Система гарантированного электропитания электровоза Российский патент 2021 года по МПК H02J3/10 B60L50/53 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы гарантированного электропитания потребителей постоянного и переменного тока как электровоза, так и всех вагонов.

Известна система гарантированного электропитания электровоза, содержащая два канала питания, каждый из которых содержит последовательно соединенные ввод, высоковольтное устройство распределительное, понижающий трансформатор, устройство распределительное среднего напряжения, преобразовательный трансформатор, выпрямитель, устройство распределительное постоянного тока, соединенное через сглаживающее устройство с рельсом через рельсовый фидер и с контактным проводом через питающий фидер [1]. Данная система нашла широкое применение на железнодорожном транспорте из-за простоты схемы, технологичности и стабильности параметров электрической энергии, однако ей свойственны и недостатки, среди которых основными являются: высокое напряжение контактной сети, что затрудняет эксплуатацию и передачу в вагоны; род тока, что затрудняет электропитание потребителей постоянного и переменного тока и отсутствие связи между электровозом и вагонами требуемыми напряжениями.

Требуемый технический результат заключается в обеспечении электрической энергии потребителей постоянного и переменного тока от контактной сети.

Поставленный технический результат достигается тем, что в систему гарантированного электропитания электровоза, содержащую два канала питания, каждый из которых содержит последовательно соединенные: ввод, высоковольтное устройство распределительное, понижающий трансформатор, устройство распределительное среднего напряжения, преобразовательный трансформатор, выпрямитель, устройство распределительное постоянного тока и контактную сеть, введены электромеханические блоки электровоза и вагонов от первого до n-ого, причем электромеханический блок электровоза содержит первый бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого крепится первый синхронный генератор с постоянными магнитами, предназначенный для питания трехфазных потребителей, а на другом торце вала установлен первый вентильный генератор, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, второй бесконтактный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого крепится второй синхронный генератор с постоянными магнитами, предназначенный для питания трехфазных потребителей, а на другом торце вала установлен второй вентильный генератор, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, при этом выходы обоих синхронных генераторов с постоянными магнитами подключены к шинам переменного трехфазного тока, а выходы обоих вентильных генераторов подключены к шинам постоянного тока, причем к выходу первого вентильного генератора подключено реле с размыкающим контактом, установленным в плюсовую цепь питания второго бесконтактного двигателя постоянного тока, а к выходу второго вентильного генератора подключено реле с разомкнутым контактом, установленным в плюсовую цепь питания первого бесконтактного двигателя постоянного тока; в плюсовые выводы вентильных генераторов включены разделительные диоды; электромеханические блоки вагонов идентичны и каждый из них от первого вагона до n-ого содержит бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого размещен синхронный генератор с постоянными магнитами, а на другом торце вала установлен вентильный генератор, причем вентильные генераторы всех блоков, кроме последнего, соединены с бесконтактными двигателями постоянного тока электромеханического блока следующего вагона, а на входах всех бесконтактных двигателей постоянно тока электромеханических блоков вагонов от первого до n-ого установлены аккумуляторные батареи, включенные через разделительные диоды, при этом бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока электромеханического блока электровоза подключен непосредственно к контактной сети.

На фиг. 1 изображена высоковольтная часть системы, связанная с внешней системой электроснабжения. На фиг. 2 показана схема электромеханического блока электровоза. На фиг. 3 представлена схема соединения электромеханических блоков выгонов.

