一種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高速公路長距離電流形式的供配電系統(tǒng)，尤其涉及一種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，包括依次串聯(lián)的防雷器、隔離變壓器、自耦變壓器、可變電容陣、固定電容、EMI濾波器與防雷器，最后與負載連接；控制器通過控制信號CTR1控制可變電容陣列，通過控制信號CTR2控制自藕變壓器，采樣電路一端連接控制器，另一端連接在EMI濾波器與防雷器和負載之間。本發(fā)明的有益效果是可以精確并快速穩(wěn)壓，提升電能利用率，穩(wěn)定性高，發(fā)熱低，系統(tǒng)壽命長。
【專利說明】—種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高速公路長距離電流形式的供配電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]對于高速公路遠距離配電系統(tǒng)，具有工作環(huán)境惡劣、傳送功率大、傳送距離長、負荷變化大和供電設(shè)備更分散等自身特征，因此其供配電系統(tǒng)不僅要解決上述難題，同時要具有極高的穩(wěn)定性，以確保公路監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。目前已有的配電系統(tǒng)主要采用電壓配電網(wǎng)，其中又包括了中壓配電網(wǎng)、低壓交流配電網(wǎng)及直流配電網(wǎng)，而在高速公路中使用電壓配電方式，會產(chǎn)生諸多不足:
(1)中壓配電網(wǎng)一般采用IOkV電壓，以提高傳送功率，減小線路損耗，增加傳送距離，因此電纜和變電設(shè)備均承受IOkV高壓，施工上需要遵循中壓配電規(guī)范，鋪設(shè)于建造成本很高，且需要電力部分的批準(zhǔn)，對高速公路供配電工程的施工進度也造成影響；
(2)低壓配電網(wǎng)一般采用IkV以下的電壓，通過變電站或配電房對外供電，建造成本較低，但同時也決定了該方式傳送距離近，線路損耗大，負載電壓受到負載工作變化影響，造成較大的電壓波動，易損壞電器設(shè)備，不能滿足高速公路的遠距離供電系統(tǒng)；
(3)直流配電網(wǎng)一般采用400V直流電壓，對小微負載進行供電，電能利用率高，設(shè)備造價也相對低廉，但其同樣存在于低壓交流配電網(wǎng)的缺陷，且電氣隔離與升降壓設(shè)備更加復(fù)雜，對交流用電設(shè)備需要額外的轉(zhuǎn)換，增加潛在故障點，同樣不能滿足高速公路的遠距離供電系統(tǒng)。
[0003]為此，一種應(yīng)用于高速公路遠供系統(tǒng)的電流環(huán)配電方式被提出，該系統(tǒng)通過恒流發(fā)生器產(chǎn)生小電流(一般不超過10A)，對負載進行串聯(lián)組網(wǎng)，保證任意設(shè)備的輸入穩(wěn)定，其優(yōu)勢包括:
(O負載側(cè)輸入穩(wěn)定，不受負載切換影響；
(2)電流環(huán)路可抑制線路操作過電壓，具有更高的安全性；
(3)串聯(lián)環(huán)路可在主回路故障時以極快的速度關(guān)閉和報警，保障人員安全
(4)線路損耗可控，系統(tǒng)傳送距離更遠，提高電能利用率。
[0004](5)電纜施工過程簡單，成本低廉；
(6)設(shè)備端裝置互換性好，可等功率任意互換，便于維護。
[0005]在高速公路電流環(huán)配電系統(tǒng)中，包括了兩類設(shè)備:恒流發(fā)生器和恒流變換器，恒流發(fā)生器實現(xiàn)恒壓到恒流的轉(zhuǎn)換，而恒流變換器實現(xiàn)恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換?？紤]到恒流變換器工作條件惡劣(一般在戶外)，維護成本高，用電設(shè)備重要，恒流變換器的可靠性應(yīng)優(yōu)先得到保證。而目前已有的恒壓轉(zhuǎn)換恒壓裝置，一般采用高頻開關(guān)電路實現(xiàn)，可靠性較低，亦有采用磁飽和的方式實現(xiàn)，但轉(zhuǎn)換裝置發(fā)熱嚴重，降低系統(tǒng)壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種應(yīng)用于公路遠距離供電系統(tǒng)的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，該裝置可以精確穩(wěn)壓，提升電能利用率，穩(wěn)定性高，發(fā)熱低，系統(tǒng)壽命長。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，包括
防雷器:用于應(yīng)對戶外條件下的雷擊干擾；
隔離變壓器:用于使恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置與外部環(huán)路電氣隔離；
自耦變壓器:用于對輸入電流的不同變比進行調(diào)節(jié)；
可變電容陣:用于改變電容大小，調(diào)節(jié)無功功率；
