ТЯГОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК B60L9/04 B60L9/22 B60L50/53 B61C3/02 

Изобретение относится к области электрических тяговых систем транспортных средств преимущественно железнодорожного подвижного состава с накопителем электрической энергии и питанием от контактной сети постоянного тока.

Известно устройство электродвижительной установки транспортного средства МПК B60L 50/50, B60L 9/18, B60L 1/00, Н02Р 27/06, Н02М 7/521, RU 2721864 С1, 2019100662 от 10.01.2019, Гельвер Ф.А. (RU), содержащее систему управления, источник постоянного напряжения, трехфазный инвертор напряжения, собранный на транзисторных полумостах и конденсаторах, тяговый электродвигатель переменного тока, параллельный накопитель электрической энергии и согласующий электрический преобразователь. Согласующий электрический преобразователь параллельного накопителя электрической энергии состоит из дросселя и двух дополнительных транзисторов с антипараллельно подключенными диодами. Достоинством данного технического решения является простота конструкции и соответственно повышенная надежность устройства, однако существенным недостатком является то обстоятельство, что напряжение накопителя электрической энергии должно соответствовать напряжению источника постоянного напряжения.

Также известно транспортное средство с электрической тяговой системой МПК B60L 9/14, B60L 1/00, Н02М 3/10, B60L 2200/26, B60L 2210/10, RU 2755566 С1, 2021105463 от 03.03.2021 СИМЕНС МОБИЛИТИ ГМБХ (DE), содержащее промежуточный контур постоянного напряжения и по меньшей мере один, соединенный с промежуточным контуром постоянного напряжения вторичный контур, имеющий более низкий уровень напряжения, чем промежуточный контур постоянного напряжения. К промежуточному контуру постоянного напряжения подключены два последовательно соединенных аккумуляторных блока, средний вывод которых непосредственно или через резистор соединен с корпусом транспортного средства. Вторичный контур соединен со средним выводом, и нагружается напряжением одного из двух аккумуляторных блоков, вследствие чего достигается деление напряжения промежуточного контура постоянного напряжение пополам и не требуется DC/DC преобразователь для преобразования напряжения промежуточного контура до более низкого уровня напряжения вторичного контура. Второе преимущество устройства состоит в том, что аккумуляторные блоки имеют изоляцию относительно корпуса в два раза ниже требуемого по напряжению промежуточного контура, что удешевляет стоимость устройства. Устройство может содержать схему выравнивания напряжений между аккумуляторными блоками. К промежуточному контуру постоянного напряжения подключается инвертор напряжения для питания по меньшей мере одного тягового электродвигателя. Ко вторичному контуру подключается предпочтительно преобразователь собственных нужд для питания бортовых потребителей транспортного средства. Существенным недостатком данного устройства является то, что оно не может быть использовано в транспортном средстве, у которого минусовой потенциал источника напряжения соединен с корпусом транспортного средства. Кроме того, недостатками данного устройства является то, что она предпочтительна для применения при напряжении вторичного контура в два раза ниже напряжения промежуточного первичного контура и требует выравнивания напряжения между последовательно включенными аккумуляторными блоками. Аккумуляторные блоки не предназначены для питания тягового привода в автономном режиме движения транспортного средства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту и выбранная в качестве прототипа является устройство управления двигательной установкой электрического транспортного средства и система железнодорожного транспортного средства МПК B60L 9/18, B60L 11/18, В61С 3/02 RU 2529577 C1, 30.07.2010 JP PCT/JP2010/062946 Б заявка 2013108861/11, 21.04.2011 ХАТАНАКА Кента (JP) МИЦУБИСИ ЭЛЕКТРИК КОРПОРЕЙШЕН (JP) с питанием от контактной сети постоянного тока, включающее в себя блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока, содержащий зарядный и линейный контакторы, зарядный резистор, реактор и конденсатор фильтра, транзисторный ключ с встречно подключенным диодом и тормозным резистором, к выходу звена постоянного тока подключен трехфазный инвертор напряжения, к выходным контактам которого через один трехфазный контактор подключен тяговый электродвигатель переменного тока и через второй трехфазный контактор подключена плюсовая цепь заряда накопителя электрической энергии, содержащая сглаживающий реактор, трехполюсный переключатель с возможностью подключения накопителя энергии к плюсовой цепи заряда или к плюсовой цепи звена постоянного тока устройства, конденсатор фильтра, линейный и зарядный контакторы с зарядным резистором. Минусовая цепь накопителя энергии подключена к минусовой цепи звена постоянного тока устройства. Параллельно накопителю энергии через контактор в плюсовой цепи подключено вспомогательное устройство питания с возможностью преобразования напряжения постоянного тока накопителя энергии в трехфазное напряжение для питания вспомогательного оборудования. Для управления процессом преобразования электрической энергии устройство содержит на выходе инвертора три датчика тока, датчик тока контроля заряда/разряда накопителя энергии, датчики напряжения источника питания и накопителя энергии, конденсатора фильтра звена постоянного тока и конденсатора фильтра накопителя энергии.

