МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2025 года по МПК B60L50/13 H02M5/44 

Изобретение относится к областям электротехники, железнодорожного и водного транспорта, в частности - к преобразованию электрической энергии для движения и функционирования транспортного средства.

Из уровня техники известен преобразователь тяговый локомотива, патент РФ 2732816 с датой публикации 22.09.2020. Преобразователь тяговый локомотива содержит источник электропитания, в роли которого раздельно могут быть преобразователь частоты тягового генератора, зарядно-разрядный преобразователь или преобразователь питания от внешней сети, так и их различные парные комбинации, и совместное использование всех трех источников питания. Выходы источников питания соединены с единой внутренней токопроводящей шиной питания постоянного тока, к которой подключены вход преобразователя частоты, выход которого соединен с обмотками тяговых электродвигателей, вход инвертора, выход которого соединен с обмотками вспомогательных машин либо с внешними нагрузками, кроме того, источник питания, преобразователь частоты, инвертор связаны между собой и с внешней системой управления транспортного средства линией связи. Расширение функциональных свойств заключается в обеспечении функционирования нагрузок независимо от какого источника поступает питание.

Недостатками тягового преобразователя является низкое напряжение внутренней токопроводящей шины постоянного тока (560-600 В), что приводит к увеличению массы и габаритов преобразователя, питание группы тяговых электродвигателей от одного инвертора сопровождается неравномерной загрузкой тяговых электродвигателей по причине расхождения диаметров колес между моторными колесными парами. Кроме того, тяговый привод грузового транспортного средства, обеспечивающего его движение от накопителя энергии, имеет значительную массу и габаритные размеры накопителя энергии.

Наиболее близким техническим решением является система электропитания транспортного средства по патенту РФ 2781845 с датой публикации 02.03.2021. Система электропитания транспортного средства содержит по меньшей мере два тяговых генератора, тяговый преобразователь, включающий в себя по меньшей мере два выпрямителя генератора переменного тока, которые преобразуют входное трехфазное напряжение в напряжение постоянного тока на промежуточной шине питания, по меньшей мере два инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания тяговых электродвигателей переменного тока, по меньшей мере два инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания вспомогательных машин транспортного средства или системы микроклимата или внешних потребителей. По меньшей мере два выпрямителя выполнены активными с возможностью повышения напряжения, выходы которых соединены внутренней токопроводящей шиной, образующей сеть постоянного тока, к которой подключены входы инверторов, соединенных с обмотками тяговых электродвигателей переменного тока и входы инверторов, соединенных с обмотками электродвигателей переменного тока вспомогательных машин (компрессор, вентиляторы) либо с системой микроклимата кабины, либо с внешними потребителями транспортного средства. Кроме того, система содержит зарядно-разрядный преобразователь накопителя энергии и преобразователь электропитания бортовой сети транспортного средства и заряда аккумуляторной батареи, причем система управления выполнена с возможностью перераспределения нагрузки посредством управления выпрямителями активными. Система электропитания транспортного средства может содержать инвертор вспомогательных электродвигателей переменного тока, выполненный двунаправленным, при этом вход инвертора подключен к внешней сети, а выход к сети постоянного тока, что позволяет реализовать режим заряда накопителя энергии от внешней сети. Активные выпрямители выполнены с возможностью взаимодействия с по меньшей мере двумя генераторами переменного тока, связанными между собой, так как находятся под общей нагрузкой.

Недостатками технического решения являются использование в качестве источника электропитания тяговой системы нескольких генераторов переменного тока, что сопровождается увеличением массы и габаритных размеров по сравнению с единичным исполнением источника питания и усложняет систему обеспечения равномерности загрузки генераторов, использование активных выпрямителей сопровождается увеличением потерь в них, стоимости и снижением надежности. Тяговые и вспомогательные электродвигатели по изоляции электрических цепей должны быть выполнены на максимальное напряжение промежуточной шины питания постоянного тока. Однако в качестве вспомогательных электродвигателей переменного тока тяговых систем железнодорожных и водных транспортных средств используются асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором на напряжение 380 В промышленной частоты. Увеличение напряжения выше номинального значения приводит к росту вероятности пробоя электрической изоляции, и соответственно к снижению надежности электродвигателя, в связи с чем активные выпрямители не должны увеличивать напряжение промежуточной шины питания постоянного тока выше выпрямленного напряжения 380 В плюс 20%, что снижает эффективность их использования.

