鐵路信號高精度寬幅穩壓電源系統的製作方法

2024-03-07 01:18:15

本發明涉及鐵路電源供電領域，具體是指一種鐵路信號高精度寬幅穩壓電源系統。
背景技術：
：鐵路供電是鐵路能夠安全平穩運行的核心之一，既有的鐵路供電電源系統存在的許多缺陷，主要有以下問題：1、供電方式的重大缺陷；(1)假雙電源的問題：目前鐵路信號用電設備均要求兩路甚至兩路以上的外電保證，而各路不同用途的貫通、自閉線所接的地方外電，時常會因為各種原因，僅僅是來自同一發電點輸出的不同供電迴路，因此事實上形成鐵路外電在一些區域存在假兩路外電的情況；(2)接觸網熱備電源品質不能滿足要求的問題：在所有鐵路所接入的外電當中，接觸網電源是唯一的絕對實現兩路獨立電源保證的電源，換言之，接觸網電源也是所有鐵路接入電源中可靠性最高的電源。但是，由於其接入品質的低下，特別是幾十年來始終沒有解決其品質穩定優化的技術難題，因此在將其作為熱備電源投入使用時，時常會造成行車設備故障，給行車安全帶來隱患；具有最高外電可靠性的接觸網電源若不能很好的使用，則只有依賴可靠性相對較低的貫通線作為主供電源，為了彌補貫通線自身可靠性的不足，於是又不得不視行車要求，花費巨資建設第二條、乃至第三條貫通線；因此解決接觸網電源品質優化的核心技術問題，成為十分重要而迫切的任務。2、既有信號電源處理系統存在的技術缺陷；(1)技術的缺陷造成處理品質的不足：目前，鐵路信號對輸入電源的處理多採用電磁諧振穩壓器、參數穩壓器等設備，這種穩壓器的穩壓範圍最多只能做到±15％，不僅不能滿足對外電惡劣品質的優化處理，即便是對貫通線相對較好的電源處理也不能做到完全可靠；當電網電壓穩定性低於15％時，對電源電壓要求較高的信號電源而言，其信號電源屏均不能正常工作，25Hz電源屏分頻器也將停振。(2)切換方式的落後造成設備安全隱患；當Ⅰ路電源停電後，Ⅱ路電源通過H橋對負載進行供電，由於交流接觸器的動作屬於有接點的動作，接點在進行開閉的過程中，不可避免地會產生火花和磨損，極易引起接點接觸不良、發熱燒壞從而導致供電中斷；由此隱患所引發的站用電源的供電停電故障是非常常見的，儘管按規程規定，定期對接觸器進行檢修和更換可以緩解這一情況，卻也無法從實質上解決此問題。(3)切換時間和前後相位控制技術的落後；當Ⅰ路電源檢修或故障停電時，需要由Ⅱ路電源供電；當Ⅰ路電源恢復供電後，又需要將Ⅱ路電源供電轉換為Ⅰ路電源供電；現有的電源處理裝置在轉換過程當中，將出現150ms的供電間斷，還會出現前後兩路電源在接續點上的相位不一的情況，極易影響信號通訊設備的正常接續；多年來行車過程中因此而造成的紅光帶甚至信聯閉停用、以及通訊等設備發生故障長期困擾著鐵路部門，極大的影響了鐵路的安全。(4)輸入三相電源斷相將導致後級電源屏設備不能正常工作的缺陷；在施工或其他原因導致供入信號機械室三相電源在發生單相斷相時，後級信號電源屏的電壓降低，而由於後級信號電源屏電壓過低很可能導致設備不能正常工作，進而危及了行車的安全。(5)切換相序的不可控可能導致設備和行車的重大隱患：類似提速道岔這樣的用電設備，其所需三相電源其相序在Ⅰ路、Ⅱ路電源進行交換的前後應保持一致；而現有的電源處理裝置始終未能可靠實現相序的自動保證。(6)自動化程度不夠，帶來安全、效率等明顯隱患：由於自動化程度不高，當供電出現異常、電源倒接或者用電設備故障需要開關電源操作等情況時，需要人工接入進行操作；而由於人工操作的響應速度較低，從而大大降低了異常處置時的安全性和可靠性，大大延長了處理問題的時效性。(7)技術上的缺陷導致電源處理裝置換能效率的低下：現有的電源處理裝置的效率由於技術上的落後，甚至無法突破換能效率＞60％這樣一個很低的水平，使得鐵路在節能和成本上的壓力長期難以消除，大大提高了國家的資金與資源消耗。由於以上既有電源裝置在關鍵技術上的嚴重缺陷，給鐵路行車安全和正常運輸秩序造成了嚴重影響。技術實現要素：本發明的目的在於克服上述問題，提供一種鐵路信號高精度寬幅穩壓電源系統，大大提高了系統的可靠性，且各項輸出指標都能達到或超越部頒標準，能很好的提高電源的效率，降低對土地的佔用與對壞境的破壞，大大提高了使用的效益。本發明的目的通過下述技術方案實現：鐵路信號高精度寬幅穩壓電源系統，包括同時與若干路電源相連接的高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡，與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡相連接的整流濾波模塊，與整流濾波模塊相連接的PWM模塊，與PWM模塊相連接的SPWM逆變模塊，以及原邊電感線圈與SPWM逆變模塊的輸出端相連接的變壓器T，該變壓器T的副邊電感線圈作為該系統的輸出端與輸出線路相連接。