CN111490548A - 一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，包括与高压输电网连接的主变压器，主变压器的低压侧连接有补偿式稳压辅助供电设备，补偿式稳压辅助供电设备包括补偿变压器，补偿变压器的副边绕组串联接于主变压器的输出绕组，补偿变压器的原边绕组两端通过4个电子开关并联于主变压器的输出绕组上；检测与控制模块的输入端与主变压器的输出端连接，检测与控制模块的输出端连接电子开关，控制电子开关开通和关闭。在不更换分区所现有电力变压器的条件下，利用小功率变压器接入其输出端，通过检测输出端电压，利用电子开关接入补偿电压，实现输出电压在一定范围内稳定，满足设备的用电需求。

Description

一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备及方法
技术领域
本发明属于铁路牵引供电系统辅助供电设备技术领域，涉及一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，还涉及应用该设备的补偿式稳压方法。
背景技术
目前，我国铁路机车采用分段式供电，即每隔三、四十公里设置一个变电站，变电站向两侧供电，供电线称之为供电臂。为确保供电的安全可靠，在来自不同变压器的两个相邻供电供电臂之间设置分区所，在某一供电臂发生故障时，可通过分区所开关设备由无故障侧向有故障侧供电，确保故障侧供电臂下的机车继续运行，从而减少停车，保证铁路列车的安全正点。
近年来无功补偿、谐波治理、电能调度、自动过分相、再生能量利用等装置投入使用，随之而来的是这些设备的辅助供电问题愈发凸显，目前铁路牵引变电所和分区所的辅助供电来自自用变压器。自用变压器供电来自三相10kV贯通线或单相27.5kV接触网。贯通线为供电区间内铁路沿线车站、通讯、信号等设备提供电力供应，一般不允许接入大容量设备，只能作为重点设备临时供电电源。所以接触网27.5kV就成了附加设备供电的首选电源。
分区所处在供电臂的最末端，受线路负荷的影响电压波动范围较大。国标规定牵引变压器的额定输出为27.5kV，接触网的标称电压为25kV，允许波动范围为19～29kV，波动幅度达-24％～+16％，而一般工业与民用供电的电压允许偏差为±5％。所以一般依据工业与民用供电标准设计的电气设备不能适应铁路牵引网供电条件：电压过低可能造成设备停机，电压过高可能造成设备损坏，丧失功能。这些都会直接或间接的经济损失，或者对铁路运输安全造成危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备及方法，通过补偿变压器对输出电压进行正向补偿或反向补偿，使供电电压达到合适的电压范围内，为用电设备提供相对稳定的电源供应，确保设备的稳定可靠运行。
本发明所采用的技术方案是，一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，包括与高压输电网连接的主变压器，主变压器的低压侧连接有补偿式稳压辅助供电设备，补偿式稳压辅助供电设备包括补偿变压器，补偿变压器的副边绕组串联接于主变压器的输出绕组，补偿变压器的原边绕组两端通过4个电子开关并联于主变压器的输出绕组；检测与控制模块的输入端与主变压器的输出端连接，检测与控制模块的输出端连接电子开关，控制电子开关开通和关闭。
4个电子开关为S1、S2、S3、S4，4个电子开关呈H桥型连接，H桥上、下端分别接主变压器的两输出端；S1和S2的公共端、S3和S4的公共端分别连接补偿变压器的输入端，通过开关组合可以改变补偿变压器3接入方向。
补偿变压器接入方向改变的具体方式为：当检测到输入电压过低时，S1、S2闭合，S3、S4打开，补偿变压器正向接入，输出正极性补偿电压，总输出电压升高；当检测到输入电压过高时，S1、S2打开，S3、S4闭合，补偿变压器反向接入，输出负极性补偿电压，总输出电压降低。
电子开关内部原理为：Q1与Q2在电路中反并联，即Q1的阴极与Q2的阳极连接，Q1的阳极与Q2的阴极连接，组成电子开关的主体；D2、R3、OPT的接收端、R1串联接于电子开关的两端，构成Q1的触发电路；D1、OPT的接收端、R3、R2串联接于电子开关的两端，构成Q2的触发电路；R0、OPT的发射端、Q构成电子开关的控制电路。
检测与控制模块包括串联设置的比较器C1和驱动器D1，以及比较器C2和驱动器D2；比较器C1接收主变压器输出电压值Uin和过压门槛值Uref1，驱动器D1控制电子开关S1、S2；比较器C1接收主变压器输出电压值Uin和欠压门槛值Uref2，驱动器D2控制电子开关S3、S4。
本发明的特点还在于：
一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备的补偿式稳压方法，主要包括以下步骤：
步骤1.当Uin<Uref1时，主变压器输出电压偏低，比较器C1翻转，驱动器D1控制电子开关S1、S2闭合，补偿变压器正向接入，输出补偿电压为正极性，与主变压器输出电压正向叠加，总输出电压升高；