Достоинством устройства является возможность одновременного и раздельного потребления электрической энергии от источника питания и от накопителя энергии, одновременное приведение в движение транспортного средства и заряд накопителя энергии, заряд накопителя энергии через трехфазный преобразователь, работающий в режиме преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение с регулировкой величины выходного напряжения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, одновременный либо раздельный возврат электрической энергии источнику питания и заряд накопителя энергии в режиме электродинамического торможения транспортного средства.

Недостатком устройства является невозможность использовании его при уровне напряжения источника питания значительно выше уровня напряжения накопителя энергии.

Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости и массо-габаритных параметров зарядно/разрядного устройства за счет использования трансформаторов, транзисторных модулей с изоляцией по корпусу, соответствующему уровню напряжения контактной сети, но меньшего класса, чем требование по напряжению контактной сети, и повышение надежности тяговой электрической системы транспортного средства за счет использования накопителя энергии с уровнем напряжения U2 значительно меньшим уровня напряжения контактной сети U1.

Технический результат заключается в повышении надежности зарядно/разрядного устройства тяговой электрической системы транспортного средства за счет снижения уровня напряжения накопителя энергии по сравнению с напряжением контактной сети и, как следствие, снижение уровня необходимой электрической изоляции.

Поставленный технический результат достигается за счет применения тяговой электрической системы транспортного средства с накопителем энергии, содержащей блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока с подключенным к нему каналом зарядно/разрядного устройства с зарядно/разрядным устройством и накопителем энергии, как минимум одним тяговым электродвигателем, подключенным к звену постоянного тока, причем тяговый канал снабжен зарядным контактором тягового канала, зарядным резистором тягового канала, линейным контактором тягового канала и фильтровым конденсатором, а канал зарядно/разрядного устройства снабжен зарядным контактором накопителя энергии, зарядным резистором накопителя энергии и линейным контактором накопителя энергии, отличающейся тем, что зарядно-разрядное устройство содержит, как минимум, два последовательно подключенных к тяговому каналу первичных транзисторных преобразователя с зарядными конденсаторами на входе, каждый из которых подключен к первичной обмотке однофазного разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена со вторичным транзисторным преобразователем содержащим на выходных контактах накопительный конденсатор, причем выхода вторичных транзисторных преобразователей соединены параллельно и через зарядный контактор накопителя энергии, зарядный резистор накопителя энергии и линейный контактор накопителя энергии подключены к накопителю энергии.

Тяговая электрическая система дополнительно может содержать между положительным и отрицательным контактами звена постоянного тока тягового канала постоянно включенный резистор длительного разряда фильтрового конденсатора звена постоянного тока и накопительных конденсаторов первичных транзисторных преобразователей зарядно-разрядного устройства.

Тяговая электрическая система может содержать в качестве тягового электродвигателя тяговый электродвигатель постоянного тока.

Тяговая электрическая система может содержать в качестве тягового электродвигателя асинхронный тяговый электродвигатель, который подключен к звену постоянного тока тягового канала через трехфазный инвертор напряжения.

Тяговая электрическая система дополнительно может содержать канал питания вспомогательных потребителей с возможностью преобразования выходного напряжения зарядно/разрядного устройства и напряжения постоянного тока накопителя энергии в трехфазное напряжение для питания вспомогательного оборудования.

Тяговый канал тяговой электрической системы дополнительно может содержать входной реактор, транзисторный ключ с встречно подключенным диодом и защитным резистором.

Далее приведено подробное описание сущности заявленного изобретения на примере тяговой электрической системы транспортного средства с асинхронными тяговыми электродвигателями. При этом для специалиста в области локомотивостроения не составит труда заменить асинхронные тяговые электродвигатели на электродвигатели постоянного тока для осуществления заявленного изобретения.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 Тяговая электрическая система содержит блок управления 1, тяговый канал, трехфазный инвертор напряжения 11, нагрузкой которого является, как минимум, один асинхронный тяговый электродвигатель 12, канал зарядно/разрядного устройства, накопитель энергии 21 и канал питания вспомогательных потребителей.

Тяговый канал состоит из входного реактора 2, зарядного контактора тягового канала 3 с зарядным резистором тягового канала 5, линейного контактора тягового канала 4, звена постоянного тока, содержащего постоянно включенный резистор 6 длительного разряда, расположенный между положительным и отрицательным контактами звена постоянного тока, фильтровый конденсатор 7, транзисторный ключ 9, со встречно подключенным диодом 10 и тормозной (защитный) резистор 8. Причем зарядный резистор тягового канала 5 соединен с плюсовым контактом фильтрового конденсатора 7, резистором длительного разряда 6, соединенного с минусовым контактом фильтрового конденсатора 7, выходом линейного контактора 4 и плюсовым контактом одного из первичных транзисторных преобразователей 13. Выход звена постоянного тока соединен с трехфазным инвертором напряжения 11, нагрузкой которого является, как минимум, один асинхронный тяговый электродвигатель 12.

Канал зарядно/разрядного устройства содержит первичные и вторичные транзисторные преобразователи 13 и 16 соответственно, разделительные трансформаторы 15, линейный 20 и зарядный 18 контакторы накопителя энергии и зарядный резистор накопителя энергии 19. Последовательно соединенные первичные транзисторные преобразователи 13 на входе содержат зарядные конденсаторы 14. Выходные контакты первичных транзисторных преобразователей 13 соединены с первичной обмоткой разделительных трансформаторов 15, вторичные обмотки которых соединены с входными контактами вторичных транзисторных преобразователей 16, выходы которых снабжены накопительными конденсаторами 17 и по выходным контактам вторичные транзисторные преобразователи 16 соединены параллельно. К выходным контактам вторичных транзисторных преобразователей через зарядный контактор накопителя энергии 18 с зарядным резистором накопителя энергии 19 и линейный контактор накопителя энергии 20 подключен накопитель энергии 21.

Канал питания вспомогательных потребителей транспортного средства содержит трехфазный инвертор регулируемого напряжения и частоты 25 с зарядным конденсатором вспомогательных потребителей 26 на входе и индуктивно-емкостным фильтром высокочастотных гармоник напряжения 27 на выходе, инвертор по плюсовой цепи соединен с линейным контактором вспомогательных потребителей 24 и параллельным ему зарядным контактором вспомогательных потребителей 22 с последовательно соединенным зарядным резистором вспомогательных потребителей 23, линейный контактор вспомогательных потребителей 24 и зарядный резистор вспомогательных потребителей 23 соединены с выходным контактом линейного контактора накопителя энергии 20, а по минусовой цепи инвертор соединен с зарядно/разрядным устройством и накопителем энергии 21.

Транзисторный ключ 9 с диодом 10 и резистором 8 предназначены для защиты звена постоянного тока от перенапряжений, штатного разряда конденсаторов 7 и 14 при снятии напряжения питания транспортного средства и гашения энергии рекуперации транспортного средства в случае невозможности принятия энергии торможения источником питания и накопителем энергии 21.

Резистор 6 предназначен для длительного разряда конденсаторов 7 и 14 в случае отказа штатного разряда.

Тяговая электрическая система снабжена датчиками тока и напряжения, регистрирующими напряжение звена постоянного тока тягового канала, входной ток тягового канала, ток тормозного резистора, линейные напряжения и токи инверторов напряжения, напряжения зарядных и накопительных конденсаторов транзисторных преобразователей, токи транзисторных преобразователей, напряжение и ток накопителя энергии.

