大功率儲能式鋼軌閃光焊電源的研制

陳懷 夏梁志 陶啟明

摘要：針對鋼軌閃光焊機柴油發(fā)電機組在焊接過程中排放黑煙、污染環(huán)境等問題，研制了大功率儲能式鋼軌閃光焊電源。該電源具有輸出能力強大、無有害氣體排放、無噪音、供電平穩(wěn)、操作簡單和快速啟動的特點，適用于移動式鋼軌焊接供電要求。該電源的應(yīng)用能極大地改善操作人員工作環(huán)境，同時實現(xiàn)了柴油發(fā)電機組在焊接過程中對環(huán)境的零污染。

關(guān)鍵詞：鋼軌;電源;儲能供電裝置;閃光焊接

0? ? 前言

目前我國無縫鐵路的軌道焊接主要采用閃光焊技術(shù)，約占無縫鐵路接頭總數(shù)的87%[1]。現(xiàn)有移動式交流鋼軌焊機均采用三相柴油發(fā)電機組三相取兩相作為單相電源向焊機主電路供電。由于焊機負載具有電壓、電流、功率因數(shù)變化劇烈，諧波分量較大并伴有瞬時短路情況的特點，柴油發(fā)電機組頻繁出現(xiàn)劇烈的負載變化，過載及三相負載的嚴重不平衡造成柴油機組發(fā)生敲杠、冒黑煙、噪聲增大、壽命縮短、CO/NO2等有毒氣體排放量增加，不僅嚴重污染環(huán)境，更使得操作人員的工作環(huán)境變得惡劣[2]。

為解決柴油發(fā)電機組污染環(huán)境、過載和功率輸出不穩(wěn)定等問題，設(shè)計出一種大功率儲能式鋼軌閃光焊電源，對節(jié)能環(huán)保、提高焊接可靠性、改善施工人員工作環(huán)境有積極的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼軌閃光焊負載特點為瞬時脈動電流及功率較大，要求供電電源具有高能量密度及高功率密度的特點。鋰電池能量密度高但功率密度低，滿足長時間焊接提供大容量儲能的要求，但在焊接過程中，電池組不能滿足鋼軌閃光焊瞬時電流和大輸出功率的要求，且頻繁的電流變化對電池壽命有不利影響。超級電容功率密度高但能量密度低，滿足鋼軌閃光焊時瞬間大功率需求，但由于能量密度低無法單獨制作鋼軌閃光焊電源[3]。因此，鋰電池、超級電容難以作為單一能源在不影響自身壽命前提下，同時滿足能量與功率的需求[4]。文中將兩者優(yōu)勢互補，采用電池—超級電容復(fù)合能源為焊機供電[5]。

電池—超級電容復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常分為串聯(lián)和并聯(lián)形式[6]。在串聯(lián)形式中，如圖1a所示，直接將電池與超級電容串聯(lián)，通過控制超級電容參與功率輸出，此形式結(jié)構(gòu)簡單且易于控制，但系統(tǒng)對抗沖擊電流的能力不強，并缺乏對電池組的保護;而電池組與超級電容組的并聯(lián)形式，由于結(jié)構(gòu)形式靈活，可有效減少瞬時大功率對電池組的沖擊[7]。

基于鋼軌閃光焊的瞬時脈動電流及大功率，為延長電池壽命并為焊接提供瞬時脈動大功率且響應(yīng)速度快，選擇超級電容通過DC/DC轉(zhuǎn)換器與電池并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1b所示。此結(jié)構(gòu)中，電池組負責為超級電容組充電，超級電容組負責完成功率輸出進行鋼軌焊接，電池組不參與功率輸出。超級電容組壽命長，瞬時輸出功率大，能夠滿足閃光焊瞬時功率需求。

1.2 系統(tǒng)容量測算

閃光焊機工作一班為8～10 h，總計焊接40個焊頭，一次焊接所需電量為3 kWh，總消耗120 kWh。超級電容充電效率90%，放電效率90%，實際焊接所需總電量為150 kWh;焊接輔助系統(tǒng)工作10 h，工作總消耗為80 kWh。

系統(tǒng)預(yù)留50 kWh作為緊急備用，整個系統(tǒng)總電量合計為280 kWh。電池電梯容量90 Ah，設(shè)計電池柜存儲能量311 kWh。

1.3 超級電容組設(shè)計

滿足一次焊接總消耗電量，超級電容單體為48 V/165 F，考慮系統(tǒng)冗余電量，采用10串10并的成組方式。系統(tǒng)額定電壓480 V，設(shè)計截止電壓為240 V，系統(tǒng)以電流385 A可以連續(xù)放電120 s。具體參數(shù)如表1所示。

