CN112872567A - 移动闪光焊轨机混合供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供电装置，特别涉及移动闪光焊轨机供电装置，具体为移动闪光焊轨机混合供电装置。解决现有技术以柴油发电机组或纯蓄电池供电存在的缺陷和问题。移动闪光焊轨机混合供电装置包括三相柴油发电机组、可控整流器、超级电容器组、双向DCDC变流器、单相逆变器、主控制器；三相柴油发电机组为辅助设备供电，三相柴油发电机组的输出端连接主控制器以及可控整流器的输入端，可控整流器输出与双向DCDC变流器的一端及单相逆变器的输入相连，双向DCDC变流器的另一端与超级电容器组连接，单相逆变器的输出为移动闪光焊轨机供电。超级电容器组还连接有通断可控的超级电容放电单元，超级电容放电单元内有放电电阻。

Description

移动闪光焊轨机混合供电装置

技术领域

本发明涉及供电装置，特别涉及移动闪光焊轨机供电装置，具体为移动闪光焊轨机混合供电装置。

背景技术

现代高速铁路普遍采用无缝线路来保证列车的运行安全和旅客乘坐的舒适度。对无缝线路的钢轨焊接通常采用三种方法：闪光焊、气压焊、铝热焊。有研究表明，目前我国无缝铁路的轨道焊接主要是采用闪光焊接技术，约占整个无缝线路焊接接头数量的87%。因此，闪光焊接接头的质量基本上决定了我国无缝线路整体的品质。

影响闪光焊接接头质量的因素很多，闪光焊轨机的供电电源是重要的因素之一。

现有技术一：如图1所示是现有柴油发电机组给闪光焊轨机供电技术方案。现有移动式闪光焊轨机大多采用三相柴油发电机组作为其供电电源。整个系统由三相四线制的柴油发电机组、移动闪光焊轨机、辅助设备三部分组成，其中柴油发电机组额定输出三相交流380V电压。当焊轨机工作时，只需要在三相中取两相作为单相电源向焊轨机主电路供电。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设备所需电源，这包括三相380V、单相220V电源，满足辅助供电需求。辅助设备是完成焊接作业所必须的设备，包括液压油泵电机、水冷机组、各类散热风扇、空调照明等。

现有技术一的缺点：

（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）焊接过程中，柴油发电机组长期处于三相负荷严重不平衡的状态下运行，造成柴油发电机组额外的发热损耗、油耗增大以及寿命缩短，增加了运用及维护成本。

（3）焊接作业时，柴油发电机组缺相超负荷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）柴油发电机组在负荷不平衡的工况下运行，其排放的黑雾、氮氧化物、碳氧化物等有害气体较正常运行时明显增多，不仅严重污染环境，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。

现有技术二：如图2所示是纯蓄电池储能供电的移动闪光焊轨机技术方案。该技术方案中蓄电池组是焊轨机系统的总动力来源。焊接前准备时，蓄电池组一方面持续为辅助设备供电，以满足焊接前的准备条件；另一方面控制闭合KM1，通过双向DCDC转换器，为超级电容器组充电。当要焊接时，控制断开KM1，超级电容器组通过双向DCDC转换器，持续放电为焊接逆变器供电，逆变器输出通过滤波器实现对焊轨机供电。蓄电池组输出仅为辅助设备及超级电容组充电，不直接参与焊接供电。当蓄电池组电压低时，可通过充电装置为其充电。

现有技术二的缺点：

（1）该技术方案对蓄电池组及超级电容组容量需求大，设计及一次性投入成本较高。

（2）该技术方案相对于柴油发电机组供电技术方案，由于很大程度上受限于蓄电池组循环使用寿命，产品使用寿命较短，更换蓄电池组成本也较高。

（3）焊接作业过程中，每次焊接完毕，均需要给超级电容器组充电。蓄电池组电量低时，也需要停止施工给蓄电池组充电，这都降低了焊接施工作业效率。

（4）在实际线路施工过程中蓄电池组往往存在充电不方便，续航短的问题，较大程度的限制了其应用范围。

发明内容

本发明解决现有技术存在的上述缺陷和问题，提供一种移动闪光焊轨机混合供电装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：移动闪光焊轨机混合供电装置，包括三相柴油发电机组、可控整流器、超级电容器组、双向DCDC变流器、单相逆变器、主控制器；三相柴油发电机组为辅助设备供电，三相柴油发电机组的输出端连接主控制器以及可控整流器的输入端，可控整流器输出与双向DCDC变流器的一端及单相逆变器的输入相连，双向DCDC变流器的另一端与超级电容器组连接，单相逆变器的输出为移动闪光焊轨机供电。主控制器作用是为可控整流器、双向DCDC变流器、单相逆变器中的各功率单元提供控制信号以及监测各部件的电压、电流、温度、故障等运行状态信息，实时提供各类保护，确保装置安全运行。主控制器内部还集成有为主控制器提供启动电源的UPS。焊接作业前，启动柴油发电机组，给主控制器及辅助设备提供三相380VAC及单相220VAC电源，同时经过可控整流器将三相380VAC电转化成650VDC，给单相逆变器及双向DCDC变流器供电，另一方面主控制器控制双向DCDC变流器工作在Buck降压模式，将650VDC转换成480VDC给超级电容器组充电。焊接作业时，超级电容器组经过双向DCDC变流器放电，主控制器控制双向DCDC变流器工作在Boost升压模式，将超级电容器组的240VDC-480VDC，转换成稳定的650VDC，与可控整流器输出共同给单相逆变器供电。单相逆变器将额定电压为650VDC逆变成单相380VAC给焊轨机提供电源。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用基于电力电子技术的单相逆变器给闪光焊轨机供电，较常规柴油发电机组直接供电模式，彻底避免了焊接过程中三相负荷不平衡问题，使输出的单相380VAC更加稳定，谐波含量大大下降，提高了输出电压的品质。

2.采用本发明供电的移动闪光焊轨机，可取消其焊机内部的自耦变压器和双向可控硅调压电路，有利于节约焊轨机设计成本和降低原有调压电路高低压转换过程中产生的谐波含量，消除零电压对焊接质量不利影响，提高焊接质量与合格率。

3.本发明的供电装置可通过主控制器的优化作用使柴油发电机组始终运行在最佳转速点，较柴油发电机组缺相超负荷运行工况，其缸体磨损量大大减小，积碳与冒黑烟现象得到有效遏制，排放的有毒废气和噪声也大大降低，这在地铁等隧道焊接时，效果格外明显，有利于操作人员身心健康。

4.本发明的供电装置可通过主控制器的优化作用延长柴油发电机组的使用寿命，降低了油耗和维护成本。并且所配置的超级电容循环使用次数可达100万次，较纯蓄电池供电模式相比，也大大延长了本发明的供电装置的使用寿命。

5.较纯蓄电池供电的移动闪光焊轨机，大大增强了其焊接的连续性，免去了给蓄电池组和超级电容器组的充电时间，提高了生产效率。

附图说明

图1为现有技术一的电路原理框图；

图2为现有技术二的电路原理框图；

图3为本发明所述供电装置的电路原理框图；

图4为本发明所述供电装置的结构布局示意图；

图5为本发明所述供电装置的主控制器对超级电容器组的电能量进行分配的控制策略原理图。

具体实施方式

移动闪光焊轨机混合供电装置，包括三相柴油发电机组、可控整流器、超级电容器组、双向DCDC变流器、单相逆变器、主控制器；三相柴油发电机组为辅助设备供电，三相柴油发电机组的输出端连接主控制器以及可控整流器的输入端，可控整流器输出与双向DCDC变流器的一端及单相逆变器的输入相连，双向DCDC变流器的另一端与超级电容器组连接，单相逆变器的输出为移动闪光焊轨机供电。三相柴油发电机组为三相四线制的柴油发电机组。超级电容器组还连接有通断可控的超级电容放电单元，超级电容放电单元内有放电电阻。当供电装置需要检修维护时，可通过主控制器控制超级电容放电单元导通，将超级电容器组的储能消耗在超级电容放电单元的放电电阻上。超级电容器组是由30-50个额定电压为48V，165F的超级电容单体组合连接而成，其总体电压范围为240V-480V。三相柴油发电机组功率范围为100-120kW。

