一种新型工务宿营车电源系统的制作方法

1.本发明涉及铁路宿营车供电系统技术领域，具体而言，涉及一种新型工务宿营车电源系统。


背景技术：

2.就目前而言，铁路单位通常采用以受电弓直接从接触网取电的供电模式，为工务宿营车的用电设备进行供电，保证铁路作业人员的休息质量。然而，这种供电方式仍然存在以下问题：1、不具备在高海拔、高寒、高热地带使用的性能，且操作较为繁琐，升弓、降弓、断路器通断全部需在操作室内进行，如此时发生故障不能快速进行处理，给行车安全带来隐患；2、由于接触网存在网压波动大、谐波严重、高频尖峰等问题，现有供电系统存在频繁保护停机、严重时甚至损坏用电设备的问题。基于此，针对上述问题，我们设计了一种新型工务宿营车电源系统。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种新型工务宿营车电源系统，其用于解决上述技术问题。
4.本发明的实施例通过以下技术方案实现：
5.一种新型工务宿营车电源系统，包括：受电弓取电装置、隔离变压器装置、智能电源控制装置、电源供配电箱、输出端、直流开关电源、升降弓控制单元、空气压缩机；受电弓取电装置、隔离变压器装置、智能电源控制装置、电源供配电箱、直流开关电源、升降弓控制单元、空气压缩机依次连接，空气压缩机与受电弓取电装置连接，电源供配电箱与输出端连接；
6.其中，智能电源控制装置包括：多重削峰网络及瞬态抑制单元、整流滤波削波网络、设定规模软开关电源、智能控制器；多重削峰网络及瞬态抑制单元、整流滤波削波网络、设定规模软开关电源依次连接，多重削峰网络及瞬态抑制单元、整流滤波削波网络、设定规模软开关电源分别与智能控制器连接，多重削峰网络及瞬态抑制单元与隔离变压器装置连接，设定规模软开关电源与电源供配电箱连接；
7.多重削峰网络及瞬态抑制单元，用以消除峰值干扰电压以及多次谐波；
8.整流滤波削波网络，用以将交流转为直流，并进一步消除峰值干扰电压。
9.可选的，受电弓包括：电源端、电源变换单元、蓄电池、电控阀、受电弓、升弓继电器、保护继电器、升弓按钮、降弓按钮；电源端分别与电源变换单元、升弓继电器的常开端1k1、升弓继电器的常开端2k1、升弓按钮连接，蓄电池与电源变换单元连接，电源变换单元、空气压缩机、电控阀、受电弓依次连接，升弓继电器的公共端2k0与电控阀连接，升弓继电器的公共端1k0分别与升弓按钮与降弓按钮连接，降弓按钮与保护继电器连接，保护继电器与升弓继电器连接，电控阀、升弓继电器分别接地。
10.可选的，隔离变压器装置包括：单相降压隔离变压器、第一设定避雷器、第二设定
避雷器、铁轨；受电弓取电装置、单相降压隔离变压器、智能电源控制装置依次连接，单相降压隔离变压器分别与第一设定避雷器、第二设定避雷器连接，第一设定避雷器、第二设定避雷器分别与铁轨连接，铁轨接地。
11.可选的，设定规模软开关电源包括pwm模块和spwm模块，其中，pwm模块包括：运放电路及采样、脉宽调制电路、igbt推动电路、igbt输出电路、采样变换电路、电压电流反馈电路、控制电源电路、过流过压过温保护电路及故障显示电路、第一电源、第二电源、第三电源；第一电源、第二电源、第三电源分别与控制电源电路连接，控制电源电路分别与运放电路及采样、脉宽调制电路、igbt推动电路、igbt输出电路、电压电流反馈电路、过流过压过温保护电路及故障显示电路连接，运放电路及采样、脉宽调制电路、igbt推动电路、igbt输出电路依次连接，igbt输出电路分别与电压电流反馈电路、过流过压过温保护电路及故障显示电路连接，过流过压过温保护电路及故障显示电路分别与脉宽调制电路、igbt推动电路连接，电压电流反馈电路、采样变换电路、运放电路及采样依次连接。
12.可选的，spwm模块包括：dsp、电源电路、ram、复位电路、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路；电源电路分别与dsp、ram、复位电路、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路连接，ram、复位电路、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路分别与dsp连接。
13.可选的，spwm模块内预设有载波频率计算公式：
[0014][0015]
其中，n为周期寄存器的时间常数，t
p
为计时器时的周期，k为系数1或2。
[0016]
可选的，隔离变压器装置、智能电源控制装置之间，智能电源控制装置、电源供配电箱之间均设置有开关。
[0017]
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
[0018]
(1)本实施例采用电力机车专用受电弓系统，具有完善的压力控制保护装置，当出现压力低于设定值时，会自动先断开高压主断路器，再降下受电弓，不会造成受电弓带负荷降弓引起拉弧烧蚀；
[0019]
(2)本实施例设置独立的高压室，并设置隔断门，正常操作均在低压侧进行操作。当需要进入高压室时，需打开高压室隔断门，电源系统设置门连锁信号，当开启高压室隔断门时自动降下受电弓，保障操作人员人身安全；
[0020]
(3)本实施例设计功率一般在300kva左右。从接触网25kv取流约为12a,此电流远远小于机车牵引电流，对接触网影响较小。同时电源系统配置有完善的过流、短路保护装置，在出现大电流时先断开负载、再断开高压主断路器，最后降下受电弓，保障不会对接触网造成大电流烧蚀；
[0021]
(4)本实施例具有输入过压、欠压、过流；输出短路、过压、过流；系统过温等保护功能，充分保障供电系统的安全可靠运行；
[0022]
(5)本实施例集装箱式外壳采用多点接地，保障接地安全可靠，并设置接地检测电路，未接地时不能进行升弓操作，保障设备、人员安全；
[0023]
(6)本实施例具有接触网无电自动降弓功能，保障不会通过电源系统对接触网返送电。
附图说明
[0024]
图1为本发明提供的一种新型工务宿营车电源系统的总体原理示意图；
[0025]
图2为本发明提供的受电弓控制电路原理图；
[0026]
图3为本发明提供的隔离变压器装置的原理图；
[0027]
图4为本发明提供的智能电源控制装置的原理示意图；
[0028]
图5为本发明提供的整流滤波削波网络的工作原理示意图；
[0029]
图6为本发明提供的pwm模块主回路及控制回路结构示意图；
[0030]
图7为本发明提供的pwm控制回路的工作原理示意图；
[0031]
图8为本发明提供的spwm模块主回路及控制回路示意图；
[0032]
图9为本发明提供的spwm控制回路的工作原理示意图；
[0033]
图10为本发明提供的载波的规则采样法示意图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0035]
如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种新型工务宿营车电源系统，包括：受电弓取电装置、隔离变压器装置、智能电源控制装置、电源供配电箱、输出端、直流开关电源、升降弓控制单元、空气压缩机；受电弓取电装置、隔离变压器装置、智能电源控制装置、电源供配电箱、直流开关电源、升降弓控制单元、空气压缩机依次连接，空气压缩机与受电弓取电装置连接，电源供配电箱与输出端连接。
[0036]
如图2所示，在本实施例中，受电弓取电装置作为接触网取流单元中的必要设备，是接通与断开接触网与供电装置的电源开关。其控制单元是保证供电装置能够从接触网平稳、安全取流的关键部件，且在设备过载、短路、受电弓失压等异常状态时保证供电装置能够自动降下受电弓，保护接触网与供电装置不受到危害。
[0037]
在升弓状态下，当监测电路侦测到负载发生过载、短路以及受电弓失压状态时，保护继电器动作，保护继电器常闭触点打开，升弓继电器失电，2k0常开触点断开，电控阀失电，受电弓风缸失压，风缸弹簧张开，压缩升弓弹簧，带动受电弓自动降落，以保障线路及设备安全。
[0038]
如图3所示，隔离变压器装置主要由单相降压隔离变压器、高压避雷器、低压避雷器组成，实现接触网25kv高压变换为850v低压。单相降压隔离变压器的高压侧按35kv电压等级并按防雷节能型进行设计，低压馈电部分采用机车专用电缆进线并按规程设置输入输出部分的低压避雷装置，以利于防雷，其中，所述的高压避雷器即为第一设定避雷器，所述的低压避雷器即为第二设定避雷器。
