СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к системе тягового электроснабжения железных дорог на постоянном токе, а именно к тяговому преобразователю трансформаторной подстанции, питающему контактную сеть, и к тяговому устройству электровоза, питающегося от контактной сети.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является система электроснабжения железных дорог постоянного тока по патенту РФ на полезную модель №94918, МПК В60М 3/00, 10.06.2010, содержащая трансформаторную подстанцию постоянного тока с понижающим трансформатором, выводы первичной обмотки которого подключены к сети внешнего электроснабжения, и тяговым преобразователем, а также контактную сеть постоянного тока с напряжением 3,3 кВ, ходовой рельс, нагрузку-электровоз с блоком тяговых двигателей, имеющих коллекторно-щеточные преобразователи, при этом выходы тягового преобразователя подключены к контактной сети и ходовому рельсу. Блок коллекторных тяговых двигателей состоит из восьми тяговых двигателей, разделенных на четыре параллельных подблока, в каждом из которых два тяговых двигателя соединены последовательно. При номинальном режиме работы электровоза четыре параллельных подблока одновременно подключены к контактной сети с напряжением 3,3 кВ.
Основным недостатком известной системы электроснабжения является низкая пропускная способность системы, обусловленная низким напряжением контактной сети, равным 3,3 кВ, и низкий коэффициент использования коллекторных тяговых двигателей из-за низкого напряжения питания якоря U-як, равным 1,5 кВ, а также низкая эксплуатационная надежность тяговых двигателей, следовательно и системы электроснабжения в целом, из-за наличия коллекторно-щеточных преобразователей.
Задачей полезной модели является увеличение пропускной способности системы электроснабжения и повышение коэффициента использования тяговых двигателей за счет обеспечения возможности повышения напряжения контактной сети и возможности использования бесколлекторных тяговых двигателей постоянного тока с повышенным напряжением питания якоря.
Технический результат достигается тем, что в системе электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока содержащей трансформаторную подстанцию, имеющую понижающий трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к сети внешнего электроснабжения, и тяговый преобразователь, один из выходов которого подключен к контактной сети, а другой выход к ходовому рельсу, нагрузку-электровоз с тяговым устройством, включающим блок тяговых двигателей, соединенный через выключатель с контактной сетью, и блок управления режимами работы тяговых двигателей, подключенный к блоку слаботочного источника питания постоянного тока, согласно заявляемой полезной модели, тяговый преобразователь и контактная сеть выполнены с возможностью формирования выходного постоянного напряжения 25,0 кВ и питания этим напряжением блока тяговых двигателей, в котором тяговые двигатели выполнены в виде тяговых бесколлекторных двигателей постоянного тока и установлены с возможностью или последовательного включения в пусковом режиме работы электровоза, или параллельного включения в номинальном режиме работы электровоза посредством введенных переключателей управления параллельно-последовательным включением тяговых двигателей, причем каждый тяговый бесколлекторный двигатель постоянного тока выполнен с мощностью более 1,5 МВт и возможностью выдерживания номинального напряжения питания якоря более 6,0 кВ при токе якоря более 500 А.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема заявляемой системы электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока, на фиг.2 - блок-схема тягового электрооборудования, а на фиг.3 показана электрическая схема включения тяговых бесколлекторных двигателей постоянного тока.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - трансформаторная подстанция,
2 - понижающий трансформатор,
3 - сеть внешнего электроснабжения,
4 - тяговый преобразователь,
5 - контактная сеть,
6 - ходовой рельс,
7 - нагрузка-электровоз электроподвижного состава (ЭПС),
8 - тяговое устройство,
9 - блок тяговых двигателей,
10 - тяговый бесколлекторный двигатель постоянного тока,
11 - блок управления режимами работы тяговых двигателей,
12 - блок слаботочного источника питания постоянного тока,
13 - переключатель управления параллельно-последовательным включением тяговых двигателей,
14 - выключатель.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока содержит трансформаторную подстанцию 1, имеющую понижающий трансформатор 2 и тяговый преобразователь 4, контактную сеть 5, ходовой рельс 6, нагрузку-электровоз 7 с тяговым устройством 8. Выводы первичной обмотки понижающего трансформатора 2 подключены к сети 3 внешнего электроснабжения. Один из выходов тягового преобразователя 4 подключен к контактной сети 5, а другой выход - к ходовому рельсу 6. Тяговое устройство 8 включает в себя блок 9 тяговых двигателей, соединенный через выключатель 14 с контактной сетью 5, и блок 10 управления режимами работы тяговых двигателей, подключенный к блоку 11 слаботочного источника питания постоянного тока.
Отличием заявляемой системы электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока от известной системы электроснабжения является то, что тяговый преобразователь 4 и контактная сеть 5 выполнены с возможностью формирования выходного постоянного напряжения 25,0 кВ и питания этим напряжением блока 9 тяговых двигателей (см. фиг.2). Другим отличием является то, что тяговые двигатели в блоке 9 выполнены в виде тяговых бесколлекторных двигателей 10 постоянного тока, например в соответствии с заявкой на изобретение №2010130274/07 от 19.07.2010. Тяговые бесколлекторные двигатели 10 постоянного тока установлены в блоке 9 с возможностью или последовательного включения в пусковом режиме работы электровоза 7, или параллельного включения в номинальном режиме работы электровоза 7 (см. фиг.3) посредством введенных переключателей 13 управления параллельно-последовательным включением тяговых двигателей 10. Каждый тяговый бесколлекторный двигатель 10 постоянного тока выполнен с мощностью более 1,5 МВт и возможностью выдерживания номинального напряжения питания якоря более 6,0 кВ при токе якоря более 500 А.
В приведенном на фиг.3 примере конкретного выполнения блока 9 тяговых двигателей он состоит из восьми тяговых бесколлекторных двигателей 10 постоянного тока, разделенных на два параллельных подблока, в каждом из которых четыре тяговых двигателя 10 соединены последовательно. При пусковом режиме работы электровоза 7, при помощи переключателя 13, задействуются все восемь тяговых бесколлекторных двигателя 10 постоянного тока, а при номинальном режиме работы электровоза 7 два параллельных подблока тяговых двигателей одновременно подключены к контактной сети с напряжением 27,5 кВ.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока работает следующим образом.
На трансформаторную подстанцию 1 подводится внешнее электрическое питание переменного тока от сети 3 внешнего электроснабжения, которое в подстанции 1 преобразуется в постоянный ток напряжением 25,0 кВ. Выходной провод тягового преобразователя 4 с положительным потенциалом подключается к контактной сети 5, а выходной провод тягового преобразователя 4 с отрицательным потенциалом - к ходовым рельсам 6. Контактная сеть 5 является источником питания постоянным током для всех тяговых бесколлекторных двигателей 10 постоянного тока, установленных в блоке 9 электровоза 7 и подключенных к контактной сети 5.
Чем больше мощность трансформаторной подстанции 1, тем больше расстояние между подстанциями, тем большее количество электровозов 7 обслуживается на перегоне между подстанциями. Таким образом достигается большая пропускная способность системы, и следовательно повышается экономичность системы электроснабжения.
Электровоз 7 подготавливается к движению подключением блока 9 тяговых двигателей к контактной сети 5.
Движением электровоза 7 в различных режимах его движения управляет блок 11 управления режимами работы тяговых двигателей, который своим выходом подключен к входу блока 9 тяговых двигателей.
В пусковом режиме работы электровоза 7, прежде чем подключить тяговые бесколлекторные двигатели 10 постоянного тока блока 9 в работу, все восемь тяговых двигателей 10 подключаются последовательно, при помощи переключателей 13 управления параллельно-последовательным включением тяговых двигателей, и только после этого, при помощи выключателя 14, подключаются к контактной сети 5 для начала работы. После включения выключателя 14 блок 12 слаботочного источника питания начинает питать блок 11 управления, который осуществляет управление режимами работы тяговых бесколлекторных двигателей 10 постоянного тока.
При соединении всех тяговых бесколлекторные двигатели 10 постоянного тока последовательно пусковой ток тяговых двигателей 10 сокращается в связи с ростом сопротивления их якоря, при практически высоком пусковом моменте трогания, из-за малости скорости движения.
В номинальном режиме работы электровоза 7, т.е. с набором скорости электровоза до номинальной скорости, тяговые бесколлекторные двигатели 10 постоянного тока блока 9 переключаются, при помощи переключателей 13 управления параллельно-последовательным включением тяговых двигателей, на два параллельно работающих подблока. В каждом подблоке расположено по четыре тяговых бесколлекторных двигателя 10 постоянного тока, соединенных последовательно. Каждый тяговый двигатель 10 в обоих подблоках работает в номинальном режиме с номинальным напряжением в каждом тяговом двигателе 10.
Процесс снижения скорости электровоза 7 происходит в обратном порядке вплоть до останова электровоза.
Использование заявляемой полезной модели позволит увеличить пропускную способность системы электроснабжения за счет увеличения напряжения контактной сети до 25 кВ при одинаковых токах питания и использования в качестве тяговых двигателей бесколлекторных тяговых двигателей постоянного тока, каждый из которых имеет мощность более 1,5 МВт и возможность выдерживания номинального напряжения питания якоря более 6,0 кВ (это соответствует уровню питания асинхронных электродвигателей переменного тока) при токе якоря более 500 А. При этом значительно увеличивается коэффициент использования тяговых двигателей за счет возможности их параллельно-последовательного включения, и эксплуатационная надежность бесколлекторного тягового двигателя постоянного тока, а соответственно надежность работы электровоза и системы в целом из-за отсутствия коллекторно-щеточного преобразователя.