Система бесперебойного электроснабжения электровоза Российский патент 2021 года по МПК H02J3/10 B60L50/53 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы бесперебойного электроснабжения электровоза на постоянном токе при наличии и отсутствии напряжения контактной сети.

Известна система бесперебойного электроснабжения электровоза на постоянном токе, содержащая высоковольтную сеть системы внешнего электроснабжения, к которой подключены параллельно два канала питания, каждый из которых содержит последовательно соединенные: высоковольтный выключатель, трехобмоточный трансформатор, содержащий первичную обмотку, первую вторичную и вторую вторичную обмотки, подключенные к соответствующим схемам выпрямления, причем выходы указанных схем через высоковольтные выключатели подключены к разным частям промежуточной высоковольтной сети постоянного тока, при этом второй выход первой из названных схем и первый выход второй схемы подключены к общему участку промежуточной высоковольтной сети постоянного тока, который через высоковольтные выключатели соединен с первым и вторым конверторами, выходы каждого из которых подключены к шине постоянного тока, которая подключена к разным участкам сети постоянного тока с напряжением, используемым для питания электровоза в качестве контактной сети, причем к промежуточной сети постоянного тока через фильтры питания подключены три однофазных инвертора, соединенных параллельно, выходные напряжения которых сдвинуты по фазе на угол, равный 120° относительно друг друга и два выпрямителя, включенных также параллельно, при этом трансформатор первого выпрямителя соединен в звезду, а трансформатор второго выпрямителя соединен треугольником, причем выходы обоих выпрямителей подключены к шине постоянного тока, соединенный с разными участками контактной сети [1]. Данная система нашла широкое применение на железнодорожном транспорте ряда стран, поскольку ее отличает экономичность и надежность; она позволяет использовать установленные энергетические мощности железной дороги, присоединенные к системе внешнего электроснабжения. К недостаткам системы можно отнести сложность схемы, поскольку в ней используются три напряжения: высоковольтное напряжение системы внешнего электроснабжения, высоковольтное напряжение промежуточной сети постоянного тока и высоковольтное напряжение контактной сети; большое число преобразователей электрической энергии: инверторов, выпрямителей и конверторов, что затрудняет обслуживание устройства при эксплуатации и требует высококвалифицированных специалистов. Кроме того, напряжение контактной сети невозможно использовать для питания низковольтного электрооборудования перспективных вагонов электропоезда.

Требуемый технический результат изобретения заключается в обеспечении электрической энергией электровоза и электрооборудования вагонов электропоезда, снабженных распределительными устройствами и средствами собственных нужд, как в движении, так и на стоянке.

Поставленный технический результат достигается тем, что в системе бесперебойного электроснабжения электровоза содержащей фильтр питания, выполненный с возможностью подключения к контактной сети постоянного тока, инвертор, выпрямитель, трехобмоточный трансформатор, содержащий первичную трехфазную обмотку, первую трехфазную вторичную обмотку, вторую трехфазную вторичную обмотку и сердечник; и высоковольтные выключатели, при этом к фильтру питания подсоединен инвертор, соединенный посредством трехобмоточного трансформатора с выпрямителем, вторичные обмотки трансформатора выполнены с возможностью подключения потребителей, введены: аккумуляторная батарея, блок разделительных диодов, инвертор батареи, выпрямитель управления, блок контроля напряжения с первым и вторым размыкающими контактами; третья трехфазная вторичная обмотка в указанный трансформатор, при этом выпрямитель управления подключен к второй трехфазной вторичной обмотке названного трансформатора и соединен с блоком разделительных диодов, который соединен с выводами указанной батареи, к которой подключен инвертор батареи, соединенный с третьей трехфазной вторичной обмоткой названного трансформатора; указанные контакты реле контроля напряжения выполнены в виде высоковольтных выключателей, при этом первый размыкающий контакт включен между фильтром питания и инвертором, а второй размыкающий контакт включен между инвертором и первичной трехфазной обмоткой указанного трансформатора, причем выпрямитель включен между фильтром питания и указанной первичной трехфазной обмоткой, витки которой разделены на две части, относящиеся как w₁/w₂=1,9, где w₁ - общее число витков; w₂ - отпайка от названной обмотки.

На чертеже представлена структурная схема системы бесперебойного электроснабжения электровоза.

Система содержит высоковольтную контактную сеть постоянного тока 1, фильтр питания 2, выполненный с возможностью подключения к контактной сети, инвертор 3, трехобмоточный трансформатор 4, содержащий первичную трехфазную высоковольтную обмотку 4-1, первую трехфазную вторичную обмотку 4-2, вторую трехфазную вторичную обмотку 4-3, указанные вторичные обмотки трансформатора выполнены с возможностью подключения потребителей, третью трехфазную вторичную обмотку 4-4, устройства распределительные вагонов 5, средства собственных нужд вагонов 6, выпрямитель управления 7, реле контроля напряжения 8, снабженными первыми размыкающими контактами 8-1 и вторыми размыкающими контактами 8-2, аккумуляторную батарею 9, блок разделительных диодов 11, инвертор батареи 10 и выпрямитель 12, при этом сеть представляет собой плюсовую и минусовую шины (не показаны), подобно сетям постоянного тока, описанным в [2], [3] для напряжения 3,3 кВ; фильтр питания 2 выполнен на полярном конденсаторе, инвертор 3 представляет собой преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток с квазисинусоидальным выходным напряжением, подобно инверторам, описанным в [4] и [7], поэтому он может содержать коммутатор тока (не показан), схему управления тиристорами в заданной временной последовательности (не показана) и резонансный трехфазный фильтр (не показан); выпрямитель управления 7 основан на схеме Ларионова [5]; блок разделительных диодов 11, определяющий начало разряда батареи 9 может быть представлен диодом, катод которого соединен с плюсовым выводом (не показан) аккумуляторной батареи 9, а анод (не обозначен) - с выпрямителем 7, при этом указанная батарея подобно ХИТ транспортного назначения, описанным в [6], инвертор батареи 10 подобен инвертору 3, выпрямитель 12 является мощным и может быть основан на собственном трехобмоточном трансформаторе, причем вторичные обмотки должны иметь напряжения, сдвинутые относительно друг друга на угол 30°, что позволяет уменьшить коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, при этом он может быть выполнен на высоковольтных GTO-тиристорах большой мощности в интегральном исполнении [1]; размыкающий контакт 8-1, выполняющий функции высоковольтного выключателя отключает инвертор 3 от фильтра питания 2, а размыкающий контакт 8-2 реле контроля напряжения 8 отключает инвертор 3 от первичной обмотки 4-1 трехобмоточного трансформатора 4. Устройство распределительное каждого вагона подключено к первой вторичной обмотке 4-2 указанного трансформатора, а средства собственных нужд подключены ко второй вторичной обмотке 4-3 названного трансформатора.

Система работает следующим образом.

При наличии напряжения в контактной сети 1 оно поступает на фильтр питания 2, в котором нейтрализуются помехи, высшие гармоники и другие нежелательные сигналы из-за емкости конденсатора. Улучшенное по качеству напряжение питания поступает на инвертор 3, в котором постоянный ток преобразуется в трехфазный переменный синусоидальный ток, фазное напряжение которого определяется по формуле

где U_П=3,3 кВ - напряжение контактной сети; U_ф - фазное напряжение. При расчете фазного напряжения оно равно, U_ф=2698 В, поскольку первичная обмотка 4-1 трансформатора 4 соединена в звезду. Под действием токов первичной обмотки в сердечнике (не показан) трехобмоточного трансформатора 4 наведется магнитный поток, под действием которого во всех обмотках возникнут ЭДС, рассчитываемые по формуле

где w₁ - число витков i-ой обмотки; f - частота сети; Ф - магнитный поток.

Поскольку номинальное напряжение на потребителях 5 и 6 равно 380 В, то коэффициент трансформации равен

ЭДС обмоток 4-2 и 4-3 используется для питания соответствующих потребителей. Напряжение вторичной обмотки 4-3 названного трансформатора 4 поступает на выпрямитель управления 7, где переменный ток преобразуется в постоянный, который управляет работой блока разделительных диодов 11. Диод указанного блока (не показан) установленный в положительный провод соединяющий аккумуляторную батарею 9 с инвертором батареи 10 будет закрыт и батарея разряжаться не будет. Реле контроля напряжения 8 будет в состоянии, при котором его размыкающие контакты 8-1 и 8-2 будут замкнуты. Рекомендации по выбору, схемам включения и технической реализации подобных реле изложены в [4].

Таким образом, при наличии напряжения в контактной сети задействованы все витки первичной трехфазной обмотки 4-1.

При пропадании напряжения на контактной сети 1, исчезает напряжение в обмотках 4-1, 4-2 и 4-3, потребители 5 и 6 останавливаются, на выходе выпрямителя управления 7 исчезает напряжение, поэтому диод блока разделительных диодов 11 открывается и батарея 9 разряжается на инвертор батареи 10. Поскольку инвертор 10 идентичен инвертору 3, то выходное напряжение батареи 9 преобразуется в трехфазный переменный синусоидальный ток и токи обмотки 4-4 способствуют возникновению магнитного потока в сердечнике трансформатора 4. Во всех обмотках возникают ЭДС, при этом потребители 5 и 6 продолжают работу, реле 8 меняет свое положение, контакты его 8-1 и 8-2 размыкаются, а напряжение с второй половины обмотки 4-1 поступает на выпрямитель 12, где преобразуется в постоянное напряжение заданной величины и через фильтр питания 2 поступает на шины 1.

