Устройство электропитания приборов мониторинга электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока

Полезная модель относится к вторичным источникам питания, преобразующим высоковольтное напряжение первичного источника тока в стабилизированное низковольтное напряжение, и может быть использована для питания приборов мониторинга электрической энергии, работающих в тяговой сети железных дорог постоянного тока напряжением 3,3 кВ и имеющих в своем составе радиоканал для передачи данных.
Приборы мониторинга электроэнергии, содержащие в своем составе радиоканал для передачи результатов измерений, характеризуются неравномерным во времени потреблением электроэнергии от источника питания. Это обусловлено тем, что в таких приборах процесс измерения производится непрерывно, и, по мере накопления данных, включается радиоканал, осуществляющий передачу всех последних результатов измерений в виде одного пакета. Мощность, потребляемая прибором от источника питания в режиме передачи данных, зависит от мощности выходного каскада передатчика радиоканала, и может превышать потребляемую мощность в режиме измерения более чем в десять раз. Временные паузы между передачами пакетов могут превышать время передачи пакетов более чем в сто раз. Таким образом, для питания таких приборов требуется устройство, обладающее высоким коэффициентом полезного действия (КПД) как в режиме номинальной выходной мощности, когда производится передача данных, так и в режиме малых нагрузок, когда производятся измерения.
Известен блок питания с гальванической развязкой, реализованный в составе счетчика электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта [1], выполненный в виде делителя напряжения, состоящего из последовательно включенного первого и второго плеч, вход которого подключен к шинам тягового напряжения, выпрямителя мостового типа, входы которого подключены параллельно первому плечу делителя напряжения, а выходы соединены с конденсатором и входами импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное, к выходам которого подключаются цепи питания измерительного оборудования.
Достоинством этого решения является независимость работы питаемого оборудования от наличия и состояния внешних питающих сетей, поскольку питание осуществляется от измеряемого тягового напряжения.
К недостаткам этого решения можно отнести низкий КПД и высокую рассеиваемую тепловую мощность, обусловленную малым значением напряжения преобразования электрической энергии ввиду использования импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное с низким значением максимального входного напряжения, составляющим порядка нескольких сотен вольт. В этом случае, при работе от тяговой сети постоянного тока напряжением 3,3 кВ, в устройстве приходится использовать резистивный делитель с большим коэффициентом деления, в результате чего на его втором плече рассеивается значительная тепловая мощность.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство электропитания приборов мониторинга и учета электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока [2], содержащее входной делитель напряжения, состоящий из последовательно включенного первого и второго плеч, на вход которого подается напряжение тяговой сети, выпрямитель мостового типа, входы которого подключены параллельно первому плечу делителя напряжения, а выходы соединены с входами импульсного блока питания с гальванической развязкой, выходы которого являются выходами устройства, причем импульсный блок питания с гальванической развязкой реализован в виде n одинаковых ячеек, соединенных последовательно по входам и выходам, а каждая из ячеек состоит из гальванически развязанного стабилизированного импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное и ограничителя его входного напряжения в виде стабилитрона, подключенного параллельно его входу (прототип).
Достоинством устройства, принятого за прототип, является независимость работы питаемого оборудования от наличия и состояния внешних электрических сетей, поскольку питание осуществляется от измеряемого тягового напряжения.
К недостаткам устройства, принятого за прототип, можно отнести низкий КПД в режиме малых нагрузок по сравнению с КПД в режиме номинальной выходной мощности. Это обусловлено тем, что при малых нагрузках устройство представляет собой параллельный стабилизатор напряжения, реализованный на резисторах входного делителя и стабилитронах ячеек, к которому подключены импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное, питающие выход устройства. Как известно, параллельный стабилизатор напряжения обладает низким КПД в режиме малых нагрузок, поскольку в этом режиме он рассеивает на своих элементах мощность, являющуюся разностью его номинальной выходной мощности и мощности, отдаваемой в режиме малых нагрузок. При питании приборов мониторинга электроэнергии, содержащих радиоканал, режим малых нагрузок занимает большую часть времени работы, что приводит к значительному снижению КПД устройства.
Целью полезной модели является повышение коэффициента полезного действия устройства в режиме малых нагрузок.
Указанная цель достигается тем, что в выходную часть устройства введен накопитель электроэнергии, который накапливает электроэнергию в режиме малых нагрузок и отдает ее в режиме номинальной мощности устройства. Это позволило реализовать равномерное во времени потребление электроэнергии от параллельного стабилизатора, снизить его мощность и обеспечить его работу в режиме максимального КПД, что привело к повышению КПД всего устройства. Для этого разработано устройство электропитания приборов мониторинга электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока, содержащее делитель напряжения, своим входом подключенный к входным клеммам устройства, к выходу которого подключен вход блока питания, к выходу которого подключен вход формирователя напряжения, к выходу которого подключены выходные клеммы устройства, причем блок питания состоит из n одинаковых гальванически развязанных стабилизированных импульсных преобразователей постоянного напряжения в постоянное, включенных последовательно по их входам и выходам, и n стабилитронов, подключенных параллельно входам преобразователей, отличающееся тем, что формирователь напряжения состоит из включенных последовательно ограничителя тока, накопителя электроэнергии на основе конденсаторной либо аккумуляторной батареи, и стабилизатора напряжения, причем вход ограничителя тока является входом формирователя напряжения, а выход стабилизатора напряжения является его выходом.