Система содержит (фиг. 1) канал 1 и канал 2, которые являются идентичными при этом каждый из каналов содержит: вводы 1-1 и 2-1, высоковольтное устройство распределительное 1-2 и 2-2, понижающий трансформатор 1-3 и 2-3, устройство распределительное среднего напряжения 1-4 и 2-4, преобразовательный трансформатор 1-5 и 2-5, выпрямитель 1-6 и 2-6, устройство распределительное постоянного тока 1-7 и 2-7, контактную сеть 1-8 и 2-8. Электромеханический блок электровоза 3 содержит (фиг. 2) первый бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока 3-1, на одном торце вала (не обозначен) которого крепится первый синхронный генератор с постоянными магнитами 3-2, предназначенный для питания трехфазных потребителей электропоезда, а на другом торце вала (не обозначен) установлен первый вентильный генератор 3-3, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, второй бесконтактный двигатель постоянного тока 3-4, на одном торце вала (не обозначен) которого крепится второй синхронный генератор 3-5, предназначенный для питания трехфазных потребителей, а на другом торце вала (не обозначен) установлен второй вентильный генератор 3-6, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, при этом выходы обоих синхронных генераторов с постоянными магнитами 3-2 и 3-5 (не обозначены) подключены к шинам переменного трехфазного тока (не обозначены), выходы обоих вентильных генераторов 3-3 и 3-6 (не обозначены) подключены к шинам постоянного тока (не обозначены), причем к выходу первого вентильного генератора 3-3 подключено реле 3-7 с размыкающим контактном 3-8, установленным в плюсовую цепь питания второго бесконтактного двигателя постоянного тока, а к выходу второго вентильного генератора 3-6 подключено реле 3-9, с размыкающим контактом 3-10, который установлен в цепь питания первого бесконтактного двигателя постоянного тока 3-1; в плюсовый выводы вентильных генераторов 3-3 и 3-6 включены разделительные диоды (не обозначены); входы обоих бесконтактных двигателей постоянного тока 3-1 и 3-4 подключены к шинам с напряжением контактной сети U_кс, потребители переменного тока электровоза подключены к шинам переменного трехфазного тока, а к шинам постоянного тока подключены потребители постоянного тока электровоза и бесконтактный двигатель постоянного тока электромеханического блока 4 первого вагона (фиг. 3).

Электромеханические блоки вагонов идентичны и каждый их них от первого вагона до n-ого содержит бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока, на одном торце вала (не обозначен) которого размещен синхронный генератор с постоянными магнитами, а на другом торце вала (не обозначен) установлен вентильный генератор: для электромеханического блока 4 - бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока 4-1, синхронный генератор с постоянными магнитами 4-2, вентильный генератор 4-3; для электромеханического блока 5 - бесконтактный низковольтный двигатель постоянного ток 5-1, синхронный генератор с постоянными магнитами 5-2, вентильный генератор 5-3 и т.д., для n-ого электромеханического блока и бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока n-1, синхронный генератор с постоянными магнитами n-2, вентильный генератор n-3. Для обеспечения непрерывной работы электромеханических блоков вагонов от первого до n-ого введены аккумуляторные батареи, подключенные к бесконтактным низковольтным двигателям через соответствующие разделительные диоды: аккумуляторная батарея 4-4 с разделительным диодом 4-5 для первого вагона; аккумуляторная батарея 5-4 с разделительным диодом 5-5 для второго вагона и т.д., аккумуляторная батарея n-4 с разделительным диодом n-5 для n-ого вагона. Основы теории и практики системы электроснабжения транспорта достаточно изложены в [1] и [5]. Теория бесконтактных высоко- и низковольтных двигателей постоянного тока раскрыта в [2] и [3]. Основы вентильных генераторов изложены в [4], поэтому предлагаемая система реализуема, так как технология изготовления всех основных машин отработана. Можно также отметить, что электрические машины указанных электромеханических блоков являются самыми эффективными, потому что КПД бесконтактных высоковольтных двигателей типа ПЧВС достигали 98% при мощности 2 МВт, КПД синхронных генераторов с постоянными магнитами близки к 94…96%, а КПД вентильного генератора мощностью 200 кВт -составляли 88%, поэтому КПД электромеханического блока электровоза близок к 83%, что значительно выше КПД аналогичных блоков при других электрических машинах.

Система работает следующим образом.

После сборки всех элементов системы функционирование ее начинается с подачи высоковольтного напряжения на входы (фиг. 1) 1-1 и 2-1 первого 1 и второго 2 каналов питания. С указанных вводов напряжение поступает по обоим каналам на высоковольтные устройства распределительные 1-2 и 2-2, после которых напряжения поступают на понижающие трансформаторы 1-3 и 2-3, в которых происходит понижение напряжений с 110 кВ до 10 кВ. После указанных трансформаторов напряжения поступают на устройство распределительное среднего напряжения 1-4 и 2-4, где под средним напряжением считают 10 кВ. С указанного устройства напряжения поступают на преобразовательные трансформаторы 1-5 и 2-5, в которых обычно увеличивается число фаз выпрямления, поскольку к указанным трансформаторам подключены выпрямители 1-6 и 2-6, где переменный трехфазный ток преобразуется в постоянный ток. Указанные выпрямители соединены с устройством распределительным постоянного тока 1-7 и 2-7, после которого напряжение попадает на контактную сеть, разные участки 1-8 и 2-8. Наличие постоянного тока с напряжением 3,3 кВ приводит в рабочее состояние первый бесконтактный двигатель постоянного тока 3-1 и дублирует его второй бесконтактный двигатель 3-4, которые начнут вращать общие валы (не обозначены) с электрическими машинами 3-2, 3-3 и 3-5,3-6, соответственно при этом синхронные генераторы с постоянными магнитами 3-2, 3-5 генерируют трехфазные переменный ток и на шинах переменного трехфазного тока появится соответствующие напряжение, а вентильные генераторы 3-3,3-6 начнут генерировать постоянный ток и на шинах постоянного тока появится постоянное напряжение. Если напряжение вентильного генераторов 3-3 достигнет значения напряжения срабатывания реле 3-7, оно срабатывает и его размыкающий контакт 3-8 размыкается, что приводит к обесточиванию второго бесконтактного двигателя 3-4 и он превращает вращение своего вала, поэтому генераторы 3-5 и 3-6 прекратят генерирование электроэнергии, а генераторы 3-2 и 3-3-выйдут на рабочий режим, обеспечивая потребителей переменного и постоянного тока требующий энергией. В случае если напряжение вентильного генератора 3-6 достигнет уровень срабатывания реле 3-9, оно сработает, в результате контакт 3-10 разомкнется, обрывая цепь питания первого бесконтактного двигателя постоянного тока будут обеспечены соответствующей энергией генераторами 3-5 и 3-6. Напряжение шин постоянного тока поступает на вход бесконтактного двигателя первого вагона, при этом разделительные диоды в выводах указанных генераторов исключают влияние друг на друга.

Наличие напряжения на выходе блока 3 приводит в движение двигатель 4-1, который обеспечивает функционирование синхронного генератора 4-2 и генератора 4-3. Трехфазное напряжение генератора 4-2 обеспечивает функционирование электрооборудования и потребителей переменного тока вагона. Постоянное напряжение генератора 4-3 обеспечивает работу потребителей постоянного тока вагона и работу бесконтактного низковольтного двигателя постоянного тока 5-1 электромеханического блока второго вагона. Механизм запуска электромеханических блоков всех вагонов аналогичен, поэтому при подаче напряжения от предпоследнего вентильного генератора электромеханического блока n-1 приходит во вращение бесконтактный низковольтный двигатель n-ого вагона n-1. Его вращение передается синхронному генератору с постоянными магнитами n-2 и вентильному генератору n-3, которые придя во вращение обеспечивают электрической энергией нужного рода и качества потребителей переменного и постоянного тока последнего вагона. Напряжение всех вентильных генераторов U_σг несколько (на 1…1,5 В) больше напряжения аккумуляторных батарей 4-4, 5-4, …, n-4 поэтому при работе каждого вентильного генератора того или иного блока соответствующая аккумуляторная батарея не разряжается, однако если по какой-либо причине напряжение вентильного генератора того или иного электромеханического блока исчезнет, то открывается разделительный диод и соответствующая аккумуляторная батарея начнет разряжаться. Система электропитания выполнена так, что любой вагон обеспечен электрической энергией независимо от того входит ли данный вагон в эшелон или же он функционирует автономно. При отсутствии напряжения контактной сети 1-8, 2-8 функционирование вагонов по времени определяется только напряжением аккумуляторной батареи.