步骤2.当Uin>Uref2时，主变压器输出电压偏高，比较器C2翻转，驱动器D2控制电子开关S3、S4闭合，补偿变压器反向接入，输出补偿电压为负极性，与主变压器输出电压反向叠加，总输出电压降低；
步骤3.当Uref1<Uin<Uref2时，主变压器输出电压在允许波动范围内，比较器C1、C2不动作，电子开关S1、S2、S3、S4处于打开状态，补偿变压器未被接入，补偿输出绕组电压为零，输出电压为主变压器输出绕组电压。输出电压的表达式为：Uout＝Uin+G×Uin，即Uout＝(1+G)×Uin，其中Uin为输入电压，Uout为输出电压，G为补偿变压器增益。
本发明的有益效果是：在不更换分区所现有电力变压器的条件下，利用小功率变压器接入其输出端，通过检测输出端电压，利用电子开关接入补偿电压，实现输出电压在一定范围内稳定，满足设备的用电需求。
以较小的功率补偿方式，替代现有各种结构复杂的交流调压方式，如交-直-交逆变电源、自动式自耦调压器等。主回路结构简单、控制方式便捷。半导体器件处于长开或长关状态，不对交流电进行斩波，所以不会产生谐波干扰。无机械运动部件，可靠性高，寿命长。
附图说明
图1是本发明分区所用补偿式稳压辅助供电设备的整体应用原理图；
图2是本发明分区所用补偿式稳压辅助供电设备的内部主电路接线图；
图3本发明分区所用补偿式稳压辅助供电设备中电子开关原理图；
图4是本发明分区所用补偿式稳压辅助供电设备调节原理拓扑图；
图5是本发明分区所用补偿式稳压辅助供电设备中检测与控制模块拓扑图；
图中：1.主变压器，2.补偿式稳压辅助供电设备，3.补偿变压器，4.电子开关，5.检测与控制模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，包括与高压输电网连接的主变压器1，主变压器1接入27.5kV供电网，主变压器1的低压侧连接有补偿式稳压辅助供电设备2，补偿式稳压辅助供电设备2包括补偿变压器3，补偿变压器3的副边绕组串联接于主变压器1的输出绕组，补偿变压器3的原边绕组两端通过4个电子开关4并联于主变压器1的输出绕组上；检测与控制模块5的输入端与主变压器1的输出端连接，检测与控制模块5的输出端连接电子开关4，控制电子开关4开通和关闭。
通过补偿的方式对主变压器1的输出电压进行调节：输出过低，采用正向补偿方式提升输出电压；输出过高，采用反向补偿的方式降低输出电压；输出在正常范围内，则不进行补偿。
如图2所示，4个电子开关4为S1、S2、S3、S4，4个电子开关4呈H桥型连接，H桥上、下端分别接主变压器1的两输出端；S1和S2的公共端、S3和S4的公共端分别连接补偿变压器3的输入端，通过开关组合可以改变补偿变压器3接入方向。
补偿变压器3接入方向改变的具体方式为：当检测到输入电压过低时，S1、S2闭合，S3、S4打开，补偿变压器3正向接入，输出正极性补偿电压，总输出电压升高；当检测到输入电压过高时，S1、S2打开，S3、S4闭合，补偿变压器3反向接入，输出负极性补偿电压，总输出电压降低。
如图3所示，电子开关4内部原理为：Q1与Q2在电路中反并联，即Q1的阴极与Q2的阳极连接，Q1的阳极与Q2的阴极连接，组成电子开关4的主体；D2、R3、OPT的接收端、R1串联接于电子开关4的两端，构成Q1的触发电路；D1、OPT的接收端、R3、R2串联接于电子开关4的两端，构成Q2的触发电路；R0、OPT的发射端、Q构成电子开关4的控制电路。
光电耦合器件OPT起开关与隔离高低压电路的作用。当Q的控制端为低电平时，OPT发射端无发射，电子开关4处于关闭状态，阻抗极高，负载得不到电压；当Q的控制端为高电平时，OPT发射端发射光线，OPT接收端感应到光线后电子开关4打开，Q1、Q2的触发电路起作用，在交流电的正半周波Q1开通，在交流电的负半周波Q2开通，负载上有电流流过。
如图4-5所示，检测与控制模块5包括串联设置的比较器C1和驱动器D1，以及比较器C2和驱动器D2；比较器C1接收主变压器1输出电压值Uin和过压门槛值Uref1，驱动器D1控制电子开关4中的S1、S2；比较器C1接收主变压器1输出电压值Uin和欠压门槛值Uref2，驱动器D2控制电子开关4中的S3、S4。
一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备的补偿式稳压方法，主要包括以下步骤：
步骤1.当Uin<Uref1时，主变压器1输出电压偏低，比较器C1翻转，驱动器D1控制电子开关4中的S1、S2闭合，补偿变压器3正向接入，输出补偿电压为正极性，与主变压器1输出电压正向叠加，总输出电压升高；
步骤2.当Uin>Uref2时，主变压器1输出电压偏高，比较器C2翻转，驱动器D2控制电子开关4中的S3、S4闭合，补偿变压器3反向接入，输出补偿电压为负极性，与主变压器1输出电压反向叠加，总输出电压降低；
