СПОСОБ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2009 года по МПК B60L1/00 

Изобретение относится к области электрооборудования транспортных средств.

Известна система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (ТС), содержащая источник питания постоянного тока, к выходу которого подключены потребители постоянного тока ТС, стационарную сеть переменного тока и автономный источник питания переменного тока, предназначенные для альтернативного питания потребителей переменного тока ТС соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах ТС, а также трансформатор и переключающий коммутатор (RU 2168435 С2, 10.06.2001).

Известная система электроснабжения потребителей на ТС реализует способ, согласно которому потребители постоянного тока ТС питают от источника питания постоянного тока, а для питания потребителей переменного тока ТС альтернативно используют стационарную сеть переменного тока или автономный источник питания переменного тока соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах ТС.

Недостатками указанных способа и системы электроснабжения потребителей на ТС являются:

- при использовании в качестве основного звена автономного источника питания переменного тока многокаскадного инвертора с повышением амплитудного напряжения выход из строя элементов любого из каскадов, например силовых модулей или управляющих цепей, ведет к потере питания потребителей переменного тока;

- трансформатор используется только для питания от стационарной сети переменного тока;

- при движении ТС преобразование энергии для питания потребителей переменного тока осуществляют последовательно через каскады инвертора, и поэтому все его силовые элементы должны быть рассчитаны на полную мощность преобразования.

Наиболее близким является способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве, согласно которому в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают трансформированием и преобразуют в постоянное (RU 2301156 С1, 20.06.2007).

Наиболее близкой является система электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащая источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока (RU 2301156 С1, 20.06.2007).

Известная система электроснабжения потребителей на ТС реализуют способ, согласно которому потребители постоянного тока питают от источника питания постоянного тока, а для питания потребителей переменного тока ТС альтернативно используют стационарную сеть переменного тока или автономный источник питания переменного тока соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах ТС.

Ограничениями известного способа и системы электроснабжения потребителей на ТС являются:

- при использовании в эксплуатационном режиме в качестве основного источника питания потребителей переменного тока только автономного источника питания постоянного тока выход его из строя приводит к потере питания потребителей переменного тока;

- в эксплуатационном режиме энергия питание потребителей переменного тока осуществляется только через каскады преобразовательных устройств (автономного источника энергии, инверторов), поэтому их силовые элементы должны быть рассчитаны на полную мощность преобразования;

- отсутствует гальваническая развязка между сетью постоянного тока и потребителями переменного тока, что необходимо для обеспечения условий безопасности.

Система достаточно сложна, имеет большие габариты и массу.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - повышение надежности, КПД.

Технический результат, который может быть получен при выполнении системы изобретения, - повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе электроснабжения потребителей на транспортном средстве, в котором в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают и преобразуют в постоянное, согласно изобретению источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют, в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока.

Возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором целесообразно, чтобы в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока понижали автономным преобразователем и подавали пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной системе электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащей источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока, согласно изобретению введены автономный преобразователь, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй выпрямитель и третий выпрямитель, при этом источник питания постоянного тока выполнен из источника питания переменного тока в виде трехфазного генератора с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя и третьего выпрямителя, второго выпрямителя - к выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третьего выпрямителя - к выходной обмотке высокого уровня напряжения, при этом выход источника питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя, который подсоединен к потребителям постоянного тока, а выход источника питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора, первый выпрямитель подсоединен к стационарной сети переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя объединены и подсоединены к входу инвертора.

Возможны дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы автономный преобразователь был выполнен из трансформатора, второго инвертора и третьего инвертора, при этом вход/выход второго инвертора служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя, второй инвертор выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора, а третий инвертор подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к повышающей обмотке трансформатора и выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и наоборот, при этом вход/выход третьего инвертора служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя.

Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.

На чертеже изображена функциональная схема заявленной системы.

Поскольку заявленный способ реализуется при функционировании системы, то его сущность будет раскрыта в разделе описания работы устройства.

Система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (см. чертеж) содержит источник 1 питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям 2 постоянного тока. Стационарная сеть 3 переменного тока предназначена для питания потребителей 4 переменного тока и потребителей 2 постоянного тока в стационарном режиме. Инвертор 5 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединен к потребителям 4 переменного тока. Система также содержит первый выпрямитель 6 и источник 7 питания переменного тока.

В систему введены автономный преобразователь 8, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй выпрямитель 9 и третий выпрямитель 10. Источник 1 питания постоянного тока выполнен из источника 7 питания переменного тока в виде трехфазного генератора (подвагонного) с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя 9 и третьего выпрямителя 10. Второй выпрямитель 9 подсоединен к выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третий выпрямитель 10 - к выходной обмотке высокого уровня напряжения. Выход источника 1 питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям 2 постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8. Первый вход/выход низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8 также подсоединен к потребителям 2 постоянного тока. Выход источника 1 питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора 5. Первый выпрямитель 6 подсоединен к стационарной сети 3 переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя 8 объединены и подсоединены к входу инвертора 5.

Автономный преобразователь 8 может быть выполнен конструктивно различным образом. Для простоты устройства он может быть выполнен из трансформатора 11, второго инвертора 12 и третьего инвертора 13. Вход/выход второго инвертора 12 служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8. Второй инвертор 12 (обратимый) выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора 11. Третий инвертор 13 (также обратимый) подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к повышающей обмотке трансформатора 11 и выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и наоборот. Вход/выход третьего инвертора 13 служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя 8.

В составе потребителей 2 постоянного тока может быть аккумуляторная батарея (АБ), работающая в различных режимах как потребитель и источник электрической энергии.

Стационарная сеть 3 переменного тока, инвертор 5 и первый выпрямитель 6 могут быть выполнены в однофазном и трехфазном исполнениях.

Работает система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (см. чертеж) следующим образом.

Функционирование системы электроснабжения потребителей 2, 4 в эксплуатационном режиме работы ТС происходит следующим образом.

Потребителей 2 постоянного тока ТС питают непосредственно с выхода с низким уровнем напряжения источника 1 питания постоянного тока. При необходимости (отказ, перегрузка отдельных элементов схемы) это питание может осуществляться и с выхода с высоким уровнем напряжения источника 1 через автономный преобразователь 8.

Для питания потребителей 4 переменного тока в эксплуатационном режиме работы ТС при отключенной стационарной сети 3 используют выход с высоким уровнем напряжения источника 1 постоянного тока и автономный преобразователь 8 (по отдельности или совместно). Изобретение предусматривает организацию в эксплуатационном режиме двух параллельных потоков передачи энергии от источника 1 постоянного тока (двухуровневого) потребителям 2 постоянного тока и потребителям 4 переменного тока, причем часть энергии потребителям 4 переменного тока от источника 1 может передаваться через автономный преобразователь 8.

В стационарном режиме работы ТС функционирование системы электроснабжения производится без использования источника 1. Напряжение переменного тока стационарной сети 3 последовательно преобразуется первым выпрямителем 6, автономным преобразователем 8 и подается потребителям 2 постоянного тока, а также через выпрямитель 6, инвертор 5 - потребителям 4 переменного тока.

Таким образом, описанная система осуществляет следующий способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве:

- в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием;

- в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают трансформированием и преобразуют в постоянное;

- источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют;

- в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования;

- в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока.

Кроме того, в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока можно понижать автономным преобразователем и подать пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.

В практических условиях заявленная система (см. чертеж) функционирует следующим образом.

При стоянке ТС, например поезда, питание потребителей 2, 4 осуществляется от вагонной аккумуляторной батареи (АБ). Генератор источника 7 питания переменного тока не работает, стационарная сеть 3 (внешняя сеть) имеет место быть только в отстойнике вагонов. Потребители 2 постоянного напряжения получают питание непосредственно от АБ, а для питания потребителей 4 переменного тока используется автономный преобразователь 8 и инвертор 5. Так как энергетически возможности АБ ограничены, питание потребителей 4 переменного тока производится по минимуму. Обычно это только вентиляция, поэтому и расчетная мощность автономного преобразователя 8 для режима вентиляции невелика.

При движении, начиная с определенной скорости (обычно 20-25 км/час), питание потребителей 2 постоянного тока, включая заряд АБ, осуществляется от генератора (подвагонного) источника 7 через второй выпрямитель 9. Одновременно от второй более высоковольтной обмотки трехфазного генератора источника 7 питания переменного тока через третий выпрямитель 10 и инвертор 5 питаются потребители 4 переменного тока. Осуществляется также принципиальная возможность передавать энергию от источника 7 через второй выпрямитель 9, сеть постоянного тока, автономный преобразователь 8 и инвертор 5. Этот канал используется для выравнивания нагрузки обмоток трехфазного генератора источника 7, но и в этом случае автономный преобразователь 8 загружен мало, и его расчетная мощность невелика. Основной поток энергии от источника 1 к потребителям 4 переменного тока идет напрямую, минуя автономный преобразователь 8. В случае если низковольтная обмотка трехфазного генератора источника 7 генератора загружена полностью, энергию потребителям 2 постоянного тока можно передавать и со второй (высоковольтной) обмотки трехфазного генератора источника 7 через третий выпрямитель 10, т.е. с выхода источника 1 с высоким уровнем напряжения и через автономный преобразователь 8. В эксплуатируемых сейчас вагонах из-за отсутствия второй обмотки на генераторе любая передача энергии от генератора или АБ потребителям 4 переменного тока происходит только через автономный преобразователь 8, увеличивая потери, ухудшая массогабаритные показатели и стоимость этого автономного преобразователя 8.

В режиме работы от внешней сети (в отстойнике вагонов) трехфазное напряжение 380 В стационарной сети 3 выпрямляется первым выпрямителем 6 и через инвертор 5 подается потребителям 4 переменного тока, а через автономный преобразователь 8 - потребителям 2 постоянного тока, причем энергопотребление последних ограничивается.

Технический результат в эксплуатационном режиме работы, а именно сокращение по сравнению с аналогами каскадов преобразований, повышение КПД, надежности, улучшение массогабаритных показателей системы электроснабжения достигается за счет использования трехфазного генератора (подвагонного) с двумя выходными обмотками и за счет общего построения схемы.

Вторая высоковольтная выходная обмотка трехфазного генератора источника 7 выполняется на любое требуемое значение напряжения. При расширении номенклатуры потребителей системы этих обмоток может быть и более двух. Отпадает необходимость дополнительного преобразования (как правило, более технически сложного повышения напряжения) энергии для питания потребителей 4 переменного тока. Автономный преобразователь 8 выполняется на значительно меньшую установленную мощность и используется как вспомогательный. Поэтому объем преобразовательного оборудования, потери в нем меньше (в реальном измерении для конкретной системы электроснабжения пассажирских вагонов в 1,5-2 раза). Установленная мощность и габаритные размеры трехфазного генератора с двумя выходными обмотками источника 7 по сравнению с обычной однообмоточной машиной практически не изменяются. Возможность резервирования питания всех потребителей 2, 4 (а следовательно, повышение надежности электроснабжения потребителей 2, 4) обеспечивается заявленной кольцевой функциональной схемой, показанной на чертеже.

Специалистам понятно, что описанная выше функциональная схема допускает ее дополнение различными техническими средствами, известными из существующего уровня техники, а предложенное техническое решение не исчерпывается описанным выше примером конкретной реализации изобретения, сущность которого отображена независимыми пунктами формулы изобретения.

Наиболее успешно заявленный способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве и система для его реализации промышленно применимы при эксплуатации оборудования пассажирских вагонов с автономным энергоснабжением.

Источник питания постоянного тока системы выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения. Для этого используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками. Переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют. В эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока. При этом напряжение низкого уровня повышают обратимым автономным преобразователем и подают это постоянное напряжение через инвертор к потребителям переменного тока. В стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования. Выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока. Система соответственно содержит источник питания постоянного тока, выполненный двухуровневым, с высоким и низким уровнями напряжений, стационарную сеть переменного тока, инвертор, выпрямитель, автономный преобразователь, выполненный обратимым. Технический результат заключается в повышении надежности и КПД системы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве, согласно которому в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают и преобразуют в постоянное, отличающийся тем, что источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют, в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока понижают автономным преобразователем и подают пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.

3. Система электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащая источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока, отличающаяся тем, что введены автономный преобразователь, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй выпрямитель и третий выпрямитель, при этом источник питания постоянного тока выполнен из источника питания переменного тока в виде трехфазного генератора с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя и третьего выпрямителя, второго выпрямителя - к выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третьего выпрямителя - к выходной обмотке высокого уровня напряжения, при этом выход источника питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя, который подсоединен к потребителям постоянного тока, а выход источника питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора, первый выпрямитель подсоединен к стационарной сети переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя объединены и подсоединены к входу инвертора.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что автономный преобразователь выполнен из трансформатора, второго инвертора и третьего инвертора, при этом вход/выход второго инвертора служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя, второй инвертор выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора, а третий инвертор подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к повышающей обмотке трансформатора и выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и наоборот, при этом вход/выход третьего инвертора служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя.