Источник бортового электропитания
ONBOARD POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовой электронике и может использоваться в системах постоянного или переменного тока в качестве источника бортового электропитания и заряда аккумуляторной батареи, например, в системах электропитания собственных нужд локомотивов.
Известно изобретение «Тракт вторичного электропитания с резервированием» по патенту РФ 2754919 с датой публикации 08.09.2021, относящееся к устройствам и трактам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания группы ответственных потребителей вторичными напряжениями заданной номенклатуры от основной и резервной сети объекта постоянного тока (175-320 В). Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных показателей тракта вторичного электропитания с резервированием, связанное с исключением необходимости удвоения числа каналов вторичных преобразователей напряжений с диодным суммированием для каждого децентрализованного потребителя, а также уменьшение потерь энергии и повышение стабильности, особенно для пониженных выходных напряжений шин электропитания отдельных потребителей. Достижение этого технического результата обеспечивается за счет формирования централизованного вторичного напряжения гарантированного электропитания с исключением резких провалов при кратковременном спаде напряжения и при переключении основной и резервной сети.
Тракт вторичного электропитания с резервированием содержит шину управления, вводы основной и резервной сетей, источник сервисного электропитания, первый и второй входы которого соединены с вводами основной и резервной сетей, выход соединен с шиной сервисного электропитания, а контрольный выход подключен к входу схемы контроля. В состав введены первый и второй датчики напряжения, зарядное устройство, емкостной накопитель, ключевое устройство (устройство на мощном транзисторе, типа IGBT), схема управления и N-канальный преобразователь напряжения, каждый канал которого содержит DC/DC преобразователь напряжения, вход которого соединен с шиной вторичного электропитания, а выходы, являющиеся выходами DC/DC преобразователей напряжения, соединены с децентрализованными шинами электропитания N отдельных потребителей.
Недостатками данного изобретения являются отсутствие выходного канала для заряда аккумуляторной батареи и узкий диапазон допустимого входного напряжения.
Из уровня техники известны варианты изобретения «Редундантная сеть постоянного напряжения» по патенту РФ 2725163 с датой публикации 30.06.2020 для применения в рельсовом транспортном средстве.
В данном патенте раскрыты сведения о разделении сети постоянного напряжения по меньшей мере на две части сети постоянного напряжения с возможностью осуществлять управление сложными системами потребителей и/или источников применительно к потоку мощности. Изобретением предусмотрено, что во всех частях сети может осуществляться любое управление или регулирование напряжения.
Кроме того, напряжение в сети накопления энергии настраивается так, что накопитель энергии заряжается или разряжается, в зависимости от потребности. При коротком замыкании в какой-либо части сети две другие части сети могут продолжать работать, т.е. сохраняется буферный режим батареи.
Разделение сети постоянного напряжения по меньшей мере на две части сети постоянного напряжения позволяет не повреждать компоненты в другой части сети или других частях сети. Помимо этого, с помощью регулятора мощности можно в каждой части сети автономно регулировать или управлять напряжением, независимо от напряжения остальных частей сети. Это обеспечивает возможность зарядки или, соответственно, разрядки непосредственно соединенной батареи.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первый силовой преобразователь и второй силовой преобразователь имеют по преобразователю постоянного напряжения, и напряжение накопителя энергии представляет собой постоянное напряжение. Преобразователи постоянного напряжения часто называются также DC/DC-преобразователями. Согласно изобретению этот преобразователь может допускать двунаправленный поток энергии.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения сеть постоянного напряжения имеет по меньшей мере один соединительный преобразователь, причем первая часть сети постоянного напряжения и вторая часть сети постоянного напряжения соединены друг с другом посредством этого соединительного преобразователя. С помощью соединительного преобразователя может достигаться энергообмен непосредственно между двумя частями сети постоянного напряжения. Можно избежать обходного пути через сеть накопления энергии. При этом энергия на пути от первой части сети постоянного напряжения ко второй части сети постоянного напряжения должна проходить только через один преобразователь.