作為優選，所述每路電源的來源都不相同，且每路電源上均設置有一個斷路器QF並分別通過各自的斷路器QF與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡相連接；同時，每個高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡上最多連接三路電源。作為優選，所述變壓器T的副邊電感線圈上還連接有一個斷路器QF3。進一步的，所述穩流濾波模塊由防雷單元，斷路器QF4，變壓器T1，變壓器T2，二極體橋式整流器U1，一端與變壓器T1的原邊電感線圈的同名端相連接、另一端與變壓器T1的副邊電感線圈的非同名端相連接的電容C1，一端與變壓器T1的原邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T1的副邊電感線圈的同名端相連接的電容C2，一端與變壓器T2的副邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T2的副邊電感線圈的同名端相連接的電容C3，一端經電感L1後與變壓器T2的副邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T2的副邊電感線圈的同名端相連接的電容C4，正極與二極體橋式整流器U1的正輸出端相連接、負極與二極體橋式整流器U1的負輸出端相連接的極性電容C5，以及與極性電容C5並聯設置的電容C6組成；其中，變壓器T1的原邊電感線圈的非同名端與變壓器T2的原邊電感線圈的同名端相連接，變壓器T1的副邊電感線圈的同名端與變壓器T2的原邊電感線圈的非同名端相連接，斷路器QF4的一個輸出端與電容C1的一端相連接、斷路器QF4的另一個輸出端與電容C1的另一端相連接，防雷單元與斷路器QF4並聯，二極體橋式整流器U1的一個輸入端與電容C4的一端相連接、二極體橋式整流器U1的另一個輸入端與電容C4的另一端相連接，斷路器QF4的兩個輸入端作為該穩流濾波模塊的輸入端且分別與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡的輸出端相連接，電容C6的兩端作為該穩流濾波模塊的輸出端且與PWM模塊相連接。本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：(1)本發明允許電源分別輸入電源單相、三相，也允許輸入電源單\三相混合輸入，並允許同時輸入多路電源，大大提高了電源系統的適應能力，擴大了電源系統的適用範圍。(2)本發明取消了現有技術輸入端必須設置的自動切換屏和穩壓屏，避免了因切換時交流接觸器產生的節點動作而導致的接點接觸不良、發熱燒壞的情況發生，從而很好的降低了供電中斷等故障的發生。(3)本發明在輸入電源電壓寬幅波動時依舊可以保持輸出電壓的精度，在輸入波形嚴重失真的情況下依舊可以輸出清潔可靠的正弦波電源，還可以有效消除輸入電源的多次諧波和高頻尖峰，大大提高了電源系統的穩定性與可靠性。(4)本發明在多路電源倒接時能夠實現「零」時間切換；在輸入電源相序改變時，電源系統的輸出相序依舊能夠保持不變，在輸入三相電源發生單相斷相時可以發出報警信號，並依舊保持穩定的輸出。附圖說明圖1為本發明的結構框圖。圖2為本發明的整流濾波模塊的電路結構圖。具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。實施例1如圖1所示，鐵路信號高精度寬幅穩壓電源系統，包括同時與若干路電源相連接的高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡，與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡相連接的整流濾波模塊，與整流濾波模塊相連接的PWM模塊，與PWM模塊相連接的SPWM逆變模塊，以及原邊電感線圈與SPWM逆變模塊的輸出端相連接的變壓器T，該變壓器T的副邊電感線圈作為該系統的輸出端與輸出線路相連接。所述每路電源的來源都不相同，且每路電源上均設置有一個斷路器QF並分別通過各自的斷路器QF與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡相連接；同時，每個高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡上最多連接三路電源。所述變壓器T的副邊電感線圈上還連接有一個斷路器QF3。其中，電源包括電力貫通線供電、接觸網供電、發電機供電、UPS供電等方式；電力貫通線供電是取自地方電力網的10Kv/0.40正弦波三相四線制供電，接觸網供電是取自電氣化鐵道的27.5Kv/0.23正弦波單相供電，發電機供電是沿線車站配置的，UPS供電是系統設備配置的。通過多路供電的方式，可以很好的克服現有技術中的假雙電源的缺陷，很好的保證了電源的供電正常。同時，本申請可以很好的提升接觸網電源的供電品質，從而避免了投入的大量資金以建設貫通線，並減少了大量的維護與保養人員，進一步降低了相關的開支。所述整流濾波模塊上連接有一個或一個以上的高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡。高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡主要有高頻尖峰、多次諧波抑制、隔離、去偶網絡等功能；雖然高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡在鐵路的供電上未進行應用，但該結構卻是供電領域中的一種對電進行處理的常規方式，在此便不進行贅述。具體的處理過程如下：輸入電源經輸入斷路器後送入高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡，該高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡由浪湧保護器，隔離變壓器，濾波電抗器，高頻濾波電容器組成，其具體的連接方式屬於本領域的常規技術手段，便不在此進行贅述。不同的輸入電源可以同時輸入高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡中，經過高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡處理後得到相應數量且參數匹配的交流電源；處理後的交流電源送入整流濾波模塊進行處理。整流濾波模塊使不同的交流電源合併為一路直流電源；輸出直流電源進入PWM模塊，此模塊為BUCK電路，能將不穩定的直流輸入電源變換為穩定的直流電源輸出；經過PWM模塊穩壓的直流電源送入SPWM逆變模塊，SPWM逆變模塊由三相全橋電路組成，能將直流電源逆變為穩定的三相交流輸出；最後三相交流經輸出隔離變壓器和輸出斷路器供負載使用。如圖2所示，所述穩流濾波模塊由防雷單元，斷路器QF4，變壓器T1，變壓器T2，二極體橋式整流器U1，電容C1，電容C2，電容C3，電容C4，電容C5，電容C6，以及電感L1組成。上述元器件中，防雷單元的型號為YLU-40C，斷路器QF4的型號為NM1-250S/4300B，變壓器T1的型號為CKSG-120A，變壓器T2的型號為SG-80，二極體橋式整流器U1的型號為SKKD162/16。其它的元器件均為本領域技術人員使用的常規的元器件，具體的元器件參數選擇需要根據實際使用的環境進行調整，在此便不對其進行贅述。連接時，電容C1的一端與變壓器T1的原邊電感線圈的同名端相連接、另一端與變壓器T1的副邊電感線圈的非同名端相連接，電容C2的一端與變壓器T1的原邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T1的副邊電感線圈的同名端相連接，電容C3的一端與變壓器T2的副邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T2的副邊電感線圈的同名端相連接，電容C4的一端經電感L1後與變壓器T2的副邊電感線圈的非同名端相連接、另一端與變壓器T2的副邊電感線圈的同名端相連接，極性電容C5的正極與二極體橋式整流器U1的正輸出端相連接、負極與二極體橋式整流器U1的負輸出端相連接，電容C6與極性電容C5並聯設置；其中，變壓器T1的原邊電感線圈的非同名端與變壓器T2的原邊電感線圈的同名端相連接，變壓器T1的副邊電感線圈的同名端與變壓器T2的原邊電感線圈的非同名端相連接，斷路器QF4的一個輸出端與電容C1的一端相連接、斷路器QF4的另一個輸出端與電容C1的另一端相連接，防雷單元與斷路器QF4並聯，二極體橋式整流器U1的一個輸入端與電容C4的一端相連接、二極體橋式整流器U1的另一個輸入端與電容C4的另一端相連接，斷路器QF4的兩個輸入端作為該穩流濾波模塊的輸入端且分別與高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡的輸出端相連接，電容C6的兩端作為該穩流濾波模塊的輸出端且與PWM模塊相連接。