CN113162203B - 用于轨道闪光焊的供电方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供用于轨道闪光焊的供电方法，其中，电源和储能模块耦合到第一逆变单元，第一逆变单元配置为：将电源和/或储能模块输出的电能转换为适于轨道闪光焊的形式并提供至焊接负载；该供电方法包括：在轨道闪光焊的焊接周期期间，至少基于焊接负载的功率需求，使储能模块在第一状态与第二状态之间切换；其中，在第一状态中，储能模块由电源进行充电；并且其中，在第二状态中，储能模块向第一逆变单元供电。本申请的供电方法适应于闪光焊的焊接负载周期性变化的动态需求，具有电能使用效率高、电能供给稳定、轨道线路现场焊接速度快、焊轨施工作业续航能力强、简单可靠、使用方便等优点。
Description
技术领域
本申请涉及轨道焊接领域。更具体而言，本申请涉及一种用于轨道闪光焊的供电方法，其在电气效率和焊接性能方面提供改善的表现。
背景技术
轨道闪光焊常用于轨道交通的建设中。例如，闪光焊可用于焊接铺设轨道用的钢轨、铁轨等。
轨道闪光焊接施工时，完成一个接头的焊接过程被称为一个焊接周期。单个焊接周期主要分为闪光阶段、顶锻阶段和保压推瘤三个阶段。单个焊接周期典型地持续120s-140s。在闪光阶段期间，待焊接的工件会周期地或不定时地远离彼此，然后靠近彼此。在待焊接的工件远离彼此时，通过工件的电流具有相对较小的电流强度。此时，焊接所需要消耗的电功率相对较低。当待焊接的工件靠近彼此时，通过工件的电流具有相对较大的电流强度。此时，焊接所需要消耗的电功率相对较高。现有的轨道闪光焊接负载通常采用柴油发电机组作为电源，并且柴油发电机组的输出功率需要满足待焊接的工件靠近彼此时的功率需求。例如，柴油发动机组的功率可选择400KW或更大的功率。
CN111740459A公开了一种移动闪光焊轨机的供电装置，其使用超级电容为焊轨机供电，并且配置蓄电池为超级电容充电。蓄电池可通过外接电源进行充电。该专利在闪光焊的焊接周期期间，超级电容始终处于放电的工作状态；待一个焊接周期完成后，蓄电池为超级电容充电，为下一个焊接周期做准备。当蓄电池电量过低时就得被迫停工进行充电，典型的充电时间长达若干小时，例如4-8小时或更长。因此，此类供电方法持续工作时间短，电能使用效率低。
发明内容
本申请一个方面的目的在于提供一种用于轨道闪光焊的供电方法，其旨在至少提供改善的电能使用效率，以确保焊接期间电能供应的持续稳定。
一种用于轨道闪光焊的供电方法，其中，电源和储能模块耦合到第一逆变单元，第一逆变单元配置为：将电源和/或储能模块输出的电能转换为适于轨道闪光焊的形式并提供至焊接负载；
该供电方法包括：
在轨道闪光焊的焊接周期期间 ，至少基于焊接负载的功率需求，使储能模块在第一状态与第二状态之间切换；
其中，在第一状态中，储能模块由电源进行充电；并且
其中，在第二状态中，储能模块向第一逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，还包括：
将焊接负载的功率需求与预先确定的功率需求阈值进行比较；
在焊接负载的功率需求小于或等于功率需求阈值时，使储能模块处于第一状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在焊接负载的功率需求大于功率需求阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比。
在上述供电方法中，可选地，进一步基于电源的输出功率，使储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
在上述供电方法中，可选地，还包括：
将电源的输出功率与预先确定的输出功率阈值进行比较；
在电源的输出功率小于或等于输出功率阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在电源的输出功率大于输出功率阈值、焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值时，使储能模块处于第一状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在电源的输出功率大于输出功率阈值、焊接负载的功率需求大于功率需求阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，输出功率阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第二预定百分比，且大于或等于功率需求阈值。
在上述供电方法中，可选地，进一步基于储能模块的电量，使储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
在上述供电方法中，可选地，还包括：
将储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较；
在储能模块的电量大于电量阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源不向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值时，使储能模块处于第一状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求大于功率需求阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，并且电量阈值是储能模块能够存储的最大电量的第三预定百分比。
