Способ автономного электроснабжения подвижного вагона
METHOD OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF MOVABLE CAR

Назначение
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации электроснабжения вагонов подвижного состава, а также автономного электроснабжения различных подвижных объектов.
Уровень техники
В настоящее время известно использование различных способов автономного электроснабжения:
• на железнодорожном транспорте в виде генерирования электрической энергии подвагонным генератором подвижного состава с приводом вращения его ротора от оси колесной пары подвижного вагона для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при снижении скорости движения вагона до начальной нижней скорости (см. патент, РФ, №2334348);
• в системах электроснабжения, когда солнечная энергия, преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной или полностью отсутствии солнечной энергии (см. патент, РФ, №2689401);
• в системах электроснабжения, когда генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от энергии ветра, для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной скорости ветра или его отсутствии (см. патенты, РФ, №2346182, №40769)
• в других системах, использующих, например, парогенераторы, гидрогенераторы и т.д., то есть там где генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от формирователя кинетической энергии вращения.
Обобщая, представленные выше, различные способы автономного электроснабжения, можно реализовать их по укрупненной структурной схеме системы автономного электроснабжения, содержащей следующие позиции фиг. 1:
1 - генератор;
2 - АПНиФЗТ (Аппаратура преобразования напряжения и формирования зарядного тока);
3 - АБ (Аккумуляторная батарея);
4 - потребители электроэнергии;
5 - привод;
6 - ФКЭВ (Формирователь кинетической энергии вращения, например, ось колесной пары подвижного вагона или ветряное устройство).
В соответствии с данной структурной схемой (фиг. 1) генератор 1 работает от энергии квантов Солнца (солнечная батарея) или через привод 5 от формирователя кинетической энергии вращения 6 (генератор преобразующий механическую энергию в электрическую). Аппаратура преобразования напряжения и формирования зарядного тока АПНиФЗТ 2 обеспечивает преобразование напряжения генератора 1 и аккумуляторной батареи АБ 3 в требуемые постоянные и переменные напряжения для потребителей электроэнергии 4, а также формирует зарядные токи для аккумуляторной батареи 3.
При создании современных автономных систем электроснабжения сегодня, среди прочих, ставится задача по увеличению их надежности, срока активного существования и повышению энергетических показателей. Особое место занимает железнодорожный транспорт, у которого к подвагонным генераторам требование по сроку активного существования превышает 30 лет, при этом для вагонов подвижного состава требуются значительные мощности системы питания, превышающие 35 кВА. Поэтому на железнодорожном транспорте из способов автономного электроснабжения, указанных на фиг. 1, наиболее рациональным является использование генератора 1 с приводом 5 от оси колесной пары подвижного вагона 6 и с размещением данного генератора 1 под вагоном в имеющемся объемном пространстве.
В общем виде генератор 1 представляет собой корпус, с установленными в его пазах на внутренней поверхности цилиндрической формы обмотки статора, а также установленным в корпусе на подшипниках ротором с некоторым воздушным зазором его поверхности относительно поверхности статора, при вращении которого, наводятся электромагнитные поля, которые индуцируют электродвижущую силу и напряжение, а при подключении нагрузки ток в обмотках статора.
Известные генераторы 1, используемые в качестве подвагонных генераторов подвижного состава с приводом от оси колесной пары (см. например, патенты, ЕР 0518456, РФ, №2094269, №2115577) не в полной мере отвечают вышеуказанным требованиям. Генератор по патенту ЕР 0518456 может служить в качестве датчика скорости осей подвижного состава, генераторы по патентам РФ, №2094269, №2115577 работают в асинхронном режиме и имеют ряд недостатков:
• высокая себестоимость, зависимость от активно-индуктивного характера нагрузки;
• ненадежность работы в экстремальных нагрузках;
• зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы от формирователя кинетической энергии вращения;
• высокая начальная скорость привода, при которой обеспечивается начало заряда аккумуляторных батарей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ автономной системы электроснабжения подвижного вагона на примере подвагонного устройства электроснабжения пассажирского вагона (патент РФ, №2334348) у которого в качестве генератора 1 используется подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 исполнения индукторного, двухпакетного, трехфазного, реверсивного (сайты: http://krona-group.com/produktsiya/elektrooborudovanie-dlya-passazhirskikh-vagonov-poezdov-dalnego_sledovaniya/podvagonnye-generatory; https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/), взятый авторами за прототип.
Подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 в прототипе является основным устройством, обеспечивающим требуемую мощность в системе электроснабжения, и имеет следующие паспортные характеристики:
В способе автономной системы электроснабжения подвижного вагона (прототипа) формируют кинетическую энергию вращения от оси колесной пары подвижного вагона, передают данное вращение ротору генератора, установленного на подшипниках в стальном корпусе генератора, содержащего уложенный пакет листков статора, в пазы которого укладывают трехфазные многополюсные обмотки, устанавливают обмотку возбуждения между статорами, выводные провода статорных обмоток и обмотки возбуждения выводят в клеммную коробку, формируемые трехфазные напряжения генератора преобразуют в требуемый зарядный ток и подают его в аккумуляторную батарею для ее заряда, а формируемые трехфазные напряжения генератора и постоянное напряжение аккумулятора преобразуют в заданные постоянные и переменные напряжения и подают их потребителям электроэнергии.
Генератор 2ГВ.13 У1 приводится в движение от оси колесной пары подвижного вагона и включается в работу (начало заряда аккумуляторной батареи) на начальной скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч.
В данном способе автономной системы электроснабжения подвижного вагона реализуется укрупненная структурная схема системы автономного электроснабжения, представленная на фиг. 1, и рассмотренная выше.
Недостатком прототипа является невысокие показатели по удельной мощности и эффективности работы, обусловленные тем, что требуется высокая начальная скорость движения вагона, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи (начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч), а также невысокий коэффициент полезного действия, определяемый, преимущественно, подвагонным генератором.
В данном способе автономной системы электроснабжения подвижной вагон имеет ограниченное подвагонное объемное пространство, в котором размещается генератор большой массы и мощности, т.е. с удельной мощностью (отношением вырабатываемой генератором электрической мощности к его массе) в соответствии с приведенными характеристиками (1) приблизительно 49 Вт/кг, что является достаточно низким показателем.
Целью предлагаемого изобретения является повышение удельной мощности автономной системы электроснабжения и ее энергетической эффективности при достижении высокой надежности и срока активного существования.
Раскрытие изобретения
Предлагаемый способ автономной системы электроснабжения подвижного вагона заключается в формировании кинетической энергии вращения от оси колесной пары подвижного вагона, которую передают ротору генератора, установленного на подшипниках в корпусе генератора, содержащего статор, в пазы которого укладывают трехфазные многополюсные обмотки, выводные провода которых выводят в клеммную коробку. В аппаратуре преобразования напряжения и формирования зарядного тока от входного трехфазного напряжения формируют зарядный ток аккумуляторной батареи и заданные постоянные и переменные напряжения, которые подают потребителям электроэнергии. Кроме того, при недостаточной мощности генератора потребителям электроэнергии заданные постоянные и переменные напряжения подают от аккумуляторной батареи после формирования их в аппаратуре преобразования напряжения и формирования зарядного тока.
Сущность изобретения заключается в том, что на роторе генератора устанавливают четное количество постоянных магнитов, встречно намагниченных в каждой рядом находящейся паре, формирующих полюса ротора между данными парами. На выходе генератора преобразуют генерируемые трехфазные напряжения до заданного уровня и подают их в аппаратуру преобразования напряжения и формирования зарядного тока. Благодаря такому техническому решению, не требуется наличие обмотки возбуждения, для питания которой требуется электроэнергия. Всегда присутствующее значение магнитного потока в рабочем зазоре между полюсами ротора и статором обеспечивается высокоэнергетическими постоянными магнитами.
Таким образом, получают высокую удельную мощность автономной системы электроснабжения и повышенный коэффициент полезного действия генератора - КПД - (отношение электрической мощности, отдаваемой генератором, к механической мощности, прикладываемой к ротору) за счет отсутствия расхода электроэнергии на возбуждение. К тому же при этом уменьшаются тепловые потери. Кроме того, начало заряда аккумуляторной батареи возможно при существенно более низкой скорости вращения колесной пары, по сравнению с прототипом, так как постоянные магниты обеспечивают высокую индукцию независимо от скорости вращения ротора. Как следствие, увеличивается срок активного существования системы электроснабжения за счет использования простой надежной электрической схемы подвагонного генератора.
Графические иллюстрации Фиг. 1 - Укрупненная структурная схема системы автономного электроснабжения. Фиг. 2 - Пример структурной схемы заявляемого способа автономной системы электроснабжения подвижного вагона. Позиции фиг. 2:
1 - генератор;
2 - АПНиФЗТ (Аппаратура преобразования напряжения и формирования зарядного тока);
3 - АБ (Аккумуляторная батарея);
4 - потребители электроэнергии;
5 - привод;
6 - ФКЭВ (Формирователь кинетической энергии вращения);
7 - статор;
8 - ротор;
9 - обмотка статора;
10 - постоянный магнит;
11 - полюс ротора.
Генератор 1 представлен в поперечном перпендикулярном его разрезе в виде одной половины в форме круга, которая симметрична не показанной другой.
Описание способа автономной системы электроснабжения подвижного вагона
В исходном состоянии, когда вагон стоит без движения, на выходе ФКЭВ 6 отсутствует кинетическая энергия вращения от оси колесной пары подвижного вагона, обеспечивающая через привод 5 вращение ротора 8. На выходе генератора 1 сигнал отсутствует, и в данном состоянии автономная система электроснабжения подвижного вагона не вырабатывает электроэнергию для потребителей электроэнергии 4. Для выработки электроэнергии автономной системой электроснабжения обеспечивают движение вагона, и за счет вращения оси его колесной пары через привод 5 приводится во вращение ротор 8, полюса которого индуцируют электродвижущую силу в трехфазных многополюсных обмотках статора 7, провода которых выводят в клеммную коробку на выход генератора 1.
В качестве привода 5 можно использовать, например, текстропно - карданный привод от торца шейки оси колесной пары (см. сайт: https://studfiles.net/preview/2673603/page:2/). Данный привод используется в новых вагонах постройки Тверского вагоностроительного завода. Этот привод не имеет редуктора, что увеличивает КПД и значительно упрощает уход за приводом, в результате чего повышается надежность и длительность эксплуатации всего устройства. Ведущий шкив монтируется на торце шейки оси колесной пары и передает вращательный момент через ведомый шкив соединенный непосредственно с карданным валом на вал ротора 8 генератора 1.
Формируемое на выходе генератора 1 выходное переменное трехфазное напряжение через регулятор напряжения 10 поступает в аппаратуру преобразования напряжения и формирования зарядного тока АПНиФЗТ 2, которая формирует требуемый постоянный зарядный ток для аккумуляторной батареи АБ 3, а также заданные постоянные и переменные напряжения, которые подают потребителям электроэнергии 4.
Как было отмечено выше, в предлагаемом способе требуемая начальная скорость движения вагона, обеспечивающая начало заряда аккумуляторной батареи, существенно ниже, чем у прототипа, у которого начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч. Данное достоинство получается благодаря тому, что в отличие от прототипа в предлагаемом изобретении отсутствует обмотка возбуждения, для питания которой требуемая электроэнергия. Всегда присутствующее значение магнитного потока в рабочем зазоре между полюсами ротора 11 и статором 7 в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет использования на роторе 8 высокоэнергетических постоянных магнитов 10. В качестве высокоэнергетических постоянных магнитов 10 используют, например, выпускаемые сегодня магниты на основе редкоземельных материалов типа NdFeB (см. ТУ 6391-004-59990452-2009. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты), которые обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией по намагниченности, и слабо чувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи.
Ротор 8 выполняют в виде набранного из немагнитного материала дисков сердечника, по периметру дисков в прямоугольные окна располагают четное количество тангенциально намагниченных постоянных магнитов 10, образующих Р пар рядом находящихся постоянных магнитов 10, встречно намагниченных в каждой паре, между парами формируются Р полюсов ротора 11.
Известно (см. Сергеев П.С.и др. Проектирование электрических машин. 1969 г. стр. 10-12), что главными размерами генератора 1 называют внутренний диаметр D статора 7 и его расчетную длину  которые зависят от мощности  генератора 1, его частоты вращения n об/мин и его электромагнитных нагрузок.