Технический результат изобретения заключается в снижении потерь мощности в выпрямителях тягового генератора, повышении надежности оборудования многоканального преобразователя и транспортного средства, возможности использования в качестве источника питания тягового генератора с якорными обмотками на напряжение выше 1000 В и в расширении функциональных возможностей многоканального преобразователя.

Технический результат достигается за счет применения многоканального преобразователя транспортного средства, содержащего два трехфазных выпрямителя генератора переменного тока, по меньшей мере два двунаправленных инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания тяговых электродвигателей переменного тока, по меньшей мере два преобразователя частоты и напряжения для питания вспомогательных электродвигателей многоканального преобразователя и транспортного средства, зарядный преобразователь аккумуляторной батареи, преобразователь электропитания бортовой сети постоянного тока, соединенный с аккумуляторной батареей, систему управления, диагностики и защиты каналов, объединенную в общую сеть и соединенную с системой управления транспортного средства, причем выходы выпрямителей генератора и входы двунаправленных инверторов для питания тяговых электродвигателей переменного тока соединены с двухпроводной шиной постоянного тока. Причем два выпрямителя генератора переменного тока выполнены по шестипульсной диодной схеме, с двухпроводной шиной постоянного тока соединен вход двунаправленного инвертора собственных нужд, выход которого через синус-фильтр соединен с входом понижающего трансформатора формирования сети трехфазного напряжения 380 В промышленной частоты, вход трансформатора также соединен через синус-фильтр с одной из трехфазных якорных обмоток тягового генератора. Кроме того многоканальный преобразователь содержит не менее двух устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей транспортного средства и пусковой преобразователь, соединенный с аккумуляторной батареей и первым входом преобразователя напряжения обмотки возбуждения генератора переменного тока и с шиной постоянного тока, а входы зарядного преобразователя аккумуляторной батареи, преобразователей частоты и напряжения вспомогательных электродвигателей транспортного средства, устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей транспортного средства, второй вход преобразователя напряжения обмотки возбуждения генератора переменного тока соединены с трехфазной сетью напряжением 380 В промышленной частоты.

В дополнительном варианте осуществления изобретения пусковой преобразователь может быть выполнен двунаправленным, что обеспечивает заряд аккумуляторной батареи от шины постоянного тока.

На фиг. 1 представлена структурная схема многоканального преобразователя транспортного средства.

Источником энергии многоканального преобразователя транспортного является тяговый генератор переменного тока с двумя трехфазными якорными обмотками (ЯО) линейным напряжением выше 1000 В. Также возможно электропитание многоканального преобразователя от внешней трехфазной электросети напряжением 380 В промышленной частоты, либо передача энергии внешнему потребителю при питании преобразователя от тягового генератора.

Многоканальный преобразователь 1 транспортного средства содержит два выпрямителя 4, выполненных по шестипульсной диодной схеме, входы которых подключены к трехфазным якорным обмоткам тягового генератора и являются входами многоканального преобразователя 1. Выходы выпрямителей 4 параллельно соединены с двухпроводной шиной постоянного тока 5, с которой также соединены входы не менее двух двунаправленных инверторов 6 питания тяговых электродвигателей переменного тока транспортного средства, вход двунаправленного инвертора собственных нужд 7, первый вход преобразователя напряжения 14 обмотки возбуждения (ОВ) тягового генератора и выход пускового преобразователя 13. Выход двунаправленного инвертора собственных нужд 7 соединен либо с одной из якорных обмоток генератора переменного тока, либо через синус-фильтр 15 соединен с понижающим трехфазным трансформатором 8. Вторичная обмотка трехфазного трансформатора 8 соединена со входами не менее двух преобразователей частоты и напряжения вспомогательных электродвигателей 9 транспортного средства, со входами не менее двух устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей 10 транспортного средства, входом зарядного преобразователя аккумуляторной батареи 11 и вторым входом преобразователя напряжения 14 обмотки возбуждения тягового генератора. Выход зарядного преобразователя 11 и вход пускового преобразователя 13 соединены с аккумуляторной батареей и параллельно соединены с преобразователем электропитания бортовой сети постоянного тока 12 многоканального преобразователя 1 и транспортного средства. Промежуточная шина 5 постоянного тока может быть соединена с соседней секцией транспортного средства. Многоканальный преобразователь содержит систему управления диагностики и защиты каналов, объединенную в общую сеть, и, соединенную с системой управления транспортного средства. На фиг. 1 цифрами 2 и 3 обозначено число проводящих проводов в участках цепи многоканального преобразователя.

