一种低压直流断路器检测装置用储能供电电源及其工作方法

【】本发明涉及低压直流断路器检测领域，主要用于给低压直流断路器检测装置供电，具体是一种低压直流断路器检测装置用储能供电电源及其工作方法。

背景技术

0、
背景技术：

1、地铁直流供电系统是地铁牵引系统中的关键组成部分，直流断路器是直流供电系统的一部分。直流供电系统在运行中故障率较高，其中最严重的就是短路故障。直流牵引供电系统在发生短路之后电流极大，不及时切断故障系统，将会产生不可挽回的后果，而直流断路器就是切断故障系统的关键部分。为保证地铁安全可靠运行，定期对直流断路器进行检测至关重要。脱扣实验是地铁直流断路器检测经常要做的一项实验。这项实验在开展的过程中通过人为设置故障提高电流，从而判断直流断路器的断路效果或电磁启动装置的延时特性，通过相关实验就可以对地铁牵引系统的安全性和可靠性进行合理有效的分析。

2、检测装置需要满足以下要求：第一，脱扣电流必须超过10倍额定电流，电流很大，其最大值会达到5ka到10ka；第二，在效率和稳定性方面必须具有较好的性能，其输出电流必须在极短的时间内从0达到所需求的大小；第三，检测装置的工作性质是短时间的大电流输出，其达到稳定输出电流的工作时间不大于2s，所以主要需要考虑瞬时的功率输出，而所需的总能量并不大。

3、在现有技术中，低压直流断路器检测装置主要有两种结构。

4、一种是采用移相全桥隔离式dc-dc变换器作为主体结构，该结构的功率等级较大，可在更大的功率等级范围内应用，且更加容易实现大的电流上升率的要求，但该种结构的低压直流短路器检测装置的输入均直接来自于市用电，从而限制了检测装置在无市用电场合的使用。

5、另一种是采用大量的buck电路并联连接作为主体结构，其输入为低压，省去了变压器，利于储能装置的设计，采用储能作为输入，为其提供能量。低压输入虽然降低了功率器件的耐压要求，但电流值却大大提高，必须采用多个模块，驱动信号数量也相应增加，降低可靠性；其次，采用电流型并联结构，导致输出要有较大的电感，否则电流波形变差，电流上升率无法达标；最后，虽然省去变压器，但是mosfet导通电阻高，电流越大功耗越大，设备整体效率会较低。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明的目的在于针对上述采用移相全桥隔离式dc-dc变换器作为主体结构的低压直流断路器检测装置提供一种低压直流断路器检测装置用储能供电电源及其工作方法，它能够克服现有技术的不足，可以使低压直流断路器检测装置在无市用电时也能进行工作，且保留低压直流断路器检测装置使用市用三相电进行工作的功能，是一种结构简单且容易实现的储能供电电源，其工作方法简单易行。

2、一种低压直流断路器检测装置用储能供电电源，包括低压直流断路器检测装置，其特征在于它包括能量储存单元、电流变换单元、升压变压器单元、整流滤波电路单元和控制单元；其中，所述能量储存单元用于提供所述储能供电电源以及低压直流断路器检测装置所需的能量，其输出端输出直流电，与电流变换单元的输入端连接；所述电流变换单元用于将能量储存单元输出的直流电转换为交流电，其输出端与升压变压器单元的低压侧连接；所述升压变压器单元用于将低压电转换为高压电，其高压侧与整流滤波电路单元输入端连接；所述整流滤波电路单元用于将经升压变压器转换后的电流进行整流滤波，其输出端与低压直流断路器检测装置连接；所述控制单元的输入端与整流滤波电路单元的输出端连接，其输出端与电流变换单元的输入端连接。

3、所述能量储存单元由锂离子电池组bt与超级电容组c构成，二者之间呈并联连接关系；所述锂离子电池组bt的正极与超级电容组c的正极连接，作为能量储存单元的正级端；所述超级电容组c的负极与锂离子电池组bt的负极连接，作为能量储存单元的负极端。

4、所述能量储存单元中相互并联的锂离子电池组bt与超级电容组c的正极端之间连接有电感l1；所述电感l1的一端连接锂离子电池组bt的正级端，另一端与超级电容组c的正极端连接；所述锂离子电池组bt与电感l1之间串联有限流电阻r1；所述超级电容组c与电感l1之间串联有限流电阻r2。

5、所述限流电阻r1的阻值大于限流电阻r2的阻值；所述锂离子电池组bt是由格瑞普公司的型号为gpr6778156的单体电池组成；所述超级电容组c是由maxwell公司的型号为bcap3400p285k049的单体电容组成。

6、所述锂离子电池组bt是由14个电池以7串2并的形式组成的电池组；所述超级电容组c是由72个单体电容以9串8并的形式组成的电容组。

7、所述电流变换单元由相互并联的两组桥臂组成，且每组桥臂均由两组开关器件相互串联组成，共计4个开关器件分别记作开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3和开关器件q4；其中，所述开关器件q1和开关器件q2为一组，相互串联，组成一组桥臂；所述开关器件q3和开关器件q4为一组，相互串联，组成另一组桥臂；所述两组桥臂之间呈并联连接关系。

8、所述开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3和开关器件q4均为三极管器件；所述开关器件q1的集电极与能量储存单元的正极端及开关器件q3的集电极连接，其射极与开关器件q2的集电极及升压变压器单元的低压侧的一端连接；所述开关器件q2的射极与能量储存单元的负极端及开关器件q4的射极连接；所述开关器件q3的射极与开关器件q4的集电极及升压变压器单元的低压侧的另一端连接。

9、所述开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3和开关器件q4是英飞凌公司的型号为ff600r12me4的igbt器件，其可承受1500a的电流。

10、所述升压变压器单元是由具有原边绕组y和副边绕组f结构的升压变压器构成，其中，所述原边绕组y连接于电流变换单元中开关器件q1的射极及开关器件q3的射极之间；所述副边绕组f与整流滤波电路单元的输入端连接；所述副边绕组f由两部分绕组串联组成，分别记作副边第一绕组f1和副边第二绕组f2，且每个绕组均具有单独的同名端和异名端；所述副边第一绕组f1的同名端与副边第二绕组f2的异名端及整流滤波电路单元的一端连接；所述副边第一绕组f1的异名端与整流滤波电路单元的另一端连接；所述副边第二绕组f2的同名端与整流滤波电路单元连接。

11、所述升压变压器的原边绕组y和副边绕组f的匝数比为1:20。

12、所述整流滤波电路单元由二极管d1、二极管d2、电感l2和滤波电容cl组成；其中，所述二极管d1的阳极与升压变压器单元副边第一绕组f1的异名端连接，其阴极与电感l2的一端及二极管d2的阴极连接；所述二极管d2的阳极与升压变压器单元副边第二绕组f2的同名端连接；所述电感l2的两端分别连接二极管d1的阴极和滤波电容cl的正极；所述滤波电容cl的负极与升压变压器单元副边第一绕组f1的同名端及升压变压器单元副边第二绕组f2的异名端连接。

13、所述控制单元由dsp控制器部分、采样电路部分、a/d转换模块部分及开关器件驱动电路部分组成；所述采样电路部分的输入端与低压直流断路器检测装置用储能供电电源的输出端相连，其输出端与a/d转换模块部分的输入端相连；所述a/d转换模块部分的输出端与dsp控制器的输入端相连；所述dsp控制器部分的输出端与开关器件驱动电路的输入端相连；所述开关器件驱动电路部分的输出端与电流变换单元连接。

14、所述控制单元的输出端能够产生4路pwm控制信号，即信号ctrl1、信号ctrl2、信号ctrl3和信号ctrl4，分别与电流变换单元的开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3和开关器件q4的栅极连接，以达到对电流变换单元的开关器件进行控制的目的。

15、所述控制单元的dsp控制器部分采用tms320f28335；所述采样电路部分由电流采样电路与电压采样电路组成，其中，所述电压采样电路用于对输入电压进行分压再利用ina133高精度精密差动放大器对信号进行差分放大后输入a/d转换模块最后输入dsp控制器；所述电流采样电路是chb-300sf型电流传感器，可将电流信号转换为电压信号，输送至a/d转换模块部分，以将处理后的数字信号输入到dsp控制器部分；所述a/d转换模块部分采用ad7606；所述开关器件驱动电路部分采用瑞士concept公司生产的2sc0435t系列驱动器。

16、一种低压直流断路器检测装置用储能供电电源的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

17、(1)由能量储存单元为整个低压直流断路器检测装置供电，输出电压为+vdc的直流电至电流变换单元；

18、所述步骤(1)中能量储存单元的供电具体是指：由能量储存单元的电池组bt与电容组c实现对整个低压直流断路器检测装置供电，即：首先由放电能力强的电容组c承担主要的输出，随着工作的进行，电容组c的能量减少，放电能力减弱，此时，则由电池组bt承担供电任务，电池组bt输出的能量逐渐增多，直至工作结束。

19、(2)由电流变换单元将能量储存单元输出的直流电转变为电压大小为±vdc的交流电，由控制单元通过改变电流变换单元中的开关器件的开关状态，采用移相控制的方式改变输出电压的有效值；

20、所述步骤(2)具体是指：所述控制单元产生4路pwm周期控制信号，分别记作：控制信号ctrl1、控制信号ctrl2、控制信号ctrl3和控制信号ctrl4，并将此四路控制信号分别输送给电流变换单元的开关器件q1、开关器件q2、开关器件q3和开关器件q4，进而实现对四个开关器件的通断控制；所述控制单元中的采样电路部分对整流滤波电路输出端的电流与电压进行采样，根据控制单元中dsp产生的反馈信号在闭环调节过程中实现移相角的自动调节，即：当反馈信号大于设定的阈值时，移相角增大；当反馈信号小于设定的阈值时，移相角减小。

21、所述控制信号ctrl1与控制信号ctrl2呈180°互补，所述控制信号ctrl4与控制信号ctrl3呈180°互补；所述控制信号ctrl3与控制信号ctrl1的波形相同但存在相移误差，控制信号ctrl2与控制信号ctrl4的波形相同也存在相移误差，且移相角的范围为0°～180°。

22、(3)将经电流变换单元变换后的交流电加载在升压变压器的原边绕组y上，经升压变压器单元变换后，分别以副边第一绕组f1的电压+nvdc、副边第二绕组f2的电压-nvdc加载到升压变压器的副边第一绕组f1与升压变压器的副边第二绕组f2上；

23、(4)在整流滤波电路的正半波期间，升压变压器的副边第一绕组f1上的电压为+nvdc，升压变压器副边第二绕组f2上的电压为0，此时二极管d1导通，二极管d2截止；在所述整流滤波电路的负半波期间变压器副边第一绕组f1上的电压为0，升压变压器副边第二绕组f2上的电压为-nvdc，此时二极管d1截止，二极管d2导通，所述整流滤波电路在正、负半波期间二极管交替导通，将所述升压变压器副边上脉动的交流电即副边第一绕组f1的电压+nvdc与副边第二绕组f2的电压-nvdc转换为脉动的直流电，脉动的直流电通过所述滤波电感l2与所述滤波电容cl滤波后输出至低压直流断路器检测装置，完成对低压直流断路器检测装置的供电任务。

24、本发明的优越性：该供电电源用于在现场无三相交流电源的场合，通过能量储存单元供给检测所需能量，且结构简单，经济合理，可替代市用电作为低压直流断路器检测装置的输入电源使用，满足低压直流断路器检测装置在无市电情况下工作的条件。