池组供电部分包括充电装置10和电池组1，所述充电装置10为电池组1充电，所述电池组1作为输入端分别与逆变器7和辅助逆变器2相连。这里提到的充电装置10为本申请技术人员熟知的，可用于电池组1充电的充电装置10。
电池组1为磷酸铁锂电池组。超级电容组供电部分包括超级电容组5，提供直流电的超级电容组5与DC-DC转换器6相连后，作为输入端分别与逆变器7和辅助逆变器2相连。辅助逆变器2与第一LCL滤波电路3相连后，为焊接辅助设备供电。逆变器7与第二LCL滤波电路8相连后，为焊机9提供三相交流电。逆变器7为500KW逆变器。辅助逆变器2为50KW辅助逆变器。超级电容组5包括有与辅助逆变器2单独放置的超级电容13以及与逆变器7单独放置的超级电容13；电池组1包括有开关柜11和充电柜12，以上结构均单独放置在驾驶室14外的焊机9旁。本申请没有对位置进行限定的结构，本领域技术人员可按照实际情况对其位置进行调整和布置。
焊接前准备时，辅助逆变器2从电池组1取电，为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件。
焊接前准备时，电池组1通过DC-DC转换器6为超级电容组5充电。
当要焊接时，超级电容组5通过DC-DC转换器6、逆变器7和第二LCL滤波电路8实现对焊机9供电。
在目前移动式交流钢轨闪光焊系统中，多采用柴油发电机组作为焊机9系统的供电电源，没有采用逆变装置。本申请采用由储能装置和由电力电子组成的逆变装置构成蓄电池供电系统替代柴油发电机，储能装置主要实现能量的存储和释放，本供电系统采用磷酸铁锂电池和超级电容13相结合。逆变装置主要将储能装置存储的直流电转换成移动式闪光焊机9所需要的单相交流电及辅助设备需要的三相电。
辅助逆变器2直接从电池组1取电，主要用于持续为驱动系统和辅助设备供电。逆变器7用于焊机9系统的直流/交流变换，利用电池组1作为主电源持续供电，利用超级电容组5满足加速、启动等高强度电流要求，电池组1和超级电容组5配合，可在负荷波动较大的情况下，显著降低电池组1高强度供电的概率，并且可提高电源的能量密度，同时满足尖峰电流的需求。
具体而言，提供直流电的超级电容组5连接DC-DC转换器6与磷酸铁锂电池组作为输入端连接50KW辅助逆变器和第一LCL滤波电路3后为焊机辅助设备4供电。超级电容组5和磷酸铁锂电池组共同连接500KW逆变器后再连接第二LCL滤波电路8，给焊机9提供三相交流电。其中充电装置10用于为磷酸铁锂电池组充电。
在目前移动式交流钢轨闪光焊系统中，多采用柴油发电机组作为焊机9系统的供电电源，这种供电方式具有环境适应性好、供电连续等优点。但是因为脉动闪光焊系统采用的是两相电源，这就导致了柴油发电机组工作在三相负载不平衡的工况下，尤其是在焊轨车进行焊接作业时柴油发电机组超负荷运行，排放黑烟、积碳现象严重，污染和噪声增加，背离了节约资源、保护环境的我国的基本国策。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，为开展本领域的节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型和促进可持续发展的道路，提交本方案，旨在引入新的技术模式以到达节能降耗和绿色生产的目的。
供电装置中的超级电容13与传统二次电池相比，具有功率密度大，可瞬间释放大功率，并且超级电容13能量密度较低。供电装置中的磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，一个主要用途是用作动力电池，相比较镍氢电池和镍铬电池有很大优势。磷酸铁锂电池晶体中的化学键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也拥有良好的安全性；磷酸铁锂电池具有大电流，可达2C，充放电能力，比普通电池更大的容量，无记忆效应、无污染，重量轻等诸多特点。
实施例2
在实施例1的基础上，本申请采用由储能装置和由电力电子组成的逆变装置构成蓄电池供电系统替代柴油发电机，储能装置主要实现能量的存储和释放，本供电系统采用磷酸铁锂电池和超级电容13相结合。逆变装置主要将储能装置存储的直流电转换成移动式闪光焊机9所需要的单相交流电及辅助设备需要的三相电，该焊机9供电系统供电主要分两部分供电，一部分给闪光焊机9供电，另外一部分给液压系统和辅助系统供电，系统原理图如图1所示。
按图2要求，按设备布局图将设备排布好，将磷酸铁锂电池组开关柜11和磷酸铁锂电池组充电柜12安装在前端两侧，超级电容13及50KW辅助逆变器和超级电容13及500KW逆变器安装在后端两侧，并将充电柜12连接焊机9的辅助装置，连接焊机9。
超级电容组5可为100只容量为165F的超级电容13通过串并联组成，也可按照实际需求进行数量调整。电池组1为磷酸铁锂电池单体通过串并联组成额定功率为86kW•h的磷酸铁锂电池组，也可按照实际需求进行选择。
实施例3
在实施例1和2的基础上，在原有配合柴油发电机组的钢轨闪光焊焊接工艺对焊接工艺进行创新。
利用本申请的闪光焊机，实现一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊工艺，使用连续闪光焊工艺与脉冲闪光焊工艺相结合的方式进行，具有焊接电流相对较小，焊接变压器的负载较小，焊接时间较长，损耗低，加热均匀等特点。焊接阶段包括：闪光阶段、顶锻阶段和保压推瘤阶段；