Тяговая электрическая система может содержать несколько каналов питания вспомогательных потребителей трехфазного переменного напряжения, дополнительно может содержать зарядное устройство аккумуляторной батареи питания цепей управления.

Устройство работает следующим образом. При подключении тяговой системы к источнику напряжения постоянного тока по команде блока управления 1 включается зарядный контактор тягового канала 3 и происходит заряд фильтрового конденсатора 7 звена постоянного тока тягового канала и конденсаторов 14 первичных транзисторных преобразователей 13. Напряжение конденсаторов 7 и 14 регистрируется датчиками напряжения, сигнал с которых поступает в блок управления, ток заряда конденсаторов регистрируется датчиком тока, сигнал с которого также поступает в блок управления. Конденсатор 7 заряжается до напряжения источника питания, а конденсаторы 14 заряжаются до напряжения источника питания, деленное на число последовательно включенных первичных транзисторных преобразователей 13 (по фиг. 1 это число 2). По завершению заряда включается линейный контактор тягового канала 4, что означает готовность к движению транспортного средства или заряду накопителя энергии или одновременно к движению и заряду накопителя энергии.

Для обеспечения движения транспортного средства по управляющим сигналам от блока управления транзисторные ключи автономного инвертора напряжения 11 формируют на его выходе импульсное трехфазное напряжение (U, V, W) с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое поступает на обмотку статора асинхронного тягового электродвигателя 12 и транспортное средство приходит в движение.

Заряд накопителя энергии (НЭ) 21 происходит следующим образом. По управляющим сигналам от блока управления транзисторные ключи первичных транзисторных преобразователей 13 формируют на первичной обмотке разделительных трансформаторов 15 знакопеременные высокочастотные импульсы с регулируемым коэффициентом заполнения, определяющим требуемую величину напряжения заряда накопителя энергии 21. Импульсы напряжения со вторичной обмотки разделительных трансформаторов 15 поступают на вход вторичных транзисторных преобразователей 16, работающих в данном случае в режиме управляемых выпрямителей и на накопительных конденсаторах 17 формируется постоянное напряжение в соответствии с требуемым напряжением заряда накопителя энергии 21. Ток заряда поступает в накопитель энергии через линейный контактор накопителя энергии 20. Заряд накопителя энергии может происходить в режиме стоянки, движения в режиме тяги, выбега и торможения в режиме рекуперации.

В режиме рекуперации тяговый электродвигатель 12 работает в режиме генератора, инвертор напряжения 11 в соответствии с управляющими сигналами от блока управления 1 работает в режиме управляемого выпрямителя, и генерируемая электрическая энергия из звена постоянного тока, по приведенной выше схеме, полностью или частично, в зависимости от уровня заряда накопителя, передается НЭ 21. Частично рекуперируемая электрическая энергия одновременно через линейный контактор тягового канала 4 может возвращаться в контактную сеть, и при полностью заряженном НЭ 21 рекуперируемая энергия полностью возвращается в контактную сеть.

Режим движения транспортного средства от НЭ 21 происходит следующим образом. По сигналу блока управления 1 при отключенном линейном контакторе накопителя энергии 20 включается зарядный контактор накопителя энергии 18 и происходит заряд накопительных конденсаторов 17. Ток заряда и напряжение на конденсаторах контролируется датчиками тока и напряжения, сигналы с которых поступают в модуль управления 1. При завершении заряда конденсаторов 17 отключается зарядный контактор накопителя энергии 18 и включается линейный контактор накопителя энергии 20. По сигналам модуля управления 1 вторичные транзисторные преобразователи 16 формируют знакопеременные высокочастотные импульсы с регулируемым коэффициентом заполнения, которые через разделительные трансформаторы 15 поступают на первичные транзисторные преобразователи 13, работающие в режиме управляемых выпрямителей, и происходит заряд конденсаторов 14 и 7. При достижении напряжения на конденсаторах 7 и 14 требуемого уровня блок управления 1 управляет транзисторами инвертора напряжения 11, на выходе которого формируется импульсное трехфазное напряжение с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое поступает на обмотку статора асинхронного тягового электродвигателя 12 и транспортное средство приходит в движение.