Многоканальный преобразователь транспортного средства работает следующим образом.

Приводной дизельный двигатель может запускаться от своего стартера, либо от аккумуляторной батареи через пусковой преобразователь 13. Пусковой преобразователь 13 повышает постоянное напряжение аккумуляторной батареи до требуемой величины в режиме пуска, далее это напряжение через замкнутые контакты контактора К7 поступает на первый вход преобразователя напряжения 14 обмотки возбуждения генератора переменного тока и через замкнутые контакты контактора К6 на промежуточную шину постоянного тока 5, и на вход одного из двух двунаправленных инверторов 6. С выхода двунаправленного инвертора 6 трехфазное переменное напряжение, регулируемое по частоте и амплитуде, через контакты контактора К1 или К2 поступает на одну из двух трехфазных обмоток тягового генератора, и дизель-генераторная установка запускается (инверторный пуск). Возможен пуск дизель-генераторной установки при одновременном питании двух трехфазных обмоток генератора от двух двунаправленных инверторов 6 через замкнутые контакты К1 и К2.

Многоканальный преобразователь допускает прямой пуск дизель-генераторной установки от внешней трехфазной сети напряжением 380 В промышленной частоты. В этом случае на второй вход преобразователя напряжения 14 обмотки возбуждения тягового генератора через контакты контактора К5 поступает трехфазное напряжение внешней сети, а через трансформатор 8, синус-фильтр 15, замкнутые контакты контакторов К4 и К2 нерегулируемое напряжение поступает на одну из трехфазных обмоток тягового генератора. Также многоканальный преобразователь допускает пуск дизель-генераторной установки от внешней сети при регулировании амплитуды и частоты напряжения трехфазной обмотки тягового генератора. В этом случае трехфазное напряжение внешней сети через трансформатор 8, синус-фильтр 15 и через замкнутые контакты контактора КЗ поступает на двунаправленный инвертор питания собственных нужд 7, с которого выпрямленное напряжение поступает на промежуточную шину постоянного тока 5 и на вход не менее одного из двунаправленных инверторов 6. С выхода одного двунаправленного инвертора 6 трехфазное переменное напряжение, регулируемое по частоте и амплитуде, через контакты контактора К1 или К2 поступает на одну из двух трехфазных обмоток генератора, и дизель-генераторная установка запускается. Также возможен пуск дизель-генераторной установки при одновременном питании двух трехфазных обмоток генератора от двух двунаправленных инверторов 6 через замкнутые контакты К1 и К2.

В рабочем режиме трехфазное напряжение якорных обмоток тягового генератора поступает на вход выпрямителей 4, с выхода которых выпрямленное напряжение поступает на промежуточную шину постоянного тока 5, и через контакты контакторов К6 и К7 напряжение поступает на вход преобразователя напряжения 14 обмотки возбуждения. По команде системы управления пусковой преобразователь 13 отключается. С промежуточной шины постоянного тока 5 напряжение поступает на вход двунаправленных инверторов 6 питания тяговых электродвигателей переменного тока и двунаправленный инвертор питания собственных нужд 7, с выхода которого трехфазное напряжение через синус-фильтр 15 и трансформатор 8 поступает на входы преобразователей частоты и напряжения вспомогательных электродвигателей 9 транспортного средства, входы устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей 10 транспортного средства, и в рабочий режим вводятся вспомогательные электродвигатели транспортного средства: компрессор, вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей, тормозных резисторов, тягового генератора, теплоносителя охлаждения дизеля. После включения вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей включаются двунаправленные инверторы 6 и транспортное средство приводится в движение, регулирование силы тяги и скорости движения обеспечивается заданным алгоритмом управления двунаправленными инверторами 6. Преобразователь напряжения 14 обмотки возбуждения посредством контактора К5 переключается на питание через второй вход от трансформатора 8. При поступлении трехфазного напряжения на вход зарядного преобразователя 11 и значении напряжения на нем ниже максимально допустимого начинается заряд аккумуляторной батареи.