В одном из вариантов осуществления соединительный преобразователь представляет собой преобразователь постоянного напряжения. Путем прямого соединения частей сети постоянного напряжения можно избежать последствий для сети накопления энергии. Благодаря этому можно наблюдать меньше колебаний напряжения в сети накопления энергии.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения соединительный преобразователь имеет третий силовой преобразователь, четвертый силовой преобразователь и другую сеть накопления энергии, при этом первая часть сети постоянного напряжения и другая сеть накопления энергии соединены друг с другом посредством третьего силового преобразователя, при этом вторая часть сети постоянного напряжения и другая сеть накопления энергии соединены друг с другом посредством четвертого силового преобразователя, при этом другая сеть накопления энергии соединена с другим накопителем энергии таким образом, что другая сеть накопления энергии имеет напряжение другого накопителя энергии. Благодаря разделению накопителей энергии в сети постоянного напряжения на две сети накопления энергии возможна зарядка и разрядка различных батарей, имеющих различные состояния зарядки. При этом накопители энергии различных сетей накопления энергии могут заряжаться и разряжаться независимо друг от друга.
Недостатком перечисленных вариантов осуществления изобретения является функциональная ограниченность ввиду отсутствия возможности увеличения количества выходных каналов и подключения нагрузки непосредственно к аккумуляторной батарее.
Известно изобретение «Система адаптивного управления элементами (оборудованием, устройствами) системы электропитания электрической нагрузки, подключенной к двум и более источникам электрической энергии» по патенту РФ 2656357 с датой публикации 05.06.2018. Изобретение относится к источникам электрической энергии, электрическим нагрузкам, аккумуляторам электрической энергии, накопителям электрической энергии, преобразователям электрической энергии, а также связанным с ними системам управления, и может быть использовано в системах аварийного и резервного электропитания потребителей постоянного тока для повышения эффективности их использования. Система электропитания потребителей постоянного тока запитана от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, содержит выводы для подключения к ним нагрузки, а также для подключения входящих в систему электропитания аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, по меньшей мере одного датчика величины постоянного тока. В системе электропитания регулирование баланса мощности обеспечивается посредством регулирования уровня напряжения на регулируемом DC/DC преобразователе.
Недостатком данного изобретения является функциональное предназначение для питания слаботочных цепей, слабомощных потребителей, таким образом оно не может быть применено в качестве источника бортового электропитания локомотива.
Наиболее близким к заявленному изобретению является изобретение «Источник бесперебойного электропитания» по патенту РФ 2533197 с датой публикации 20.11.2014. Изобретение относится к электротехнике, а именно к установкам гарантированного электропитания постоянного тока, включающим в себя AC/DC и DC/DC преобразователи, предназначенным для бесперебойного электропитания потребителей и специальных объектов в случае отказа любых собственных узлов.
Источник бесперебойного электропитания содержит два входных AC/DC преобразователя напряжения, выход одного из которых подключается к нагрузке, а выход второго - к аккумуляторной батарее; выходной DC/DC преобразователь напряжения, включенный после входных преобразователей; систему управления преобразователями и аккумуляторную батарею.
В прототипе раскрыты сведения о режимах работы источника бесперебойного электропитания при отказах в работе одного из входных преобразователей или сразу двух входных преобразователей (стр.5 описания, строки 1-8), по которым можно судить о связях между элементами. При выходе из строя первого AC/DC преобразователя, нагрузка поступает от второго AC/DC преобразователя через выходной DC/DC преобразователь, при этом второй AC/DC преобразователь одновременно заряжает аккумуляторную батарею (2 режим, стр. 5 описания). При выходе из строя второго AC/DC преобразователя, первый AC/DC преобразователь обеспечивает напряжение на нагрузке и через выходной DC/DC преобразователь заряжает аккумуляторную батарею (режим 3, стр. 5 описания). При отказе сразу двух AC/DC преобразователей в источнике бесперебойного электропитания, выходной DC/DC преобразователь питает нагрузку от аккумуляторной батареи (режим 4, стр. 5 описания).
