Преобразователь тяговый тепловоза с силовой установкой
LOCOMOTIVE TRACTION CONVERTER WITH POWER PLANT

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию напряжения постоянного тока в постоянный либо переменный ток и обратно для использования в маневровых тепловозах с модульной силовой установкой.
Из уровня техники известен широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения (Г.С. Зиновьев «Основы силовой электроники», часть 2, рисунок 1.1.4, стр. 12). Питание подается на преобразователь, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, параллельно которым установлены диоды, к средней точке подключен дроссель, к которому подключается нагрузка. Широтно-импульсный преобразователь предназначен для преобразования постоянного напряжения в пониженное постоянное при работе от источника питания и для преобразования постоянного напряжения в повышенное постоянное при работе от ЭДС нагрузки.
Известен источник бесперебойного питания с одиночным преобразованием из патента РФ 124857 с датой публикации 10.02.2013 г., в состав которого входит согласующий преобразователь, состоящий из емкости, полумоста и дросселя.
Недостатком данных преобразователей является ограниченность в преобразовании тока, а именно возможность преобразовывать исключительно из постоянного в постоянный ток.
Известен трехфазный мостовой инвертор (Г.С. Зиновьев «Основы силовой электроники», часть 2, рисунок 2.3.12, стр. 92). Питание подается на трехфазный мостовой инвертор (преобразователь), содержащий три полумоста, состоящих из двух последовательно соединенных транзисторов, параллельно которым установлены диоды, к средним точкам подключена трехфазная нагрузка. Трехфазный мостовой инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное при работе от источника питания и для преобразования переменного напряжения в постоянное при работе от ЭДС нагрузки.
Недостатком трехфазного мостового инвертора является ограниченность в преобразовании тока, а именно возможность преобразовывать исключительно из постоянного в переменный ток и обратно.
Из уровня техники известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза по патенту РФ 2556236 с датой публикации 10.07.2015 г., в котором выпрямитель трехфазного тока выполнен в виде четырехквадрантного полупроводникового преобразователя.
Недостатком преобразовательного комплекса является ограниченность в преобразовании тока, поскольку преобразование может быть осуществлено исключительно из переменного тока в постоянный.
Известна полезная модель «Тяговый электропривод железнодорожного транспортного средства» по патенту №184031 с датой публикации 12.10.2018 г. В тяговом электроприводе силовые входы выпрямителей подключены к отдельным генераторам переменного напряжения, механически связанные с тепловыми двигателями.
Недостатками схемы тягового электропривода являются ограниченность в преобразовании тока, поскольку преобразование может быть осуществлено исключительно из переменного тока в постоянный, а также отсутствие возможности подключения накопителей энергии в качестве источника энергии, что не позволяет использовать схему с гибридной силовой установкой.
Известно изобретение «Преобразователь тяговый локомотива» по патенту РФ 2612075 с датой публикации 02.03.2017 г., содержащий зарядно-разрядный преобразователь и преобразователь частоты дизель-генератора.
Недостатком схемы преобразователя тягового является отсутствие возможности изменения состава силовой энергетической установки, состоящей из накопителя энергии и дизель-генераторной установки, что не позволяет оперативно производить изменение состава силовой энергетической установки в эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является преобразователь, раскрытый в патенте №2599731 на изобретение «Схема накопителя энергии постоянного тока» с датой публикации 10.10.2016. Преобразователь питания переменного тока/постоянного тока включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания и имеющий клеммы переменного тока, которые электрически соединены с сетью питания переменного тока и клеммами постоянного тока. Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания и имеющий первые клеммы постоянного тока, электрически подключенные к клеммам постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока посредством цепи постоянного тока, и вторые клеммы постоянного тока, электрически подключенные к клеммам постоянного тока накопителя энергии постоянного тока. Раскрыта схема, в которой вторые клеммы постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока электрически подключены к клеммам постоянного тока накопителя энергии постоянного тока посредством индуктивностей постоянного тока. Кроме того, раскрыта схема, в которой контроллер включает в себя ШИМ-модулятор, который формирует команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока. Также раскрыта схема, в которой контроллер включает в себя ШИМ-модулятор, который формирует команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока.
Преобразователь питания переменного тока/постоянного тока может представлять собой инвертор, имеющий обычную трехфазную топологию с рядом полупроводниковых устройств переключения питания или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором.
Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока может иметь трехфазную двухуровневую топологию, аналогично преобразователю питания переменного тока/постоянного тока, с рядом полупроводниковых устройств переключения питания или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором, полностью управляемых с помощью широтно-импульсной модуляции.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности использования преобразователя в качестве преобразователя постоянного тока в постоянный, наряду с преобразованием постоянного в переменный. Схема не допускает возможности подключения к выводам преобразователя питания постоянного тока источника энергии переменного тока и наоборот, к выводам преобразователя питания переменного тока источника энергии постоянного тока, следовательно схема не позволяет изменять конфигурацию силовой установки в процессе эксплуатации для улучшения потребительских свойств преобразователя с силовой установкой в зависимости от нужд эксплуатирующей организации (применение тепловоза в различных условиях эксплуатации, таких как маневровый или вывозной режим, либо работа маневрового тепловоза в производственном помещении).
В настоящее время большое значение придается стоимости жизненного цикла подвижного состава железных дорог. Вместе с тем, в связи с широкой номенклатурой выпускаемого промышленностью оборудования, имеется возможность выбора максимально подходящего оборудования по своим характеристикам под условия (требования) эксплуатации подвижного состава. Однако, задачи, выполняемые маневрово-вывозными тепловозами, очень сильно отличаются друг от друга, что приводит к необходимости либо иметь ряд специализированных тепловозов, либо иметь тепловозы с характеристиками, рассчитанными на максимальные требования во всех режимах.
Для адаптации к условиям эксплуатации может быть применено такое решение, как преобразователь тяговый с модульной силовой энергетической установкой. Силовая установка состоит из нескольких съемных модулей, каждый из которых может быть представлен в виде дизель-генераторной установки либо накопителя энергии, выполненного или на аккумуляторных батареях различных типов, или на суперконденсаторах, или же на аналогичных накопителях электрической энергии.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание универсального и многофункционального преобразователя тягового тепловоза с модульной силовой установкой, выполненного с возможностью подключения к его выходу разных силовых установок (съемных модулей), работающих на постоянном или на переменном токе. Съемные модули могут содержать дизель-генераторную установку и/или накопитель энергии. Универсальность и многофункциональность заявляемого преобразователя тягового с силовой установкой обеспечивает гибкий подход к построению конфигурации гибридной силовой установки, то есть возможность на одном шасси тепловоза создавать различные конфигурации оборудования с требуемой функциональностью. При этом появляется возможность оперативного изменения состава съемных модулей в процессе эксплуатации, что позволяет в короткие сроки адаптировать преобразователь тяговый, а следовательно, и тепловоз, к нуждам эксплуатирующей организации.
Техническими результатами изобретения являются:
- возможность оперативного изменения состава модульных источников энергии (модулей дизель-генераторных либо модулей накопителей энергии), предназначенных для подключения к преобразователю тяговому с целью приведения максимального соответствия тепловоза нуждам эксплуатирующей организации;
- возможность подключения к одному и тому же каналу преобразователя разных типов модульных источников энергии (модулей дизель-генераторных либо модулей накопителей энергии);
- возможность использования шасси тепловоза без изменения независимо от состава источников энергии;
- снижение стоимости жизненного цикла тепловоза за счет конфигурации тепловоза с максимально подходящим по параметрам составом модульных источников энергии;
- повышение КПД за счет формирования максимально подходящего по параметрам состава модульных источников энергии для выполнения тепловозом различных видов работ.
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразователь тяговый тепловоза с силовой установкой содержит инвертор, состоящий из контроллера и шести транзисторов, собранных в три полумоста, состоящих из последовательно соединенных пар транзисторов. Каждый полумост и минусовая цепь инвертора посредством шин подключены к силовой установке, в качестве которой выступает накопитель энергии, содержащий батарею, последовательно соединенную с дросселями. Помимо накопителя энергии в качестве силовой установки предусмотрено использование дизель-генераторной установки. Причем силовая установка выполнена в виде съемного модуля. При этом подключение к силовой установке производится с помощью быстроразъемных соединителей, через которые подключены три фазы и минусовая шина инвертора. Контроллер инвертора подключен к быстроразъемному соединителю, и инвертор выполнен с возможностью работы как в режиме частотного преобразователя при работе с дизель-генераторной установкой, так и в режиме понижающе-повышающего преобразователя постоянного тока.
Контроллер инвертора может быть подключен к быстроразъемному соединителю, через который осуществляется связь с контроллером силовой установки или с датчиками генератора силовой установки.
На фигурах 1, 2 представлены структурные схемы преобразователя тягового с силовой установкой с указанием альтернативных признаков - подключенной дизель-генераторной установкой (фигура 1) либо накопителем энергии (фигура 2).
Преобразователь тяговый 1 содержит инвертор 2, состоящий из контроллера 3 и шести транзисторов 4, собранных в три полумоста, состоящих из последовательно соединенных пар транзисторов 4. Специалистам известно, что к полупроводниковым устройствам переключения питания, упомянутым в описании прототипа заявляемого изобретения, относятся транзисторы. Каждый полумост инвертора 2 подключен шинами 5 к быстроразъемным соединителям 6, а минусовая цепь инвертора 2 посредством шины 7 подключена к быстроразъемному соединителю 8. Контроллер 3 кабелем 9 подключен к разъему 10. Через быстроразъемные соединители 6, 8 и разъем 10 осуществляется подключение к силовой установке, выполненной в виде съемных модулей, представляющих собой либо дизель-генераторную установку 11, либо накопитель энергии 12, с одинаковыми ответными частями быстроразъемных соединителей, что обеспечивает возможность подключения к одному и тому же каналу преобразователя разных типов модульных источников энергии.
Дизель-генераторная установка 11 содержит генератор 13 с датчиком 14 генератора 13 и контроллер 15, соединенный с датчиком 14 генератора 13 и с контроллером 3 посредством кабеля 16 через разъем 10. Силовые цепи генератора 13 подсоединены к быстроразъемным соединителям 6. Подключения к быстроразъемному соединителю 8 у модуля дизель-генераторной установки не производится.
Накопитель энергии 12 (накопитель энергии на аккумуляторах или суперконденсаторах) содержит дроссели 17, соединенные с быстроразъемными соединителями 6 с одной стороны и к батарее 18 с другой, а также содержит контроллер 15, соединенный с контроллером 3 посредством кабеля 19. Батарея 18 подключена к быстроразъемному соединителю 8.
Контроллер 3 инвертора 2 получает информацию о том, какой источник энергии к нему подключен, и, в зависимости от типа подключенной силовой установки, и производит управление транзисторами 4 инвертора 2 по соответствующим алгоритмам.
Формирование соединения инвертора 2 с силовой установкой через три шины трех фаз и минусовую шину инвертора 2 через быстроразъемные соединения и получение информации из силовой установки о ее типе через информационный разъем 10 при наличии программного обеспечения, управляющего транзисторами 4 инвертора 2 в зависимости от типа подключенной силовой установки позволяет использовать шасси тепловоза без изменения независимо от состава силовых установок, допускает оперативное изменение состава модульных силовых установок. А соответствие типов и параметров используемых силовых установок режимам работы тепловоза увеличивает КПД использования силовой установки и способствует снижению стоимости жизненного цикла тепловоза.
Преобразователь тяговый 1 работает следующим образом.
Контроллер 3 инвертора 2 по кабелю 9 через разъем 10 и кабели 16 или 19 получает от контроллера 15 модуля силовой установки 11 или 12 информацию о его типе. В зависимости от этой информации, контроллер 3 производит управление транзисторами 4 инвертора 2 способом, который необходим для работы с этим типом модуля, тем самым обеспечивается возможность оперативного изменения состава модульных источников энергии, предназначенных для подключения к преобразователю тяговому 1.
Преобразователь тяговый 1 с дизель-генераторная установкой 11 в режиме преобразования постоянного напряжения в переменное и обратно работает следующим образом.
В случае подключения к инвертору 2 дизель-генераторной установки 11, инвертор 2 работает в качестве частотного преобразователя, управляя величиной и частотой переменного тока, подаваемого с инвертора 2 через шины 5 и быстроразъемные соединители 6 на синхронный или асинхронный трехфазный генератор 13. При этом через кабель 9, через разъем 10 и кабель 16 контроллер 3 инвертора 2 может получать информацию от датчика 14 генератора 13 о частоте вращения либо угле поворота ротора генератора 13, в соответствии с которой и производит управление транзисторами 4 инвертора 2, что позволяет подключить к инвертору 2 генератор 13 дизель-генераторной установки 11. Ток через шину 7 не протекает.
Преобразователь тяговый 1 с накопителем энергии 12 в режиме преобразования постоянного напряжения в постоянное работает следующим образом.
В случае подключения к инвертору 2 модуля накопителя энергии 12, инвертор 2 совместно с дросселями 17 работает в качестве трехфазного понижающего (в режиме заряда накопителя) преобразователя (либо повышающего в режиме разряда накопителя). При этом входное напряжение формирует ток заряда, протекающий через верхние транзисторы 4 полумостов инвертора 2 (при участии диодов нижних транзисторов 4 полумостов), шины 5, быстроразъемные соединители 6, дроссели 17 накопителя энергии 12, батарею 18 (или конденсаторы) накопителя энергии 12, быстроразъемные соединители 8, шину 7. Ток разряда протекает в обратном направлении, только через диоды верхних транзисторов 4 полумостов при участии нижних транзисторов 4.
Размещение дросселей 17 в накопителе энергии 12 позволяет обеспечить возможность работы инвертора 2 с дизель-генераторной установкой 11 при подключении через те же самые быстроразъемные соединители 6, поскольку дроссели препятствуют работе с генератором дизель-генераторной установки.
При замене одного съемного модуля другим способ работы инвертора 2 изменяется на соответствующий типу модуля.
Таким образом, реализация данного изобретения позволяет получить преобразователь тяговый, выполненный с возможностью подключения к его выходу разных силовых установок (съемных модулей), работающих как на постоянном, так и на переменном токе. Силовые установки могут быть выполнены в виде дизель-генераторных установок или накопителей энергии. Такое решение обеспечивает гибкий подход к построению конфигурации гибридной силовой установки, то есть на одном шасси тепловоза создавать различные конфигурации оборудования с требуемой функциональностью. При этом появляется возможность оперативного изменения состава съемных модулей в процессе эксплуатации, что позволяет в короткие сроки адаптировать преобразователь тяговый, а следовательно, и тепловоз, к нуждам эксплуатирующей организации, что, в свою очередь, позволяет повысить КПД тепловоза за счет формирования максимально подходящего по параметрам состава модульных источников энергии для выполнения тепловозом различных видов работ и снизить стоимость жизненного цикла тепловоза за счет конфигурации тепловоза с максимально подходящим по параметрам составом модульных силовых установок.