在上述供电方法中，可选地，进一步基于电源的输出功率和储能模块的电量，使储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
在上述供电方法中，可选地，还包括：
将储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较；
在储能模块的电量大于电量阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源不向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值且电源的输出功率大于预先确定的输出功率阈值时，使储能模块处于第一状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求大于功率需求阈值且电源的输出功率大于输出功率阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求大于功率需求阈值且电源的输出功率小于或等于输出功率阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电；
在储能模块的电量小于或等于电量阈值、焊接负载的功率需求小于或等于功率需求阈值且电源的输出功率小于或等于输出功率阈值时，使储能模块处于第二状态，并且电源向第一逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，输出功率阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第二预定百分比，且大于或等于功率需求阈值，并且电量阈值是储能模块能够存储的最大电量的第三预定百分比。
在上述供电方法中，可选地，储能模块配置为输出直流电；并且
电源包括充电机组，充电机组与电网和/或发电机成电气连接，并且配置为将来自电网或发电机的交流电转换为直流电。
在上述供电方法中，可选地，电源的输出功率以充电机组的设定功率来表示。
在上述供电方法中，可选地，第一逆变单元配置为将直流电转换为适于轨道闪光焊的单相交流电或中频直流电。
在上述供电方法中，可选地，发电机为柴油发电机组，并且具有110KW-150KW的额定功率。
在上述供电方法中，可选地，柴油发电机组具有120KW的额定功率。
在上述供电方法中，可选地，储能模块包括串联连接的双向开关和储能电池包；
其中，双向开关配置为：在第一状态中，双向开关处于第一模式，仅允许流向储能电池包的充电电流经过；在第二状态中，双向开关处于第二模式，仅允许来自储能电池包的供电电流经过。
在上述供电方法中，可选地，双向开关包括IGBT或SCR。
在上述供电方法中，可选地，通过传感器获取焊接负载的功率需求，且/或从电源获取电源的输出功率，且/或从储能电池包获取储能模块的电量。
在上述供电方法中，可选地，传感器包括：装设到焊接负载的采样电路、与采样电路电性连接的滤波电路。
在上述供电方法中，可选地，还包括控制器，控制器接收传感器传送的信息，获取焊接负载的功率需求、电源的输出功率和/或储能模块的电量，由此控制双向开关在第一模式与第二模式之间切换。
在上述供电方法中，可选地，储能电池包采用锂离子混合电容。
在上述供电方法中，可选地，储能电池包的设计电能容量为大于或等于480KWh。
在上述供电方法中，可选地，焊接负载包括钢轨闪光焊机。
在上述供电方法中，可选地，电源和储能模块还耦合到第二逆变单元；
其中，第二逆变单元配置为：将电源和/或储能模块输出的电能转换为适于用于轨道闪光焊的辅助设备的形式，并提供至用于轨道闪光焊的辅助设备；
电源还向第二逆变单元供电；并且
其中，在第二状态中，储能模块还向第二逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，第二逆变单元配置为将直流电转换为适于辅助设备的三相交流电，辅助设备包括泵站、冷水机组、空调。
在上述供电方法中，可选地，电源和储能模块还耦合到第二逆变单元；
其中，第二逆变单元配置为：将电源和/或储能模块输出的电能转换为适于用于轨道闪光焊的辅助设备的形式，并提供至用于轨道闪光焊的辅助设备；
电源还向第二逆变单元供电；
其中，在第二状态中，储能模块还向第二逆变单元供电；并且
在储能模块的电量大于电量阈值时，电源不向第二逆变单元供电。
在上述供电方法中，可选地，第二逆变单元配置为将直流电转换为适于辅助设备的三相交流电，辅助设备包括泵站、冷水机组、空调。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本申请进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本申请范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。
图1是用于实施本申请的供电方法的供电系统的一个实施例的原理图。
图2是用于实施本申请的供电方法的供电系统的另一个实施例的原理图。
图3是本申请的供电方法的一个实施例的流程图。
图4是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。
图5是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。
图6是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。
