УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности, к устройству электроснабжения пассажирского железнодорожного вагона локомотивной тяги и предназначена для обеспечения функционирования электрооборудования железнодорожного вагона от подвагонного генератора без перехода на аккумуляторное электропитание в диапазоне скоростей движения вагона локомотивной тяги от 15 до 160 км/ч.
Уровень техники
Известен комплект электрооборудования пассажирского вагона патент (патент РФ №2266829, МПК B60L 1/00, 27.12.2005), который обеспечивает питанием электрооборудование пассажирского вагона как во время движения поезда, так и во время стоянок. Устройство включает в себя трехфазный генератор переменного тока с приводом от колесных пар, аккумуляторную батарею, блок низковольтного питания, включающий неуправляемый трехфазный выпрямитель, блок внешнего питания 380 В, управляющие блоки. Во время движения поезда на скоростях выше 35 км/час генератор вырабатывает трехфазное переменное напряжение, которое поступает на неуправляемый выпрямитель, на выходе которого формируется постоянное напряжение 110 В, предназначенное для заряда аккумулятора. На длительных стоянках напряжение=110 В формируется от блока внешнего питания 380 В, включающего в себя трехфазный трансформатор на 50 Гц со вторичной обмотки которого напряжение подается на выпрямитель упомянутого блока низковольтного питания. Вагонные потребители постоянного и переменного тока питаются с выхода блока низковольтного питания.
Недостатком известного устройства электроснабжения является то, что во время стоянок и при скорости вагона ниже 35 км/час не работает часть вагонных потребителей, поскольку питание осуществляется только от аккумуляторной батареи, что создает дискомфортные условия пребывания пассажиров в железнодорожном вагоне. При этом возникает значительное сокращение ресурса работы аккумуляторной батареи в связи с частыми переключениями при смене источника электрической энергии в диапазоне скоростей движения вагона от 0 км/ч до 35 км/ч.
Известно устройство электроснабжения пассажирского вагона (патент РФ №2334348, МПК H02M 9/00, 20.09.2008), содержащее блок управления, силовой трехфазный генератор переменного тока с приводом от колесных пар, связанный с аккумуляторной батареей и со средством измерения текущей частоты переменного напряжения, поступающего с рабочей обмотки подвагонного генератора, а также средство подключения потребителей к системе электроснабжения. Устройство содержит низкочастотный силовой трехфазный трансформатор, соединенный со средством подключения (контактором) первичной обмотки к внешней сети переменного тока 380 В, 50 Гц, который имеет две вторичные обмотки (два выхода) на разное напряжение. Генератор соединен со средством подключения к одному из двух выпрямителей, а также с одной из выходных обмоток трансформатора. Первичная обмотка трансформатора соединена также с контактным разъемом для подключения формирователя дополнительных напряжений электропотребителей, обеспечивающего объединение первичных обмоток трансформатора для получения на выходе трехфазного переменного напряжения 380 В, 50 Гц с нулевой точкой. Напряжение между любой фазой и нулем позволит получить рабочее однофазное напряжение 220 В, 50 Гц. Кроме того, формирователь может содержать выпрямитель для получения нестандартного по величине напряжения постоянного тока, что обеспечивает возможность более широкого использования силового трансформатора, в частности, для получения всех необходимых рабочих напряжений при эксплуатации и ремонте пассажирского вагона.
Известное устройство не позволяет максимально использовать энергетические возможности генератора при движении вагона на низких скоростях в диапазоне от 0 км/ч до 35 км/ч.
Известно устройство электроснабжения локомотивной тяги (патент RU №193790, МПК B60L 1/12, 15.11.2019), которое обеспечивает питание вагонных потребителей от трехфазного генератора в расширенном диапазоне скоростей движения вагона. При этом генератор переменного напряжения с приводом от колесных пар содержит две последовательно соединенные трехфазные силовые обмотки, измеритель частоты вращения вала генератора и устройство автоматической коммутации силовых обмоток генератора, включающее контактные разъемы, управляющие обмотки которых через измеритель частоты вращения колесной пары соединены с выходными цепями электропитания пассажирского вагона. При этом обмотка возбуждения генератора соединена по электропитанию через устройство регулирования тока возбуждения с выходными цепями электропитания, а управляющий вход устройства соединен с управляющим выходом измерителя частоты.
Недостатками известного устройства являются возникновение перегрузок в работе генератора при скорости движения вагона меньше 35 км/ч, а также дискретное переключение режимов работы генератора в диапазоне скоростей от 15 км/ч до 35 км/ч и выше 35 км/ч, при котором необходимо выключить генератор, осуществить коммутацию и снова возбудить генератор. В результате происходит скачок в напряжении, который необходимо сглаживать с помощью аккумуляторной батареи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство электроснабжения пассажирских вагонов (патент РФ №197557, МПК B60L 1/12, 13.05.2020 (прототип)), содержащее подвагонный генератор трехфазный переменного тока, включающий ротор с приводом от колесной пары пассажирского вагона и статор с двумя силовыми трехфазными обмотками и одной обмоткой возбуждения. Устройство осуществляет повышение напряжения, выдаваемого трехфазным генератором в режиме пониженной скорости от 15 км/ч до 35 км/ч с помощью трехобмоточного трансформатора напряжения, к выводам первой первичной полной обмотки и к выводам первой первичной частичной обмотки которого подключены контакторы KM1 и KM2 соответственно, которые в свою очередь подключены к автоматическому выключателю QF1 и к блоку управления. Силовые обмотки статора трехфазного генератора подключены к контакторам КМ3 и КМ5, срабатывание которых осуществляется по сигналу от блока управления, при этом КМ3 подключен к выводам второй первичной обмотки трансформатора, а КМ4 - к выводам вторичной обмотки трансформатора. К выпрямителю напряжения, стабилизирующему выходное напряжение, подсоединены потребители, одним из которых является блок управления, к которому подключен драйвер управления возбуждением генератора, напрямую подключенный к обмотке возбуждения ротора генератора.
Недостатком известного устройства является сложная схема трансформатора, состоящего из трех обмоток и большого количества коммутационных изделий (пять контакторных разъединителей). При этом два контакторных разъединителя переключают обмотки трансформатора таким образом, что на выходе создаются только два напряжения. Таким образом, в известном устройстве отсутствует плавная регулировка тока заряда аккумуляторной батареи при осуществлении питания от внешнего источника ~ 380 В, 50 Гц.
Раскрытие сущности полезной модели
Задача предлагаемой полезной модели заключается в стабильности обеспечения электрической энергией электрооборудования и систем пассажирского вагона от подвагонного генератора переменного тока на скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч.
Технический результат направлен на обеспечение электроснабжения всех потребителей пассажирского железнодорожного вагона локомотивной тяги при пониженных в диапазоне от 15 до 35 км/ч скоростях движения вагона, путем стабилизации выходного напряжения, поступающего на вагонные потребители электроэнергии, и возможности заряда аккумуляторной батареи от внешнего источника 380 В, 50 Гц, с плавным регулированием тока заряда.
При работе подвагонного генератора с приводом от колесной пары во всем диапазоне скоростей от 0 до 160 км/ч наблюдается ярко выраженный интервал скоростей от 15 км/ч до 35 км/ч в котором напряжение генератора существенно, но недостаточно для заряда аккумуляторной батареи и работы электрооборудования вагона, и диапазон от 0 до 15 км/ч, в котором использование генератора технически невозможно. Диапазон от 15 км/ч до 35 км/ч обусловлен низкой частотой вращения ротора генератора и его максимальным током возбуждения, а также величиной сопротивления нагрузки.
Предлагаемое устройство обеспечивает использование напряжения генератора в диапазоне скоростей 15 км/ч до 35 км/ч благодаря использованию трансформатора, который осуществляет гальваническую развязку от подвагонного генератора, управляемого тиристорного выпрямителя (либо неуправляемого), который обеспечивает плавную регулировку выходного напряжения и последовательно включенного неуправляемого выпрямителя (выпрямляющего напряжение генератора), напряжения которых суммируются и итоговое напряжение поступает на вагонные потребители.
При скорости выше 35 км/ч устройство работает аналогично известным, где напряжение, поступающее от генератора, выпрямляется неуправляемым выпрямителем и через диод (основное напряжение достаточно для работы без дополнительных устройств и не добавляется) поступает в нагрузку потребителей электроэнергии вагона.