步骤3.当Uref1<Uin<Uref2时，主变压器1输出电压在允许波动范围内，比较器C1、C2不动作，电子开关4中的S1、S2、S3、S4处于打开状态，补偿变压器3未被接入，补偿输出绕组电压为零，输出电压为主变压器1输出绕组电压。
输出电压的表达式为：Uout＝Uin+G×Uin，即Uout＝(1+G)×Uin
其中Uin为输入电压，Uout为输出电压，G为补偿变压器增益。
该方法的优点在于线路连接结构简单，以较低的功率对主变压器1的输出进行补偿，可实现输出电压的双向补偿；线路中无接触器、调压器等机械运动部件，无机械磨损，使用寿命长，安全可靠；电子开关4的工作模式为长开或长闭，系统无谐波产生，避免对电网产生干扰和污染。

Claims (7)

1.一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，包括与高压输电网连接的主变压器(1)，其特征在于，主变压器(1)的低压侧连接有补偿式稳压辅助供电设备(2)，所述补偿式稳压辅助供电设备(2)包括补偿变压器(3)，补偿变压器(3)的副边绕组串联接于主变压器(1)的输出绕组，补偿变压器(3)的原边绕组两端通过4个电子开关(4)并联于主变压器(1)的输出绕组上；检测与控制模块(5)的输入端与主变压器(1)的输出端连接，检测与控制模块(5)的输出端连接电子开关(4)，控制电子开关(4)开通和关闭。
2.根据权利要求1所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，其特征在于，所述4个电子开关(4)为S1、S2、S3、S4，4个电子开关4呈H桥型连接，H桥上、下端分别接主变压器(1)的两输出端；S1和S2的公共端、S3和S4的公共端分别连接补偿变压器(3)的输入端，通过开关组合可以改变补偿变压器3接入方向。
3.根据权利要求2所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，其特征在于，补偿变压器(3)接入方向改变的具体方式为：当检测到输入电压过低时，S1、S2闭合，S3、S4打开，补偿变压器(3)正向接入，输出正极性补偿电压，总输出电压升高；当检测到输入电压过高时，S1、S2打开，S3、S4闭合，补偿变压器(3)反向接入，输出负极性补偿电压，总输出电压降低。
4.根据权利要求3所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，其特征在于，所述电子开关(4)内部原理为：Q1与Q2在电路中反并联，即Q1的阴极与Q2的阳极连接，Q1的阳极与Q2的阴极连接，组成电子开关(4)的主体；D2、R3、OPT的接收端、R1串联接于电子开关(4)的两端，构成Q1的触发电路；D1、OPT的接收端、R3、R2串联接于电子开关(4)的两端，构成Q2的触发电路；R0、OPT的发射端、Q构成电子开关(4)的控制电路。
5.根据权利要求2所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备，其特征在于，检测与控制模块(5)包括串联设置的比较器C1和驱动器D1，以及比较器C2和驱动器D2；比较器C1接收主变压器(1)输出电压值Uin和过压门槛值Uref1，驱动器D1控制电子开关(4)S1、S2；比较器C1接收主变压器(1)输出电压值Uin和欠压门槛值Uref2，驱动器D2控制电子开关(4)S3、S4。
6.根据权利要求1-5所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备的补偿式稳压方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1.当Uin<Uref1时，主变压器(1)输出电压偏低，比较器C1翻转，驱动器D1控制电子开关(4)中的S1、S2闭合，补偿变压器(3)正向接入，输出补偿电压为正极性，与主变压器(1)输出电压正向叠加，总输出电压升高；
步骤2.当Uin>Uref2时，主变压器(1)输出电压偏高，比较器C2翻转，驱动器D2控制电子开关(4)中的S3、S4闭合，补偿变压器(3)反向接入，输出补偿电压为负极性，与主变压器(1)输出电压反向叠加，总输出电压降低；
步骤3.当Uref1<Uin<Uref2时，主变压器(1)输出电压在允许波动范围内，比较器C1、C2不动作，电子开关(4)中的S1、S2、S3、S4处于打开状态，补偿变压器(3)未被接入，补偿输出绕组电压为零，输出电压为主变压器(1)输出绕组电压。
7.根据权利要求6所述的一种分区所用补偿式稳压辅助供电设备的补偿式稳压方法，其特征在于，输出电压的表达式为：
Uout＝Uin+G×Uin，即Uout＝(1+G)×Uin
其中Uin为输入电压，Uout为输出电压，G为补偿变压器增益。
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