ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПОЕЗД С ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СЕТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ
RAILWAY TRAIN WITH AUXILIARY POWER SUPPLY CIRCUIT

Настоящее изобретение касается железнодорожного поезда, содержащего первую сеть питания, называемую тяговой, предназначенную для питания тяговых двигателей, и вторую сеть электрического питания, называемую вспомогательной, предназначенную для питания вспомогательного бортового электрического оборудования.
До настоящего времени, как известно, в поезде питание вспомогательного электрического оборудования, называемого нагрузками обеспечения комфорта, осуществлялось при помощи трехфазной сети питания с эффективным основным напряжением, равным между фазами, например, 400 В, называемой сетью обеспечения комфорта и предназначенной исключительно для этого типа оборудования.
К этим нагрузкам обеспечения комфорта относятся, в частности, бытовые приборы пассажиров, подключаемые к розеткам на 230 В, которыми оборудованы вагоны, нагревательные приборы для кухни вагона-ресторана или кондиционеры.
Классически обеспечивающая комфорт вспомогательная сеть питания получает питание через избыточный узел из двух вспомогательных преобразователей обеспечения комфорта, которые имеют идентичную конструкцию и каждый из которых обеспечивает питание половины сети. Каждый вспомогательный преобразователь соединен с выводом контактной сети через тяговую электрическую цепь.
В случае неисправности одного из двух преобразователей другой преобразователь берет на себя питание всей сети и обеспечивает, таким образом, достаточное питание для удовлетворения потребностей комфорта пассажиров.
Во время работы обеспечивающие комфорт вспомогательные преобразователи подают на все обеспечивающие комфорт приборы большую электрическую мощность, которая может достигать 1 МВт, поэтому необходимо их интенсивное охлаждение по причине возникающих больших тепловых потерь.
Оба вспомогательных преобразователя традиционно охлаждаются при помощи воздушной вентиляции, которая обеспечивается массивным и громоздким устройством.
В целом конструкция крепления и система охлаждения узла двух обеспечивающих комфорт вспомогательных преобразователей имеют большую массу.
Таким образом, необходимо решить техническую задачу существенного уменьшения общей массы вспомогательной сети питания и, в частности, массы вспомогательных преобразователей.
В этой связи объектом настоящего изобретения является железнодорожный поезд, содержащий:
множество тяговых электрических цепей, каждая из которых содержит тяговый преобразователь, питающий тяговый двигатель поезда, при этом каждая тяговая электрическая цепь имеет свой контур водяного охлаждения;
первую тяговую сеть электрического питания, предназначенную для питания тяговых электрических цепей; и
вторую вспомогательную сеть электрического питания, при этом вспомогательная сеть питания содержит:
по меньшей мере, одну вспомогательную магистраль проводников питания, содержащую, по меньшей мере, две секции магистрали, с каждой из которых соединен узел вспомогательных нагрузок,
по меньшей мере, два вспомогательных преобразователя питания, выполненные с возможностью соединения на входе для получения питания от источника высокого напряжения, при этом каждый из них соединен исключительно и соответственно с одной секцией вспомогательной магистрали, при этом каждый вспомогательный преобразователь содержит вместе с соответствующей тяговой электрической цепью, с которой он соединен на входе, общий контур охлаждения охлаждающей текучей средой, предназначенный для охлаждения тяговой электрической цепи.
Согласно частным вариантам выполнения, поезд содержит один или несколько следующих признаков:
- магистраль проводников питания содержит, по меньшей мере, три секции магистрали, с каждой из которых соединен узел вспомогательных нагрузок, и сеть содержит, по меньшей мере, два вспомогательных преобразователя, каждый из которых соединен исключительно и соответственно с одной секцией вспомогательной магистрали, и каждый вспомогательный преобразователь содержит вместе с тяговой электрической цепью общий контур охлаждения охлаждающей текучей средой, предназначенный для охлаждения тяговой электрической цепи;
- каждый вспомогательный преобразователь встроен в шкаф, в котором находится тяговая электрическая цепь, с которой он соединен;
- каждый вспомогательный преобразователь содержит электронику управления, интегрированную в электронику управления тяговой электрической цепью, с которой он соединен;
- поезд содержит соединительные выключатели, позволяющие попарно соединять секции, и внутренние выключатели активации/деактивации, позволяющие по выбору активировать или деактивировать каждый вспомогательный преобразователь;
- сумма значений электрической мощности, выдаваемой вспомогательными преобразователями, находится в пределах от 100 кВт до 1 МВт, при этом выходное напряжение каждого вспомогательного преобразователя находится в пределах от 350 В до 450 В, а входное напряжение каждого вспомогательного преобразователя находится в пределах от 600 В до 4000 В;
- магистраль проводников питания содержит, по меньшей мере, три секции, и число вспомогательных преобразователей равно, по меньшей мере, трем;
- поезд содержит поперечные соединительные выключатели замыкания цепи, позволяющие соединять секции для образования замкнутой цепи участков;
- узлы электрических нагрузок, соединенные соответственно с секциями, имеют по существу одинаковую электрическую мощность, и электрическая мощность каждого преобразователя по существу равна и не может быть меньше двойной суммы значений электрической мощности узлов нагрузок, поделенной на общее число участков;
- узлы электрических нагрузок, соединенные соответственно с секциями, имеют по существу одинаковую электрическую мощность, и электрическая мощность каждого преобразователя по существу равна и не может быть меньше 3,5-кратной суммы значений электрической мощности узлов нагрузок, поделенной на общее число секций;
- каждый узел вспомогательных нагрузок соединенный соответственно с одной секцией, содержит насос, предназначенный для обеспечения циркуляции воды в контуре охлаждения, предназначенном для охлаждения вспомогательного преобразователя, соединенного с секцией, а также вентилятор охлаждения контура водяного охлаждения;
- каждый узел нагрузок содержит первый тип обеспечивающих комфорт нагрузок, предназначенных для обеспечения комфорта пассажиров, и второй тип тяговых нагрузок, предназначенный для поддержания рабочей температуры силового оборудования, предназначенного для создания тягового усилия; при этом
- насос и вентилятор относятся ко второму типу нагрузки.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания варианта выполнения, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид архитектуры вспомогательной сети питания поезда в соответствии с настоящим изобретением.
фиг.2 - детальный вид части вспомогательной сети питания, показанной на фиг.1, содержащей вспомогательный преобразователь и секцию, соединенную с вспомогательным преобразователем, с которой соединен узел вспомогательных нагрузок.
Как показано на фиг.1, железнодорожный поезд 12, предназначенный для перевозки пассажиров, содержит ряд вагонов, пронумерованных от 1 до 10.
Поезд 12 содержит первую сеть 14 электрического питания, называемую тяговой, с высоким напряжением, превышающим 600 В, предназначенную для обеспечения питания бортовых тяговых электрических цепей 16, 18, 20, 22, 24, 26, и вспомогательную сеть 28 питания, предназначенную для обеспечения питания вспомогательных сервисных электрических нагрузок эффективным основным межфазовым напряжением менее 450 В.
Каждая тяговая электрическая цепь 16, 18, 20, 22, 24, 26 содержит ряд тяговых электрических преобразователей, предназначенных для преобразования формы электрической энергии, подаваемой на входе на тяговые двигатели поезда. Потребление электрической энергии всеми тяговыми электрическими цепями составляет основную часть электрической энергии, потребляемой поездом 12.
Первая тяговая сеть 14 высокого напряжения содержит три высоковольтных трансформатора 30, 32, 34 большой мощности, соединенные с выводом напряжения классической линии 38 типа контактной линии высокого напряжения через токоприемник 40.
Каждый трансформатор 30, 32, 34 содержит соответственно две выходные линии 42 и 44, 46 и 48, 50 и 52, при этом каждая выходная линия соответственно соединена с входом 54, 56, 58, 60, 62, 64 тяговой электрической цепи 16, 18, 20, 22, 24, 26, при этом для упрощения чертежа на фиг.1 показаны только соединения 42 и 44 с 54 и 56.
Тяговые электрические цепи 16, 18, 20, 22, 24 и 26 соответственно установлены в вагонах 2, 4, 8, 3, 6 и 9.
Вспомогательная сеть 28 питания содержит вспомогательные электрические нагрузки 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 94, 96, 98, 99 рассеяния электрической энергии, магистраль 100 электрических проводников для подачи и распределения электрической энергии на вспомогательные электрические нагрузки, и систему источников 102, 104, 106, 108, 110, 112 питания электрической энергией, которая в данном случае на выходе имеет вид трехфазного напряжения 400 В - 50 Гц.
Магистраль 100 электрических проводников проложена вдоль поезда 12. Она содержит первый кабель 114 и второй кабель 116, выполненные отдельно и не замкнутые, при этом каждый из них содержит три фазовых проводника, при этом на фиг.1 все три проводника показаны одной сплошной линией.
Каждый кабель 114, 116 проходит от одного вагона к смежному вагону через гибкие соединения 118, 120, образованные гибкими участками проводников, соединенными с концевыми выводами на каждом конце смежных вагонов.
В данном случае два соединения 118, 120 соединяют соответственно два кабеля 114, 116 двух смежных вагонов.
Таким образом, число соединений равно двум для каждого стыка между двумя смежными вагонами, при этом первое соединение 118 связано с первым кабелем 114, а второе соединение 120 связано со вторым кабелем 116, что в сумме дает 18 соединений.
Каждый кабель 114, 116 содержит соответственно три секции кабеля 122, 124, 126 и 128, 130, 132.
Первая 122, вторая 124 и третья 126 секции первого кабеля 114 проложены соответственно между вагонами 1-3, вагонами 3-7 и вагонами 7-10.
Первая секция 122 отделена от второй секции 124 соединительным выключателем 134, находящимся в разомкнутом состоянии в нормальном режиме работы вспомогательной сети 28 питания, при этом выключатель 134 подключен последовательно к первому кабелю 114 на уровне вагона 3. Вторая секция 124 отделена от третьей секции 126 выключателем 136, находящимся в разомкнутом состоянии в нормальном режиме и подключенным последовательно к первому кабелю 114 на уровне вагона 7.
Первая 128, вторая 130 и третья 132 секции второго кабеля 116 проложены соответственно между вагонами 1-4, вагонами 4-7 и вагонами 7-10.
Первая секция 128 отделена от второй секции 130 соединительным выключателем 138, находящимся в разомкнутом состоянии в нормальном режиме работы вспомогательной сети 28 питания и подключенным последовательно на втором кабеле 116 на уровне вагона 4. Вторая секция 130 отделена от третьей секции 132 выключателем 140, находящимся в разомкнутом состоянии в нормальном режиме и подключенным последовательно на втором кабеле 116 на уровне вагона 7.
Таким образом, магистраль 100 электрических проводников питания разбита на отдельные элементы и содержит шесть отдельных секций кабелей.
Кроме соединительных выключателей 134, 136, 138, 140, последовательно подключенных соответственно к одному из кабелей 114 и 116, соответственно на вагонах 2, 6, 8 установлены поперечные соединительные выключатели 142, 144, 146, находящиеся в разомкнутом состоянии в нормальном режиме, соответственно между секциями кабелей 122 и 128, 124 и 130, 126 и 132.
Узлы вспомогательных нагрузок 70, 72 находятся соответственно в вагонах 1 и 2 и соединены с первой секцией 122 первого кабеля 114, при этом вспомогательная нагрузка 72 соединена опосредованно через соединительный выключатель 150.
Узлы вспомогательных нагрузок 74, 76, 78, 80 находятся соответственно в вагонах 4, 4, 6, 7 и соединены со второй секцией 124 первого кабеля 114, при этом вспомогательная нагрузка 76 соединена опосредованно через соединительный выключатель 152.
Узлы вспомогательных нагрузок 82, 84 находятся соответственно в вагонах 8, 10 и соединены с третьей секцией 126 первого кабеля 114, при этом вспомогательная нагрузка 82 соединена опосредованно через соединительный выключатель 154.
Узлы вспомогательных нагрузок 86, 88, 90 находятся соответственно в вагонах 2, 3, 3 и соединены с первой секцией 128 второго кабеля 116, при этом вспомогательная нагрузка 90 соединена опосредованно через соединительный выключатель 156.
Узлы вспомогательных нагрузок 92, 94 находятся соответственно в вагонах 5, 6 и соединены со второй секцией 130 второго кабеля 116, при этом вспомогательная нагрузка 94 соединена опосредованно через соединительный выключатель 158.
Узлы вспомогательных нагрузок 96, 98, 99 находятся соответственно в вагонах 8, 9, 9 и соединены с третьей секцией 132 второго кабеля 116, при этом вспомогательная нагрузка 99 соединена опосредованно через соединительный выключатель 160.
Вспомогательные нагрузки подразделяются на два типа нагрузок.
Первый тип вспомогательных нагрузок содержит так называемые нагрузки обеспечения комфорта, в частности, бытовые приборы пассажиров (портативные компьютеры, приборы, оборудованные аккумуляторными батареями), подключаемые к розеткам вагонов, кухонные приборы (электрическая или микроволновая печь, холодильник), кондиционеры и радиаторы. Нагрузки 70, 74, 78, 80, 84, 86, 88, 92, 96, 98 относятся к первому типу нагрузок.
Второй тип вспомогательных нагрузок содержит так называемые тяговые нагрузки, предназначенные, в частности, для поддержания рабочей температуры силовых преобразователей тяговых цепей 16, 18, 20, 22, 24, 26. Этими нагрузками являются, например, насос охлаждающего водяного контура, вентиляторы воздушного охлаждения, масляные насосы для опорных подшипников двигателей. Нагрузки 72, 76, 82, 90, 94, 99 являются нагрузками второго типа.
Вспомогательные нагрузки, соединенные с системой секций, образуют общую сеть терминальных вспомогательных нагрузок вспомогательной сети 28 питания.
К каждой кабельной секции 122, 124, 126, 128, 130, 132 подключен источник питания 102, 104, 106, 108, 110, 112 в виде вспомогательного силового преобразователя - понижающего трансформатора через соответствующий соединительный выключатель 150, 152, 154, 156, 158, 160, переводимый в замкнутое состояние в нормальном режиме работы вспомогательной сети 28 питания, при этом соответствующая вспомогательная нагрузка 72, 76, 82, 90, 94, 99, соединенная с тяговой цепью 16, 18, 20, 22, 24, 26, подключена соответственно между выключателем 150, 152, 154, 156, 158, 160 и вспомогательным преобразователем 102, 104, 106, 108, 110, 112.
Каждый вспомогательный преобразователь 102, 104, 106, 108, 110, 112 соединен соответственно на входе 162, 164, 166, 168, 170, 172 с выходом соответствующей тяговой электрической цепи 16, 18, 20, 22, 24, 26.
Выходное напряжение каждого вспомогательного преобразователя находится в пределах от 380 до 450 В.
Общая электрическая мощность, выдаваемая вспомогательными преобразователями 102, 104, 106, 108, 110, 112 на все нагрузки, находится в пределах от 100 кВт до 1 МВт.
В данном случае мощность питания каждого вспомогательного преобразователя равна двойной сумме значений электрической мощности узлов нагрузок, соединенных с магистралью 100, поделенной на общее число секций, то есть в данном случае на шесть, поскольку узлы электрических нагрузок соединены с каждой секцией, таким образом, чтобы потребляемая на секцию электрическая мощность была по существу одинаковой.
Каждый вспомогательный преобразователь 102, 104, 106, 108, 110, 112 охлаждается соответственно контуром водяного охлаждения 180, 182, 184, 186, 188, 190, находящимся соответственно в вагонах 2, 4, 8, 3, 6, 9 и предназначенным также для охлаждения преобразователей соответствующей тяговой электрической цепи 16, 18, 20, 22, 24, 26.
Каждая тяговая электрическая цепь 16, 18, 20, 22, 24, 26 расположена в своем шкафу, не показанном на фигурах, в котором находится также соответствующий вспомогательный преобразователь 102, 104, 106, 108, 110, 112.
Аналогично, электроника управления вспомогательным преобразователем интегрирована в электронику управления соответствующей тяговой цепью.
Секционный блок, соответствующий секции, определяют как секцию вместе с узлом приборов, соединенных с секцией, включая и сами соединения.
На фиг.1 показан только один секционный блок 200, соответствующий секции 122. Секционный блок 200 содержит вспомогательный преобразователь 102, узлы нагрузок 70, 72, выключатель 150 соединения вспомогательного преобразователя 102 с магистралью 100, соединение 118.
На фиг.2 детально показан секционный блок 200, соответствующий секции 122, и его описание аналогично можно отнести к секционным блокам, не показанным на фиг.1 и соответствующим секциям 124, 126, 128, 130 и 132.
Вспомогательный преобразователь 102 содержит делитель-понижающий трансформатор 210, за которым следует трехфазный инвертор 212 напряжения.
Вспомогательный преобразователь 102 охлаждается контуром 180 водяного охлаждения, уже существующим в классической структуре тяговой электрической цепи.
Действительно, контур водяного охлаждения в основном предназначен для охлаждения преобразователей тяговой электрической цепи 16, то есть в основном делителя и тягового инвертора, поскольку тяговая электрическая цепь 16 находится вблизи вспомогательного преобразователя 102.
Вспомогательная тяговая нагрузка 72 содержит насос 214, предназначенный для циркуляции воды в контуре 180 водяного охлаждения, и вентилятор 216, предназначенный для воздушного охлаждения воды, циркулирующей в контуре 180.
Вспомогательная тяговая нагрузка 72 содержит также масляный насос 218.
Таким образом, поскольку эффективность системы водяного охлаждения превышает эффективность системы воздушного охлаждения, каждый водяной контур позволяет уменьшить площадь теплообмена в каждом вспомогательном преобразователе по сравнению с площадью теплообмена, необходимой при использовании воздушного радиатора и вентилятора. Масса и габариты вспомогательного преобразователя уменьшаются, и получают также экономию за счет вентилятора.
Таким образом, распределение вдоль поезда 12, по меньшей мере, трех вспомогательных преобразователей питания, каждый из которых имеет электрическую мощность, меньшую мощности, соответствующей вспомогательному преобразователю из узла с двумя преобразователями, обеспечивающего централизованное питание, облегчает использование и адаптацию локальных контуров водяного охлаждения, уже предусмотренных для тяговых электрических цепей в устройствах охлаждения вспомогательных преобразователей.
Действительно, дополнительное охлаждение, требуемое для вспомогательного преобразователя от контура водяного охлаждения, становится совместимым с незначительным увеличением размеров этого контура. Увеличение размеров может уложиться в пределы конструкции, предусмотренной во время первоначального проектирования контура без вспомогательного преобразователя обеспечения комфорта.
Кроме того, интегрирование вспомогательного преобразователя в тот же шкаф, где находится тяговая цепь, позволяет получить выигрыш в массе.
Аналогично, интегрирование электроники управления вспомогательным преобразователем с электронику управления соответствующей тяговой цепью тоже дает выигрыш в массе.
Соединительные выключатели 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146 в случае неисправности вспомогательного преобразователя обеспечивают питание в аварийном режиме соответствующей секции, соединенной с неисправным преобразователем, при помощи исправного вспомогательного преобразователя, соединенного с секцией, находящейся рядом с аварийной секцией.
Уравновешивание узлов нагрузок сети по секциям и способность преобразователя питать две находящиеся под нагрузкой секции позволяет одному преобразователю обеспечивать питание для двух смежных секций.
Интегрирование вспомогательных тяговых нагрузок вместе с нагрузками обеспечения комфорта позволяет интегрировать тяговые вспомогательные преобразователи, связанные с тяговой цепью, в один вспомогательный преобразователь и получить, таким образом, выигрыш в массе за счет фактора интеграции.
Следует отметить, что это интегрирование не отражается на увеличении размеров водяного контура, так как размеры водяного контура уже были предусмотрены для охлаждения тяговых вспомогательных преобразователей в первоначальной конструкции контура.
В варианте мощность питания каждого вспомогательного преобразователя по существу равна 3,5-кратной электрической мощность, необходимой для одной секции.
Таким образом, в случае неисправности вспомогательного преобразователя, например, вспомогательного преобразователя 104 два преобразователя 102, 106, соответствующие смежным секциям 122, 126, могут напополам питать в аварийном режиме секцию 124, связанную в нормальном режиме с неисправным преобразователем 104, продолжая при этом питать соответствующую секцию 122, 126, с которой они обычно связаны.
В варианте выходное напряжение каждого преобразователя находится в пределах от 110 В до 380 В.
В варианте электроника управления вспомогательным преобразователем вынесена в шкаф, в котором находится тяговая цепь.