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности подключения нагрузки непосредственно к аккумуляторной батарее, что исключает возможность образования дополнительного выходного канала для электропитания ответственных потребителей, а также снижение эффективности преобразователя из-за его работы в нерезонансном режиме.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей источника бортового электропитания с обеспечением повышения удельной мощности и универсальности по допустимому входному напряжению питания.
Техническими результатами являются возможность наращивания выходной мощности любого из выходных каналов источника бортового питания и возможность создания дополнительных выходных каналов для электропитания дополнительных потребителей при сохранении функции бесперебойной работы и резервирования. Дополнительно обеспечивается защита потребителей от короткого замыкания или перегрузки за счет реализации режима ограничения выходного тока и выходного напряжения.
Технические результаты обеспечиваются за счет использования источника бортового электропитания, содержащего по меньшей мере два промежуточных преобразователя напряжения, которые выполнены с возможностью подключения к потребителям, а один из них - к аккумуляторной батарее, к которой подключен двунаправленный преобразователь напряжения. Источник бортового электропитания выполнен с возможностью питания от сети высоковольтного напряжения постоянного тока и дополнительно содержит входной DC/DC преобразователь и/или с возможностью питания от трехфазной сети переменного тока и дополнительно содержит входной трехфазный выпрямитель. При этом входной DC/DC преобразователь и/или входной трехфазный выпрямитель соединен/соединены с промежуточной шиной постоянного тока. Между преобразователем, заряжающим батарею и одним из преобразователей, формирующих напряжение для потребителей подключен двунаправленный преобразователь напряжения, выполненный с возможностью формирования из напряжения батареи выходное напряжение для потребителей. Промежуточный преобразователь, выполненный с возможностью подключения к аккумуляторной батарее, совместно с двунаправленным преобразователем напряжения, выполнены с возможностью получения информации от датчика тока, размещенного в цепи заряда аккумуляторной батареи.
Двунаправленный преобразователь напряжения может быть выполнен с возможностью получения информации от датчика тока в цепи заряда аккумуляторной батареи для обеспечения бесперебойности работы заявляемого источника.
По меньшей мере один из промежуточных преобразователей напряжения может быть выполнен с гальванически развязанным выходом, или с возможностью ограничения выходного тока и/или выходного напряжения при использовании внутренних уставок.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема заявленного источника бортового электропитания с питанием от высоковольтного напряжения от контактной сети локомотива.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема заявленного источника бортового электропитания с питанием от трехфазной сети переменного тока.
На фигуре 3 представлена принципиальная схема заявленного источника бортового электропитания с питанием от высоковольтного напряжения от контактной сети или от трехфазной сети переменного тока.
Источник бортового электропитания содержит по меньшей мере два промежуточных преобразователя напряжения 1, которые выполнены с возможностью подключения к потребителям 2, а один из них - к аккумуляторной батарее 3, к которой подключен двунаправленный преобразователь напряжения 4. Источник бортового электропитания выполнен с возможностью питания от сети высоковольтного напряжения постоянного тока и дополнительно содержит входной DC/DC преобразователь 5 и/или с возможностью питания от трехфазной сети переменного тока и дополнительно содержит входной трехфазный выпрямитель 6. При этом входной DC/DC преобразователь 5 и/или входной трехфазный выпрямитель 6 соединен/соединены с промежуточной шиной постоянного тока. Между преобразователем 1, заряжающим батарею 3 и одним из преобразователей 1, формирующих напряжение для потребителей 2 подключен двунаправленный преобразователь напряжения 4, выполненный с возможностью формирования из напряжения батареи 3 выходное напряжение для потребителей 2. Промежуточный преобразователь 1, выполненный с возможностью подключения к аккумуляторной батарее 3, совместно с двунаправленным преобразователем напряжения 4, выполнены с возможностью получения информации от датчика тока 7, размещенного в цепи заряда аккумуляторной батареи 3.