В дополнительном варианте реализации изобретения пусковой преобразователь 13 может быть выполнен двунаправленным. В таком случае пусковой преобразователь 13 также выполняет функцию зарядного преобразователя 11, заряжая аккумуляторную батарею напряжением, поступающим от промежуточной шины постоянного тока 5.

В режиме электрического реостатного торможения транспортного средства двунаправленные тяговые инверторы 6 работают в режиме управляемого выпрямителя, и энергия торможения тяговых электродвигателей преобразуется в тепловую энергию, рассеиваемую тормозными резисторами.

Изобретение относится к электрическим силовым установкам транспортного средства. Многоканальный преобразователь содержит два трехфазных выпрямителя генератора переменного тока, два двунаправленных инвертора питания тяговых электродвигателей переменного тока, два преобразователя частоты и напряжения для питания вспомогательных электродвигателей транспортного средства, два устройства плавного пуска вспомогательных электродвигателей транспортного средства, зарядный преобразователь аккумуляторной батареи, преобразователь электропитания бортовой сети, двунаправленный инвертор собственных нужд, понижающий трехфазный трансформатор, пусковой преобразователь, преобразователь напряжения обмотки возбуждения тягового генератора, систему управления диагностики и защиты каналов. Выходы выпрямителей генератора и входы инверторов для питания тяговых электродвигателей переменного тока соединены с шиной постоянного тока, с которой соединен вход двунаправленного инвертора собственных нужд, к выходу которого через синус-фильтр подключен трансформатор. Технический результат заключается в снижении потерь мощности в выпрямителях тягового генератора, повышении надежности оборудования и в расширении функциональных возможностей многоканального преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоканальный преобразователь транспортного средства, содержащий два трехфазных выпрямителя генератора переменного тока, по меньшей мере два двунаправленных инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания тяговых электродвигателей переменного тока, по меньшей мере два преобразователя частоты и напряжения для питания вспомогательных электродвигателей транспортного средства, зарядный преобразователь аккумуляторной батареи, преобразователь электропитания бортовой сети постоянного тока, соединенный с аккумуляторной батареей, систему управления диагностики и защиты каналов, объединенную в общую сеть и соединенную с системой управления транспортного средства, причем выходы выпрямителей генератора и входы двунаправленных инверторов для питания тяговых электродвигателей переменного тока соединены с двухпроводной шиной постоянного тока, отличающийся тем, что два выпрямителя генератора переменного тока выполнены по шестипульсной диодной схеме, с двухпроводной шиной постоянного тока соединен вход двунаправленного инвертора собственных нужд, выход которого через синус-фильтр соединен с входом понижающего трансформатора формирования сети трехфазного напряжения 380 В промышленной частоты, вход трансформатора также соединен через синус-фильтр с одной из трехфазных якорных обмоток тягового генератора, кроме того многоканальный преобразователь содержит не менее двух устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей транспортного средства и пусковой преобразователь, соединенный с аккумуляторной батареей, и первым входом преобразователя напряжения обмотки возбуждения генератора переменного тока и с шиной постоянного тока, а входы зарядного преобразователя аккумуляторной батареи, преобразователей частоты и напряжения вспомогательных электродвигателей транспортного средства, устройств плавного пуска вспомогательных электродвигателей транспортного средства, второй вход преобразователя напряжения обмотки возбуждения генератора переменного тока соединены с трехфазной сетью.

2. Многоканальный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пусковой преобразователь может быть выполнен двунаправленным.