CN111740459A - 移动闪光焊轨机的供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及供电装置，具体为移动闪光焊轨机的供电装置。解决现有的移动闪光焊轨机采用柴油发电机组作为供电装置存在的缺陷和问题。该供电装置包括蓄电池组、超级电容组、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器；超级电容组与双向DC/DC转换器的一端相连，双向DC/DC转换器的另一端与焊接主逆变器的输入端相连，蓄电池组的输出端经隔离开关KM2与焊接主逆变器的输入端相连，焊接主逆变器的输出端为移动闪光焊轨机供电。本发明免去了油烟的污染，尤其适合地铁等地下轨道焊接。提升了用户的经济效益，几乎不产生噪声，提高设备的使用寿命，降低维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及供电装置，具体为移动闪光焊轨机的供电装置。
背景技术
中国高速铁路运营里程已高居世界榜首，而保障高铁安全、舒适运行的关键环节之一便是轨道焊接技术。目前，高速铁路建设中的常用钢轨焊接方法有三种：闪光焊、气压焊、铝热焊。闪光焊以其技术先进、焊接质量好、作业效率高等优点，在高速铁路、城轨、地铁等无缝线路建设工程中得到了大量应用。
现有的移动闪光焊轨机采用柴油发电机组作为供电装置，图1所示是现有的柴油发电机组给焊轨机供电技术方案：柴油发电机组为三相四线制的，柴油发电机组额定输出三相交流380V电压。当焊轨机工作时，启动三相柴油发电机组，取其中两相作为单相电源向焊轨机供电。另一方面，通过三相四线制式的柴油发电机组，还可提供与焊接相关的辅助系统所需的三相380V、220V电源，供各类辅助负载使用。对于整个焊接设备的应用、运输采用2个标准集装箱的配置模式，其中一个集装箱配置柴油发电机组，另一个集装箱配置焊轨机及其电气控制柜等设备，2个集装箱之间通过动力电缆等组件构成一个有机的整体，使得柴油发电机组源源不断的给焊轨机及其辅助设备提供电源，而设备的整体移动则是通过铁路平板运输车实现。
采用柴油发电机组的供电装置存在如下缺点：（1）由于焊轨机负荷具有电压、电流、功率因数变化剧烈、谐波分量较大并伴有瞬时短路情况，这就导致柴油发电机组无论是输出频率还是输出电压都不能保持长期恒定，尤其是焊接工艺的预闪和顶锻阶段, 柴油发电机组的输出频率、输出电压、功率因数 cosφ都会有不同程度的短暂下降，影响焊接质量。（2）焊轨机焊接作业时，因是取三相柴油发电机组中的两相给其供电，这将导致柴油发电机组长期处于三相负荷严重不平衡的状态下工作，会造成柴油发电机组额外的发热损耗以及寿命缩短，也增加维护成本。（3）柴油发电机组长期运行带来的噪声污染也比较严重，会对作业人员听力造成危害，同时也会诱发其他方面的疾病。（4）柴油发电机组工作时排放的氮氧化物、碳氧化物等有害气体不仅污染环境，更对现场工作人员的身心健康产生危害，这在地铁施工中显得格外明显。
随着我国对保护环境，可持续绿色发展战略的逐步落实，这种供电方式越来越不适应我国高速铁路的发展。研制具有我国自主知识产权的新一代移动闪光焊轨机供电装置势在必行。
发明内容
本发明解决现有的移动闪光焊轨机采用柴油发电机组作为供电装置存在的缺陷和问题，提供一种移动闪光焊轨机的供电装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：移动闪光焊轨机的供电装置，包括蓄电池组、超级电容组、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器；超级电容组与双向DC/DC转换器的一端相连，双向DC/DC转换器的另一端与焊接主逆变器的输入端相连，蓄电池组的输出端经隔离开关KM2与焊接主逆变器的输入端相连，焊接主逆变器的输出端为移动闪光焊轨机供电。需要焊接作业时，断开隔离开关KM2，超级电容组的低电压通过双向DC/DC转换器的升压功能，将电压升至焊接主逆变器所需的工作电压，焊接主逆变器输出移动闪光焊轨机所需的单相380V交流电。超级电容组储的能量足够焊接一次所需的能量。完成一次焊接作业后，闭合隔离开关KM2，通过双向DC/DC转换器的降压功能，将蓄电池组的高压电转换为超级电容组所需的低压充电电压，实现为超级电容组的快速充电，为下一次焊接作业作好准备。当蓄电池组电量较低时，可通过地面或者车载式充电机为其充电。
进一步，移动闪光焊轨机的供电装置还包括辅助逆变器，辅助逆变器的输入端与蓄电池组的输出端连接，辅助逆变器的输出端作为供电装置的辅助供电输出，为焊轨机附属的辅助设备和供电装置自身的用电负载提供所需的三相380V交流电。辅助逆变器的输出端连接有380VAC/220VAC变压器，380VAC/220VAC变压器的副边为焊轨机附属的辅助设备和供电装置自身的用电负载提供所需的单相220V交流电。380VAC/220VAC变压器的副边还连接有不间断电源UPS，UPS为该供电装置的控制系统提供所需低压电。
再进一步，超级电容组的两个输入/输出端之间并联有通断可控的电容放电柜，电容放电柜内有放电电阻。维修时，当需放掉超级电容组的储能时，控制电容放电柜导通，超级电容组经电容放电柜放电，使超级电容组的储能消耗在电容放电柜内的电阻上。
本发明的有益效果为：
1.由于采用了蓄电池组+电力电子装置组成的供电系统替代传统的三相柴油发电机组作为移动闪光焊轨机的供电电源，较常规柴油发动机相比，氮氧化物和碳氧化物的排放量几乎为零，尤其在地铁等地下轨道焊接时，免去了油烟的污染，有利于操作人员身心健康。
2.由于采用纯电力作为能量来源，通过引导用户在夜间电价较低时通过充电机给蓄电池柜充电直到设定值；实现用户多用谷期电，少用峰期电达到电费的削峰填谷，从而提升用户的经济效益。据计算，采用柴油发电机组一年消耗的燃油大概为6×104L，燃油费为39万元。而采用本发明装置一年消耗的电量大约为9×104kWh，电费为9万元，持续工作一年工作可以节约燃油成本大约30万元。
3.相比于柴油发电机组供电模式，本发明所述的供电装置几乎不产生噪声，有利于增加工作舒适性。
4.电力电子设备的使用几乎是免维护的，可以大幅提高设备的使用寿命，降低维护成本。
5.采用蓄电池驱动模式有利于转变我国资源发展方式、优化能源消耗结构。系统利用电网对蓄电池进行充电，增加了电力在轨道交通能源领域中的应用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源结构。同时也可带动相关产业，如电池、电力电子关键零部件和相关服务业的进一步发展和技术升级，提高就业率。
附图说明
图1为现有移动闪光焊轨机的供电装置的原理图；
图2为本发明所述的移动闪光焊轨机的供电装置的原理图；
图3为本发明所述的移动闪光焊轨机的供电装置的控制系统框图。
具体实施方式
移动闪光焊轨机的供电装置，包括蓄电池组、超级电容组、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器；超级电容组与双向DC/DC转换器的一端相连，双向DC/DC转换器的另一端与焊接主逆变器的输入端相连，蓄电池组的输出端经隔离开关KM2与焊接主逆变器的输入端相连，焊接主逆变器的输出端为移动闪光焊轨机供电。移动闪光焊轨机的供电装置还包括辅助逆变器，辅助逆变器的输入端与蓄电池组的输出端连接，辅助逆变器的输出端作为供电装置的辅助供电输出。辅助逆变器的输出端连接有380VAC/220VAC变压器。380VAC/220VAC变压器的副边还连接有不间断电源UPS。超级电容组的两个输入/输出端之间并联有通断可控的电容放电柜，电容放电柜内有放电电阻。
具体实施时，超级电容组与双向DC/DC转换器之间设有隔离开关KM1，以方便超级电容组的维护及投切控制；蓄电池组与辅助逆变器之间设有隔离开关KM3和接触器KM4，以便蓄电池组和辅助逆变器的投切控制及维修维护。蓄电池组、超级电容组、电容放电柜、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器、辅助逆变器、380VAC/220VAC变压器、不间断电源UPS，集成在一个集装箱房体内，集装箱房体上设有供电的输入、输出接口。同时将不间断电源UPS的启停按钮通过引出线集成在集装箱房体外部，设置成为系统一键启动按钮，操作方便。为保证整个系统能够适应各种极端环境运行，蓄电池组采用水冷散热结构；在工作环境温度较高时，通过指令自动启动水冷机组循环冷却介质为蓄电池组降温。蓄电池组内也设有自加热结构；当工作环境温度较低时，通过蓄电池组的自加热功能，保证电池组最佳工作温度范围。焊接主逆变器、辅助逆变器和双向DC/DC转换器也设置自加热结构，并采用风冷散热模式，同时集装箱房体也设置若干加热和通风装置，控制房体内其余部件工作温度在一定的范围内。
移动闪光焊轨机的供电装置还包括集成于集装箱房体内的主控制柜，主控制柜由380VAC/220VAC变压器的副边和不间断电源UPS供电，主控制柜内包括主控制器、不间断电源UPS、超级电容管理系统板（CMS）以及蓄电池组电源管理系统板（BMS），主控制器包含用于控制焊接主逆变器、辅助逆变器和双向DC/DC转换器内的IGBT功率模块的功率模块控制板及PLC，每个功率模块控制板包括DSP板、输入输出IO板、光纤板、信号检测电路；输入输出IO板连接信号检测电路，信号检测电路具有电流测量、电压测量、缺相检测功能；DSP板根据采集的电流、电压信号进行计算和控制；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器的IGBT驱动电路板，用以驱动双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器的工作。PLC作为系统的控制核心，负责部件与系统的通讯和各部分功能的检测、控制及保护等功能。为了实现对蓄电池组、超级电容器组、双向DC/DC转换器、辅助逆变器和焊接主逆变器运行状态的监控，主控制柜配置有触摸显示屏，其中双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器与PLC通过RS485通讯；蓄电池组、超级电容组与PLC采用CANbus总线通讯，它们的数据将在触摸显示屏显示，实现数据的传输和接受系统指令。本地显示屏及远程监控显示屏则通过以太网与PLC通讯，实现信息反馈及远程控制。
系统启动时，通过集装箱房体上的UPS启动按钮，给主控制柜提供交流220V电源、主控制柜内集成24V电源整流模块，可将交流220V转换成直流24V电源供给各控制单元电路板，其中包括主PLC，功率模块控制板，超级电容管理系统板（CMS）以及蓄电池组电源管理系统板（BMS）等，同时激活BMS使蓄电池组输出450-657V的直流电压供整个系统使用。系统发送指令闭合隔离开关KM3及接触器KM4，启动辅助逆变器，给各类辅助负载供电，包括液压油泵电机、各类散热风扇、蓄电池组水冷机组、空调照明等。同时通过380VAC/220VAC辅助变压器直接给主控制柜供电，UPS处于在线充电备用状态。
焊轨机焊接时超级电容组放电，断开隔离开关KM2，闭合隔离开关KM1。主控制器控制双向DC/DC转换器中功率器件的占空比，使其工作在Boost升压模式，实现超级电容200-480VDC电压到650VDC电压的转换，给焊接主逆变器提供电源。主控制器通过逆变器前端并联在直流母线上的电压传感器检测的直流电压等信号，发送PWM脉冲来控制焊接主逆变器的功率器件，实现输出满足要求的单相380V交流电驱动焊机工作。辅助逆变器和焊接主逆变器的输出均设计了合适的LC滤波电路，用以滤除除基波以外的高次谐波，保证电源品质。
当焊轨机停止焊接时，需要向超级电容组进行充电，闭合隔离开关KM2，通过控制双向DC/DC转换器中功率器件的占空比，实现双向DC/DC转换器的Buck降压功能，将额定电压为579V的蓄电池组降压对超级电容组进行快速充电，为下一次焊接做准备。当蓄电池组电量较低时，可通过地面或者车载式充电机为其充电。
Claims (10)
1.一种移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，包括蓄电池组、超级电容组、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器；超级电容组与双向DC/DC转换器的一端相连，双向DC/DC转换器的另一端与焊接主逆变器的输入端相连，蓄电池组的输出端经隔离开关KM2与焊接主逆变器的输入端相连，焊接主逆变器的输出端为移动闪光焊轨机供电。
2.根据权利要求1所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，还包括辅助逆变器，辅助逆变器的输入端与蓄电池组的输出端连接，辅助逆变器的输出端作为供电装置的辅助供电输出。
3.根据权利要求2所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，辅助逆变器的输出端连接有380VAC/220VAC变压器。
4.根据权利要求3所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，380VAC/220VAC变压器的副边还连接有不间断电源UPS。
5.根据权利要求4所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，超级电容组的两个输入/输出端之间并联有通断可控的电容放电柜，电容放电柜内有放电电阻。
6.根据权利要求5所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，超级电容组与双向DC/DC转换器之间设有隔离开关KM1；蓄电池组与辅助逆变器之间设有隔离开关KM3和接触器KM4。
7.根据权利要求6所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，蓄电池组、超级电容组、电容放电柜、双向DC/DC转换器、焊接主逆变器、辅助逆变器、380VAC/220VAC变压器、不间断电源UPS，集成在一个集装箱房体内，集装箱房体上设有供电的输入、输出接口。
8.根据权利要求7所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，不间断电源UPS的启停按钮通过引出线集成在集装箱房体外部。
9.根据权利要求8所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，蓄电池组采用水冷散热结构；蓄电池组内也设有自加热结构；焊接主逆变器、辅助逆变器和双向DC/DC转换器也设置自加热结构，并采用风冷散热模式，同时集装箱房体也设置加热和通风装置。
10.根据权利要求9所述的移动闪光焊轨机的供电装置，其特征在于，还包括集成于集装箱房体内的主控制柜，主控制柜由380VAC/220VAC变压器的副边和不间断电源UPS供电，主控制柜内包括主控制器、不间断电源UPS、超级电容管理系统板以及蓄电池组电源管理系统板，主控制器包含用于控制焊接主逆变器、辅助逆变器和双向DC/DC转换器内的IGBT功率模块的功率模块控制板及PLC，每个功率模块控制板包括DSP板、输入输出IO板、光纤板、信号检测电路；输入输出IO板连接信号检测电路，信号检测电路具有电流测量、电压测量、缺相检测功能；DSP板根据采集的电流、电压信号进行计算和控制；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器的IGBT驱动电路板，用以驱动双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器的工作；双向DC/DC转换器、辅助逆变器和焊接主逆变器自身配有触摸显示屏；其中双向DC/DC转换器、辅助逆变器、焊接主逆变器与PLC通过RS485通讯；蓄电池组、超级电容组与PLC采用CANbus总线通讯。
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