Двунаправленный преобразователь напряжения 4 может быть выполнен с возможностью получения информации от датчика тока 7 в цепи заряда аккумуляторной батареи 3.
По меньшей мере один промежуточный преобразователь напряжения 1 может быть выполнен с гальванически развязанным выходом, а также может быть выполнен с возможностью ограничения выходного тока и/или выходного напряжения при использовании внутренних уставок.
Заявляемый источник бортового электропитания работает следующим образом.
На входной DC/DC преобразователь 5 поступает высоковольтное напряжения постоянного тока, например от контактной сети локомотива, либо трехфазное напряжение переменного тока, например, номиналов 380 В, поступает на входной трехфазный выпрямитель 6. Таким образом, обеспечивается большая универсальность по входному напряжению питания заявляемого источника бортового электропитания в виду расширения возможностей подключения к разным типам питающих сетей.
DC/DC преобразователь 5 и/или трехфазный выпрямитель 6 формирует напряжение промежуточной шины постоянного тока, от которой запитаны по меньшей мере два промежуточных преобразователя напряжения 1. К выходам преобразователей 1 подключены потребители электропитания 2, например, бортовое оборудование локомотива. По меньшей мере один из промежуточных преобразователей напряжения 1 выполнен с возможностью получения информации от датчика тока 7, размещенного в цепи заряда аккумуляторной батареи 3, что позволяет осуществлять не только зарядку батареи 3 согласно заданным алгоритмам, но и возможность дополнительного подключения ответственных потребителей электропитания, так как питание непосредственно от батареи 3 является бесперебойным (непропадающим). Возможность подключения дополнительной нагрузки к цепи заряда аккумуляторной батареи 3 позволяет распределить выходную мощность для ответственных потребителей на два канала, что позволяет увеличить удельную мощность источника бортового электропитания. Промежуточный преобразователь 1 имеет возможность ограничивать выходной ток и/или выходное напряжение, используя внутренние уставки, что дополнительно обеспечивает защиту источника бортового питания и потребителей электропитания 2 от короткого замыкания и перегрузки.
Между преобразователем 1, заряжающим батарею 3, и одним из преобразователей 1, формирующих напряжение для потребителей 2, размещен двунаправленный преобразователь напряжения 4, который при пропадании питания с входного преобразователя 5 и/или с выпрямителя 6 формирует из напряжения батареи 3 выходное напряжение для потребителей 2, обеспечивая тем самым его бесперебойность.
В случае отказа промежуточного преобразователя 1, формирующего непропадающего питания из промежуточной шины, питание подает двунаправленный преобразователь 4 из батареи 3, при этом функция заряда батареи 3 сохраняется. Преобразователь 4 также выполнен с возможностью получения информации от датчика тока 7, что позволяет в случае отказа промежуточного преобразователя напряжения 1, заряжающего батарею 3, принять функцию заряда батареи 3 на себя, тем самым обеспечить бесперебойность работы заявляемого источника бортового питания. При этом возможность подключения дополнительных потребителей непосредственно к аккумуляторной батареи 3 сохраняется. Параллельно преобразователю 1 для наращивания выходной мощности могут быть подключены один или несколько преобразователей 1 в зависимости от требуемой выходной мощности. Наличие шины промежуточного напряжения постоянного тока позволяет также подключить преобразователь напряжения 1 для формирования дополнительного канала выдачи напряжения для разделения потребителей по назначению и параметрам, например, для формирования пропадающего напряжения или выходного напряжения другого номинала.
Таким образом, использование заявляемого источника бортового электропитания обеспечивает его универсальность по питанию и бесперебойность работы в случаях возникновения перебоев или недопустимых отклонениях напряжений в сети, а также на случай провала питающего напряжения в сети.