EMI濾波器與防雷器:用于輸出EMI濾波和防雷功能；
采樣電路:用于對輸出電壓與電流進行采樣，完成反饋控制；
控制器:根據(jù)采樣電路的采樣值對自耦變壓器與可變電容陣進行控制；
防雷器、隔離變壓器、自耦變壓器、可變電容陣、固定電容、EMI濾波器與防雷器之間依次串聯(lián)，最后與負載連接；所述控制器通過控制信號CTRl控制可變電容陣列，通過控制信號CTR2控制自藕變壓器，所述采樣電路一端連接所述控制器，另一端連接在EMI濾波器與防雷器和負載之間。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述控制器包括AD轉(zhuǎn)換器、電壓內(nèi)環(huán)控制
器、功率外環(huán)控制器、SCR驅(qū)動電路，AD轉(zhuǎn)換器:用于實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換功能；電壓內(nèi)環(huán)控制器:用于輸出CTRl控制信號，調(diào)整可變電容陣的容值；功率外環(huán)控制器:用于輸出CTR2控制信號，控制自藕變壓器；SCR驅(qū)動電路:用于增強CTRl控制信號與CTR2控制信號的驅(qū)動能力，還用于驅(qū)動雙向可控硅SCR或其他半導(dǎo)體器件。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述控制器為MCU或DSP或其他控制芯片。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述可變電容陣包含并聯(lián)在一起的η個不同
陣列的電容，每個陣列配備一個SCR，該SCR由所述控制器的信號CTRl控制，用于并入或斷開改組電容陣列。
[0011 ] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述自藕變壓器包括具有η個抽頭的輸入端
和輸出端，每個抽頭配備一個SCR，該SCR用于輸入電流的接入調(diào)整，控制信號CTR2通過開通和關(guān)斷接入抽頭。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述自藕變壓器為單相自藕變壓器。
本發(fā)明的有益效果是:(I)恒流變換器無高頻開關(guān)器件，設(shè)備可靠性極高；(2)恒流變換器具有電壓內(nèi)環(huán)控制，通過可變電容陣精確穩(wěn)壓；(3 )恒流變換器具有功率外環(huán)控制，根據(jù)負載變化調(diào)整設(shè)備輸入功率，提升電能利用率；(4)負載穩(wěn)定時，系統(tǒng)工作在線性狀態(tài)，穩(wěn)定性極高；(5)負載突變時，設(shè)備輸入功率緩慢提升，有效減少裝置對電流發(fā)生器的沖擊，進一步提聞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置的應(yīng)用場合圖；
圖2是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置的結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置控制器的結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置可變電容陣結(jié)構(gòu)圖；
圖5是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置自耦變壓器結(jié)構(gòu)圖；
圖6是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置軟啟動下Kin與Jin的實驗波形；
圖7是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置軟啟動下Krat與Jrat的實驗波形；
圖8是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置軟啟動下CTR2的實驗波
形；
圖9是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置負載切換下Kin與Jin的實驗波形；
圖10是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置負載切換下Krat與Jwt的實驗波形；
圖11是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置負載切換下CTRl的實驗波形；
圖12是本發(fā)明用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置負載切換下CTR2的實驗波形。