使用時，首先根據實際的環境情況對PWM模塊和SPWM逆變模塊的具體運行參數進行設置，並根據實際的電源情況導通一路電源，該電源的電流在流入高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡後能夠很好的將其中的高次諧波進行濾除，濾除高次諧波後的交流電再進入整流濾波電路進行整流濾波處理，並最終輸出直流電依次進入PWM模塊和SPWM逆變模塊，最終輸出了供給鐵路使用的交流電。高次諧波會造成電力電子設備誤動作、會導致電力電容器過熱損壞、還會造成變壓器功耗升高以及開關元器件跳閘等問題，因此需要通過高頻尖峰多次諧波去偶防雷網絡對其進行濾除。PWM模塊能使不穩定直流電變為穩定的直流電，而SPWM模塊則可以使直流電逆變為三相交流電。在產品使用時，需要根據不同地區的不同電力參數來對PWM模塊和SPWM逆變模塊的具體運行參數值進行調整與設置，從而達到上述的效果。本申請的電源系統擁有高可靠性：(1)首次實現的允許多路且制式不同(單\三相)的外電輸入技術；突破目前的電源系統只允許兩路且必須同為380V三相電源的限制。(2)首次實現在不同制式輸入電源間的自動「零」時間切換技術，徹底消除因切換時間不能滿足要求，造成信聯閉停用、紅光帶等危害。零切換時通過交流側電壓匹配後整流實現直流並機技術，可實現任意一路輸入斷電不影響輸出的目的，進而達到「零」切換。(3)首次實現在輸入的不同電源間切換時，使前後接入電源的相位同步，消除了因此造成的紅光帶的缺陷。(4)首次實現在輸入電源三相斷相時設備可正常工作並發出報警信號，且保持穩定輸出。(5)首次實現輸入電源電壓在-45％～+40％波動時，輸出電壓保持±2％範圍。(6)獨具的多重防雷擊設計，自檢自診斷設計，及時提示故障部位和可能原因。本申請的電源系統輸出的電能擁有極高的品質：(1)該電源系統所獨具的寬幅穩壓技術，即便當外電電壓出現-45％～+35％的極端波動時，其輸出電壓的穩定精度確保控制在-1.5～2.0％之間、正弦波形失真度滿負荷時控制在2％以內。各指標均優於包括《信規》在內的鐵路各項供電品質要求。(2)獨自創新設計的多級防雷保護、多重削波、削峰、抗幹擾處理，將外電電源的多次諧波、高頻尖峰全部濾除。(3)採樣速度及動態響應速度成幾何級數提升；使整機保護特性及輸出電壓的穩壓範圍和精度大為提高。(4)本裝置在輸入條件、穩壓範圍、穩壓精度、輸出波形失真度、頻率穩定精度、切換時間等主要技術指標遠優於鐵路部頒標準(TB/T1528.7；TB/T1528.6；TB/T1528.3)；其他各項指標也均達到或超越部頒標準。本申請的電源系統達到的標準與部頒標準的對比表格如表1所示：類別部頒標準本申請電源系統標準輸入條件2路多路輸入電壓範圍-20％～+15％-45％～+40％穩壓精度3％～5％≤2％輸出波形失真度≤5％＜3.5％頻率穩定精度50Hz±0.5Hz50Hz±0.05Hz切換時間＜150ms「零」切換表1本申請的電源系統擁有極高的效益：(1)由於該電源裝置的使用，徹底消除了因外電品質和電源切換等原因造成的各類設備故障(每年全路約有近千起)，從而使鐵路的行車秩序得到明顯改善，運輸效率有效提高。(2)裝置自身的高可靠性和免維護設計，將使傳統的沿線維護檢修人員配置，徹底取消或大幅減少；為有效降低鐵路的長期的運營成本和提高運行效率提供了可靠的技術保障。本申請的電源系統還能夠良好的節能環保效果：(1)由於貫通線、自閉貫通線建設的取消，大量輸、變、配電產生的電力損失得以消除；同樣的原因也使鐵路免於因貫通線的建設出現土地資源的更多佔用、沿途生態的更多破壞，更好的節省了土地資源與電力資源。(2)相較於現有的電源處理裝置的60％的換能效率，本申請的電源系統的效率能達到90％以上，和原有設備相比僅因為這一項指標差，在一個30KW負荷的中等車站的信號設備，全年將節電3000度以上，進一步節省了電力資源。本申請能夠達到的具體指標：1、任何一路電源電壓在﹣40％～+35％範圍內波動時，輸出電源電壓穩定精度≤±2％；2、可同時輸入單、三相電源；3、三相電源輸入時，在發生單相斷線時仍能高品質可靠地供電；4、在多路輸入電源進行切換時切換時間為「零」；5、輸出頻率穩定精度為50Hz±0.05Hz；6、輸出波形失真度：≤2％；7、過載能力：120％≥10分鐘時實現電子關機；8、瞬變響應恢復時間：≤50ms；9、動態電壓瞬變範圍：≤±3％；10、輸出波形：正弦波；11、運行環境：-30℃～+70℃；12、相對溼度：＜95％；13、整機噪聲：＜60dB；14、整機效率：≥90％。如上所述，便可很好的實現本發明。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp