Устройство электропитания приборов мониторинга и учета 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 и учета электрической энергии, работающих в тяговой сети железных дорог постоянного тока напряжением 3,3 кВ.
Известно устройство электропитания с высоким напряжением гальванической развязки [1], состоящее из импульсного трансформатора с диэлектрическим изолирующим зазором между секциями магнитопровода, с первичной и вторичной обмотками, первичная обмотка которого подключена к схеме генерации прямоугольных импульсов, а вторичная - к выпрямителю, заливаемых компаундом или эпоксидной смолой, отличающееся тем, что первичная обмотка выполнена на одной секции, а вторичная обмотка - на второй секции магнитопровода трансформатора, разделенных диэлектрическим материалом, что позволяет достичь высокого напряжения гальванической развязки между входом и выходом устройства.
Достоинством предложенного решения, применительно к тяговым сетям, является отсутствие влияния скачков напряжения тяговой сети, на работоспособность устройства. Это достигается тем, что наличие гальванической развязки с высоким напряжением изоляции позволяет использовать для питания устройства внешнюю сеть низкого напряжения, в которой отсутствуют скачки. В частности, при использовании решения в составе измерительного оборудования тяговых подстанций железных дорог постоянного тока, в качестве внешней сети может быть успешно использована сеть собственных нужд тяговой подстанции.
Недостатком предложенного технического решения является низкий коэффициент полезного действия и высокое выходное сопротивление устройства, обусловленные наличием немагнитного изолирующего барьера, приводящего к росту паразитной индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и ухудшению его электрических характеристик. Кроме того, для работы устройства необходима внешняя электрическая сеть, что делает невозможным применение устройства в случае ее отсутствия, либо нарушает работу устройства при выходе ее из строя.
Известен счетчик электрической энергии для тяговых подстанций и подвижного состава железнодорожного транспорта с питанием от сети постоянного тока [2] и счетчик электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта [3], в которых для питания измерительной части используются высшие гармонические составляющие (пульсации), присутствующие в спектре напряжения тяговой сети благодаря применению на тяговых подстанциях многофазных выпрямителей без емкостных фильтров на выходе. В решении [2] напряжение пульсаций выделяется при помощи емкостного делителя, а в решении [3] для этого используется трансформатор, первичная обмотка которого через конденсатор подключена к тяговой сети. Полученное таким образом напряжение выпрямляется, стабилизируется и подается в цепи питания измерительного оборудования.
Достоинством такого подхода является независимость работы измерительного оборудования от наличия и состояния внешних питающих сетей, поскольку питание осуществляется от измеряемого напряжения.
Недостатком этого подхода является сильная зависимость от амплитуды и спектрального состава пульсаций тягового напряжения. В частности, при перемещении локомотива, оборудованного рассматриваемым счетчиком, из зоны работы шестипульсового выпрямителя в зону работы двенадцатипульсового выпрямителя, частота пульсаций в контактной сети увеличится вдвое, а их амплитуда уменьшится, что может нарушить работу системы питания счетчика. При применении рекуперативного торможения локомотивами, амплитуда и спектр пульсаций тягового напряжения могут принять вид, при котором питание измерительного оборудования рассматриваемым способом станет невозможным.
Наиболее близким к предлагаемому решению является блок питания с гальванической развязкой, реализованный в составе счетчика электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта [4], 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 (прототип).
Достоинствами устройства, принятого за прототип, являются независимость работы измерительного оборудования от наличия и состояния внешних питающих сетей, поскольку питание осуществляется от измеряемого тягового напряжения, а так же независимость от спектрального состава и амплитуды пульсаций тягового напряжения, ввиду того, что для питания используется постоянная составляющая тягового напряжения, а не его пульсации.
К недостаткам устройства, принятого за прототип, можно отнести низкий коэффициент полезного действия 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.
Целью полезной модели является увеличение коэффициента полезного действия устройства путем снижения мощности тепловых потерь на его элементах.
Указанная цель достигается тем, что разработано устройство электропитания приборов мониторинга и учета электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока, 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, отличающееся тем, что импульсный блок питания с гальванической развязкой реализован в виде n одинаковых гальванически развязанных стабилизированных импульсных преобразователей постоянного напряжения в постоянное, соединенных последовательно по входам и выходам.
Достоинствами предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом является больший коэффициент полезного действия и меньшая мощность тепловых потерь на элементах устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
Устройство смонтировано в диэлектрическом корпусе (условно не показан), имеющим четыре клеммы для внешних подключений. Клеммы «Вход 1» (1) и «Вход 2» (2) являются входными клеммами устройства. Клемма «Вход 1» (1) подключена к левому выводу резистора R1 (4), являющемуся первым плечом высоковольтного делителя напряжения ВД (3), а клемма «Вход 2» (2) подключена к правому выводу резистора R2 (5), являющимся вторым плечом ВД (3). Точка соединения R1 (4) и R2 (5) вместе с левым выводом (4) образуют выход ВД (3), к которому подключены входы выпрямителя мостового типа ВМ (6). К выходу ВМ (6) подключен импульсный блок питания с гальванической развязкой ИБП (7) состоящий из n одинаковых гальванически развязанных стабилизированных импульсных преобразователей постоянного напряжения в постоянное П1 (8), П2 (9) … ПN (10) Положительный и отрицательный входы преобразователей П1 (8), П2 (9) … ПN (10) обозначены как In+ и In-, а их положительные и отрицательные выходы обозначены как Out+ и Out-. В составе ИБП (7) все преобразователи П1 (8), П2 (9) … ПN (10) соединены последовательно по входам и выходам, причем крайние входы цепочки преобразователей являются входами ИБП (7), а крайние выходы цепочки преобразователей являются выходами ИБП (7), подключенными к клеммам «Выход+» (11) и «Выход-» (12), являющимся выходными клеммами устройства.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение тяговой сети, поступающее на входные клеммы «Вход 1» (1) и «Вход 2» (2), понижается высоковольтным делителем ВД (3), проходит через выпрямитель мостового типа ВМ (6) и поступает на вход импульсного блока питания ИБП (7). Использование ВМ (6) необходимо для обеспечения работоспособности устройства при подключении его входных клемм к тяговой сети без соблюдения полярности. ИБП (7) преобразует поступающее на его вход высоковольтное постоянное напряжение в низковольтное выходное постоянное напряжение устройства, обеспечивая необходимую гальваническую развязку между входом и выходом.
Существующая распространенная элементная база позволяет создавать импульсные преобразователи напряжения с максимальным входным напряжением порядка нескольких сотен вольт, в то время как номинальное напряжение в тяговой сети железных дорог постоянного тока составляет 3,3 кВ. Использование в прототипе [4] импульсного блока питания с входным напряжением порядка несколько сотен вольт потребовало применения высоковольтного делителя, в котором основная часть напряжения гасится его вторым плечом, что вызывает его повышенный нагрев и существенно снижает КПД схемы питания. В представленном решении, максимальное входное напряжение ИБП (7) является суммой максимальных входных напряжений каждого из преобразователей П1 (8), П2 (9) … ПN (10), и, в зависимости от количества преобразователей, может быть любым в диапазоне от нескольких сотен вольт, при использовании одного преобразователя, до 3,3 кВ при использовании их максимального количества. Повышение входного напряжения ИБП (7) позволяет снизить его входной ток для передачи заданной мощности. Это, с одной стороны, приводит к снижению тока второго плеча R2 (5) входного делителя ВД (3). С другой стороны, увеличение входного напряжения ИБП (7) приводит к уменьшению требуемого коэффициента деления ВД (3) и уменьшению сопротивления второго плеча R2 (5), что в совокупности с уменьшением тока через него приводит к значительному снижению мощности потерь второго плеча ВД (3) и повышению КПД всего устройства.
Представленное техническое решение позволило увеличить коэффициент полезного действия устройства путем снижения мощности тепловых потерь на отдельных его элементах. Устройство может быть использовано на электровозах и железнодорожных тяговых подстанциях постоянного тока напряжением 3,3 кВ в качестве источника питания приборов мониторинга и учета электрической энергии.
Библиографический список
1. Устройство электропитания с высоким напряжением гальванической развязки. Патент на полезную модель РФ №97881.
2. Счетчик электрической энергии для тяговых подстанций и подвижного состава железнодорожного транспорта с питанием от сети постоянного тока. Патент на полезную модель РФ №156167.
3. Счетчик электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта. Патент на изобретение РФ №2298195.
4. Счетчик электрической энергии постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта. Патент на полезную модель РФ №19327.