图7是图1所示实施例的第一供电状态的电流走向示意图。
图8是图1所示实施例的第二供电状态的电流走向示意图。
图9是图1所示实施例的第三供电状态的电流走向示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细描述本申请的实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本申请的保护范围。
首先，需要说明的是，在本文中所提到的顶部、底部、朝上、朝下等方位用语是相对于各个附图中的方向来定义的。它们是相对的概念，并且因此能够随着特征的位置和使用状态而变化。所以，不应将这些方位用语理解为限制性用语。
此外，还应当指出的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征，或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征，仍能够在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行组合，从而获得未在本文中直接提及的本申请的其他实施例。
应当注意的是，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的组件。
根据本申请的一个实施例，用于轨道闪光焊的供电方法可用于对铺设轨道线路的金属型材进行闪光焊操作。轨道例如可用于普通铁路或高速铁路，包括但不限于钢轨、铁轨等。用于轨道铺设的多根不同长度的金属型材（例如钢轨）可通过根据本申请的用于轨道闪光焊的供电方法来焊接连接在一起。以典型的闪光焊操作为例，其完成一个焊接接头的焊接全过程包括闪光阶段、顶锻阶段、保压推瘤阶段等。不同阶段所需的能量是不同的。例如，在闪光阶段中，间歇性地需要相对较大的能量负载。在一个实施例中，在闪光阶段，1s的脉动周期内有不多于0.3s的时间需要相对较大的电流，其中电流例如可为在500A以上。在顶锻阶段，能量的需求也相对较大。在其他阶段，能量的需求相对较小。
图1是用于实施本申请的供电方法的供电系统的一个实施例的原理图。如图所示，供电系统包括：电源110、储能模块120、第一逆变单元130和控制器150等。
电源110和储能模块120耦合到第一逆变单元130。更具体而言，电源110和储能模块120的端子（例如正极端和负极端）分别附接到第一逆变单元130的端子。
电源110包括由虚线框所包含的若干装置，包括充电机组111、电网112和发电机113。在一个实施例中，充电机组111包括AC-DC转换电路，以便将来自电网112或发电机113的交流电转换为直流电。在使用中，电网112可为供电网络，并且例如提供交流电。发电机113可为柴油发电机组，并且例如提供交流电。在一个实施例中，柴油发电机组具有110-150KW的额定功率。在一个实施例中，柴油发电机组具有120KW的额定功率。电网112和发电机113中的任何一个可单独向充电机组111供电，也可共同向充电机组111供电。
在一个实施例中，当施工环境具有可用的供电网络时，可采用电网112来向充电机组111供电。当施工地点位于偏远地区且没有可用的供电网络的情况下，可采用诸如柴油发电机组的发电机113来向充电机组111供电。上述供电方式可手动或自动地切换。
储能模块120可包括双向开关121和储能电池包122。双向开关121可为与储能电池包122串联连接。在一个实施例中，双向开关121可为由IGBT、SCR等器件构成的双向开关，以实现电流方向的快速切换。优选地，可采用IGBT构成双向开关。在一个实施例中，储能电池包可为并联在一起的多个混合电容，例如五个并联在一起的混合电容。混合电容例如可包括锂离子混合电容。混合电容设计为使得储能电池包122可实现快速的充电和供电，或者从充电状态快速切换为供电状态。
在一个实施例中，储能模块120还具有保护装置，以便在储能电池包122充满电量之后自动停止充电。
双向开关121可配置为具有至少两种模式。在第一模式中，双向开关121仅允许流向储能电池包122的充电电流通过，使得电源110向储能电池包122充电。在第二模式中，双向开关121仅允许来自储能电池包122的供电电流通过，使得储能电池包122向外供电。容易理解的是，储能电池包122可采用直流电来充电，并且也采用直流电来对外供电。
第一逆变单元130还可配置为将来自电源110和/或储能模块120的电能转换为适于轨道闪光焊的形式并供应至焊接负载200。焊接负载200可为交流闪光焊接负载，也可为直流闪光焊接负载。在一个实施例中，第一逆变单元130可包括DC-AC转换电路，并且可配置为：将直流电转换为单相交流电，并将单相交流电提供至交流闪光焊接负载。在另一个实施例中，第一逆变单元130可向直流焊接负载供电。因此，第一逆变单元130除了能够进行直流-交流的转换外，还需要再将交流电转变成适合直流闪光焊接负载用的中频直流电。此时，第一逆变单元130可包括DC-AC转换电路和整流变压器。例如，来自第一逆变单元130的单相交流电可在箭头A所指示的方向上传输至焊接负载200。焊接负载200例如可为用于轨道闪光焊的闪光焊机，或者称为焊轨机。在一个实施例中，焊接负载可为钢轨闪光焊机。
焊接负载200可装设有传感器140，并且传感器140与控制器150构成电气连接。例如，来自传感器140的感测信号可在虚线箭头B1所指示的方向上从传感器140传输至控制器150。在一个实施例中，传感器140可包括采样电路和滤波电路。采样电路装设到焊接负载200，并且配置为感测焊接负载200上的电路信号，包括但不限于感测电流强度、电压、相位等。滤波电路与采样电路电性连接，并且配置为将来自采样电路的信号进行滤波，以便消除不必要的信号和环境噪音，并且将滤波之后的信号传递至控制器150。根据上述信号，控制器150可获得焊接负载的功率需求，由此控制双向开关在第一模式和第二模式之间切换，使得储能模块相应地在第一状态和第二状态之间切换。
在一个实施例中，控制器150还与电源110相关联，以便获得以下参数中的一个或多个：充电机组111的输出功率、电网112的输出功率、发电机113的输出功率、发电机113的额定功率等。这些信号可传输至控制器150，如虚线箭头B2中指向控制器150的箭头所示。在一个实施例中，控制器150通过电源110内置的电源管理系统来获得上述参数。简而言之，控制器150至少可获得电源的输出功率。此外，控制器150还可选择性地关闭电源110或切断电源110的功率输出，如虚线箭头B2中指向电源110的箭头所示。
在一个实施例中，控制器150还与储能电池包122相关联，以便获得与储能电池包122的电量相关的参数。该信号可在虚线箭头B3所指示的方向上从储能电池包122传输至控制器150。在一个实施例中，控制器150通过储能电池包122内置的电池管理系统来获得上述参数。简而言之，控制器150至少可获得储能模块的电量。
控制器150还配置为：在轨道闪光焊的焊接周期期间，根据以下参数中的一个或多个来操作双向开关121，使得双向开关121在第一模式与第二模式之间切换：焊接负载的功率需求、电源的输出功率、储能模块的电量等。具体的供电操作方法将在下文中详细描述。
在一个实施例中，轨道闪光焊的焊接周期指的是轨道闪光焊中完成一个焊接接头的整个操作周期。典型的焊接周期包括至少闪光阶段、顶锻阶段和保压推瘤阶段。
在一个实施例中，控制器150还配置为可控制充电机组111的启动或关闭，以使得来自充电机组111的电能可以选择性地输出或切断。
图2是用于实施本申请的供电方法的供电系统的另一个实施例的原理图。如图所示，电源110和储能模块120还耦合到第二逆变单元160。第二逆变单元160例如可包括DC-AC转换电路，并且可配置为与第一逆变单元130并联。以此方式，来自电源110和储能模块120的电能都可输送至第一逆变单元130和第二逆变单元160两者。具体的供电操作方式将在下文中详细描述。
第二逆变单元160可配置为将来自电源110和/或储能模块120的电能转换为三相交流电，并提供至用于轨道闪光焊的辅助设备300。该三相交流电可具有例如220伏或380伏的电压。辅助设备300例如可为泵站、冷水机组、空调等。
图3是本申请的供电方法的一个实施例的流程图。在图示的实施例中，至少考虑焊接负载的功率需求来选择供电方式。具体而言，在步骤10中，获取焊接负载的功率需求。在步骤21中，将焊接负载的功率需求与预先确定的功率需求阈值进行比较。在焊接负载的功率需求小于或等于功率需求阈值时，转向步骤101。在焊接负载的功率需求大于功率需求阈值时，转向步骤102。
焊接负载的功率需求可采用上文描述的传感器140来获得。功率需求阈值可根据一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的电能来确定。例如，功率需求阈值可为最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比。功率需求阈值可设定为固定值，也可根据现场实际工况进行调整，并且由控制器150直接调用。例如，在轨道闪光焊的闪光阶段或顶锻阶段需要相对较大的功率，而在其他阶段需要相对较小的功率。预先设定的功率需求阈值可为相对较大的功率与相对较小的功率之间的特定值或特定范围。
在步骤101中，使储能模块120处于第一状态中。也即，双向开关121仅允许流向储能电池包122的充电电流通过，使得电源110向储能电池包122充电。此时，电源110同时向储能模块120和第一逆变单元130供电。因此，步骤101中的状态又称为“边冲边焊”状态，也即下文中所称的第一供电状态。此时，轨道闪光焊所需的功率电能仅由电源110提供。
在步骤102中，使储能模块120处于第二状态中。也即，双向开关121仅允许来自储能电池包122的供电电流通过，使得储能电池包122向外供电。此时，电源110和储能模块120共同向第一逆变单元130供电。因此，步骤102中的状态又称为“双供电”状态，也即下文中所称的第二供电状态。此时，轨道闪光焊所需的电能由电源110和储能模块120共同提供。
在步骤102中，电源110和储能模块120共同供电，可以提供相对较大的功率输出，以满足轨道闪光焊过程中的顶锻阶段以及闪光阶段的一部分时间的能量需求。在步骤101中，电源110向焊接负载200提供相对较小的功率输出，以满足轨道闪光焊过程中除顶锻阶段和闪光阶段之外的其他阶段的能量需求。
图4是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。在图示的实施例中，至少考虑焊接负载的功率需求和电源的输出功率来选择供电方式。具体而言，在步骤10'中，获取焊接负载的功率需求和电源的输出功率。在步骤22中，将电源的输出功率与预先确定的输出功率阈值进行比较。在电源的输出功率小于或等于输出功率阈值时，转向步骤102。步骤102的具体内容与图3所示的实施例是相同的，因此不再赘述。在电源的输出功率大于输出功率阈值时，转向步骤21。步骤21及其后续步骤与图3所示的实施例是相同的，因此不再赘述。
在一个实施例中，电源的输出功率可以以充电机组111的设定功率来表示。例如，充电机组可具有多个输出档位，以便输出不同的功率。在一个实施例中，充电机组是商业地可获得的充电机组，并且带有预设的多个输出档位。
