Система бесперебойного электропитания вагонов Российский патент 2021 года по МПК H02J3/04 B60L1/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы бесперебойного электропитания вагонов скоростного поезда.

Известна система бесперебойного электропитания вагонов, содержащая первый и второй каналы питания, каждый из которых содержит последовательно соединенные трехфазные: ввод, распределительное устройство, понижающий трансформатор, второе распределительное устройство, преобразовательный трансформатор, выпрямитель, распределительное устройство постоянного тока, сглаживающее устройство, питающий фидер, рельсовый фидер, питающие линии районных подстанций, распределительное промежуточное устройство и смежные потребители, при этом распределительное устройство постоянного тока соединено с разными участками контактной сети [1]. Данная система нашла широкое распространение на железнодорожном транспорте, поскольку она отличается повышенной надежностью и простотой схемы, однако потребители вагонов, включающие устройство распределительное и средства собственных нужд получают электрическую энергию от других добавочных источников, что приводит к повышению стоимости системы.

Требуемый технический результат заключается в обеспечении электрической энергией потребителей вагонов только от контактной сети постоянного тока.

Поставленный технический результат достигается тем, что в системе бесперебойного электропитания вагонов, содержащей последовательно соединенные: фильтр питания с возможностью подключения к контактной сети, автономный инвертор напряжения, понижающий трансформатор, выпрямитель, разделительный диод выпрямителя и шины постоянного тока, к которым параллельно подключены распределительные устройства каждого из вагонов с первого по n-й, причем параллельно распределительному устройству каждого вагона подключен бесконтактный двигатель постоянного тока, на валу каждого, из которых установлен синхронный генератор трехфазного переменного тока, и введена аккумуляторная батарея с разделительным диодом, причем фильтр питания подключен к контактной сети постоянного тока, а указанная батарея с разделительным диодом соединена с шинами постоянного тока, соответственно.

На чертеже представлена структурная схема системы бесперебойного электропитания вагона.

Система содержит контактную сеть постоянного тока 1, к которой последовательно подключены: фильтр питания 2, автономный инвертор напряжения 3, понижающий трансформатор 4, выпрямитель 5, разделительный диод 6 и сеть постоянного тока 7 с плюсовой и минусовой шинам, распределительные устройства (не обозначены) набора вагонов 8 с первого 8-1 до последнего 8-n, совокупность бесконтактных двигателей постоянного тока 9 с первого 9-1 до последнего 9-m, комплекс синхронных генераторов с постоянными магнитами 10 с первого 10-1 до последнего 10-k; в общем случае число вагонов, число бесконтактных двигателей постоянного тока и число синхронных генераторов с постоянными магнитами 10 могут совпадать, т.е. n=m=k. Кроме того, система содержит аккумуляторную батарею 11 с разделительным диодом 12, при этом фильтр питания 2 соединен с контактной сетью 1, автономный инвертор напряжения 3 подключен к фильтру питания 2, понижающий трансформатор 4 соединен с инвертором 3, выпрямитель 5 подключен к вторичной обмотке (не показана) указанного трансформатора 4, разделительный диод 6 установлен в положительный провод (не обозначен) выпрямителя 5 и подключен к шинам постоянного тока 7, к которым подключены распределительные устройства (не показаны) вагонов 8 и бесконтактные двигатели 9, на валах которых размещены синхронные генераторы 10, обеспечивающие электрической энергией трехфазных потребителей переменного тока (не показаны) с помощью зажимов LI, L2, L3. Таким образом, распределительное устройство каждого вагона из набора 8 обеспечивается постоянным напряжением от шин 7 и переменным трехфазным синусоидальным напряжением от собственных синхронных генераторов во всех режимах работы. Фильтр питания 2 представляет собой полярный конденсатор, задачами которого являются убрать помехи, возникающие на контактной сети постоянного тока 1, и облегчить условия коммутации тока тиристорами автономного инвертора напряжения 3, который представляет собой мостовой трехфазный инвертор, работающий на двухобмоточный трансформатор 4, причем устройство управления тиристорами инвертора (не показано) может обеспечивать частоту выходного напряжения инвертора 3, равную 400 Гц и выше. Повышение частоты предопределяет снижение массы трансформатора 4 и повышению качества выпрямленного напряжения выпрямителя 5. Согласование напряжений контактной сети 1 и шин постоянного тока 7 производится следующим образом. Если считать, что напряжение сети постоянного тока равно 220 В, то фазное напряжение вторичной обмотки (не показана) трансформатора 4 при условии, что в выпрямитель 5 установлена схема выпрямления Ларионова равно

где U_d - выпрямленное напряжение; k_{CX U} - коэффициент схемы выпрямления по напряжению; U_ф2 - вторичное напряжение фазы.