Для включения канала питания вспомогательных потребителей транспортного средства включается зарядный контактор вспомогательных потребителей 22 и происходит заряд конденсатора 26. По завершению заряда модуль управления 1 включает линейный контактор вспомогательных потребителей 24 и управляя транзисторами инвертора напряжения 25 формирует на его выходе импульсное трехфазное напряжение с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое фильтром 27 преобразовывается в практически синусоидальное трехфазное напряжение. При отключенном НЭ предварительно включается линейный контактор накопителя энергии 20, затем включается зарядный контактор вспомогательных потребителей 22 и далее канал питания вспомогательных потребителей транспортного средства выходит на режим по выше приведенному алгоритму.

Таким образом, предлагаемая тяговая электрическая система транспортного средства позволяет использовать накопитель электрической энергии с уровнем напряжения значительно ниже уровня напряжения контактной сети постоянного тока, что повышает надежность накопителя энергии и обеспечивает совместное и раздельное функционирование тягового канала и накопителя энергии во всех режимах работы тяговой системы.

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Тяговая электрическая система транспортного средства с накопителем энергии содержит блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока с подключенным к нему каналом зарядно-разрядного устройства с зарядно-разрядным устройством и накопителем энергии, тяговый электродвигатель, подключенный к звену постоянного тока. Тяговый канал снабжен зарядным контактором, зарядным резистором, линейным контактором и фильтровым конденсатором. Канал зарядно-разрядного устройства снабжен зарядным контактором, зарядным резистором и линейным контактором. Зарядно-разрядное устройство содержит как минимум два последовательно подключенных к тяговому каналу первичных транзисторных преобразователя с зарядными конденсаторами на входе, каждый из которых подключен к первичной обмотке однофазных разделительных трансформаторов, вторичная обмотка которых соединена со вторичными транзисторными преобразователями, содержащими на выходных контактах накопительный конденсатор. Выходы вторичных транзисторных преобразователей соединены параллельно и подключены к накопителю энергии. Технический результат заключается в повышении надежности зарядно-разрядного устройства тяговой электрической системы транспортного средства. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тяговая электрическая система транспортного средства с накопителем энергии, содержащая блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока с подключенным к нему каналом зарядно-разрядного устройства с зарядно-разрядным устройством и накопителем энергии, как минимум один тяговый электродвигатель, подключенный к звену постоянного тока, причем тяговый канал снабжен зарядным контактором тягового канала, зарядным резистором тягового канала, линейным контактором тягового канала и фильтровым конденсатором, а канал зарядно-разрядного устройства снабжен зарядным контактором накопителя энергии, зарядным резистором накопителя энергии и линейным контактором накопителя энергии, отличающаяся тем, что зарядно-разрядное устройство содержит как минимум два последовательно подключенных к тяговому каналу первичных транзисторных преобразователя с зарядными конденсаторами на входе, каждый из которых подключен к первичной обмотке однофазных разделительных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены со вторичными транзисторными преобразователями, содержащими на выходных контактах накопительный конденсатор, причем выходы вторичных транзисторных преобразователей соединены параллельно и через зарядный контактор накопителя энергии, зарядный резистор накопителя энергии и линейный контактор накопителя энергии подключены к накопителю энергии.

2. Тяговая электрическая система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит между положительным и отрицательным контактами звена постоянного тока тягового канала постоянно включенный резистор длительного разряда фильтрового конденсатора звена постоянного тока и накопительных конденсаторов первичных транзисторных преобразователей зарядно-разрядного устройства.

3. Тяговая электрическая система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что тяговым электродвигателем является тяговый электродвигатель постоянного тока.

4. Тяговая электрическая система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что тяговым электродвигателем является асинхронный тяговый электродвигатель, который подключен к звену постоянного тока тягового канала через трехфазный инвертор напряжения.

5. Тяговая электрическая система по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит канал питания вспомогательных потребителей с возможностью преобразования выходного напряжения зарядно-разрядного устройства и напряжения постоянного тока накопителя энергии в трехфазное напряжение для питания вспомогательного оборудования.

6. Тяговая электрическая система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что тяговый канал дополнительно содержит входной реактор, транзисторный ключ с встречно-подключенным диодом и защитным резистором.