在一个实施例中，预先确定的输出功率阈值可根据一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的电能来确定。例如，可为最大焊接电流所需的功率的第二预定百分比，并且大于或等于焊接负载的功率需求阈值。例如，在高原环境中，柴油发电机组发电机113的输出功率相对较小，因此向充电机组111输送的功率可能无法满足轨道闪光焊的要求。在此情况下，需要在步骤102中使用“双供电”状态或第二供电状态，由电源110和储能模块120共同向第一逆变单元130供电，以确保轨道闪光焊能够完成。输出功率阈值可设置为固定值，并且由控制器150直接调用。
图5是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。在图示的实施例中，至少考虑焊接负载的功率需求和储能模块的电量来选择供电方式。具体而言，在步骤10''中，获取焊接负载的功率需求和储能模块的电量。在步骤23中，将储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较。在储能模块的电量大于电量阈值时，转向步骤103。在储能模块的电量小于电量阈值时，转向步骤21。步骤21及其后续步骤与图3所示的实施例是相同的，因此不再赘述。
储能模块的电量阈值可结合闪光焊焊接过程中产生最大焊接电流所需的电能来确定。例如，储能模块的电量阈值可设置为储能模块能够存储的最大电量的第三预定百分比，如最大电量的30%、60%或80%。储能模块的电量阈值可设定为固定值，并且由控制器150直接调用。在步骤103中，使储能模块120处于第二状态中。也即，双向开关121仅允许来自储能电池包122的供电电流通过，使得储能电池包122向外供电。与此同时，使电源110停止向第一逆变单元130的供电。换言之，电源110不向第一逆变单元130供电。因此，步骤103中的状态又称为“电池供电”状态，也即下文中所称的第三供电状态。
图6是本申请的供电方法的另一个实施例的流程图。在图示的实施例中，至少考虑焊接负载的功率需求、储能模块的电量和电源的输出功率来选择供电方式。具体而言，在步骤10'''中，获取焊接负载的功率需求、储能模块的电量和电源的输出功率。在步骤23中，将储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较。在储能模块的电量大于电量阈值时，转向步骤103。在储能模块的电量小于电量阈值时，转向步骤22。步骤22及其后续步骤与图4所示的实施例是相同的，因此不再赘述。步骤103的具体内容与图5所示的实施例是相同的，因此不再赘述。
以下将以图1所示的实施例为例来说明根据本申请的用于轨道闪光焊的供电方法的供电系统在轨道闪光焊不同阶段期间的各个供电状态。图7至图9示出了供电系统的一个实施例在闪光焊不同阶段的操作过程中的大致电流方向。
图7是图1所示实施例的第一供电状态的电流走向示意图。具体而言，图7描述了图3至图6中步骤101的电流走向。如图7所示，储能模块120处于第一状态下，双向开关121在第一模式下，并且双向开关121仅允许流向储能电池包122的充电电流通过，使得来自电源110的电流的至少一部分成为向储能电池包122进行充电的充电电流。此时，电源110输出电能。来自电源110的电流C1分离为对储能模块120进行充电的电流C11和向第一逆变单元130供电的电流C12。在图7所示的供电状态下，电源110单独供电，能够确保轨道闪光焊处于除顶锻阶段和闪光阶段之外的其他阶段（例如保压推瘤阶段）的电能供应。由于上述供电系统能够在除顶锻阶段和闪光阶段之外的其余阶段进行闪光焊操作的同时利用电源110向储能模块120充电，从而可以使得储能模块120在下一个闪光焊周期中的顶锻阶段或需要大电流的闪光阶段中的时刻能够具有足够的电能来单独提供电能，或与电源110协作来供应电能。也即，像图8或图9中所示的供电状态。这样的供电方法既能够根据轨道闪光焊不同阶段的特点提供所需电能，电能利用效率高，而且还能够节省充电时间，从而加快轨道施工进度。
图8是图1所示实施例的第二供电状态的电流走向示意图。具体而言，图8描述了图3至图6中步骤102的电流走向。如图8所示，此时的储能模块120处于第二状态下，双向开关121处于第二模式下，仅允许来自储能电池包122的供电电流通过。电源110也同时输出电能。此时，储能模块120和电源110共同向第一逆变单元130供电。电流C21从储能模块120出发，电流C1从电源110出发，并且电流C21和电流C1汇聚成电流C2，电流C2流向第一逆变单元130。
因此，在传感器检测到闪光焊处于闪光阶段或顶锻阶段时（此时，焊接负载的功率需求是相对较大的），储能模块120和电源110共同向第一逆变单元130供电，即处于在图8所示的第二供电状态下，从而确保相匹配的电能供应，以完成一个轨道闪光焊焊接接头的焊接周期大概在120-140秒为例，其中的闪光阶段或顶锻阶段所占的时间大概只有20-40秒左右，占总焊接时间的比例非常小，但是功率需求非常大，因此，必须有相匹配的电能供给才能确保焊接接头的质量和焊接过程的顺利完成。在一些实施例中，在图8所示的第二供电状态下，储能模块120的电能低于预先确定的电量阈值。
图9是图1所示实施例的第三供电状态的电流走向示意图。具体而言，图9描述了图5至图6中步骤103的电流走向。如图9所示，储能模块120处于第二状态下，也即，使得双向开关121在第二模式下，并且双向开关121仅允许来自储能电池包122的供电电流通过。同时，电源110停止输出电能，或者切断电源110向第一逆变单元130的电流。此时，储能模块120单独向第一逆变单元130供电。电流C3从储能模块120出发，并且流向第一逆变单元130。在图9所示的状态下，储能模块120具有足够的电量，并且其电量大于预先确定的电量阈值，能够单独确保完成一个轨道闪光焊焊接接头的完整周期中的电能供应。容易理解的是，图7至图9中的各个电流的标号并不代表对应的电流是恒定的或相等的，而是各个电流的强度可根据实际的焊接负载的功率需求而变化。
在一个实施例中，图7所示的状态可用于在轨道建设的抢工期间或电网充电不便的情况下延长焊接负载的工作时间，避免供电系统在储能模块的电量耗尽之后需要若干个小时的时间来重新充电，从而避免影响施工进度。
在使用中，通过采用上文描述的供电方法，供电系统可根据不同的操作条件而在不同的状态之间切换，从而实现了电源输出的更高效的使用，降低了整个系统的电能需求。
尽管上文是结合仅具有第一逆变单元130的实施例来解释根据本申请的供电方法，但容易理解的是，上述方法可相应地改动之后应用于图2中所示的具备第一逆变单元130和第二逆变单元160的实施例。例如，在图7所示的第一供电状态中，电源110还可向第二逆变单元160供电。在图8所示的第二供电状态中，电源110和储能模块120还可共同向第二逆变单元160供电。在图9所示的第三供电状态中，电源110停止向第二逆变单元160供电，或者切断电源110向第二逆变单元160的电流，并且储能模块120可向第二逆变单元160供电。
本申请的用于轨道闪光焊的供电方法基于闪光焊接周期期间的不同阶段对焊接负载提出的周期性变化的能量需求，提供了与之相适应的动态电能供应状态，电能使用效率高、电能供给稳定，可节省大量充电时间，能够实现不停工的焊轨作业，方法简单可靠、使用方便，焊轨作业续航能力强，线路施工速度快，特别适用于在轨道线路抢修期间进行无需停工的持续焊轨作业。。此外，本申请的供电方法基于动态的电能供应状态，能够采用相对较低功率的电源与储能模块组合来进行轨道闪光焊操作，一方面降低了轨道闪光焊的使用成本，另一方面还减少了采用大功率柴油发电机组可能导致的环境污染。例如，本申请的技术方案可采用大约120KW的柴油发电机组。与现有技术的400KW柴油发电机组相比，本申请的相对较小功率的柴油发电机组具备改善的环境油耗性，配合尾气净化装置可以有效地减少尾气的排放，从而降低了环境污染和对工作人员的健康伤害。
在一个实施例中，储能模块由多个储能电池包并联构成，储能模块的设计电量为大于或等于480KWh。例如，在储能模块的设计电量为483.84KWh且完全有效使用的情形下，一次充满电之后，即使单独使用，也可以保证储能模块能焊接不少于60个接头，持续作业时间可为大于15个小时。
在一个实施例中，储能电池包是锂离子混合电容，具有高能量密度和高功率特性，能够满足闪光焊闪光阶段或顶锻阶段（此时，焊接负载的功率需求相对较大）时的短时间大电流的电能功率需求，更有利于电能的稳定供应。
本说明书参考附图来公开本申请，并且还使本领域中的技术人员能够实施本申请，包括制造和使用任何装置或系统、选用合适的材料以及使用任何结合的方法。本申请的范围由请求保护的技术方案限定，并且包含本领域中的技术人员想到的其他实例。只要此类其他实例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他实例应当被认为处于由本申请请求保护的技术方案所确定的保护范围内。
Claims (29)
1.一种用于轨道闪光焊的供电方法，其中，电源和储能模块耦合到第一逆变单元，所述第一逆变单元配置为：将所述电源和/或所述储能模块输出的电能转换为适于轨道闪光焊的形式并提供至焊接负载；
其特征在于，所述供电方法包括：
在轨道闪光焊的焊接周期期间，至少基于所述焊接负载的功率需求，使所述储能模块在第一状态与第二状态之间切换；
其中，在所述第一状态中，所述储能模块由所述电源进行充电；并且
其中，在所述第二状态中，所述储能模块向所述第一逆变单元供电。
2.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，还包括：
将所述焊接负载的功率需求与预先确定的功率需求阈值进行比较；
在所述焊接负载的功率需求小于或等于所述功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第一状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述焊接负载的功率需求大于所述功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电。
3.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，所述功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比。
4.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，进一步基于所述电源的输出功率，使所述储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
5.根据权利要求4所述的供电方法，其特征在于，还包括：
将所述电源的输出功率与预先确定的输出功率阈值进行比较；
在所述电源的输出功率小于或等于所述输出功率阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述电源的输出功率大于所述输出功率阈值、所述焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第一状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述电源的输出功率大于所述输出功率阈值、所述焊接负载的功率需求大于所述功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电。
6.根据权利要求5所述的供电方法，其特征在于，所述功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，所述输出功率阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第二预定百分比，且大于或等于所述功率需求阈值。
7.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，进一步基于所述储能模块的电量，使所述储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
8.根据权利要求7所述的供电方法，其特征在于，还包括：
将所述储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较；
在所述储能模块的电量大于所述电量阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源不向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第一状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求大于所述功率需求阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电。
9.根据权利要求8所述的供电方法，其特征在于，所述功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，并且所述电量阈值是所述储能模块能够存储的最大电量的第三预定百分比。
10.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，进一步基于所述电源的输出功率和所述储能模块的电量，使所述储能模块在第一状态与第二状态之间切换。
11.根据权利要求10所述的供电方法，其特征在于，还包括：
将所述储能模块的电量与预先确定的电量阈值进行比较；
在所述储能模块的电量大于所述电量阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源不向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求小于或等于预先确定的功率需求阈值且所述电源的输出功率大于预先确定的输出功率阈值时，使所述储能模块处于所述第一状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求大于所述功率需求阈值且所述电源的输出功率大于所述输出功率阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求大于所述功率需求阈值且所述电源的输出功率小于或等于所述输出功率阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电；
在所述储能模块的电量小于或等于所述电量阈值、所述焊接负载的功率需求小于或等于所述功率需求阈值且所述电源的输出功率小于或等于所述输出功率阈值时，使所述储能模块处于所述第二状态，并且所述电源向所述第一逆变单元供电。
12.根据权利要求11所述的供电方法，其特征在于，所述功率需求阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第一预定百分比，所述输出功率阈值是一个轨道闪光焊的焊接周期期间产生最大焊接电流所需的功率的第二预定百分比，且大于或等于所述功率需求阈值，并且所述电量阈值是所述储能模块能够存储的最大电量的第三预定百分比。
13.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述储能模块配置为输出直流电；并且
所述电源包括充电机组，所述充电机组与电网和/或发电机成电气连接，并且配置为将来自电网或发电机的交流电转换为直流电。
14.根据权利要求13所述的供电方法，其特征在于，所述电源的输出功率以所述充电机组的设定功率来表示。
15.根据权利要求13所述的供电方法，其特征在于，所述第一逆变单元配置为将直流电转换为适于轨道闪光焊的单相交流电或中频直流电。
16.根据权利要求13所述的供电方法，其特征在于，所述发电机为柴油发电机组，并且具有110KW-150KW的额定功率。
17.根据权利要求16所述的供电方法，其特征在于，所述柴油发电机组具有120KW的额定功率。
18.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述储能模块包括串联连接的双向开关和储能电池包；
其中，所述双向开关配置为：在所述第一状态中，所述双向开关处于第一模式，仅允许流向所述储能电池包的充电电流经过；在所述第二状态中，所述双向开关处于第二模式，仅允许来自所述储能电池包的供电电流经过。
19.根据权利要求18所述的供电方法，其特征在于，所述双向开关包括IGBT或SCR。
20.根据权利要求18所述的供电方法，其特征在于，通过传感器获取所述焊接负载的功率需求，且/或从所述电源获取电源的输出功率，且/或从所述储能电池包获取储能模块的电量。
21.根据权利要求20所述的供电方法，其特征在于，所述传感器包括：装设到所述焊接负载的采样电路、与所述采样电路电性连接的滤波电路。
22.根据权利要求20所述的供电方法，其特征在于，还包括控制器，所述控制器接收所述传感器传送的信息，获取所述焊接负载的功率需求、所述电源的输出功率和/或所述储能模块的电量，由此控制所述双向开关在所述第一模式与所述第二模式之间切换。
23.根据权利要求18所述的供电方法，其特征在于，所述储能电池包采用锂离子混合电容。
24.根据权利要求18所述的供电方法，其特征在于，所述储能电池包的设计电能容量为大于或等于480KWh。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的供电方法，其特征在于，所述焊接负载包括钢轨闪光焊机。
26.根据权利要求1-6中任一项所述的供电方法，其特征在于，所述电源和所述储能模块还耦合到第二逆变单元；
其中，所述第二逆变单元配置为：将所述电源和/或所述储能模块输出的电能转换为适于用于轨道闪光焊的辅助设备的形式，并提供至用于轨道闪光焊的辅助设备；
所述电源还向所述第二逆变单元供电；并且
其中，在所述第二状态中，所述储能模块还向所述第二逆变单元供电。
27.根据权利要求26所述的供电方法，其特征在于，所述第二逆变单元配置为将直流电转换为适于辅助设备的三相交流电，所述辅助设备包括泵站、冷水机组、空调。
28.根据权利要求8或11所述的供电方法，其特征在于，所述电源和所述储能模块还耦合到第二逆变单元；
其中，所述第二逆变单元配置为：将所述电源和/或所述储能模块输出的电能转换为适于用于轨道闪光焊的辅助设备的形式，并提供至用于轨道闪光焊的辅助设备；
所述电源还向所述第二逆变单元供电；
其中，在所述第二状态中，所述储能模块还向所述第二逆变单元供电；并且
在所述储能模块的电量大于所述电量阈值时，所述电源不向所述第二逆变单元供电。
29.根据权利要求28所述的供电方法，其特征在于，所述第二逆变单元配置为将直流电转换为适于辅助设备的三相交流电，所述辅助设备包括泵站、冷水机组、空调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 213011 No.99, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant after: Changzhou CRRC Ruitai Equipment Technology Co.,Ltd. Applicant after: CRRC QISHUYAN INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: 3TH ENGINEERING CO., LTD. OF CHINA RAILWAY CONSTRUCTION 11TH BUREAU Group Address before: 213011 No.99, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant before: CHANGZHOU RUITAI ENGINEERING MACHINERY Co.,Ltd. Applicant before: CRRC QISHUYAN INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: 3TH ENGINEERING CO., LTD. OF CHINA RAILWAY CONSTRUCTION 11TH BUREAU Group |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 213011 No.99, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Changzhou CRRC Ruitai Equipment Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Patentee after: CRRC Qishuyan Locomotive and Rolling Stock Technology Research Institute Co.,Ltd. Patentee after: 3TH ENGINEERING CO., LTD. OF CHINA RAILWAY CONSTRUCTION 11TH BUREAU Group Address before: 213011 No.99, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee before: Changzhou CRRC Ruitai Equipment Technology Co.,Ltd. Country or region before: China Patentee before: CRRC QISHUYAN INSTITUTE Co.,Ltd. Patentee before: 3TH ENGINEERING CO., LTD. OF CHINA RAILWAY CONSTRUCTION 11TH BUREAU Group |
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| CP03 | Change of name, title or address |