Источники, принятые во внимание

1. Слепцов М.А., Савина Т.И. Электроснабжение электрического транспорта. М., МЭИ, 2001, стр. 14, рис 2.

2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М., ВШ., 1990, 400 с.

3. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М., Энергоатомздат, 1988, 280 с.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М., ВШ., 1982, 272 с.

5. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М., Транспорт, 2001, 464 с.

Использование: в области электротехники в качестве системы гарантированного электропитания потребителей постоянного и переменного тока электровоза и всех вагонов. Технический результат - обеспечение электрической энергией потребителей постоянного и переменного тока от контактной сети. Система содержит внешнюю часть, состоящую из двух каналов питания, которые являются идентичными и каждый из них содержит: ввод, высоковольтное устройство распределительное, понижающий трансформатор, устройство распределительное среднего напряжения, преобразовательный трансформатор, устройство распределительное постоянного тока и контактную сеть и внутреннюю часть, содержащую электромеханический блок электропоезда и электромеханические блоки (по числу вагонов). Первый из указанных блоков содержит бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока, подключенный к контактной сети, при этом на одном торце вала установлен синхронный генератор с постоянными магнитами, предназначенный для питания трехфазных потребителей переменного тока электропоезда, а на другом торце размещен вентильный генератор для питания потребителей постоянного тока электровоза. Кроме того, напряжение указанного генератора подается на бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока электромеханического блока первого вагона, у которого на торцах вала установлены указанные генераторы, и так от первого вагона до последнего. Соответствующие двигатели блоков всех вагонов подключены к аккумуляторным батареям, которые не разряжаются при наличии напряжения вентильного генератора из-за разделительного диода, который закрыт, таким образом электрооборудование самого электровоза и всех вагонов обеспечивается электроэнергией требуемого рода и качества непрерывно. 3 ил.

Система гарантированного электропитания электровоза, содержащая два канала питания, каждый из которых содержит последовательно соединенные: ввод, высоковольтное устройство распределительное, понижающий трансформатор, устройство распределительное среднего напряжения, преобразовательный трансформатор, выпрямитель, устройство распределительное постоянного тока и контактную сеть, отличающаяся тем, что введены электромеханические блоки электровоза и вагонов от первого до n-ого, причем электромеханический блок электровоза содержит первый бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого крепится первый синхронный генератор с постоянными магнитами, предназначенный для питания трехфазных потребителей, а на другом торце вала установлен первый вентильный генератор, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, второй бесконтактный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого крепится второй синхронный генератор с постоянными магнитами, предназначенный для питания трехфазных потребителей, а на другом торце вала установлен второй вентильный генератор, предназначенный для питания потребителей постоянного тока, при этом выходы обоих синхронных генераторов с постоянными магнитами подключены к шинам переменного трехфазного тока, а выходы обоих вентильных генераторов подключены к шинам постоянного тока, причем к выходу первого вентильного генератора подключено реле с размыкающим контактом, установленным в плюсовую цепь питания второго бесконтактного двигателя постоянного тока, а к выходу второго вентильного генератора подключено реле с размыкающим контактом, установленным в плюсовую цепь питания первого бесконтактного двигателя постоянного тока; в плюсовые выводы вентильных генераторов включены разделительные диоды; электромеханические блоки вагонов идентичны и каждый из них от первого вагона до n-ого содержит бесконтактный низковольтный двигатель постоянного тока, на одном торце вала которого размещен синхронный генератор с постоянными магнитами, а на другом торце вала установлен вентильный генератор, причем вентильные генераторы всех блоков, кроме последнего, соединены с бесконтактными двигателями постоянного тока электромеханического блока следующего вагона, а на входах всех бесконтактных двигателей постоянного тока электромеханических блоков вагонов от первого до n-ого установлены аккумуляторные батареи, включенные через разделительные диоды, при этом бесконтактный высоковольтный двигатель постоянного тока электромеханического блока электровоза подключен непосредственно к контактной сети.