Расчетную мощность генератора 1 определяют:
где
I - ток фазы в обмотках статора 7, увеличение которого сопровождается увеличением диаметра
провода в обмотках статора 7 и, соответственно, увеличением размеров статора 7;
Е - электродвижущая сила статора 7, которая прямо пропорциональна числу витков ω в обмотках статора 7, увеличение которых приводит к увеличению размеров статора, и магнитному потоку Ф, определяемому по действительной кривой поля.
Формирование оптимального магнитного потока Ф обеспечивают выбором количества полюсов ротора 11, формируемых постоянными магнитами 10 соответствующего типа, а также под держанием требуемого зазора между статором 7 и ротором 8.
А
Коэффициентом использования К генератора 1:
определяют удельную мощность генератора 1.
Теоретически обоснованные характеристики генератора 1 в предлагаемом изобретении, существенно превосходящие характеристики генератора в прототипе, были подтверждены практической реализацией генератора 1 в виде макетного образца в АО «НИИЭМ» (является Заявителем изобретения), которые приведены в таблице 1:
В отличие от прототипа, в котором на выходе генератора можно обеспечивать стабилизацию выходного напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения, в генераторе 1 примера структурной схемы предлагаемого изобретения такая возможность отсутствует, поскольку магнитный поток Ф создается магнитами и практически не меняется. Поэтому формируемое трехфазное напряжение с выхода генератора 1 подают на вход регулятора напряжения 12, который обеспечивает стабилизацию напряжения в заданных пределах.
При построении регулятора напряжения 12, например, можно использовать на выходе в каждой фазе параллельный резонансный контур, содержащий емкость и дроссель насыщения, или полупроводниковый преобразователь, в каждой фазе которого есть два встречно-параллельно включенных тиристора и т.д. (см. сайт: https://studbooks.net/83035/tehnika/sinhronnye_generatory_postoyannymi_magnitami).
Трехфазное напряжение с выхода регулятора напряжения 10 подают на вход аппаратуры преобразования напряжения и формирования зарядного тока АПНиФЗТ 2, в котором формируют номинальный зарядный ток для аккумуляторной батареи АБ 3, оптимальная величина которого практически для всех типов аккумуляторных батарей находится в пределах от 0,1 до 0,3 ее номинальной емкости (см. патент, РФ, №2510105), а также формируют требуемые постоянные и переменные напряжения потребителям электроэнергии 4.
При недостаточной мощности генератора 1 для потребителей электроэнергии 4 заданные для них постоянные и переменные напряжения формируют в АПНиФЗТ 2 от постоянного напряжения АБ 3. Описание АПНиФЗТ 2 приведено в прототипе.
На железнодорожном транспорте в качестве аккумуляторной батареи АБ 3 сегодня используют промышленные кислотные и щелочные аккумуляторные батареи емкостью до 350 А⋅ч, которые расположены в подвагонных ящиках (см. сайт: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/).
В качестве электролита у кислотной аккумуляторной батареи используют раствор серной кислоты, при этом, основным ее недостатком является осыпание пластин при глубоких разрядах.
В качестве электролита у щелочной аккумуляторной батареи используется раствор 20% едкого калия, реже - едкого натрия. Для увеличения срока службы в электролит добавляется едкий литий, который служит также и для уменьшения процесса газообразования. Щелочная АБ менее подвержена глубоким разрядам по сравнению с кислотной, но ее недостатком является то, что на низких температурах ее эксплуатация недопустима из-за "замерзания" электролита и снижения остаточной емкости, и, в связи с этим, в процессе эксплуатации требуется подогрев аккумуляторной батареи, например, электронагревателями (см. патент, РФ, №2676596).
Таким образом, использование предлагаемого способа автономной системы электроснабжения подвижного вагона позволяет получить:
• высокую удельную мощность автономной системы электроснабжения подвижного вагона;
• низкую начальную скорость движения вагона, при которой обеспечивается начало заряда аккумуляторной батареи в автономной системе электроснабжения подвижного вагона;
• высокий КПД автономной системы электроснабжения подвижного вагона;
• высокую надежность и срок активного существования автономной системы электроснабжения подвижного вагона более 30 лет.