闪光阶段，焊件断面快速熔化形成液桥爆破，加热接头；
顶锻阶段，焊缝处过量的金属被挤出，热影响区发生塑性变形；
保压推瘤阶段，被挤出的液态金属凝固成为焊瘤，使用推瘤刀将其推掉；
所述闪光阶段分为：预闪阶段、高压闪光及低压闪光阶段和加速闪光阶段；
所述加速闪光阶段的最长短路持续时间为0.1s-0.3s；
所述闪光阶段的短路电流为530A-650A；
所述预闪阶段和高压闪光及低压闪光阶段的高压阶段电压降到350-370V；高压短路电流为600A-700A，持续短路时间为0.1s-0.3s；高压阶段短路加热需要的功率输出约为364-448kVA。
新型焊接工艺采取的措施是降低闪光焊接过程中的短路电流和增加后退速度，从而降低短路持续时间，并降低高压阶段的焊接电压,低压阶段最长短路持续时间约为0.3s,短路电流约为600A,高压阶段电压降到350-370 V,高压短路电流约为700 A,且大部分持续时间远小于0.3s,因此,高压阶段短路加热需要的功率输出约为364-448 kVA,且焊接短路持续的时间明显缩短，降低对供电装置的冲击载荷，在原有焊接时间的基础上，将总体焊接时间增加10-20s以保证接头热输入量，有效保证焊接质量。
实施例4
在实施例1、2和3的基础上，本申请进一步可实现：
所述加速闪光阶段的最长短路持续时间小于为0.3s；
所述闪光阶段的短路电流小于600A；
所述预闪阶段和高压闪光及低压闪光阶段的高压阶段电压降到350-370V；高压短路电流小于为700A，持续短路时间小于0.3s；高压阶段短路加热需要的功率输出约为364-448kVA。
Claims (7)
1.一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：包括焊机（9）、焊机辅助设备（4）和供电装置，所述供电装置包括电池组供电部分和超级电容组供电部分，电池组供电部分对焊机辅助设备（4）和超级电容组供电部分供电；超级电容组供电部分对焊机（9）进行供电；
焊接前准备时，电池组供电部分为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件，并且电池组供电部分为超级电容组供电部分充电；当要焊接时，超级电容组供电部分给焊机（9）供电；
电池组供电部分包括充电装置（10）和电池组（1），所述充电装置（10）为电池组（1）充电，所述电池组（1）作为输入端分别与逆变器（7）和辅助逆变器（2）相连；
超级电容组供电部分包括超级电容组（5），提供直流电的超级电容组（5）与DC-DC转换器（6）相连后，作为输入端分别与逆变器（7）和辅助逆变器（2）相连；
焊接前准备时，辅助逆变器（2）从电池组（1）取电，为辅助系统持续供电以满足焊接前准备条件；焊接前准备时，电池组（1）通过DC-DC转换器（6）为超级电容组（5）充电；当要焊接时，超级电容组（5）通过DC-DC转换器（6）、逆变器（7）和第二LCL滤波电路（8）实现对焊机（9）供电。
2.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：电池组（1）为磷酸铁锂电池组（1）。
3.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：辅助逆变器（2）与第一LCL滤波电路（3）相连后，为焊接辅助设备供电。
4.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：逆变器（7）与第二LCL滤波电路（8）相连后，为焊机（9）提供三相交流电。
5.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：逆变器（7）为500KW逆变器。
6.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：辅助逆变器（2）为50KW辅助逆变器。
7.根据权利要求1所述的一种大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，其特征在于：基于大功率储能供电装置驱动的移动式钢轨闪光焊机，可实现如下焊接工艺：将连续闪光焊工艺与脉冲闪光焊工艺相结合的方式进行，焊接阶段包括：闪光阶段、顶锻阶段和保压推瘤阶段；
闪光阶段，焊件断面快速熔化形成液桥爆破，加热接头；
顶锻阶段，焊缝处过量的金属被挤出，热影响区发生塑性变形；
保压推瘤阶段，被挤出的液态金属凝固成为焊瘤，使用推瘤刀将其推掉；
所述闪光阶段分为：预闪阶段、高压闪光及低压闪光阶段和加速闪光阶段；
所述加速闪光阶段的最长短路持续时间为0.1-0.3s；
所述闪光阶段的短路电流为530A-650A；
所述预闪阶段和高压闪光及低压闪光阶段的高压阶段电压降到350-370V；高压短路电流为600A-700A，持续短路时间为0.1-0.3s；高压阶段短路加热需要的功率输出为364-448kVA。
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