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電機組在焊接過程中排放黑煙、污染環境等問題，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、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。該電源的應用能極大地改善操作人員工作環境，同時實現了柴油發電機組在焊接過程中對環境的零污染。

關鍵詞：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，約占無縫鐵路接頭總數的87%[1]?，F有移動式交流鋼軌焊機均采用三相柴油發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，柴油發電機組頻繁出現劇烈的負載變化，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，不僅嚴重污染環境，更使得操作人員的工作環境變得惡劣[2]。

為解決柴油發電機組污染環境、過載和功率輸出不穩定等問題，設計出一種大功率儲能式鋼軌閃光焊電源，對節能環保、提高焊接可靠性、改善施工人員工作環境有積極的意義。

1 系統設計

1.1 電源結構設計

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]。文中將兩者優勢互補，采用電池—超級電容復合能源為焊機供電[5]。

電池—超級電容復合系統結構通常分為串聯和并聯形式[6]。在串聯形式中，如圖1a所示，直接將電池與超級電容串聯，通過控制超級電容參與功率輸出，此形式結構簡單且易于控制，但系統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形式，由于結構形式靈活，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速度快，選擇超級電容通過DC/DC轉換器與電池并聯結構，其拓撲結構如圖1b所示。此結構中，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;焊接輔助系統工作10 h，工作總消耗為80 kWh。

系統預留50 kWh作為緊急備用，整個系統總電量合計為280 kWh。電池電梯容量90 Ah，設計電池柜存儲能量311 kWh。

1.3 超級電容組設計

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

2 系統基本原理

2.1 DC/DC轉換器原理及設計

DC/DC轉換器即直流轉換器，是將一種直流電壓轉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轉換器采用非隔離型雙向半橋式Buck-Boost，其拓撲結構如圖2所示。雙向半橋式Buck-Boost在可靠性、體積、質量以及轉換效率并聯特性上都優于其他變換形式，因此作為本電源選定方案 [8]。

測算出低壓側最大直流電流1 500 A。工作頻率2 kHz，為抑制低壓側高頻載波，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成的蓄電池供電系統，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換成移動式閃光焊機所需要的單相交流電及輔助設備需要的三相電。

大功率儲能供電裝置電路圖結構框如圖4所以。設計直流斷路器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。系統檢測鋼軌閃光焊機工作狀態。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備提供三相380 V供電，DC/DC轉換器切換為正向Boost升壓電路，超級電容組通過DC/DC變壓穩壓電路，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轉換器切換為反向Buck降壓電路，電池組通過DC/DC轉換器降壓電路，將超級電容組充電至460 V，為下次焊接準備。

2.3? ?焊接應用

電源系統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。調整焊接參數后進行焊接，對鋼軌進行落錘試驗（高度3.2 m，兩錘不斷，連續15根不斷），拉伸、沖擊、疲勞等結果均符合TB/T1632.2-2014要求，焊接質量合格。

3 結論

為了消除柴油發電機組存在環境污染及輸出不穩定的缺點，文中采用純電儲能供電驅動技術以及鋰電池和超級電容技術，研制了新型的大功率儲能供電裝置驅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轉換器與電池并聯，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轉換器，電池組快速為超級電容組充電，更高的轉換效率和更快的響應速度，保證焊接工藝參數準確，提高鋼軌閃光焊接的可靠性;（3）本電源已成功應用于鋼軌閃光焊，焊接過程無污染排放、無噪音、功率輸出穩定，極大地改善了操作人員工作環境等;（4）可提高能源利用效率，促進可再生能源發展和節能減排，具有良好的社會效應。為節能環保、保證焊接質量提供了一種新的解決方案。

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