2 系統(tǒng)基本原理

2.1 DC/DC轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計

DC/DC轉(zhuǎn)換器即直流轉(zhuǎn)換器，是將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的功率單元。將超級電容升壓至額定電壓460 V的直流母線電壓，為單相逆變器供電;電流雙向可逆，當焊機未進行焊接時，DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠快速利用電池組的儲能為超級電容組充滿電，以供下次焊接時使用。DC/DC轉(zhuǎn)換器采用非隔離型雙向半橋式Buck-Boost，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙向半橋式Buck-Boost在可靠性、體積、質(zhì)量以及轉(zhuǎn)換效率并聯(lián)特性上都優(yōu)于其他變換形式，因此作為本電源選定方案 [8]。

測算出低壓側(cè)最大直流電流1 500 A。工作頻率2 kHz，為抑制低壓側(cè)高頻載波，采用多重化方案，電路如圖3所示。

2.2 基本原理

大功率儲能供電裝置采用由儲能元件（電池組和超級電容組）和電力電子組成的逆變裝置構(gòu)成的蓄電池供電系統(tǒng)，主要由電池儲能模組、超級電容儲能模組、多重化DC/DC模塊和逆變器模塊組成。儲能裝置主要實現(xiàn)能量的儲存和釋放，逆變裝置主要將儲能裝置儲存的直流電轉(zhuǎn)換成移動式閃光焊機所需要的單相交流電及輔助設(shè)備需要的三相電。

大功率儲能供電裝置電路圖結(jié)構(gòu)框如圖4所以。設(shè)計直流斷路器KM1，控制超級電容充放電，直流斷路器KM2控制電池組給超級電容組充電，避免電池組直接參與能量輸出，延長電池組壽命。系統(tǒng)檢測鋼軌閃光焊機工作狀態(tài)。當焊機進行焊接時，直流斷路器KM2斷開，KM1閉合，電池組通過逆變器模塊只向焊機輔助設(shè)備提供三相380 V供電，DC/DC轉(zhuǎn)換器切換為正向Boost升壓電路，超級電容組通過DC/DC變壓穩(wěn)壓電路，保持恒定電壓輸出至單相逆變器模塊，為焊機提供穩(wěn)定的單相380 V交流電壓，向焊機供電，以滿足焊接時所需瞬時脈動大功率;當焊機停止焊接時，直流斷路器KM1、KM2閉合，DC/DC轉(zhuǎn)換器切換為反向Buck降壓電路，電池組通過DC/DC轉(zhuǎn)換器降壓電路，將超級電容組充電至460 V，為下次焊接準備。

2.3? ?焊接應(yīng)用

電源系統(tǒng)已成功用于鋼軌閃光焊接，焊接曲線見圖5，焊接過程無氣體排放，電源部分無噪聲。調(diào)整焊接參數(shù)后進行焊接，對鋼軌進行落錘試驗（高度3.2 m，兩錘不斷，連續(xù)15根不斷），拉伸、沖擊、疲勞等結(jié)果均符合TB/T1632.2-2014要求，焊接質(zhì)量合格。

3 結(jié)論

為了消除柴油發(fā)電機組存在環(huán)境污染及輸出不穩(wěn)定的缺點，文中采用純電儲能供電驅(qū)動技術(shù)以及鋰電池和超級電容技術(shù)，研制了新型的大功率儲能供電裝置驅(qū)動的移動式鋼軌閃光焊電源，所研制電源具有以下特點：（1）電源采用超級電容通過DC/DC轉(zhuǎn)換器與電池并聯(lián)，電池組為超級電容充電，超級電容負責功率輸出，不直接參與功率輸出，滿足鋼軌閃光焊要求;（2）電源采用多重化雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，電池組快速為超級電容組充電，更高的轉(zhuǎn)換效率和更快的響應(yīng)速度，保證焊接工藝參數(shù)準確，提高鋼軌閃光焊接的可靠性;（3）本電源已成功應(yīng)用于鋼軌閃光焊，焊接過程無污染排放、無噪音、功率輸出穩(wěn)定，極大地改善了操作人員工作環(huán)境等;（4）可提高能源利用效率，促進可再生能源發(fā)展和節(jié)能減排，具有良好的社會效應(yīng)。為節(jié)能環(huán)保、保證焊接質(zhì)量提供了一種新的解決方案。

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