[01822406]三种节能环保电力电子技术的推广和应用

1）发现及发明本项目开展过程中，开发了基于超声检测方法的六氟化硫检测系统，并研制出了集散、集中两种形式的检测系统，现正研制基于超声检测方法的六氟化硫无线检测节点；开发了采用先进的频率回走、跳周期工作的跳频模式技术的环保、节能、智能型电源适配器。项目相关的核心技术已申请发明专利3项，实用新型专利5项，现有1项发明专利和3项实用新型专利获得授权。本项目发表论文10篇，其中SCI收录1篇，EI收录2篇。[1] Changping Zhu，Minglei Shan，Shichuan He，et al.A precise sensor for SF6 based on piezoelectric ultrasound[J].Rare metal materials and engineering.2006，35：157～158.（SCI：0002444457000047）[2] Zhu Changping，Shan Minglei，He Shichuan，Zhu Jia .Sound Intensity Measurement In Focal Region of HIFU Transducer Adopting Narrow-pulse Method.IEEE ICIT041374～1377.（Ei：05489511952）[3] 朱昌平、单鸣雷、刘永富、张红苹.基于CPLD的SF6微量气体浓度检测仪.仪器仪表学报，2005，26（8）：448～449.（Ei：05469481786）2）创新点六氟化硫检测系统通过检测声波的相位变化确定六氟化硫的浓度变化，因此测量精度高，检测精度可达50μV/V；在测相位的同时也测量声波的传播时间，所以测量的动态范围大，可达104μV/V；采用差分法进行检测数据的处理，避免了环境因素带来的干扰；采用模块化嵌入式技术，故该系统具备了易于修改、扩展、在线实时测量等优势。采用PFC+PWM集成控制器等技术使电源适配器的能效一般情况下高达90％，在高于2W的轻载条件下能效也高于80％，待机功耗小于0.5W；该技术使元件数目得到减少，成本得到降低；铁路高光通量智能LED信号灯机构采用电源管理、微处理器、高光通量LED、光学及EMC等先进技术，符合节能、环保要求的同时解决了现有小功率LED技术易受铁路电气化干扰而误动作的问题和传统信号灯技术存在的寿命短、受电网电压波动和安装距影响大等问题。具有智能化的故障检测、控制、远程报警和故障点定位等功能。3）总体思路：六氟化硫（SF6）气体具有卓越的电绝缘性和灭弧特性，被广泛应用于电气设备中（电源开关、封闭式电容器组、变压器等）。运行中，SF6气体浓度的泄漏不可避免，因此，准确检测空气中SF6气体浓度是设备安全可靠运行的保障，尤其因SF6气体比重比空气大，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，从而会使人窒息，并且被电弧电击过的SF6气体将产生有毒有害的分解物。另外，SF6是最强的温室效应气体之一。针对SF6泄漏对现场设备和人类健康的威胁，有关法规规定必须在SF6配电装置室中安装监测控制和超标报警系统。本成果基于声波在摩尔质量不同的气体中传播时速度的差异研制了SF6定量检测系统，该系统能实时监测空气中SF6气体浓度含量，在SF6气体浓度超标时，及时发出报警信息及启动风机。同时，还研发了智能电源适配器，主要从降低空载输入功率、提高总体能效、改善功率因数三个方面着手解决电源的能效问题。4）技术方案：SF6定量检测系统基于声波在摩尔质量不同的气体中传播时速度的差异进行检测，该系统能实时监测空气中SF6气体浓度含量，在SF6气体浓度超标时，及时发出报警信息及启动风机。整个系统结构如图1所示，由基于RS485网络的传感器变送器、控制器组成。传感器和变送器负责检测SF6气体浓度、环境温度、环境湿度、含氧量，并将检测到的信息通过RS485网络传送给控制器和上位机。控制器负责收集各个传感器和变送器传送来的信息，记录并显示实时数据以及历史曲线，在SF6气体浓度超标时，发出报警信息或者启动风机。智能型电源适配器采用集成了功率因数校正（PFC）和脉宽调制（PWM）控制电源管理功能的芯片—美国安森美公司的PFC+PWM集成控制器，极大简化电源设计方案，降低电源总设计成本。本产品采用先进的频率回走、跳周期工作的跳频模式技术，有效的降低了空载能耗。功率因数校正技术有效提高了电源适配器的功率因数，大大降低电源适配器对公共电网的污染。采用固定导通时间、可变关断时间电流模式控制技术，在轻载条件下提供最佳的能效表现，并具有低EMI、低EMS、高稳定性的特点，不但能够有效抵抗周边设备干扰的能力，同时也避免了对周边设备的电磁污染。铁路高光通量智能LED信号灯机构的采用电源管理、微处理器、高光通量LED、光学及EMC等先进技术，符合世界各地对节能、环保要求的同时，解决了现有小功率LED技术易受铁路电气化干扰而误动作的问题。同时还解决了传统信号灯技术存在的寿命短、受电网电压波动和安装距影响大等问题。具有智能化的故障检测、控制、远程报警和故障点定位等功能。信号灯机构的通用型铁路信号灯智能电源电子变换器部分如图3所示，按照相关标准规范设计为内部自带自动脱钩功能H型（高标称放电电流，In≥40kA，Imax≥80kA）浪涌保护器（SPD）、温度传感器、电流传感器和电压检测器等功能。符合铁路行业相关标准所要求的抗振动、外壳防护、交变湿热、抗铁路电气化干扰和机构单元结构等指标要求。该通用型铁路信号灯智能电源电子变换器可以单独提供铁路部门使用，它还具备同时兼容驱动新式LED铁路信号灯和老式的白炽铁路信号灯的功能。5）实施效果：由于SF6检测系统的检测器采用超声波检测SF6气体浓度，其精度达到了50μV/V，可以分辨微量的SF6气体浓度的变化，这是整个发明的关键部分。本系统具有如下特点： （1）检测采样取自声波的相位变化，因此测量精度高； （2）测相位的同时也测量声波的传播时间，所以测量的动态范围大； （3）在测量系统进行了滤波处理，使测量系统的抗干扰能力大大提高； （4）采用差分法进行数据处理，避免了环境因素带来的干扰； （5）采用模块化嵌入式技术，故该系统具备了易于修改、扩展、在线实时测量等优势。采用反激式拓扑结构的电源适配器通过固定导通时间、可变关断时间电流模式控制技术，会在负载变低时降低开关频率，可以提供卓越的空载能耗，并在轻载条件下提供最佳的能效表现；当频率下降时，峰值电流逐渐下降到最大峰值电流的大约30％，能够避免变压器发生机械共振，消除音频噪声，并保持良好的待机能耗表现，在额定负载条件下，该设计的能效高达90％；其采用的频率回走技术，也令其在高于2W的轻载条件下能效高于80％。该款电源适配器的整流电路采用同步整流技术，同步整流采用通态电阻低的专用功率开关管，使整流损耗大大降低，从而进一步提高电源的效率。铁路高光通量智能LED信号灯机构综合采用多种技术，其特点如下：（1）项目所涉及的“铁路信号灯智能电源电子变换器”部分，采用浪涌抑制、开关电源、微处理器（MCU）及外围监测电路等技术，实现高光通量铁路LED信号灯机构的智能驱动和控制功能，同时具备驱动老式白炽铁路信号灯的等功能；（2）为提高信号灯的光学性能和转换效率，LED信号灯发光盘采用9个LED和球面透镜以独特的方式组合构成，特殊的LED封装、焊接和散热工艺，采用高频恒流模式驱动LED。有效保证了高光通量铁路LED信号灯机构的发光效率、光通量、散射特性和稳定性；（3）项目所开发的产品的连线方式和输出功率不受安装距离影响，具有高通流容量的浪涌保护功能和抗铁路电气化干扰功能，具有输入端欠压、输出端过流、信号灯故障等智能报警功能和自保护功能，当信号灯发光盘上的LED出现一定数量故障时，具有报警输出功能；所研制的铁路信号灯电源电子变换器用于驱动白炽灯类铁路信号灯时，当主灯丝熔断时能自动切换到副灯丝工作并向中控室发出报警信号。（4）信号灯机构的电源电子变换器部分设计为效率＞80％，寿命＞8000小时，LED发光盘寿命＞20000小时；机构能在-40℃和+80℃的恶劣环境下最少连续正常工作500小时；机构能抵抗波形参数为8/20us，线—线耦合电压为10kV，最大通流容量100kA的浪涌能量（包括感应雷击、电网操作过压SEMP、静电放电ESD、核电磁脉冲NEMP、微波辐射WR等）；机构在10km范围内的安装连线方式不受距离影响；电源电子变换器具有输出端短路（包括接线错误）、变换器故障、欠压、过压和过热的自保护功能和智能信号输出功能；符合铁路行业相关标准所要求的抗振动、外壳防护、交变湿热、抗铁路电气化干扰和机构单元结构等指标要求。本成果的三种产品均有比同类产品更加优越的参数，投放市场以后，产生了良好的经济效益和社会效益，同时带动了电力电子行业在环保、节能方面的发展。