Достоинством предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом является высокий КПД устройства как в режиме номинальной выходной мощности, так и в режиме малых нагрузок.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
Устройство смонтировано в диэлектрическом корпусе (условно не показан), имеющим четыре клеммы для внешних подключений. Входные клеммы устройства, обозначенные как «Вход -» (1) и «Вход +» (2), подключены к входам высоковольтного делителя напряжения ВД (3) состоящего из резисторов R1 (4) R2 (5). К выходам ВД (3) подключены входы блока питания БП (6) состоящего из n одинаковых гальванически развязанных стабилизированных импульсных преобразователей постоянного напряжения в постоянное П1 (7), П2 (8) … Пn (9) и n ограничителей их входного напряжения в виде стабилитронов VD1 (10), VD2 (11) … VDn (12), подключенных параллельно их входам. Положительные и отрицательные входы преобразователей обозначены как In+ и In-, а положительные и отрицательные выходы преобразователей обозначены как Out+ Out-. В составе БП (6) все преобразователи П1 (7), П2 (8) … Пn (9) соединены последовательно по входам и выходам, причем крайние входы цепочки преобразователей являются входами БП (6), а крайние выходы цепочки преобразователей являются его выходами. Формирователь напряжения ФН (13), состоит из включенных последовательно ограничителя тока ОТ (14), накопителя электроэнергии на основе конденсаторной либо аккумуляторной батареи НК (15) и стабилизатора напряжения СТН (16). Аналогично элементам П1 (7), П2 (8) … Пn (9), положительные и отрицательные входы и выходы этих блоков обозначены на схеме как In+, In-, Out+ и Out-. Входами ФН (13) являются входы ОТ (14), подключенные к выходам БП (6). Выходами ФН (13) являются выходы СТН (16), к которым подключены клеммы «Выход -» (17) и «Выход +» (18), являющиеся выходными клеммами устройства.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение тяговой сети поступает на входные клеммы «Вход -» (1) и «Вход +» (2) согласно их полярности. Далее оно понижается высоковольтным делителем ВД (3) и поступает на вход блока питания БП (6). БП (6) преобразует поступающее на его вход высоковольтное постоянное напряжение в низковольтное выходное постоянное напряжение, обеспечивая необходимую гальваническую развязку между входом и выходом устройства. Существующая распространенная элементная база не позволяет создавать импульсные преобразователи напряжения с максимальным входным напряжением выше нескольких сотен вольт, поэтому, в целях повышения максимального входного напряжения БП (6), в его составе использовано n низковольтных преобразователей П1 (7), П2 (8) … Пn (9), включенных последовательно по входам и выходам. Использование стабилитронов VD1 (10), VD2 (11) … VDn (12) совместно с ВД (3) позволяет защитить входы преобразователей от превышения максимально допустимого входного напряжения и реализовать параллельный стабилизатор напряжения, включающийся в работу при снижении отдаваемой преобразователями мощности, либо при повышении входного напряжения устройства. Выходное напряжение БП (6) поступает на вход формирователя напряжения ФН (13), в частности на ограничитель тока ОТ (14), который позволяет при неизменном выходном напряжении БП (6) ограничить его выходную мощность на требуемом уровне. С выхода ОТ (14) напряжение поступает на вход накопителя электроэнергии НК (15), который может быть выполнен как на основе батареи электролитических конденсаторов, так и на основе аккумуляторной батареи. В последнем случае в состав НК (15) дополнительно вводится контроллер заряда и разряда, который на схеме не показан. НК (15) накапливает электроэнергию, когда устройство работает в режиме малых нагрузок, и отдает ее, когда нагрузка возрастает, тем самым делая нагрузку БП (6) равномерной во времени и поддерживая ее на уровне, обеспечивающим максимальный КПД устройства. В процессе работы напряжение на накопителе изменяется в широких пределах, поэтому на выходе ФН (13) использован стабилизатор напряжения СТН (16), поддерживающий выходное напряжение устройства на заданном уровне.
Представленное техническое решение позволило повысить коэффициент полезного действия устройства в режиме малых нагрузок. Устройство может быть использовано на электровозах и железнодорожных тяговых подстанциях постоянного тока напряжением 3,3 кВ в качестве источника питания приборов мониторинга электрической энергии, содержащих в своем составе радиоканал для передачи данных.
Библиографический список
1. Счетчик электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта. Патент на полезную модель РФ №19327.
2. Устройство электропитания приборов мониторинга и учета электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока. Патент на полезную модель РФ №188203.