Блок управления возбуждает канал управления тиристорным выпрямителем и при скорости 15 км/ч открывает его полностью. По мере повышения скорости канал постепенно закрывается и на скорости 35 км/ч закрывается полностью. При дальнейшем повышении скорости генератор вырабатывает напряжение по традиционной схеме. В случае применения взамен тиристорного, неуправляемого выпрямителя суммарное напряжение управляется током возбуждения генератора и при скорости 15 км/ч достигает максимального значения.
Таким образом, по мере роста скорости и напряжения от генератора через неуправляемый выпрямитель, тиристорный выпрямитель может по сигналу от блока управления плавно снижать напряжение.
Использование предлагаемого устройства электроснабжения пассажирского вагона позволяет использовать напряжение подвагонного генератора в расширенном диапазоне скоростей. При этом обеспечивается высокая надежность работы устройства электроснабжения за счет плавной регулировки выходного напряжения, поступающего на вагонные потребители в диапазоне скоростей 15 км/ч до 35 км/ч. При этом обеспечивается возможность заряда аккумуляторной батареи от внешнего источника 380 В, 50 Гц, с плавным регулированием тока заряда.
Таким образом, предложенное устройство позволяет эксплуатировать оборудованные им вагоны с обеспечением питания от подвагонного генератора без перехода на аккумуляторное электропитание в диапазоне скоростей движения вагона локомотивной тяги от 15 до 160 км/ч, не превышая технические параметры подвагонного генератора.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемой функциональной схемой устройства электроснабжения пассажирского вагона (фиг.1).
Осуществление полезной модели
Устройство электроснабжения пассажирского железнодорожного вагона содержит: подвагонный генератор трехфазный переменного напряжения (1) с приводом от колесных пар, неуправляемый выпрямитель (2), блок управления (3), силовой трехфазный трансформатор (4), управляемый тиристорный выпрямитель (5), диод (6), вагонные потребители электроэнергии (7), в том числе аккумуляторную батарею (8) и блок управления (3), контактный разъем КМ1 (9), автоматический выключатель QF1 (10).
В зависимости от режима движения вагона источниками электроэнергии, являются либо источник внешнего питания трехфазной сети напряжения ~ 380 В, 50 Гц в режиме стоянки пассажирского вагона, либо подвагонный генератор трехфазного переменного тока - в режиме движения.
Источник внешнего питания ~ 380 В, 50 Гц подключен проводами через автоматический выключатель QF1 (10) к первичной обмотке силового трехфазного трансформатора (4).
Подвагонный генератор (1) трехфазного переменного напряжения с приводом от колесной пары пассажирского вагона, содержащий ротор с обмоткой возбуждения, связанной с блоком управления (3), и статор с силовой трехфазной обмоткой. Статорная обмотка генератора (1) соединена проводами с контактором КМ1 (9), который в свою очередь подключен к отводам второй первичной обмотки трансформатора (4). Работа контактора КМ1 (9) осуществляется по сигналу от блока управления (3). Вместе с тем статорная обмотка генератора (1) соединена с неуправляемым выпрямителем напряжения (2), выполненным с возможностью выпрямления выходного напряжения генератора (1). К неуправляемому выпрямителю напряжения (2) подключены потребители электроэнергии (7), включая блок управления (3) и аккумуляторную батарею (8).
Вторичная обмотка трансформатора (4) связана с управляемым тиристорным выпрямителем (5), к которому подключены потребители электроэнергии (7), в том числе аккумуляторная батарея (8) и блок управления (3). Блок управления (3) выполнен с возможностью регулирования длительности открытия тиристоров управляемого выпрямителя (5) в зависимости от имеющегося на выходах выпрямителей (2) и (5) напряжения.
Для обеспечения непрерывного поступления напряжения потребителям электроэнергии (7) при всех режимах работы в цепи подключения потребителей электроэнергии (7) к неуправляемому выпрямителю (2) установлен диод (6), через который выпрямленное выходное напряжение неуправляемого выпрямителя (2) поступает в нагрузку потребителей электроэнергии (7) вагона на скорости в диапазоне свыше 35 км/час при закрытых тиристорах управляемого выпрямителя (5).
Предлагаемое устройство работает в трех режимах.
Первый режим - на стоянке с подключенным внешним источником напряжения 380 В, 50 Гц. При подключении внешней сети 380 В включается автоматический выключатель QF1 (10) и соединяет внешнюю сеть с трансформатором (4). При этом по сигналу от блока управления (3) контактор КМ1 (9) принудительно отключается. На первичную обмотку трансформатора (4) поступает внешнее напряжение 380 В (10%. На вторичной обмотке трансформатора (4) появляется трехфазное напряжение 115 В (10%, которое поступает на вход управляемого тиристорного выпрямителя (5). Блок управления (3) подает управляющие импульсы СИФУ на тиристоры управляемого выпрямителя (5), регулируя таким образом величину выходного постоянного напряжения 0…142 В управляемого выпрямителя (5), которое поступает в нагрузку потребителей электроэнергии (7), в том числе аккумуляторную батарею (8), входящую в состав вагонных потребителей электроэнергии (7). Величина выходного постоянного напряжения определяется блоком управления (3) в зависимости от тока нагрузки и степени заряда аккумуляторной батареи (8).
Второй режим - при движении вагона на низких скоростях от 15 км/ч до 35 км/ч, основным источником электроэнергии становится подвагонный генератор (1) трехфазного переменного напряжения. На низких скоростях, генератор (1) не способен выдавать напряжение в сети, необходимое для обеспечения электроэнергией потребителей вагона, потому что частота вращения ротора низкая (менее 700 об/мин.).
Автоматический выключатель QF1 (10) выключен. Блок управления (3) определяет частоту вращения ротора генератора и на основании полученных данных подает на обмотку возбуждения ротора генератора (1) постоянный ток, возбуждая тем самым генератор (1). В результате чего на силовой обмотке статора генератора (1) появляется трехфазное напряжение, поступающее на неуправляемый выпрямитель (2). Но если значение полученного на выходе неуправляемого выпрямителя (2) постоянного напряжения не достигает требуемого для работы электрооборудования уровня, то увеличение напряжения происходит при помощи управляемого выпрямителя (5), который добавляет к выходу неуправляемого выпрямителя (2) необходимое напряжение. По сигналу блока управления (3) включается контактор КМ1 (9), через замкнутые контакты которого вырабатываемое генератором (1) напряжение поступает на отводы первичной обмотки трансформатора (4). В результате гальванической развязки на вторичной обмотке трансформатора (4) образуется напряжение, равное по величине напряжению на силовой обмотке статора генератора (1), которое в свою очередь поступает на управляемый выпрямитель (5) и складывается с напряжением от неуправляемого выпрямителя (2).
Блок управления (3) определяет необходимое для потребителей электроэнергии (7) напряжение, исходя из режима работы, тока нагрузки для потребителей электроэнергии и тока заряда аккумуляторной батареи (8). Блок управления (3) измеряет имеющееся на выходе выпрямителей (2) и (5) напряжение, в зависимости от которого регулирует длительность открытия тиристоров управляемого выпрямителя (5), путем подачи управляющих импульсов напряжения, доводя его до требуемого уровня, при котором потребителей электроэнергии (7) обеспечиваются достаточным напряжением.
Третий режим - при скорости движения вагона свыше 35 км/ч. В данном режиме предлагаемое устройство работает аналогично известным, устанавливаемым в настоящее время на пассажирских вагонах. Автоматический выключатель QF1 (10) и контактор КМ1 (9) отключены. Блок управления (3), управляя током возбуждения, возбуждает генератор (1) в результате чего на силовой обмотке статора появляется трехфазное напряжение, поступающее на неуправляемый выпрямитель (2). На выходе неуправляемого выпрямителя (2) постоянное напряжение через диод (6) поступает в нагрузку потребителей электроэнергии (7). При этом блок управления (3) снимает импульсы управления с тиристоров управляемого выпрямителя (5) и он находится в закрытом (нерабочем) состоянии.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить диапазон возможностей электропитания электрооборудования пассажирских вагонов от подвагонного генератора без переключения на питание от аккумуляторной батареи в диапазоне скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч.