СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА И ЕГО БОРТОВАЯ СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И РАЗРЯДА Российский патент 2019 года по МПК B60L9/24 B60L50/53 B61C3/02 B60L5/18 B60M1/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к системе тягового электропитания для высокоскоростного поезда, которая представляет собой источник энергии для гарантирования безопасной, стабильной и эффективной эксплуатации высокоскоростного поезда, ответственна за стабильное, непрерывное и надежное электропитание высокоскоростных электропоездов (EMU - Electric Multiple Units) и представляет собой одну из важных инфраструктур электрифицированных железных дорог. В частности, изобретение относится к бортовой системе аккумулирования энергии и разряда системы тягового электропитания для высокоскоростного поезда и сделано с целью балансировки тока обратной последовательности в специализированной, предназначенной для электропитания и энергосбережения части структуры опор электрической сети.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Что касается существующей высоковольтной системы передачи для высокоскоростного поезда, то трехфазный переменный ток напряжением 3,15-20 кВ, выдаваемый из электростанции, повышается повышающим/понижающим трансформатором TM1 до тока высокого напряжения 35-500 кВ, а затем подводится к локальной подстанции DB непосредственно или подводится к локальной подстанции DB через повышающий/понижающий трансформатор TM1 посредством трехфазной высоковольтной электрической сети; локальная подстанция DB выдает трехфазный переменный ток напряжением 110 кВ или 220 кВ (220 кВ для высокоскоростных EMU) на первичную обмотку тягового трансформатора S, а вторичная обмотка тягового трансформатора S выдает однофазный переменный ток напряжением 27,5 кВ (номинальным напряжением 25 кВ), который подключают к линии Т тягового электропитания. Однофазный переменный ток из линии Т тягового электропитания подключают для электропитания локомотива и вспомогательного электропитания внутри EMU через однофазный пантограф и однофазный главный прерыватель цепи, образуя внешнюю однофазную систему тягового электропитания, как показано на фиг.8. Благодаря однофазному электропитанию, сеть тягового электропитания обладает преимуществами простой структуры, низкой стоимости строительства, удобной эксплуатации и удобного технического обслуживания, оказываясь поэтому выгодной для сектора энергетики железных дорог. Вместе с тем, однофазное электропитание будет вызывать дисбаланс в трехфазном высоковольтном электропитании, вызывая ток обратной последовательности. Когда ток обратной последовательности проходит по линиям передачи, энергия обратной последовательности не работает, что будет негативно влиять на качество энергии электрической сети, снижать коэффициент мощности, увеличивать потери энергии электрической сети, снижать пропускную способность электрической сети и усложнять защиту. Чтобы справиться с негативными воздействиями тока обратной последовательности, необходимо предусмотреть фазоразделительный изолятор или рубильник в нейтральном участке, который увеличит подверженность внешней системы тягового электропитания конструктивным и строительным дефектам. С этой целью - для решения проблемы тока обратной последовательности - авторы изобретения подали в Китае патентные заявки № 201410182358.0 и № 201410239724.1 на изобретения. Эти две патентные заявки не могут решить проблему обратной последовательности во всем процессе в целом. Вместе с тем, электрическая сеть электрифицированной железной дороги должна быть оснащена сложными структурами механических опор, чтобы выдерживать полные нагрузки сети тягового электропитания и гарантировать стабильность, надежность и безопасность электрической сети, проблема которых тоже должна быть решена. С этой целью, заявитель данного изобретения подал в Китае патентную заявку № 201410409606.0 на изобретение, а основное содержание этой заявки на патент повторяется ниже: как показано на фиг.7 и фиг.6, внешняя система электропитания в верхней части шеренги анкерных опор 22 однорядной линии для железной дороги оснащена устройствами 33 позиционирования траверс; на каждом из устройств 33 позиционирования траверс неподвижно расположены два взаимно параллельных несущих троса 44; каждый несущий трос 44 неподвижно соединен с одним концом струны (подвески) 55, а другой конец струны имеет связь с контактным проводом электропитания. Для двухфазного электропитания однопроводной линии, трехфазное - A, B, C - высокое напряжение 110 кВ (220 кВ для высокоскоростного поезда) подводится к первичной обмотке тягового трансформатора S, а от вторичной обмотки тягового трансформатора S отходит однофазная цепь двух фазных проводов α и β напряжением 27,5 кВ (номинальным напряжением 25 кВ), и двухсторонние однофазные цепи проводов α и β соответственно подключены к двум однофазным контактным проводам 111. Оба несущих троса 44, обе струны 55 и оба контактных провода 111 электропитания соответственно параллельны друг другу и изолированы друг от друга изоляторами M1 и M2, исключая возможность короткого замыкания. Оба однофазных контактных провода 111 находятся в контактном соединении со скользящими контакторами α' и β', предусмотренными наверху двухфазных пантографов T1 и T2, соответственно. Главный прерыватель цепи EMU подводится посредством левого и правого рычагов La и Rа двухфазных пантографов T1 и T2 к скользящим контакторам α' и β', причем главный прерыватель цепи соединяет рубильники K1_α и K1_β или K2_α и K2_β для подачи электропитания внутрь EMU. На протяжении предшествующего и последующего участков двухколейной железной дороги только внутренняя сторона двухколейной железной дороги оснащена одним рядом анкерных опор 22, а устройства 33 позиционирования траверс симметрично расположены на верхнем участке анкерных опор 22, что выгодно для экономии трудовых и материальных ресурсов и повышения устойчивости анкерных опор 22.

Как показано на фиг.9 для китайской патентной заявки № 201410409606.0 на изобретение, здесь изображена бортовая структура линий электропитания 8-вагонного EMU, в которой передача в систему электропитания внутри EMU происходит по двусторонним линиям электропитания одной фазы α и одной фазы β через левый рычаг La и правый рычаг Rа двухфазных пантографов посредством контакторов α' и β', а однофазная цепь α и однофазная цепь β подключены к двухфазным рубильникам K1_α и K1_β или K2_α и K2_β. Один из двухфазных пантографов T1 и T2 поднят, а другой должен быть опущен. Когда T1 поднят, а T2 опущен, двухфазный рубильник K1_α подключает однофазную цепь α к главному блоку TUB1 тягового электропитания и вспомогательным нагрузкам электропитания EMU, а двухфазный рубильник K1_β подключает однофазную цепь β к главному блоку TUB2 бортового аккумулятора. Когда T2 поднят и T1 опущен, двухфазный рубильник K2_β подключает однофазную цепь β к главному блоку TUB1 тягового электропитания и вспомогательным нагрузкам электропитания EMU, а двухфазный рубильник K2_α подключает однофазную цепь α к главному блоку TUB2 бортового аккумулятора. TUB1 и TUB2 независимы друг от друга и попеременно оказываются в контакте друг с другом, увеличивая симметрию отбора электроэнергии сетями трех фаз A, B и C высокого напряжения. Поэтому двухсторонние электрические провода однофазных цепей α и β на участке тягового электропитания не имеют нейтрального участка, минуя нейтральный участок, а специализированные сети электропитания трех фаз A, B, и C высокого напряжения не приводят к созданию тока обратной последовательности. Хотя в содержании этой заявки на изобретение описано отсутствие отрицательной последовательности в течение всего процесса, а не периодически работающая сеть электропитания, специальное описание структуры цепи и режима подключения бортового аккумулятора не приводится. Из вышеизложенного можно заметить, что проектирование структуры бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда и ее компонентов представляет собой крайне важную задачу, которую надлежит решить посредством данного изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С учетом известных технических решений, в данном изобретении предложена система тягового электропитания для высокоскоростного поезда, содержащая бортовое устройство электропитания, причем бортовое устройство электропитания содержит бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания, а также бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда, причем бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда образуют составную цепь, причем двухсторонние однофазные электрические цепи α и β, идущие от вторичной обмотки тягового трансформатора сети тягового электропитания, подключены к бортовому устройству электропитания посредством двухфазных пантографов T1 и T2, и когда один из двухфазных пантографов T1 и T2 поднят, другой из двухфазных пантографов T1 и T2 должен быть опущен, или могут быть опущены оба двухфазных пантографа T1 и T2, причем однофазная электрическая цепь α всегда подключена к бортовой цепи электропитания привода и вспомогательного электропитания, однофазная электрическая цепь β всегда подключена к бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, а бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда независимы друг от друга и изолированы друг от друга.

Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда предпочтительно включает в себя некоторую комбинацию суперконденсаторов (конденсаторов большой емкости) и аккумулятора большой емкости.

Бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания предпочтительно включает в себя бортовую главную цепь, причем бортовая главная цепь разделена на два тракта постоянным током, выдаваемым из главного преобразователя: первый тракт подключен непосредственно к системе вспомогательного электропитания через вспомогательный преобразователь, а второй тракт питает тяговый электродвигатель посредством тягового преобразователя, обеспечивая подключение к системе электропитания привода, причем между главным преобразователем и вспомогательным преобразователем добавлена отводная соединительная линия, имеющая клемму А, между главным преобразователем и тяговым преобразователем добавлен двунаправленный переключатель K3, и когда клемму С двунаправленного переключателя K3 B-C включают, B-B двунаправленного переключателя K3 выключается.

В предпочтительном варианте, когда моторный вагон попадает на участок L₁, по однофазной электрической цепи α осуществляется передача к двухфазному пантографу T1 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K1_α, или когда моторный вагон попадает на следующий участок L₁, по однофазной электрической цепи α осуществляется передача к двухфазному пантографу T2 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K2_α , причем однофазная электрическая цепь α питает бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания; когда моторный вагон попадает на участок L₁, по однофазной электрической цепи β осуществляется передача к двухфазному пантографу T1 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K1_β, или когда моторный вагон попадает на следующий участок L₁, по однофазной электрической цепи β осуществляется передача к двухфазному пантографу T2 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K2_β, причем однофазная электрическая цепь β разделена на два тракта постоянным током, выдаваемым из главного преобразователя: первый тракт подключен через диод к клемме А соединительной линии, отводимой из промежутка между главным преобразователем и вспомогательным преобразователем главной цепи, а другой тракт подключен с выходного конца бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда к клемме C двунаправленного переключателя K3 главной цепи через диод, при этом диод предотвращает обратное протекание энергии электрического тока.

Главный преобразователь составной цепи предпочтительно подключен к клемме A соединительной линии главной цепи через диод, а клемма A, в свою очередь, подключена ко вспомогательному преобразователю главной цепи, так что вспомогательное электропитание составной цепи и вспомогательное электропитание главной цепи имеют общую систему вспомогательного электропитания, а вспомогательный преобразователь, трансформатор резонансного трансформатора, и аккумулятор общей системы вспомогательного электропитания имеют увеличенную емкость, причем аккумулятор представляет собой ионно-литиевый аккумулятор, имеющий емкость, которая больше или равна сумме емкости аккумулятора главной цепи и значения энергии вспомогательного электропитания, необходимого для того, чтобы моторный вагон попал на участок L₂.

Электрический ток, выдаваемый из бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, предпочтительно подключен к клемме C двунаправленного переключателя K3 главной цепи через диод и поступает в систему электропитания привода главной цепи; в этот момент, B-B двунаправленного переключателя K3 выключается, электропитание составной цепи и электропитание главной цепи имеют общую систему электропитания, а бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда имеет аккумулятор большой емкости с увеличенной емкостью по энергии, причем номинальное напряжение блока тяговых аккумуляторов большой емкости согласовано с напряжением тягового инвертора, емкость по энергии блока тяговых аккумуляторов большой емкости больше или равна энергии, необходимой для того, чтобы моторный вагон попал на участок L₂, и блок тяговых аккумуляторов большой емкости образован путем подключения графеновых элементов, водородных топливных элементов и ионно-литиевых элементов параллельно и последовательно.

Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда предпочтительно представляет собой постоянный ток, выдаваемый однофазной электрической цепью β через главный преобразователь, отрицательный полюс постоянного тока подключен к отрицательному полюсу главной цепи бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, положительный полюс постоянного тока подведен к цепи зарядного демпфера, а эта цепь зарядного демпфера после подключения параллельно контактору короткого замыкания и резистору, ограничивающему зарядный ток, подключена последовательно с положительным полюсом главной цепи, при этом когда напряжение блока суперконденсаторов меньше некоторого нижнего предела, контактор короткого замыкания выключается, позволяя резистору, ограничивающему зарядный ток, иметь доступ к цепи, ограничивая таким образом мгновенный зарядный ток при подводе электропитания, а когда напряжение блока суперконденсаторов выше упомянутого нижнего предела, сигнал, выдаваемый из контроллера, обеспечивает втягивание контактора короткого замыкания, чтобы отключить резистор, ограничивающий зарядный ток, блок суперконденсаторов образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, а электрический ток, выдаваемый из цепи зарядного демпфера, заряжает блок суперконденсаторов.

В предпочтительном варианте, когда блок суперконденсаторов полностью заряжен электрическим током, выдаваемым из цепи зарядного демпфера, электрический ток через датчик тока блока суперконденсаторов является нулевым, и в контроллер выдается сигнал; сигнальный выходной конец контроллера обеспечивает подвод сигнала к затвору VT₁ двунаправленного переключателя, и VT₁ включается; блок тяговых аккумуляторов большой емкости заряжается через датчик тока и VT₁ двунаправленного переключателя и через диод VD₂ защиты от выброса обратного тока, а E-полюс VT₁ двунаправленного переключателя и E-полюс VT₂ соединены друг с другом, при этом во включенном состоянии находится лишь один из них.

В предпочтительном варианте, когда блок тяговых аккумуляторов большой емкости полностью заряжен электрическим током, т.е., электрический ток через датчик тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости является нулевым, или когда датчик напряжения, образующий перемычку между положительным и отрицательным полюсами блока суперконденсаторов, равен датчику напряжения, образующему перемычку между блоками тяговых аккумуляторов большой емкости, блоки тяговых аккумуляторов большой емкости разряжаются, и в этот момент осуществляется подвод сигнала с выходного конца контроллера, и VT₂ двунаправленного переключателя включается, а блок тяговых аккумуляторов большой емкости разряжается на выходной конец главной цепи через датчик тока и VT₂ двунаправленного переключателя и диод VD₁ защиты от выброса обратного тока.

В предпочтительном варианте, главный преобразователь главной цепи подключен к концу С двунаправленного переключателя K3 главной цепи через неуправляемый диод, выключающий B-B и включающий B-C двунаправленного переключателя K3 и подключенный к тяговому преобразователю главной цепи через B-C, и тогда подвод электропитания к тяговому электродвигателю происходит посредством тягового преобразователя; блок суперконденсаторов действует как энергетический буфер главной цепи для совместного использования мгновенной нагрузки электропитания блока тяговых аккумуляторов большой емкости, при этом краткосрочная флуктуация электропитания или мгновенное избыточное напряжение и недостаточное напряжение выдерживаются главным образом блоком суперконденсаторов, а основная часть флуктуации нагрузки на протяжении более длительного времени выдерживается блоком тяговых аккумуляторов большой емкости; электролитический конденсатор, образующий перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи используется как фильтр верхних частот, а положительный полюс главной цепи подключен ко входному концу цепи аккумулирования энергии и разряда электропитания привода через выходной датчик тока.

В предпочтительном варианте, положительный полюс главной цепи подключен к системе электропитания привода через выходной датчик тока и рубильник, датчик напряжения образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, причем его сигнальный выходной конец подключен к сигнальному входному концу контроллера; датчик напряжения блока тяговых аккумуляторов большой емкости образует перемычку между обоими концами блока тяговых аккумуляторов большой емкости, причем его выходной сигнал передается на входной конец контроллера, сигнальные выходные концы датчика тока блока суперконденсаторов и датчика тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости подключены к контроллеру, соответственно, а сигнальные выходные концы выходного датчика тока подключены к контроллеру, соответственно; сигнальные выходные концы контроллера соответственно подключены к затворам VT₁ или VT₂, выходной конец контроллера подключен к цепи демпфера напряжения, а выходной конец контроллера подключен к рубильнику.

Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда составляет основное содержание данного изобретения и далее именуется главной цепью. Ядром главной цепи являются блок суперконденсаторов и блок тяговых аккумуляторов большой емкости, дополняемые двунаправленным переключателем и сочетаемые с получением сигналов и контроллером. Блок суперконденсаторов имеет высокую плотность электроэнергии, а аккумулятор большой емкости имеет огромную плотность энергии, и их комбинация может обеспечить буферизацию энергии для блока тяговых аккумуляторов большой емкости, а также может в полной мере содействовать реализации достижения высокой выработки электроэнергии блоком суперконденсаторов. Двунаправленный переключатель состоит из двух мощных тиристоров на основе полевых транзисторов со структурой «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET) или тиристоров на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), а их напряжение пробоя достигает 1200 В, максимальный ток насыщения коллектора превышает 1500 A, а рабочая частота может достигать 20 кГц. Сигнал вводится в контроллер датчиком тока и датчиком напряжения блока суперконденсаторов, датчиком тока и датчиком напряжения блока тяговых аккумуляторов большой емкости и датчиком тока главной цепи, а управляющий сигнал, выдаваемый из контроллера, подводится к зарядному буферу, затвору VT₁ и VT₂ двунаправленного переключателя и выходному датчику тока, что и позволяет реализовать процесс, протекающий в главной цепи.

Когда блок суперконденсаторов завершает зарядку блока тяговых аккумуляторов большой емкости, VT₁ в двунаправленном переключателе главной цепи выключается, и только блок суперконденсаторов продолжает участвовать в выпрямлении и выдаче, образуя средство горячего резервирования и гарантируя стабильное напряжение выходного конца и вследствие этого функционируя как источник бесперебойного пониженного питания. Электрический ток передается через датчик тока к выходному концу бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда из блока тяговых аккумуляторов большой емкости через датчик тока аккумулятора большой емкости, тиристор VT₂ и диод VD₁ защиты от выброса обратного тока. Блок суперконденсаторов может за короткое время достигать полной отдаваемой мощности, так что мгновенные флуктуации сети полностью аккумулируются блоком суперконденсаторов и - насколько это возможно - передаются на выходной конец бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда через выходной датчик тока, вследствие чего удовлетворяются высокие требования к электропитанию, а также создается возможность выдерживать переходное избыточное напряжение или недостаточное напряжение и избегать мгновенного падения напряжения, так что блок конденсаторов сохраняет обратную связь по мгновенным флуктуациям тока, обеспечиваемую энергией тягового электродвигателя, тем самым действуя как прерыватель подвода электрической энергии или флуктуации нагрузки и исполняя роль фильтра энергии. Когда требуется высокая мгновенная высокая мгновенная импульсная отдаваемая мощность, блок суперконденсаторов может срабатывать в состоянии зарядки мгновенно, так что блок тяговых аккумуляторов большой емкости может удовлетворять высокие требования к электропитанию, эффективно защищать блок тяговых аккумуляторов большой емкости, обеспечивая безопасность в целом, и стабилизировать напряжение на шине, гарантируя надежность выдаваемой электрической энергии. Это может обеспечить удовлетворение требований к внешнему электропитанию при большей энергии, и в то же время блок суперконденсаторов может подавлять флуктуации напряжения, а выходной датчик тока ответствен за оперативный контроль входного тока. Этот режим используют главным образом для нагрузочной обратной связи по электрической энергии или переходному избыточному напряжению, возникающему из-за флуктуаций нагрузки. Выходное напряжение, поступающее с выходного конца, и функция фильтрации верхних частот электролитического конденсатора между положительным и отрицательным полюсами главной цепи дополнительно повышают качество постоянного тока, а постоянный ток передается с выходного конца бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда к инвертору через рубильник главной цепи и к тяговому электродвигателю, тем самым завершая весь процесс электропитания в моторном вагоне.

Данное изобретение имеет следующие полезные эффекты.

1. Изобретение предусматривает как можно большее использование отработанной и надежной известной технологии подвода тока вне вагонов и подвода тока внутри вагонов, которые могут способствовать экономии - в большом объеме - трудовых ресурсов, материальных ресурсов и финансовых ресурсов.

2. Разработка данного изобретения основана на составной цепи, включающей в себя, по существу, главную цепь и бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда. Главная цепь построена преимущественно на линии электросекции типа CRH1, при этом режимы подключения линий и компонентов являются такими же, как режимы главной цепи, что приводит к экономии - в большом объеме - затрат на проектирование и закупку компонентов.

3. Главная цепь и составная цепь согласно данному изобретению предусматривают совместное использование одного комплекта бортовой системы вспомогательного электропитания и одного комплекта бортовой системы электропитания привода, что приводит к экономии структуры аккумулирования основной энергии.

4. Двухсторонние внешние цепи α и β переменного тока согласно данному изобретении обеспечивают подвод тока к бортовой линии электроснабжения и бортовой линии аккумулирования энергии и разряда через двухфазную электрическую сеть. Двухсторонние однофазные цепи α и β независимы друг от друга и изолированы друг от друга, а также имеют одинаковое потребление электрической энергии. Внешняя цепь α всегда подключена к внутренней цепи α, а внешняя цепь β всегда подключена к внутренней цепи β . Это гарантирует, что частота сети окажется абсолютно такой же, как частота линии электропитания, последовательность фаз окажется такой же, как в сети, а фаза и сеть будут строго синхронизированы.

5. Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда данного изобретения состоит главным образом из блоков суперконденсаторов и блоков тяговых аккумуляторов большой емкости. Преимущество блока суперконденсаторов заключается в том, что плотность мощности оказывается высокой, а блок тяговых аккумуляторов большой емкости обладает преимуществом высокой плотности энергии, так что их координированная комбинация представляет собой наилучший тракт аккумулирования энергии.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

на фиг.1 представлена схема бортовой составной цепи в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;

на фиг.2 представлена схема бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;

на фиг.3 представлена структурная схема главной цепи электросекции типа CRH1, соответствующей одному варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.4 представлен схематический вид, демонстрирующий порядок компоновки 8-мивагонного EMU и положение установки пантографов для существующих разных четырех моделей;

на фиг.5 представлена условная схема, демонстрирующая электропитание локомотива и вспомогательное электропитание, а также бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда 8-мивагонного EMU в соответствии с данным изобретением;

на фиг.6 представлен вил спереди средств внешнего двухфазного электропитания существующей электрифицированной железной дороги;

на фиг.7 представлен вид сбоку согласно фиг.6;

на фиг.8 представлена условная схема средств внешнего двухфазного электропитания существующей электрифицированной железной дороги; и

на фиг.9 показана бортовая структура линий электропитания 8-мивагонного EMU.

На чертежах: G обозначает генератор; TM1 обозначает повышающий трансформатор; TM2 обозначает понижающий трансформатор; ABC обозначает специализированные электрические сети трехфазного высокого напряжения; S обозначает тяговый трансформатор; D обозначает высокоскоростной поезд; T1 и T2 обозначают однофазные пантографы; T1 и T2 обозначают двухфазные пантографы; K1_α, K2_α обозначают двухфазные рубильники для электропитания привода и вспомогательного электропитания EMU; K1_β и K2_β обозначают рубильники для бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда; M обозначает тяговый электродвигатель; R_α и R_β обозначают сильноточные понижающие резисторы; R обозначает железную дорогу; α' и β' обозначают скользящие контакторы на верхних концах левого рычага La и правого рычага Ra; M1, M2 обозначают изоляторы между левым рычагом La и правым рычагом Ra.

Перечень позиций чертежей:

1: заземляющий переключатель

2: главный прерыватель цепи

3: измерительный трансформатор напряжения

4: фильтр

5: трансформатор тока

6: разрядник для защиты от перенапряжений (разрядник)

7: силовой трансформатор

8: главный преобразователь

9: тяговый преобразователь

10: тяговый электродвигатель

11: вспомогательный преобразователь

12: трансформатор в схеме резонансного фильтра

13: зарядное устройство

14: переключатель аккумулятора

15: аккумулятор

16: Ключ постоянного тока

61, 62: неуправляемые диоды

63: цепь зарядного демпфера, контактор короткого замыкания, резистор R, ограничивающий зарядный ток

64: контроллер

65: датчик напряжения

66: блок суперконденсаторов

67: блок тяговых аккумуляторов большой емкости

68: датчик напряжения аккумулятора большой емкости

69-1: датчик тока блока суперконденсаторов

69-2: датчик тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости

610: двунаправленный переключатель

611: электролитический конденсатор

612: датчик тока главной цепи

613: рубильник главной цепи

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Данное изобретение предусматривает всеобъемлющее применение отработанной и надежной известной технологии EMU, которая может способствовать экономии - в большом объеме - трудовых ресурсов, материальных ресурсов и финансовых ресурсов. Основная разработка согласно изобретению представляет собой составную цепь. Составная цепь включает в себя главную цепь и бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда. Варианты осуществления данного изобретения будут дополнительно описаны ниже в связи с прилагаемыми чертежами.

Существующие в Китае 8-мивагонные EMU имеют, по существу, одну и ту же структуру цепей, за исключением разного порядка расположения вагонов и разных положений, в которых находятся пантографы, как показано на фиг.4(a), фиг.4(b), фиг.4(c) и фиг.4(d). Один вариант осуществления данного изобретения принимает форму, например, бортовой системы электропитания привода и вспомогательного электропитания в 8-мивагонном EMU типа CRH1 как показано на фиг.3, а позиции на фиг.3 отличаются от последовательностей структуры компонентов исходных линий CRH1, но соответствующие компоненты оказываются совершенно одинаковыми.

Главная цепь

Существующие в Китае 8-мивагонные EMU типа CRH1, CRH2, CRH3 и CRH5 отличаются друг от друга главным образом разными последовательностями расположения моторных вагонов и прицепных вагонов и разными крышами, на которых расположен пантограф, а их внутренние линии и компоненты являются в основном одинаковыми. Один вариант осуществления данного изобретения описывается в связи с 8-мивагонным EMU типа CRH1 в качестве представительной без потери общности, как показано на фиг.3. Позиции на фиг.3 соответствуют обозначениям компонентов структуры типа CRH1. Трехфазный переменный ток напряжением 110 кВ (220 кВ для высокоскоростного поезда) подводится к первичной обмотке тягового трансформатора, а вторичная обмотка тягового трансформатора выдает однофазный переменный ток напряжением 27,5 кВ (номинальное напряжение составляет 25 кВ) и частотой 50 Гц, передача которого осуществляется к рубильнику K1 или K2 через однофазный пантограф T1 или T2 и потом - через заземляющий переключатель 1, главный выключатель 2, измерительный трансформатор 3 напряжения, фильтр 4, трансформатор 5 тока, разрядник 6 для защиты от перенапряжений (молниеотвод), главный трансформатор 7 и главный преобразователь 8, причем постоянный ток, выдаваемый главным преобразователем 8 делится на проходящий по двум трактам: первый тракт подключен непосредственно к системе вспомогательного электропитания главной цепи, т.е., ток передается в зарядное устройство 13 через вспомогательный преобразователь 11 и через трансформатор 12 в схеме резонансного фильтра; постоянный ток, выдаваемый из зарядного устройства 13, заряжает аккумулятор 15 через переключатель 14 аккумулятора и одновременно подключается к напряжению 110 В постоянного тока в вагоне через диод и ключ 16 постоянного тока; а второй тракт питает тяговый электродвигатель 10 электрической энергией через тяговый преобразователь 9.

В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения, в вышеупомянутую существующую главную цепь внесены следующие изменения: как показано на фиг.3, между главным преобразователем 8 и вспомогательным преобразователем 11 главной цепи выведена соединительная линия 100 с клеммой A; и между главным преобразователем 8 и тяговым преобразователем 9 добавлен двунаправленный переключатель K3, причем конец B-B К3 оказывается подключенным, когда к главной цепи подводят питание.

Составная цепь

Бортовое устройство электропитания, соответствующее данному изобретению, включает в себя бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда, причем бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда образуют составную цепь. На фиг.1 показана схема бортовой составной цепи, соответствующая одному варианту осуществления данного изобретения, в которой постоянный ток, выдаваемый из главного преобразователя 8, подключается к системе вспомогательного электропитания на клемме A отводной линии главной цепи через неуправляемый диод 1. Выходной конец бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда подключен к клемме C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 главной цепи через неуправляемый диод 2.

На фиг.5 представлена условная схема, демонстрирующая электропитание привода, вспомогательное электропитание, а также бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда 8-мивагонного EMU, соответствующие данному изобретению. Двухсторонние однофазные цепи α и β переменного тока напряжением 27,5 кВ (номинальным напряжением 25 кВ) выходят из тягового трансформатора, подключены к контактной сети тягового электропитания и подведены к бортовой системе электропитания через двухфазный пантограф T1 или T2, как показано на фиг.5. В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения, бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда включает в себя бортовую систему электропитания привода и вспомогательного электропитания, предусмотренную как главной блок TUB1, а бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда предусмотрена как главный блок TUB2, и эти два блока независимы друг от друга и изолированы друг от друга. Когда моторный вагон попадает на участок L₁, пантограф T1 поднимается, а пантограф T2 опускается и подключается к двухфазному рубильнику K1_α, K1_β. Когда моторвагонная секция попадает на следующий участок L₁, T1 опускается, а T2 поднимается и подключается к двухфазному рубильнику K1_α, K1_β. Когда T1 поднимается, а T2 опускается, или T1 опускается, а T2 поднимается, фаза α двухсторонней однофазной цепи подключена к бортовой системе TUB1 электропитания привода и вспомогательного электропитания через рубильник K1_α или K1_α, а фаза β двухсторонней однофазной цепи подключена к бортовой цепи TUB2 аккумулирования энергии и разряда через рубильник K1_β или K2_β. Независимо от того, попадает ли моторный вагон попадает на участок L₁ или на следующий участок L₁, однофазная цепь α всегда подключена к бортовой системе TUB1 электропитания привода и вспомогательного электропитания, а однофазная цепь β всегда подключена к бортовой цепи TUB2 аккумулирования энергии и разряда, и это может гарантировать, что частота электрической сети всегда составляет 50 Гц, последовательность фаз и электрическая сеть всегда одни и те же и строго синхронизированы, а форма сигнала напряжения представляет собой синусоиду. Когда моторный вагон заезжает на участок L₂, опускаются как T1, так и T2, и энергия, аккумулированная в бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, осуществляет бортовое электропитание привода и вспомогательного электропитания, то есть, выходной конец бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда подключается к клемме C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 главной цепи через неуправляемый диод 62. В этот момент, B-B двунаправленного рубильника K3 выключается, а B-C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 включается, так что энергия, аккумулированная в бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда питает тяговый электродвигатель 10 через тяговый преобразователь 9 главной цепи. Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, электрическая сеть на участке L₂ отсутствует, и здесь нет структуры опор для сети. Вместе с тем, на концы Вкл И Выкл понижающего резистора дополнительно подается большой ток, и двухсторонние однофазные электрические цепи α и β становятся воздушными линиями, в результате чего появляется возможность избежать доступа искры короткого замыкания двухфазного пантографа в сеть тягового электропитания, или возникновения разъединяющей искры двухфазного пантографа, разъединяющей сеть тягового электропитания.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, линия передачи для однофазной электрической цепи α является, в основном, такой же, как для главной цепи типа CRH1, за исключением того, что между главным преобразователем 8 и вспомогательным преобразователем добавлена отводная соединительная линия 100; в главной цепи с линией передачи однофазной электрической цепи β выходной конец постоянного тока главного преобразователя подключен ко входному концу бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, на выходной конец бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда добавлен двухпозиционный переключатель К3, причем этот двухпозиционный переключатель K3 подключен к тяговому преобразователю, а тяговый преобразователь питает электрической энергией электродвигатель, тем самым образуя составную цепь.

Из взаимосвязи подключений между главной цепью и составной цепью можно заметить, что постоянный ток, выдаваемый из главного преобразователя 8 составной цепи, также передается в бортовую систему вспомогательного электропитания главной цепи, чтобы удовлетворить потребность во вспомогательном электропитании для гарантии попадания моторного вагона на участок L₂, в результате чего емкости вспомогательного преобразователя 11, трансформатора, входящего в состав трансформатора 12 в схеме резонансного фильтра, и аккумулятора 15 главной цепи должны увеличиваться, а кроме того, емкость аккумулятора 15 должна быть большей, чем сумма емкости аккумулятора исходной EMU типа CRH1 и емкости, соответствующей электрической энергии, необходимой для попадания моторного вагона на участок L₂, или равной этой сумме, чтобы гарантировать вспомогательное электропитание для моторного вагона. Поскольку блок тяговых аккумуляторов 15 исходной 8-мивагонной электросекции типа CRH1 представляет собой блок тяговых кислотно-свинцовых аккумуляторов или блок тяговых хромоникелевых аккумуляторов, данное изобретение предусматривает применение - вместо упомянутого блока - блока ионно-литиевых тяговых аккумуляторов, что может привести к сокращению веса и пространства, занимаемого блоком тяговых аккумуляторов; бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда выходного конца нельзя подключить непосредственно к системе электропитания составной цепи, и только когда моторный вагон въезжает на участок L₂, требуется подать электроэнергию в упомянутую систему электропитания. Таким образом, выходной конец бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда необходимо подключить к системе электропитания главной цепи через клемму C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 главной цепи. Энергия, аккумулированная в блоке 67 тяговых аккумуляторов большой емкости бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, должна быть большей, чем сумма первоначально аккумулированной энергии и энергии, необходимой для попадания на участок L₂, или равной этой сумме, чтобы гарантировать эксплуатацию системы электропитания, и поэтому емкость блока 67 тяговых аккумуляторов большой емкости должна быть значительно увеличенной. В качестве устройства аккумулирования энергии и разряда, необходимого для блока тяговых аккумуляторов большой емкости, используют блок тяговых графеновых аккумуляторов, блок водородных топливных элементов или блок тяговых литиевых аккумуляторов, что может привести к сокращению веса и пространства, занимаемого устройством для аккумулирования энергии, а также к удовлетворению перспектив технического развития.

Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда

В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения, как показано на фиг.2, основными функциями бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда являются аккумулирование и разряд электрической энергии, и в составе этой цепи имеются блок суперконденсаторов и блок тяговых аккумуляторов большой емкости - в качестве основных компонентов - в комбинации с двунаправленным переключателем и контроллером. Наибольшим преимуществом блока суперконденсаторов является высокая плотность мощности, а наибольшим преимуществом блока тяговых аккумуляторов большой емкости является большая емкость по энергии. Их сочетание может обеспечить эффект буферизации энергии для блока тяговых аккумуляторов большой емкости, а также может в полной мере содействовать реализации достижения высокой выработки электроэнергии блоком суперконденсаторов. Двунаправленный переключатель состоит из двух мощных тиристоров на основе полевых транзисторов со структурой «металл-оксид-полупроводник» (полевых МОП-транзисторов) или тиристоров на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Полностью управляемый тиристор является составным устройством, которое представлено биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT). В цепи аккумулирования энергии и разряда согласно фиг.2 датчик 612 тока подключен к B-C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 в главной цепи через рубильник 613 главной цепи. Процесс зарядки и разрядки в бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, соответствующей данному изобретению, описывается следующим образом: в процессе зарядки бортовой главной цепи, однофазная электрическая цепь β составной цепи выдает постоянный ток через главный преобразователь 8, при этом отрицательный полюс постоянного тока является входной клеммой отрицательного полюса главной цепи. Как показано на фиг.2, выходной положительный полюс главного преобразователя 8 подключен ко входному концу цепи 63 зарядного демпфера. В цепи 63 зарядного буфера - после подключения параллельно к контактору короткого замыкания - резистор R, ограничивающий зарядный ток, подключен последовательно к положительному полюсу главной цепи. Датчик 65 напряжения, образующий перемычку главной цепи, вводит сигнал в контроллер 64, а сигнал, выдаваемый контроллером 64, управляет включенным или выключенным состоянием контактора короткого замыкания. Когда напряжение блока суперконденсаторов оказывается ниже некоторого нижнего предела, сигнал, выдаваемый контроллером 64, обеспечивает разъединение контактора короткого замыкания, и резистор R, ограничивающий зарядный ток, получает доступ в цепь, чтобы ограничивать мгновенный зарядный ток при подводе электрической энергии; а когда напряжение блока суперконденсаторов выше упомянутого нижнего предела, сигнал, выдаваемый контроллером 64, втягивает резистор R, ограничивающий зарядный ток, в контактор короткого замыкания, чтобы произошло короткое замыкание. Блок 66 суперконденсаторов образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи через датчик 69-1 тока. Ток, водимый со входного конца главной цепи, заряжает блок 66 суперконденсаторов через цепь зарядного демпфера. Когда блок суперконденсаторов полностью заряжен, ток через датчик 69-1 тока является нулевым, а передача выходного сигнала из датчика тока осуществляется ко входному концу контроллера 64, так что контроллер 64 управляет затворами тиристоров VT₁ и VT₂ двунаправленного переключателя 610, и включиться может лишь один из VT₁ и VT₂. Сигнал, выдаваемый из контроллера 64, включает тиристор VT₁ двунаправленного переключателя 610, и электрический ток заряжает блок 67 тяговых аккумуляторов большой емкости через тиристор VT₁ и диод VD₂ защиты от выброса обратного тока. Эти операции повторяется до тех пор, пока аккумулятор 67 большой емкости не полностью зарядится электрической энергией, так что сигнал тока, вводимый в контроллер 64 из датчика 69-2 тока, оказывается нулевым или напряжение датчика 65 напряжения главной цепи оказывается равным напряжению датчика 68 напряжения блока 67 тяговых аккумуляторов большой емкости, сигнал контроллера 64 вводится через датчик 69-2 тока или датчик 65 напряжения, при этом датчик 68 напряжения находится на выходном конце блока тяговых аккумуляторов большой емкости; выходной управляющий сигнал контроллера 64 включает тиристор VT₂ двунаправленного переключателя 610, а блок 67 тяговых аккумуляторов большой емкости - через датчик 69-2 тока, тиристор VT₂ двунаправленного переключателя 610 и диод VD₂ защиты от выброса обратного тока - обеспечивает передачу электрического тока через датчик 612 тока и через двухпозиционный переключатель 613 к выходному концу главной цепи. Когда блок 66 суперконденсаторов завершает зарядку блока 67 тяговых аккумуляторов большой емкости, тиристор VT₁ двунаправленного переключателя 610 выключается. Участвовать в выпрямлении и выдаче продолжает только блок 66 суперконденсаторов, образуя средство горячего резервирования с тем, чтобы гарантировать стабильность напряжения на выходном конце. В это время упомянутый блок может функционировать как источник бесперебойного пониженного питания. Как и для процесса разрядки бортовой главной цепи, показанного в составной цепи согласно фиг.1, датчик 612 тока подключен к двухпозиционному переключателю K3 в главной цепи согласно фиг.3 через рубильник 613, при этом B-B двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 в главной цепи согласно фиг.3 разъединен, а B-C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3 включен. Выходной конец бортовой главной цепи подключен к клемме C B-C двунаправленного двухпозиционного переключателя K3, показанного на фиг.3, через неуправляемый диод 62, а с клеммы С происходит передача в тяговый электродвигатель 10 через извлекающий инвертор 9, чтобы завершить процесс разрядки в бортовой главной цепи.

Блок 66 суперконденсаторов используется как энергетический буфер главной цепи в моторном вагоне, который может участвовать в потреблении нагрузки мгновенной мощности блока 67 тяговых аккумуляторов большой емкости. Это зависит от фактической нагрузки подвода электропитания переменного тока извне и отдаваемой мощности постоянного тока. Краткосрочная флуктуация электроэнергии или переходное избыточное напряжение и недостаточное напряжение выдерживаются главным образом блоком 66 суперконденсаторов, а основная часть флуктуации нагрузки в течение более длительного времени выдерживается блоком 67 тяговых аккумуляторов большой емкости. Блок 66 суперконденсаторов может достигать полной отдаваемой мощности за десятки секунд, так что его можно использовать как фильтр энергии, вследствие чего мгновенные флуктуации сети полностью аккумулируются блоками конденсаторов и могут быть в как можно большей степени выданы через выходной датчик 612 тока и рубильник 613, чтобы удовлетворить потребности в высокой электроэнергии, а также чтобы была возможность выдерживать переходное избыточное напряжение и недостаточное напряжение и избегать мгновенного падания напряжения, вследствие чего мгновенная флуктуация тока сети полностью аккумулируется группой конденсаторов. Когда требуется высокая мгновенная импульсная отдаваемая мощность, блок 66 суперконденсаторов может удовлетворять высокие требования к электропитанию и может эффективно защищать блок 67 тяговых аккумуляторов большой емкости, повышая безопасность блока тяговых аккумуляторов большой емкости в целом. Блок 66 суперконденсаторов может сработать в состоянии зарядки мгновенно, а основной целью является стабилизация напряжения шины, гарантия надежности отдаваемой мощности и возможность играть роль управляемого подвода электрической энергии или флуктуаций нагрузки за счет срезания пиковых значений. Электролитический конденсатор 611, образующий перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, может функционировать как фильтр верхних частот. Когда блок 67 тяговых аккумуляторов большой емкости полностью заряжен, осуществляется передача электрического тока в систему электропитания локомотива через выходной датчик 612 тока и рубильник 613. Датчик 65 напряжения образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, а его сигнальный выходной конец подключен к сигнальному входному концу контроллера 64. Датчик 68 напряжения блока тяговых аккумуляторов большой емкости образует перемычку между обоими концами блока 67 тяговых аккумуляторов большой емкости, а его сигнальный выходной конец подключен к входному концу контроллера 64. Сигнальные выходные концы датчика 69-1 тока блока суперконденсаторов и датчика 69-2 тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости соответственно подключены к контроллеру 64, и сигнальный выходной конец выходного датчика 612 тока подключен к контроллеру 64. Сигнальные выходные концы контроллера 64 подключены к затворам тиристора VT₁ или VT₂ двунаправленного переключателя 610, соответственно, и сигнальный выходной конец контроллера 64 подключен к цепи демпфера напряжения, а выходной конец контроллера 64 подключен к рубильнику 613.

Бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения включает в себя такие компоненты, как блок суперконденсаторов, блок тяговых аккумуляторов большой емкости и полностью управляемый тиристор. Наибольшее преимущество суперконденсатора заключается в том, что плотность электроэнергии является высокой, вплоть до 300 Вт/кг - 5000 Вт/кг, что в десятки раз больше, чем у обычного аккумулятора. Суперконденсаторы могут обеспечить высокую разрядную емкость по току, высокую эффективность преобразования очень большой электроэнергии при высокой эффективности (≥90 %) текущего энергетического цикла и зарядном токе вплоть до 1500 А - 3000 А. Для полной зарядки одного-единственного суперконденсатора требуются лишь несколько секунд, а сотни суперконденсаторов, подключенных последовательно, можно зарядить более чем на 95 % за промежуток времени, составляющий всего лишь от десятков секунд до 6 минут. Кроме того, срок службы выражается большим числом зарядных циклов, а число циклов глубокой зарядки и разрядки может достигать 500000 раз. Суперконденсаторы имеют приемлемые температурные характеристики, а температура окружающей среди при эксплуатации может находиться в диапазоне от -40 °C до +70 °C. Поскольку состав сырья, процессы производства, применения, хранения и демонтажа суперконденсатора не дают загрязнения, это экологически чистый продукт. Суперконденсатор можно заряжать непосредственно - без сопротивления нагрузки, и он также имеет характеристики аккумулятора. Это новый особый компонент между аккумулятором и конденсатором. Хотя удельная энергия суперконденсатора гораздо больше, чем у электролитического конденсатора, удельная энергия суперконденсатора все равно меньше, чем у аккумулятора. В настоящее время, максимальная электрическая емкость каждого электрического двухслойного суперконденсатора может достигать 10000 Ф. Вместе с тем, когда напряжение существующего суперконденсатора превышает номинальное напряжение, электролит будет разлагаться, сокращая срок службы. Разработанный в последние годы в Японии новый суперконденсатор имеет номинальное напряжение более 100 В. Аккумулятор большой емкости имеет преимущества высокой плотности энергии, и он может иметь теоретическую удельную энергию вплоть до 400 Вт⋅ч/кг, а срок службы при зарядке и разрядке - вплоть до 1000-5000 раз. В данном случае, графеновый аккумулятор представляет собой аккумулятор нового типа, который может сократить время зарядки с нескольких часов до менее одной минуты. Емкость аккумулирования для аккумулятора из графенового полимерного материала втрое больше, чем у лучших современных изделий. Водородные топливные элементы, которые вырабатывают лишь воду и тепло, не загрязняют окружающую среду и не шумят, а водород как топливо возникает из продуктов электролиза воды и продуктов разложения других карбогидратов, тем самым являясь самым многообещающим новым источником энергии. Химические свойства водорода активны, и он может поглощаться определенными соединениями металлов или сплавов, образуя соединение водорода с металлом, а кроме того, содержание водорода оказывается высоким, даже выше, чем плотность жидкого водорода, что приводит к получению материала, хорошо накапливающего водород. Ионно-литиевый аккумулятор большой емкости протестировали на электромобилях нескольких типов, и получилось, что после одной-единственной зарядки электромобили могут проехать 345 км. Необходимости полной разрядки перед каждой зарядкой нет, зарядку можно проводить в любой момент, а токсичные вещества не вырабатываются. Блок суперконденсаторов или блок тяговых аккумуляторов большой емкости представляет собой комбинацию, образованную путем подключения одиночных компонентов параллельно и последовательно, а отдельные суперконденсаторы или аккумулятор сначала подключают параллельно, чтобы достичь требуемой емкости по энергии, а потом подключают последовательно, чтобы достичь требуемого номинального напряжения. Блок суперконденсаторов имеет высокую плотность электрической энергии, а аккумуляторы большой емкости имеют огромную емкость по энергии, и их согласованная комбинация может обеспечить и буферизацию энергии для блока тяговых аккумуляторов большой емкости, и - кроме того - содействие в полной мере обеспечению способности блока суперконденсаторов подводить большое количество электроэнергии, таким образом являясь наилучшим вариантом создания аккумулирующей энергию структуры блока суперконденсаторов и блока тяговых аккумуляторов большой емкости. Двунаправленный переключатель состоит из тиристора VT₁ и тиристора VT₂ и является полностью управляемым устройством, а это полностью управляемое устройство отличается тем, что его можно и включать, и выключать, управляя затвором. Составное устройство, представленное биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) состоит из полевого МОП-транзистора и биполярного транзистора (BJT), причем IGBT является биполярным транзистором с изолированным затвором, который представляет собой результат сочетания полевого МОП-транзистора и GTR (силового транзистора), и его напряжение пробоя может достигать 1200 В, а максимальный ток насыщения коллектора превышает 1500 A. Преобразователь, в котором IGBT используется в качестве инвертирующего устройства, имеет емкость более 250 kВА и рабочую частоту вплоть до 20 кГц.

Хотя данное изобретение проиллюстрировано и описано в связи с вариантами осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в рамках объема притязаний изобретения в него можно внести различные изменения и модификации.

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Система тягового электропитания для высокоскоростного поезда содержит бортовое устройство электропитания, которое содержит бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания, а также бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда. Причем двухсторонние однофазные электрические цепи α и β сети тягового электропитания подключены к бортовому устройству электропитания посредством двухфазных пантографов T1 и T2. При этом, когда один из пантографов поднят, другой должен быть опущен, или могут быть опущены оба пантографа. Причем электрическая цепь α всегда подключена к бортовой цепи электропитания привода и вспомогательного электропитания, электрическая цепь β всегда подключена к бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, а бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования независимы и изолированы друг от друга. Также заявлен высокоскоростной поезд, который содержит вышеуказанную систему тягового электропитания. Технический результат заключается в обеспечении нулевого распространение тока обратной последовательности и в возможности движения поезда без внешнего электропитания. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система тягового электропитания для высокоскоростного поезда, содержащая бортовое устройство электропитания, причем бортовое устройство электропитания содержит бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания, а также бортовую цепь аккумулирования энергии и разряда, причем бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда образуют составную цепь, причем двухсторонние однофазные электрические цепи α и β, идущие от вторичной обмотки тягового трансформатора сети тягового электропитания, подключены к бортовому устройству электропитания посредством двухфазных пантографов T1 и T2, и когда один из двухфазных пантографов T1 и T2 поднят, другой из двухфазных пантографов T1 и T2 должен быть опущен, или могут быть опущены оба двухфазных пантографа T1 и T2, причем однофазная электрическая цепь α всегда подключена к бортовой цепи электропитания привода и вспомогательного электропитания, однофазная электрическая цепь β всегда подключена к бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, а бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания и бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда независимы друг от друга и изолированы друг от друга.

2. Система тягового электропитания по п.1, отличающаяся тем, что бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда включает в себя комбинацию суперконденсаторов и аккумулятора большой емкости.

3. Система тягового электропитания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что бортовая цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания включает в себя бортовую главную цепь, причем бортовая главная цепь разделена на два тракта постоянным током, выдаваемым из главного преобразователя: первый тракт подключен непосредственно к системе вспомогательного электропитания через вспомогательный преобразователь, а второй тракт питает тяговый электродвигатель посредством тягового преобразователя, обеспечивая подключение к системе электропитания привода, причем между главным преобразователем и вспомогательным преобразователем добавлена отводная соединительная линия, имеющая клемму А, между главным преобразователем и тяговым преобразователем добавлен двунаправленный переключатель K3, и когда клемму С B-C двунаправленного переключателя K3 включают, провод B-B двунаправленного переключателя K3 выключается.

4. Система тягового электропитания по п.3, отличающаяся тем, что, когда моторный вагон попадает на участок L₁, по однофазной электрической цепи α осуществляется передача к двухфазному пантографу T1 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K1_α, или, когда моторный вагон попадает на следующий участок L₁, по однофазной электрической цепи α осуществляется передача к двухфазному пантографу T2 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K2_α , причем однофазная электрическая цепь α питает бортовую цепь электропитания привода и вспомогательного электропитания; когда моторный вагон попадает на участок L₁, по однофазной электрической цепи β осуществляется передача к двухфазному пантографу T1 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K1_β, или, когда моторный вагон попадает на следующий участок L₁, по однофазной электрической цепи β осуществляется передача к двухфазному пантографу T2 из сети тягового электропитания и подвод в вагон через двухфазный рубильник K2_β, причем однофазная электрическая цепь β разделена на два тракта постоянным током, выдаваемым из главного преобразователя: один тракт непосредственно подключен через диод к клемме А соединительной линии, отводимой из промежутка между главным преобразователем и вспомогательным преобразователем главной цепи, а другой тракт подключен с выходного конца бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда к клемме C двунаправленного переключателя K3 главной цепи через диод, при этом диод предотвращает обратное протекание энергии электрического тока.

5. Система тягового электропитания по п.4, отличающаяся тем, что главный преобразователь составной цепи подключен к клемме A соединительной линии главной цепи через диод, а клемма A, в свою очередь, подключена ко вспомогательному преобразователю главной цепи, так что вспомогательное электропитание составной цепи и вспомогательное электропитание главной цепи имеют общую систему вспомогательного электропитания, а вспомогательный преобразователь, трансформатор резонансного трансформатора и аккумулятор общей системы вспомогательного электропитания имеют увеличенную емкость, причем аккумулятор представляет собой ионно-литиевый аккумулятор, имеющий емкость, которая больше или равна сумме емкости аккумулятора главной цепи и значения энергии вспомогательного электропитания, необходимого для того, чтобы моторный вагон попал на участок L₂.

6. Система тягового электропитания по любому из пп.3-5, отличающаяся тем, что электрический ток, выдаваемый из бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, подключен к клемме C двунаправленного переключателя K3 главной цепи через диод и поступает в систему электропитания привода главной цепи; в этот момент B-B двунаправленного переключателя K3 выключается, электропитание составной цепи и электропитание главной цепи имеют общую систему электропитания, а бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда имеет аккумулятор большой емкости с увеличенной емкостью по энергии, причем номинальное напряжение блока тяговых аккумуляторов большой емкости согласовано с напряжением тягового инвертора, емкость по энергии блока тяговых аккумуляторов большой емкости больше или равна энергии, необходимой для того, чтобы моторный вагон попал на участок L₂, и блок тяговых аккумуляторов большой емкости образован путем подключения графеновых элементов, водородных топливных элементов и ионно-литиевых элементов параллельно и последовательно.

7. Система тягового электропитания по любому из пп.3-5, отличающаяся тем, что бортовая цепь аккумулирования энергии и разряда представляет собой постоянный ток, выдаваемый однофазной электрической цепью β через главный преобразователь, отрицательный полюс постоянного тока подключен к отрицательному полюсу главной цепи бортовой цепи аккумулирования энергии и разряда, положительный полюс постоянного тока подведен к цепи зарядного демпфера, а цепь зарядного демпфера после подключения параллельно контактору короткого замыкания и резистору, ограничивающему зарядный ток, подключена последовательно с положительным полюсом главной цепи, при этом, когда напряжение блока суперконденсаторов меньше нижнего предела, контактор короткого замыкания выключается, позволяя резистору, ограничивающему зарядный ток, иметь доступ к цепи, ограничивая таким образом мгновенный зарядный ток при подводе электропитания, а когда напряжение блока суперконденсаторов выше нижнего предела, сигнал, выдаваемый из контроллера, обеспечивает втягивание контактора короткого замыкания, чтобы отключить резистор, ограничивающий зарядный ток, блок суперконденсаторов образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, а электрический ток, выдаваемый из цепи зарядного демпфера, заряжает блок суперконденсаторов.

8. Система тягового электропитания по п.7, отличающаяся тем, что, когда блок суперконденсаторов полностью заряжен электрическим током, выдаваемым из цепи зарядного демпфера, электрический ток через датчик тока блока суперконденсаторов является нулевым, и в контроллер выдается сигнал; сигнальный выходной конец контроллера обеспечивает ввод сигнала в затвор VT₁ двунаправленного переключателя, и VT₁ включается; блок тяговых аккумуляторов большой емкости заряжается через датчик тока и VT₁ двунаправленного переключателя и через диод VD₂ защиты от выброса обратного тока, а E-полюс VT₁ двунаправленного переключателя и E-полюс VT₂ соединены друг с другом, при этом во включенном состоянии находится лишь один из них.

9. Система тягового электропитания по п.7, отличающаяся тем, что, когда блок тяговых аккумуляторов большой емкости полностью заряжен электрическим током, т.е. электрический ток через датчик тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости является нулевым, или когда датчик напряжения, образующий перемычку между положительным и отрицательным полюсами блока суперконденсаторов, равен датчику напряжения, образующему перемычку между блоками тяговых аккумуляторов большой емкости, блоки тяговых аккумуляторов большой емкости разряжаются, и в этот момент осуществляется подвод сигнала с выходного конца контроллера, и VT₂ двунаправленного переключателя включается, а блок тяговых аккумуляторов большой емкости разряжается на выходной конец главной цепи через датчик тока и VT₂ двунаправленного переключателя и диод VD₁ защиты от выброса обратного тока.

10. Система тягового электропитания по п.9, отличающаяся тем, что главный преобразователь главной цепи подключен к концу С двунаправленного переключателя K3 главной цепи через неуправляемый диод, выключающий B-B и включающий B-C двунаправленного переключателя K3, и подключенный к тяговому преобразователю главной цепи через B-C, и тогда подвод электропитания к тяговому электродвигателю происходит посредством тягового преобразователя; блок суперконденсаторов действует как энергетический буфер главной цепи для совместного использования мгновенной нагрузки по мощности электропитания блока тяговых аккумуляторов большой емкости, при этом краткосрочная флуктуация электропитания или мгновенное избыточное напряжение и недостаточное напряжение выдерживаются главным образом блоком суперконденсаторов, а основная часть флуктуации нагрузки на протяжении более длительного времени выдерживается блоком тяговых аккумуляторов большой емкости; электролитический конденсатор, образующий перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи используется как фильтр верхних частот, а положительный полюс главной цепи подключен ко входному концу цепи аккумулирования энергии и разряда электропитания привода через выходной датчик тока.

11. Система тягового электропитания по п.10, отличающаяся тем, что положительный полюс главной цепи подключен к системе электропитания привода через выходной датчик тока и рубильник, датчик напряжения образует перемычку между положительным и отрицательным полюсами главной цепи, причем его сигнальный выходной конец подключен к сигнальному входному концу контроллера; датчик напряжения блока тяговых аккумуляторов большой емкости образует перемычку между обоими концами блока тяговых аккумуляторов большой емкости, причем его выходной сигнал передается на входной конец контроллера, сигнальные выходные концы датчика тока блока суперконденсаторов и датчика тока блока тяговых аккумуляторов большой емкости подключены к контроллеру соответственно, а сигнальные выходные концы выходного датчика тока подключены к контроллеру соответственно; сигнальные выходные концы контроллера соответственно подключены к затворам VT₁ или VT₂, выходной конец контроллера подключен к цепи демпфера напряжения, и выходной конец контроллера подключен к рубильнику.

12. Высокоскоростной поезд, отличающийся тем, что содержит систему тягового электропитания по любому из пп.1-11.