Учитывая, что первичная обмотка (не показана) трансформатора 4 соединена в звезду, то фазное напряжение первичной обмотки будет равно

где U_ф1 - фазное напряжение первичной обмотки; U_kc - напряжение контактной сети.

Тогда коэффициент трансформации трансформатора 4 равен

Повышение частоты выпрямляемого напряжения выпрямителя 5 позволит значительно увеличить частоту пульсаций напряжения на шинах 7, что обусловит повышение качества выпрямленного напряжения. Напряжение сети постоянного тока 7 поступает на устройства распределительные всех вагонов набора 8, (которые не показаны). Бесконтактные двигатели постоянного тока совокупности 9 выбраны из-за высокого КПД и надежности по сравнению с двигателями других типов, а использование синхронных генераторов трехфазного синусоидального тока с постоянными магнитами обусловлено также повышенным КПД и уменьшенной массой. Параметры разделительных диодов выбраны так, что выходное напряжение выпрямителя 5 на 1…1,5 В выше напряжения аккумуляторной батареи 11, поэтому при наличие напряжения на шинах 7, указанная батарея разряжаться не будет. Цепь ее разряда образуется только при пропадании напряжения на контактной сети постоянного тока.

Система работает следующим образом.

При наличии напряжения на контактной сети 1 оно поступает на фильтр питания 2, где нейтрализуются помехи и высшие гармоники, затем оно подается на автономный инвертор напряжения 3, в котором постоянный ток преобразуется в трехфазный переменный ток повышенной частотой с квазисинусоидальным напряжением. Выходное напряжение указанного инвертора поступает на понижающий трансформатор 4, с вторичной обмотки которого оно поступает на выпрямитель 5, где происходит преобразование трехфазного тока в постоянный ток. Выходное напряжение выпрямителя 5 подается на шины сети постоянного тока 7, при этом положительный вывод (не показан) указанного выпрямителя соединен с положительной шиной сети постоянного тока 7 через диод 6. Напряжение указанной сети поступает на устройство распределительное каждого из вагонов с первого 8-1 до последнего 8-п одновременно. К сети 7 параллельно подключены и бесконтактные двигатели постоянного тока 9 с первого 9-1 по последний 9-m, на валах (не показаны) которых, установлены синхронные генераторы 10 с первого 10-1 по последний 10-k, поэтому в каждый момент времени все потребители набора вагонов 8 подключены как к источнику постоянного тока и к источнику трехфазного синусоидального тока.

При пропадании напряжения на контактной сети 1 начинает разряжаться аккумуляторная батарея 11, поскольку разделительный диод 12 будет открыт, при этом источники питания потребителей вагонов 8 остаются теми же.

Таким образом, в любом режиме электрооборудование вагонов набора 8 будет работать в соответствующем режиме, чем и достигается поставленный технический результат. По сравнению с системами электроснабжения вагонов, описанных в [3], предлагаемая система надежней, компактней и проще.

Источники, принятые во внимание

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

[2] Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М. Транспорт, 2001, 464 с.

[3] Комаров Ю.И. Электроснабжение пассажирских вагонов. СПБ, Известия ПГУПС №3, 2007, с. 71…90.

Использование: в области электротехники для бесперебойного электропитания вагонов скоростного электропоезда. Технический результат - обеспечение возможности электропитания потребителей вагонов только от контактной сети постоянного тока. Система содержит последовательно подключенные: фильтр питания, автономный инвертор напряжения, понижающий трансформатор, выпрямитель, разделительный диод и шины сети постоянного тока, к которым подключены распределительные устройства набор вагонов и совокупность бесконтактных двигателей постоянного тока, на валу каждого из которых размещен синхронный генератор трехфазного синусоидального тока. Кроме того, в устройство введена аккумуляторная батарея с разделительным диодом, подключенные к шинам сети постоянного тока. При наличии напряжения на контактной сети потребители вагонов получают электрическую энергию от сети постоянного тока и от синхронных генераторов с постоянными магнитами, причем напряжение указанной сети выше на 1…1,5 В напряжения аккумуляторной батареи и она не разряжается. При исчезновении напряжения на контактной сети на сеть постоянного тока подводится напряжение аккумуляторной батареи, причем переход осуществляется за доли секунды. 1 ил.

Система бесперебойного электропитания вагонов, содержащая последовательно соединенные: фильтр питания, с возможностью подключения к контактной сети, автономный инвертор напряжения, понижающий трансформатор, выпрямитель, разделительный диод выпрямителя и шины постоянного тока, к которым параллельно подключены распределительные устройства каждого из вагонов с первого по n-й, причем параллельно распределительному устройству каждого вагона подключен бесконтактный двигатель постоянного тока, на валу каждого из которых установлен синхронный генератор трехфазного переменного тока, и введена аккумуляторная батарея с разделительным диодом, причем фильтр питания подключен к контактной сети постоянного тока, а указанная батарея с разделительным диодом соединена с шинами постоянного тока, соответственно.