ЭНЕРГОБЛОК ЭЛЕКТРОПОЕЗДА
POWER UNIT OF ELECTRIC TRAIN

Заявляемое изобретение относится к энергоснабжению электропоездов электрической энергией, а именно к энергоблокам для электропоезда ЭД-4М (электричек).
Электропоезд - это единая система механизмов. Состав электропоезда может состоять из 3 типов вагонов двух основных:
- Головного (начало и конец электропоезда - для управления электропоездом, имеет аккумуляторы для Моторного вагона и для систем безопасности);
- Моторного (в нем находится электродвигатель, а на крыше - пантограф (токосъемный приемник электроэнергии от внешней линии);
и дополнительного:
- Прицепного (имеет аккумуляторы для Моторного вагона).
Стандартный минимальный состав электропоезда: Головной-Моторный-Моторный-Головной.
И дополнительная пара: Моторный вагон находится в паре с Прицепным, при этом количество таких пар определяется потребностью электропоезда.
Аккумуляторные батареи (АКБ) электропоездов предназначены для подъема пантографов (токосъемных приемников электроэнергии от внешней линии), расположенных на крыше Моторных вагонов электропоезда. Кроме того, АКБ обеспечивает электроснабжение вагонов при опущенном пантографе (аварийное освещение, противопожарные системы, системы безопасности). АКБ электропоездов устанавливаются в Головных и Прицепных вагонах.
Патентно-информационные исследования показали наличие патентов, относящихся к конструкции аккумуляторных батарей (АКБ), при этом не было выявлено патентов, относящихся к энергоблокам электропоездов, аналогичных заявляемой конструкции.
В качестве прототипа энергоблока электропоезда ЭД-4М, может рассматриваться комплект, который состоит из 90 шт. открытых (вентилируемых) никель-кадмиевых аккумуляторов со щелочным электролитом типа НК 55, которые последовательно соединены жесткими перемычками в аккумуляторную батарею (АКБ) и установлены в металлических ящиках под Головными и Прицепными вагонами электропоезда (электрички).
Аккумуляторные ячейки НК 55 имеют следующие недостатки:
1) Аккумуляторы со щелочным жидким электролитом, открытые, с заливочными горловинами для регулярного обслуживания обученным, высококвалифицированным персоналом.
2) В процессе эксплуатации необходим постоянный контроль за состоянием аккумуляторов:
- проверка уровня электролита, и регулярная доливка при понижении уровня ниже предельно допустимого;
- проверка уровня зарядного напряжения,
- проверка плотности электролита.
3) В случаях нарушения режима заряда происходит выброс электролита, который содержит соли кадмия, являющегося канцерогеном. Необходим постоянный контроль за состоянием рабочего места размещения аккумуляторов.
4) Необходимо содержание специального участка для хранения щелочи и дистиллированной воды, которые необходимы для периодического обслуживания аккумуляторов в соответствии с требованиями руководства по эксплуатации и наличие сертифицированной, специально оборудованной лаборатории для проведения периодических восстановительных зарядов-разрядов с целью восстановления емкости, которая постепенно снижается вследствие эффекта памяти, характерного для окисно-никелевого электрода.
5) Срок службы аккумуляторов - не более 5 лет.
В целом недостатки применяемого в настоящее время энергоблока электропоезда ЭД-4М заключаются в следующем:
Обученный, высококвалифицированный персонал и сертифицированная, специально оборудованная лаборатория имеется только в моторвагонном депо. Соответственно аккумуляторы часто подвергаются глубокому разряду (проверять некому и нечем), уровень и плотность электролита не соответствует норме. Заряд аккумуляторов проводят при повышенным уровне напряжения и, следовательно, зарядного тока, что приводит к перезаряду аккумуляторов (контролировать некому и нечем) и снижению их работоспособности и долговечности. В совокупности такая эксплуатация приводит к повышенному износу аккумуляторов и преждевременному выходу аккумуляторов из строя - срок службы аккумуляторов уменьшается в 3-4 раза.
Минусы - АКБ на базе открытых с жидким электролитом аккумуляторов НК 55, требуют регулярной проверки уровня электролита в аккумуляторах АКБ, напряжения каждого аккумулятора и внешнего состояния.
Электролит нередко выплескивается из АКБ, вынося с собой канцерогенные соли кадмия, что может нанести вред здоровью как персонала, так и пассажиров. Поэтому необходима регулярная чистка от выбросов электролита в подвагонном ящике. Соответственно содержание штата высококвалифицированных работников (опасные работы) для обслуживания АКБ и специального помещения, и оборудования.