Разделение витков первичной обмотки 4-1 связано с особенностями схемы выпрямления Ларионова. По теории этой схемы соотношение между выпрямленным и фазным напряжениями оценивается коэффициентом схемы по напряжению, К_{СХ U}.Если используется в выпрямителе одна схема Ларионова, то К_{СХ U}=2,34. Поскольку напряжение контактной сети равно 3,3 кВ, то фазное напряжение на входе схемы выпрямления будет равно

где U_ф - фазное напряжение обмотки 4-1; U_КC - напряжение контактной сети. Для того, чтобы получить такую величину напряжения, подаваемого на выпрямитель 3, необходимо уменьшить число витков обмотки 4-1 в

т.е. почти в 2 раза; U_ф1, U_ф2 - напряжения на обмотке 4-1 в первом режиме (при наличии напряжения на контактной сети) и во втором режиме (при отсутствии) напряжения на контактной сети). Такое состояние системы удерживается до появления напряжения сети в контактных проводах с помощью реле 8, которое задает времена работы всех элементов, формирующих первый и второй режимы. Таким образом, достигается бесперебойность электроснабжения электровоза на стоянке и на маршруте следования.

Источники, принятые во внимание

[1]. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М., Транспорт, 2001, стр. 436, рис. 9.21.

[2]. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы. М., Транспорт, 1988, 326 с.

[3]. Слепцов М.А., Савина Т.И. Электроснабжение электрического транспорта М., МЭИ, 2001, 48 с.

[4]. Микроэлектронные электросистемы. Под ред. Ю.И. Конева М., Радио и связь, 1987, 240 с.

[5]. Источники электропитания РЭА. Под ред. Г.С. Найвельта. М., Радио и связь, 1986, 576 с.

[6]. Химические источники тока. Справочник. Под ред. Н.В. Коровина. М., МЭИ, 2003, 740 с.

[7]. Проектирование статических преобразователей. Под ред. П.В. Голубева. М., Энергия, 1974, 408 с.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение электрической энергией электровоза и электрооборудования вагонов электропоезда в движении и на стоянках при наличии напряжения контактной сети и при его отсутствии. Система содержит контактную сеть, фильтр питания, выполненный с возможностью подключения к контактной сети постоянного тока, инвертор, преобразующий постоянный ток в трехфазный переменный ток квазисинусоидальной формы с трансформаторным выходом, выпрямитель управления, реле контроля напряжения с размыкающими контактами, выполняющими функции высоковольтных выключателей; блок разделительных диодов, аккумуляторную батарею, инвертор батареи с дополнительной обмоткой, введенной в трехобмоточный трансформатор, к вторичным обмоткам которого подключены трехфазные потребители вагонов. При наличии высоковольтного напряжения в контактной сети оно проходит через фильтр питания, инвертор, трехобмоточный трансформатор и подается на все потребители вагонов, при этом батарея не разряжается из-за действий диода блока разделительных диодов. При пропадании напряжения в контактной сети диод блока разделительных диодов открывается, батарея начинает разряжаться на инвертор батареи, обмотка которого обеспечивает создание магнитного потока в трансформаторе, и во всех обмотках последнего возникают ЭДС, обеспечивая работу потребителей. Реле контроля напряжения отключает основной инвертор и напряжение первичной обмотки подается на выпрямитель, рассчитанный на всю мощность устройства, выпрямленное напряжение поступает на фильтр питания и напряжение на контактной сети восстанавливается, тем самым потребители электровоза и вагонов обеспечиваются электрической энергией непрерывно. 1 ил.

Система бесперебойного электроснабжения электропоезда, содержащая фильтр питания, выполненный с возможностью подключения к контактной сети постоянного тока, инвертор, выпрямитель, трехобмоточный трансформатор, содержащий первичную трехфазную обмотку, первую вторичную обмотку, вторую вторичную обмотку и сердечник, высоковольтные выключатели, при этом к фильтру питания подсоединен инвертор, соединенный посредством трехобмоточного трансформатора с выпрямителем, вторичные обмотки трансформатора выполнены с возможностью подключения потребителей, отличающаяся тем, что введены: аккумуляторная батарея, блок разделительных диодов, инвертор батареи, выпрямитель управления, блок контроля напряжения с первым и вторым размыкающими контактами; третья трехфазная вторичная обмотка в указанный трансформатор, при этом выпрямитель управления подключен к второй трехфазной вторичной обмотке названного трансформатора и соединен с блоком разделительных диодов, который соединен с выводами указанной батареи, к которой подключен инвертор батареи, соединенный с третьей вторичной обмоткой названного трансформатора; указанные контакты реле контроля напряжения выполнены в виде высоковольтных выключателей, при этом первый размыкающий контакт включен между фильтром питания и инвертором, а второй размыкающий контакт включен между инвертором и первичной трехфазной обмоткой указанного трансформатора, причем выпрямитель включен между фильтром питания и указанной первичной обмоткой, витки которой разделены на две части, относящиеся как w₁/w₂=1,9, где w₁ - общее число витков; w₂ - отпайка от названной обмотки.