[0039]
如图4所示，智能电源控制装置是整个电源系统的核心部分，运用电力电子技术、通过多级防雷保护、多重削波、削峰、抗干扰处理，将接触网电源的多次谐波、高频尖峰全部滤除，采用采样速度及动态响应速度成几何级数提升的dsp控制器，运用双重pwm脉宽调制、双闭环反馈电路实现快速动态响应，使整机保护特性及输出电压的稳压范围和精度大为提
高。而采用超大功率软开关技术结合dsp实时控制软件的spwm正弦脉宽调制技术使接触网电源的高频尖峰、多次谐波、电压宽幅波动等问题得到解决。
[0040]
在本实施例中，供电流程为：单相降压隔离变压器
→
电源多重削峰网络及瞬态抑制单元(多重削峰网络及瞬态抑制单元)
→
电源整流滤波削波网络(整流滤波削波网络)
→
运用dsp实时软件技术控制的超大规模高频软开关电源(设定规模软开关电源)
→
输出隔离变压器
→
输出配电
→
用电设备。
[0041]
其中，多重削峰网络及瞬态抑制单元：消除接触网峰值干扰电压及多次谐波。接触网电源具很高的可靠性，但其品质恶劣，峰值及谐波严重。多重削峰网络和瞬态抑制单元将接触网降压后的电源进行预处理，将高频尖峰滤除，避免逆变单元受到干扰。
[0042]
如图5所示，整流滤波削波网络：将交流变成直流并进一步采用滤波网络消除峰值干扰电压。整流滤波削波网络首先将交流电源整流成直流电源，再将不稳定直流电源通过pwm电路最终输出dc600v稳定的直流电源。
[0043]
设定规模软开关电源：主要包括pwm模块和spwm模块两部分。
[0044]
如图6、图7所示，pwm模块采用模拟控制技术，用电流、电压霍尔传感器进行采样变换后，通过经典的自动控制调节理论
‑‑‑
双闭环控制(电流内环电压外环控制)，大大的提高了电源的动态品质，快速实现pwm电压输出的稳定性，在开关频率10khz时，在一个周波0.02秒时间内，就有200个等高等边的矩形脉冲；在igbt控制极上加上不同宽度的控制脉冲，就可以控制igbt管不同的通、断时间，把直流电压切断成不同宽度的脉冲，实现斩波输出。用调节和改变脉冲的宽度
‑‑‑
脉宽调制的方法就可以改变输出电压的大小。当外来电压增大时，控制脉冲快速变窄；当外来电压减小时，控制脉冲变宽，从而保证输出电压的稳定。
[0045]
在pwm直流输出电压过压时，用霍尔电压传感器，输出的反馈电压经控制保护电路，快速发出保护脉冲，同时封锁脉冲调制电路和igbt推动电路。在pwm直流输出电流过流时，采用电流霍尔传感器，输出的反馈电流首先输出电流截止信号控制运算放大电路，使电流控制在允许范围内。当发生截止电流环节失效时，采用过流信号，快速发出保护脉冲，同时封锁脉冲调制电路和igbt推动电路，作为后备保护。
[0046]
另外，在本实施例中，pwm模块还包括有峰值保护环节(用检测igbt的管压降作为检测信号，当管压降过高时，直接采用igbt推动极内设的保护电路，快速关闭igbt的控制脉冲)、过温保护环节(利用温度传感开关元件，检测igbt模块与散热器接触最近端的边缘温度，达75℃时，关闭“给定电压”，停止pwm工作)、过流过压显示环节。
[0047]
如图8、图9所示，spwm模块：采用三相正弦波脉宽调制电路采用三相桥式电路，比单相多用一个桥臂(6支igbt模块)，采用dsp实时控制软件生成清洁三相正弦波电源，向交流50hz电源负载供电。采用全桥单极性倍频调制方式，调制用spwm控制信号由dsp产生的信号控制。调制方式可以有多种方式，总体来看采用全桥单极性倍频调制方式能达到开关损耗低、谐波分量小、实现方便可靠、占用dsp资源少等优点。
[0048]
在本实施例中，spwm模块的单极性调制实现原理如下：ur，为调制波，uc为载波，在调制波ur与载波uc的交点时刻控制各功率管v1～v4的通断。在输出电压uo正半周，让v4保持通态，v3保持断态，v1与v2交替通断，即当ur，》uc时，v1导通，v2截止；当ur《uc时，v2导通，v1截止，uo可以得到e与零两种电平。同样在uo负半周，让v2保持通态，v1保持断态，当uc》ur时，v3导通，v4截止；当uc《ur时，v4导通，v3截止，uo就得到-e与零两种电平。
[0049]
单极性调制具体是两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另两个功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频(载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而下个半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。每个脉冲的中点都与相应的三角波谷点对应，在三角波的零峰时刻t。对正弦调制波采样得到d点，过d点作水平直线与二角波分别交于a点与b点，在a点与b点控制功率器件的通断。
[0050]
如图10所示，第k个脉冲的脉宽表示为：
[0051][0052]
其中，m为调制比，θk为第k个脉冲的中心相角，n为载波比，θ
lk
为第k个脉冲的起始相位角，θ
rk
为第k个脉冲的终止相位角。
[0053]
在本实施例中，采用两个相位相反的而幅值相等的三角波与一正弦波相比较，得到两个二阶spwm波，使两个二阶spwm波相减，就可得到三阶spwm波。三阶spwm波的脉冲数比二阶spwm波增加一倍，相当于将三角载波进行全波整流后再由正弦波进行调制的波形。单极性倍频调制方式的特点是输出的spwm波的脉动频率是单极性的两倍，与单极性相比，其开关频率在“实效上”增加了一倍，但四个功率管均以较高开关频率工作，开关管损耗与双极性相同，因此得到了更理想的正弦输出电压波形。
[0054]
每个脉冲的中点都与相应的三角波中点对称，在三角波uo的负峰时刻te对正弦调制波采样得到e点，过e点作水平直线与uo分别于a点与b点，在a点与b点控制功率器件的通断。与-uo分别交于c点与d点，在c点与d点控制功率器件的通断。
[0055]
可以得到第k个脉冲的脉宽：
[0056][0057][0058]
在本实施例中，利用dspic控制其的ev(事件管理)模块中的全比较单元，可以产生spwm波形。设置定时器tl工作方式为连续增减计数模式，在这种计数模式下，计数器的周期是载波周期的二分之一，在tl不断计数的同时，全比较单元也随时将比较寄存器cmprx(＝xl，2，3)的值与计数器的值进行比较，当数值匹配的时候，pwm信号产生翻转，在t1向上和向下计数的时候，数值匹配分别发生一次，即在一个周期内翻转两次，产生对称的pwm信号。
[0059]
载波的频率(开关频率)由定时器的定时周期和计数模式决定，具体的公式如下:
[0060][0061]
其中，n为周期寄存器的时间常数，t
p
为计时器时的周期，k为系数1或2，k在连续增/减计数模式时取2，而在连续增计数模式时取1。
[0062]
在本实施例中，智能控制器主要具有两个功能。一是实时监测电源各子系统工作状态，同时在系统发生过载、短路、过压、欠压、过温等故障时，及时执行保护机制，保证电源可靠、安全的输出；二是可以实现远程实时监测和控制功能。
[0063]
综上所述，本实施例采用电力机车专用受电弓系统，具有完善的压力控制保护装置，当出现压力低于设定值时，会自动先断开高压主断路器，再降下受电弓，不会造成受电弓带负荷降弓引起拉弧烧蚀。
[0064]
本实施例设置独立的高压室，并设置隔断门，正常操作均在低压侧进行操作。当需要进入高压室时，需打开高压室隔断门，电源系统设置门连锁信号，当开启高压室隔断门时自动降下受电弓，保障操作人员人身安全。
[0065]
本实施例设计功率一般在300kva左右。从接触网25kv取流约为12a,此电流远远小于机车牵引电流，对接触网影响较小。同时电源系统配置有完善的过流、短路保护装置，在出现大电流时先断开负载、再断开高压主断路器，最后降下受电弓，保障不会对接触网造成大电流烧蚀。
[0066]
本实施例具有输入过压、欠压、过流；输出短路、过压、过流；系统过温等保护功能，充分保障供电系统的安全可靠运行。
[0067]
本实施例集装箱式外壳采用多点接地，保障接地安全可靠，并设置接地检测电路，未接地时不能进行升弓操作，保障设备、人员安全。
[0068]
本实施例具有接触网无电自动降弓功能，保障不会通过电源系统对接触网返送电。
[0069]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。