[0014]其中數(shù)字表示:1、防雷器；2、隔離變壓器；3、自耦變壓器；4、可變電容陣；5、固定電容C;6、EMI濾波器與防雷器；7、采樣電路；8、控制器；9、負載；10、AD轉(zhuǎn)換器；11、電壓內(nèi)環(huán)控制器；12、功率外環(huán)控制器；13、SCR驅(qū)動電路；14、恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置(恒流變換器)；15、負載。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0016]如圖1所示，用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置(簡稱恒流發(fā)生器)將三相380VAC的電壓轉(zhuǎn)換為6A的交流恒流，在配電側(cè)，公路典型負載串聯(lián)組網(wǎng)，如攝像頭、測速儀、LED指示牌及其他設(shè)備，都需要通過恒流變換器14將6A的恒流轉(zhuǎn)換為220V的交流恒壓源，可見每個恒流變換器14均為統(tǒng)一的恒流輸入，輸入特性一致，便于設(shè)備維護。
[0017]如圖2所示，用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置(恒流變換器)14包括以下部件:
(1)防雷器1:應(yīng)對戶外條件下的雷擊干擾，采用二級防護等級；
(2)隔離變壓器2:使恒流變換器14與外部環(huán)路電氣隔離，保證裝置與人員安全；
(3)自耦變壓器3:實現(xiàn)輸入電流的不同變比調(diào)節(jié)，達到輸入功率調(diào)節(jié)的目的；自耦變壓器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，可見其輸入端包括了 η個抽頭，輸出為I路抽頭，可以實現(xiàn)η個不同的輸入電流值，每個抽頭配備一個SCR,用于輸入電流的接入調(diào)整,控制信號CTR2通過開通和關(guān)斷接入抽頭，需注意的是，在同一時刻只能有一個抽頭處于導(dǎo)通狀態(tài)；使用的是單相自耦變壓器；
(4)可變電容陣4:通過改變電容大小，調(diào)節(jié)無功，實現(xiàn)電壓的精確控制；可變電容陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，電容陣包含η個不同陣列，每個陣列配備一個SCR，SCR則由來自控制器的信號CTRl控制，用于并入或斷開改組電容陣列，實現(xiàn)閉環(huán)控制；具有線性調(diào)整功能，其電容值可以從OuF線性變化至最大值，其控制信號為CTRl ；
(5)固定電容C5，具有補償功能；
(6)EMI濾波器與防雷器6:實現(xiàn)輸出EMI濾波和防雷功能，保證負載15的正常工作；
(7)采樣電路7:實現(xiàn)對輸出電壓與電流的采樣，完成反饋控制；
(8)控制器8:根據(jù)采樣值完成對自耦變壓器3與可變電容陣4的控制；控制器8是整個變換器的核心，該部件可以是MCU，也可以是DSP或其他控制芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要實現(xiàn)以下功能:
A.AD轉(zhuǎn)換器10:實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換功能；
B.電壓內(nèi)環(huán)控制器11:實時跟蹤輸出電壓值，計算跟蹤誤差值，通過內(nèi)部PI控制或其他控制算法輸出CTRl控制信號，用于調(diào)整可變電容陣的容值，調(diào)整頻率2kHz，實現(xiàn)電壓的精確控制；
C.功率外環(huán)控制器12:實時跟蹤輸出電壓與電流值，從而計算輸出功率，并對比當(dāng)前系統(tǒng)無功含量，進而根據(jù)PI控制或其他控制算法，輸出CTR2控制信號，用于控制自耦變壓器，實現(xiàn)視在功率的調(diào)節(jié)，提聞電能利用率；
D.SCR驅(qū)動電路13:增強CTRl與CTR2的驅(qū)動能力，用于驅(qū)動雙向可控硅(SCR)或其他半導(dǎo)體器件。
[0018]本裝置具有高效率的雙環(huán)控制，一個電壓內(nèi)環(huán)和一個功率外環(huán)，電壓內(nèi)環(huán)通過特殊的控制策略及解碼方式生成CTR1，達到對可變電容器的線性控制，該環(huán)路是本發(fā)明的核心，功率外環(huán)則通過CTR2控制自耦變壓器來調(diào)整無功含量，雙環(huán)配合工作，達到極快的穩(wěn)壓效果。
[0019]本裝置用于電流轉(zhuǎn)換為電壓的情況，即輸入為恒流信號，輸出為恒壓信號，其目的為穩(wěn)定輸出電壓。
[0020]實施例:設(shè)定電流變換器功率等級lkVA，輸入電流值6.6A，額定輸出電壓值Ktjut為220VAC，在此設(shè)定下分別進行如下實驗。
[0021](I)變換器軟啟動控制策略實驗
設(shè)定負載功率為800W，恒流變換器14從OV開始啟動，通過CTR2的控制，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，控制策略描述為:系統(tǒng)不斷檢測當(dāng)前電壓與輸出功率，如果輸出電壓不滿足額定情況(220VAC)，則逐步提升自耦變壓器的檔位(本次實驗設(shè)定為Is提升一次檔位)，直到輸出電壓滿足要求，從而達到軟啟動的目的。
[0022]輸入電壓Kin與輸入電流Jin (測試點位置如圖2所示)波形如圖6所示，輸出電壓Vout與輸出電流Jwt (測試點位置如圖2所示)波形如圖7所示，自耦變壓器控制信號CTR2信號如圖8所示。
[0023]如圖8所示，系統(tǒng)加載過程中，輸入電壓與電流逐級增加，輸出電壓與電流也隨之緩慢上升，這是由CTR2的控制產(chǎn)生的效果，該控制策略可以有效減少變換器對遠端電流發(fā)生器的沖擊，特別是在多個負載點串聯(lián)時，其軟起作用尤其重要。
[0024](2)變換器負載切換控制策略實驗
設(shè)定負載功率為800W，在時間t=9s時，負載切換至250W，在此過程中，控制策略描述為:當(dāng)負載切換時，輸出電壓將會突變，此時控制器中的電壓內(nèi)環(huán)控制策略將實時調(diào)整CTR1，控制可變電容陣列進行精確穩(wěn)壓，之后，在隨后的(本次實驗設(shè)定為Is)功率外環(huán)調(diào)整時，將根據(jù)當(dāng)前的有功輸出情況逐步改變CTR2調(diào)整檔位(本次實驗設(shè)定為Is提升一次檔位)，降低無功消耗，而每一次的檔位調(diào)整，電壓內(nèi)環(huán)都將重新調(diào)整CTRl進行穩(wěn)壓，保證輸出的穩(wěn)定，直到系統(tǒng)無功消耗達到預(yù)期值，電壓輸出壓降穩(wěn)定在220VAC。
[0025]輸入電壓匕與輸入電流匕(測試點位置如圖2所示)波形如圖9所示，輸出電壓Vln與輸出電流Iin (測試點位置如圖2所示)波形如圖10所示，電容陣列控制信號CTRl信號如圖11所示，自耦變壓器控制信號CTR2信號如圖12所示。
[0026]在圖12中可見，系統(tǒng)切換負載過程中，負載輸出電流突降Jtjut，而輸出電壓Kwrt穩(wěn)定在220V，輸入電壓電流Vjn與Iin (逐步減少，降低系統(tǒng)功率的輸入，另外可見，CTR2每次調(diào)整自耦變壓器的檔位開關(guān)，CTRl都將進行快速調(diào)整，輸出電壓Vout的值基本不變，保證了負載正常工作。
[0027]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:包括 防雷器:用于應(yīng)對戶外條件下的雷擊干擾； 隔離變壓器:用于使恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置與外部環(huán)路電氣隔離； 自耦變壓器:用于對輸入電流的不同變比進行調(diào)節(jié)； 可變電容陣:用于改變電容大小，調(diào)節(jié)無功功率； EMI濾波器與防雷器:用于輸出EMI濾波和防雷功能； 采樣電路:用于對輸出電壓與電流進行采樣； 控制器:根據(jù)采樣電路的采樣值對自耦變壓器與可變電容陣進行控制； 防雷器、隔離變壓器、自耦變壓器、可變電容陣、固定電容、EMI濾波器與防雷器之間依次串聯(lián)，最后與負載連接；所述控制器通過控制信號CTRl控制可變電容陣列，通過控制信號CTR2控制自藕變壓器，所述采樣電路一端連接所述控制器，另一端連接在EMI濾波器與防雷器和負載之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:所述控制器包括AD轉(zhuǎn)換器、電壓內(nèi)環(huán)控制器、功率外環(huán)控制器、SCR驅(qū)動電路，AD轉(zhuǎn)換器:用于實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換功能；電壓內(nèi)環(huán)控制器:用于輸出CTRl控制信號，調(diào)整可變電容陣的容值；功率外環(huán)控制器:用于輸出CTR2控制信號，控制自藕變壓器；SCR驅(qū)動電路:用于增強CTRl控制信號與CTR2控制信號的驅(qū)動能力，還用于驅(qū)動雙向可控硅SCR或其他半導(dǎo)體器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:所述控制器為MCU或DSP或其他控制芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:所述可變電容陣包含并聯(lián)在一起的η個不同陣列的電容，每個陣列配備一個SCR，該SCR由所述控制器的信號CTRl控制，用于并入或斷開改組電容陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:所述自藕變壓器包括具有η個抽頭的輸入端和輸出端，每個抽頭配備一個SCR，該SCR用于輸入電流的接入調(diào)整，控制信號CTR2通過開通和關(guān)斷接入抽頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于公路遠距離供電的高可靠恒流轉(zhuǎn)恒壓裝置，其特征在于:所述自藕變壓器為單相自藕變壓器。
【文檔編號】H02M1/00GK103731011SQ201310752968
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】張斌, 邢浩江, 張東來, 谷宇, 王亮 申請人:深圳航天科技創(chuàng)新研究院