在焊接过程中，在所需的功率比较低时，由三相柴油发电机组输出能量，同时检测到超级电容器组的能量比较低时，在焊轨机电流脉动间隙，主控制器控制双向DCDC变流器，使三相柴油发电机组通过可控整流器对超级电容器组充电。通过主控制器的优化作用，使柴油发电机组始终运行在最佳转速点，有利于使噪声和废气排放、发热达到最小化，并延长柴油发电机组的使用寿命，降低油耗和维护成本。同时免去了额外给超级电容器组充电的时间，提高了作业效率。

如图4所示，供电装置集成在一个集装箱房体内，其中三相柴油发电机组单独设置隔间，确保其运行散热不影响其他单元。集装箱房体内设有用于放置可控整流器的可控整流柜，用于放置主控制器的主控制柜，用于放置单相逆变器的单相逆变柜，用于放置双向DCDC变流器的DCDC变流柜，用于放置超级电容器组的超级电容柜，用于放置超级电容放电单元的超级电容放电柜；其中，超级电容放电柜、可控整流柜、主控制柜贴一边排成一列，超级电容柜、DCDC变流柜、单相逆变柜贴另一边排成一列，两列之间为维护通道。集装箱房体对外还设置高低压对外输入、输出接口用以实现在外部监测系统运行状态及驱动焊轨机工作等功能。同时将UPS的快速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。系统启动时，首先通过集装箱房体外部的UPS快速启停按钮，给主控制器供电，并控制启动三相柴油发电机组输出电压，此时UPS进入在线备用状态。

为保证整个供电装置能够适应各种极端环境运行，集装箱房体内部设置有空调，同时可控整流柜、DCDC变流柜、单相逆变柜内部还单独设置有自加热装置。当集装箱房体内温度较高时，可通过启动空调来降低房体内温度。当工作环境温度较低时，通过启动自加热功能，保证供电装置零部件的最佳工作温度范围。通过这些措施可保证本供电装置可在-30℃~50温度范围内正常工作。集装箱房体内还安装有温湿度计及烟雾报警器，可对房内的温湿度和烟雾进行有效监测和报警。房体内部还配备了电气专用灭火器2个，集装箱房体内地面设计活动盖板，同时地板敷设防静电橡胶绝缘胶皮，满足安全性能要求。为了方便安装和维护，在房体中间设置了维护通道，并在集装箱房体两侧开维护门，便于设备安装和日常维护。集装箱房体四周开有多个通风百叶窗并配有轴流风机及防雨沿，保证集装箱房体内部的通风散热及防雨性能。

如图5所示，主控制器采取一种基于电流-电压双闭环控制策略对超级电容器组的电能量进行分配，主回路采用电流控制器，副回路采用电压控制器，电流传感器实时采集移动闪光焊轨机的电流输出值并与电流设定值比较，差值被送入电流控制器进行参数调整，电流控制器的输出又作为电压控制器的输入设定值，与电压传感器实时采集的可控整流器输出的直流电压（母线直流电压）进行比较，差值送给电压控制器进行参数调节，并作用于双向DCDC变流器而实现对双向DCDC变流器的控制，进而实现超级电容器组的电能量分配。副回路的引入不仅可以提高系统的响应速度、缩短调节时间，而且也可以很快克服系统二次扰动，提高系统的鲁棒性。当电压发生波动时，控制系统的副回路就可以立即产生控制消除误差，从而不会影响电流的过大变化。当焊轨机需要瞬态峰值功率时，中间母线直流电压及焊轨机端电压会大幅下降（焊机端电流大幅上升），此时将电压传感器采集到的母线直流电压及焊轨机端电流信号最终送至副回路电压控制器，副回路通过控制双向DCDC变流器的能量补偿规模来调节超级电容器组的输出电压，达到超级电容器组的电能量分配控制。当焊机需要瞬时脉动的大功率时，电流传感器将采样得到的负载电流突变信号送至主回路控制器中，并将超级电容器组的能量输送给负载，使超级电容器组输出/吸收高倍率电流冲击，达到补偿作用。

更进一步，由于本发明中所述的混合供电装置是通过电力电子装置来自动调节输出电压，因而本发明中所述的移动闪光焊轨机，可以是取消了其焊轨机内部的自耦变压器和双向可控硅调压电路的改进型焊轨机。这有利于节约成本和降低原有调压电路高低压转换产生的谐波含量，消除零电压对焊接质量不利影响，提高焊接质量与合格率。

Claims (10)

1.一种移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，包括三相柴油发电机组、可控整流器、超级电容器组、双向DCDC变流器、单相逆变器、主控制器；三相柴油发电机组为辅助设备供电，三相柴油发电机组的输出端连接主控制器以及可控整流器的输入端，可控整流器输出与双向DCDC变流器的一端及单相逆变器的输入相连，双向DCDC变流器的另一端与超级电容器组连接，单相逆变器的输出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混合供电装置，其特征在于，超级电容器组还连接有通断可控的超级电容放电单元，超级电容放电单元内有放电电阻。

3.根据权利要求1或2所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，在焊接过程中，在所需的功率低时，由三相柴油发电机组输出能量，同时检测到超级电容器组的能量低时，在焊轨机电流脉动间隙，主控制器控制双向DCDC变流器，使三相柴油发电机组通过可控整流器对超级电容器组充电。

4.根据权利要求3所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，主控制器采取一种基于电流-电压双闭环控制策略对超级电容器组的电能量进行分配，主回路采用电流控制器，副回路采用电压控制器，电流传感器实时采集移动闪光焊轨机的电流输出值并与电流设定值比较，差值被送入电流控制器进行参数调整，电流控制器的输出又作为电压控制器的输入设定值，与电压传感器实时采集的可控整流器输出的直流电压进行比较，差值送给电压控制器进行参数调节，并作用于双向DCDC变流器而实现对双向DCDC变流器的控制，进而实现超级电容器组的电能量分配。

5.根据权利要求4所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，主控制器内部还集成有为主控制器提供启动电源的UPS。

6.根据权利要求5所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，供电装置集成在一个集装箱房体内，其中三相柴油发电机组单独设置隔间，集装箱房体内设有用于放置可控整流器的可控整流柜，用于放置主控制器的主控制柜，用于放置单相逆变器的单相逆变柜，用于放置双向DCDC变流器的DCDC变流柜，用于放置超级电容器组的超级电容柜，用于放置超级电容放电单元的超级电容放电柜。

7.根据权利要求6所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，超级电容放电柜、可控整流柜、主控制柜贴一边排成一列，超级电容柜、DCDC变流柜、单相逆变柜贴另一边排成一列，两列之间为维护通道；将UPS的快速启停按钮通过引出线集成在集装箱房体外部。

8.根据权利要求7所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，集装箱房体内部设置有空调，同时可控整流柜、DCDC变流柜、单相逆变柜内部还单独设置有自加热装置；集装箱房体四周开有通风百叶窗并配有轴流风机及防雨沿。

9.根据权利要求8所述的移动闪光焊轨机混合供电装置，其特征在于，超级电容器组是由30-50个额定电压为48V，165F的超级电容单体组合连接而成，其总体电压范围为240V-480V；三相柴油发电机组功率范围为100-120kW。

10.采用权利要求1或2所述供电装置供电的移动闪光焊轨机，其特征在于，是取消了其内部的自耦变压器和双向可控硅调压电路的改进型焊轨机。

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