Далее высокий уровень человеческого фактора так, как АКБ подключены напрямую в электрическую сеть электропоездов (электричек), а зарядом/разрядом АКБ никто не управляет. Поэтому нередки случаи - когда (особенно в холодное время) АКБ полностью разряжаются (недосмотр обслуживающего персонала), или наоборот (особенно в теплое время года) батареи перезаряжаются и закипают. Оба пограничных состояния АКБ - полный разряд или перезаряд - очень вредны, и сильно сокращают срок службы АКБ.
Описанное выше техническое решение энергоблока ЭД-4М принимается за прототип.
Положительный эффект от применения заявляемого изобретения заключается в создании энергоблока для электропоездов, обеспечивающего:
- значительное сокращение затрат на обслуживание нового энергоблока (нет дорогого обслуживающего персонала, затрат на создание и поддержание специальных лабораторий на обслуживание аккумуляторов);
- увеличение срока службы нового энергоблока (благодаря онлайн-мониторингу, дежурный персонал в моторвагонном депо контролирует состояние энергоблоков постоянно и может оперативно влиять на различные ситуации).
Положительный эффект достигается решением технической задачи посредством создания энергоблока электропоезда, содержащего последовательно соединенные между собой аккумуляторы с использованием перемычек в аккумуляторную батарею, отличающийся тем, что для энергоблока используют закрытые (герметизированные) аккумуляторы с гелевым сернокислым электролитом, которые соединены с системой электроснабжения вагонов электропоезда через преобразователь напряжения, состоящий из двух импульсных преобразователей постоянного напряжения (ИППН), микропроцессорной системы управления, датчиков температуры, клемм и разъемов для подключения к электрической сети вагона и выводам аккумуляторной батареи, а также к проводникам от датчиков температуры.
Закрытые (герметизированные) аккумуляторы с гелевым сернокислым электролитом не требуют выполнения работ по контролю уровня и плотности электролита и доливке дистиллированной воды в течение всего срока службы.
Кроме того, энергоблок электропоезда характеризуется тем, что преобразователь напряжения энергоблока и его микропроцессорная система управления включают:
- схему защиты от глубокого разряда и перезаряда АКБ, которая обеспечивает точность регулирования напряжения ± 1,5%;
- автоматический переход из режима разряда в режим заряда, и обратно в зависимости от напряжения в системе электроснабжения вагона;
- термозащиту преобразователя;
- регистрацию и сохранение отчетной информации;
- онлайн - мониторинг собственного состояния и АКБ и системы электроснабжения вагона;
- независимый источник питания, напряжением 24В;
- встроенные часы реального времени.
Кроме того, энергоблок электропоезда характеризуется тем, что для соединения аккумуляторных ячеек используются гибкие перемычки.
Кроме того, энергоблок электропоезда характеризуется тем, что он предназначен для использования в электропоездах.
Кроме того, энергоблок электропоезда характеризуется тем, что он предназначен для использования в электропоездах ЭД-4М.
Заявляемый в качестве изобретения энергоблок электропоезда, предназначен в первую очередь для использования в электропоездах ЭД-4М, хотя использованные в нем технические решения применимы и для других типов электропоездов, а также для пассажирских вагонов.
Применительно к электропоезду ЭД-4М заявляемый энергоблок может иметь маркировку ЭБВ ЭД-4М
Разработанный энергоблок электропоезда:
1) включает:
- надежную аккумуляторную батарею, состоящую из закрытых свинцово -кислотных аккумуляторы с гелеобразным электролитом;
- преобразователь напряжения, позволяющий обеспечивать оптимальное состояние заряженности аккумуляторной батареи, организовать непрерывный мониторинг состояния батареи (благодаря использованию контроллера заряда/разряда ячейки на микропроцессорном программном управлении), гарантирующий защиту батареи от перезаряда и глубокого разряда, с высокой точностью управляющий зарядом/разрядом в автоматическом режиме. Разработанный преобразователь собственной конструкции предусматривают использование доступных деталей и надежен в эксплуатации;
2) аккумуляторная батарея не нуждается в обслуживании в течение всего срока эксплуатации (приготовление/заливка/доливка электролита, проверка плотности электролита), и, следовательно, в наличии специализированного персонала в железнодорожном депо зарядного отдельного помещения (участка) для приготовления и хранения дистиллированной воды и электролита, что позволяет свести эксплуатационные и подготовительные затраты к нулю (не требуется проведения предварительных работ перед установкой аккумуляторов, так как они поставляются полностью готовыми к работе) и снизить стоимость жизненного цикла;
3) обеспечивает увеличенный (в 2,5 раза по сравнению с аналогами) срок службы аккумуляторной батареи (до 7 лет);
4) исключает проведение тренировочных зарядно-разрядных циклов после длительных (от 3-х до 6-ти мес.) перерывов в эксплуатации со снятием с вагона;
Применительно к заявляемому изобретению используется следующая терминология (на примере энергоблока для Электропоезда ЭД-4М):
Аккумулятор - это изделие (2PzV-110). Когда 30 штук аккумуляторов (2PzV-110) последовательно соединяют вместе получают аккумуляторную батарею (30PzV-110).
Преобразователи напряжения, как изделие, появились достаточно давно. И используют преобразователи напряжения совместно с аккумуляторами тоже давно, например, в Системах Накопления Энергии (СНЭ) - для снижения затрат на электроэнергию в пиковые часы потребления. Однако применение преобразователей заявляемой конструкции в электропоездах не известно. Таким образом, в отношении электропоездов, даже в части преобразователей напряжения. Заявляемое изобретение обладает новизной, наряду с другими признаками, приведенными в формуле и описании заявляемого изобретения..
Заявляемое изобретение поясняется прилагаемыми фигурами:
Фиг. 1 - структурная схема энергоблока электропоезда (блок-схема);
Фиг. 2 - энергоблок, в качестве энергоблока ЭБВ ЭД-4М (сборочный чертеж);
Фиг. 3 - аккумуляторная кассета;
Фиг. 4 - фотография энергоблока, установленного в подвагонном отсеке;
Фиг. 5 - фотография преобразователя в корпусе;
Фиг. 5а - фотография преобразователя в корпусе (увеличено);
Фиг. 5б - изометрия преобразователя в формате 3D;
Фиг. 5в - вид снизу на преобразователь (панель выводов);
Фиг. 6 - фото головного вагона электропоезда ЭД4М (вид спереди).
На Фиг. 1 представлена структурная схема энергоблока электропоезда (блок-схема).
Энергоблок состоит из преобразователя 1 и аккумуляторной батареи 2 (30PzV110), состоящей из двух секций: секция 3 (8x2PzV110) и секции 4 (22x2PzV110).
Преобразователь 1 состоит из двух импульсных преобразователей 5 и 6 постоянного напряжения (ИППН), микропроцессорной системы управления 7, клемм и разъемов для подключения к электрической сети вагона и выводам АКБ, а также проводников от датчиков температуры (не показаны).
Импульсный преобразователь 5 (П1) - это двунаправленный импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИППН), служащий для создания напряжения 110В и контроля заряда и разряда АКБ.
Импульсный преобразователь 6 (П2) - это двунаправленный импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИППН), служащий для питания вагонных электрических цепей 48В.
Схема защиты от глубокого разряда и резервирования 8 выполняет две функции защита АКБ от глубокого разряда и контроль заряда. При понижении общего напряжения АКБ до нижнего допустимого предела 55,2В схема отключает АКБ от преобразователя с помощью контактов 9 (К2) реле защиты. При повышении значения напряжения АКБ до уровня 62,1В или при появлении напряжения в сети вагона, схема автоматически подключает АКБ, и работа преобразователя восстанавливается. Схема защиты от глубокого разряда также контролирует уровень заряда на отводе секции 4 (22x2PzV110). Отвод от секции 4 сделан для резервного питания вагонных цепей напряжением 48 В. Схема резервирования выполнена на аппаратном уровне и, в случае нарушения работы преобразователя, переключает цепь питания 48 В на АКБ с помощью реле 9 (К2).
Назначение клемм на преобразователе напряжения энергоблока:
X1 - «+48В» - для подключения кабельного ввода «+48В» электросети электропоезда;
Х2 - «Общ.» - для подключения кабельного ввода «Общий» электросети электропоезда;
Х3 - «+110В» - для подключения кабельного ввода «+110В» электросети электропоезда;
Х4 - «+30С» - для подключения плюсового вывода от аккумуляторной батареи 30PzV-110;
Х5 - «+22С» - для подключения плюсового вывода от 22-х аккумуляторных ячеек аккумуляторной батареи 30PzV-110;
Х6 - «Общ.» - для подключения минусового вывода от аккумуляторной батареи 30PzV-110.
Термозащита 10 предназначена для защиты силовых элементов преобразователей в случае их перегрева свыше 60°С.
Источник питания 11 (24В) обеспечивает питание цепей системы управления и внешних подключаемых устройств.
В качестве внешних подключаемых устройств могут быть использованы, например, GSM-модем (Global System for mobile Communications) и панель оператора.
Часы реального времени 12 реализуют функцию записи журнала работы преобразователя с привязкой ко времени.
Реле 13 (K1) обеспечивает передачу напряжения +48В от разъема Х5 на разъем X1, при выходе преобразователя из строя.
Система управления 7 выполнена на базе микроконтроллера, содержащего аналого-цифровой преобразователь (АЦП), периферийные модули, управляющие преобразователями и коммуникационные интерфейсы для обмена данными с внешними устройствами.
На Фиг. 2 представлен сборочный чертеж энергоблока, в качестве энергоблока ЭБВ ЭД-4М. В кассеты 14 устанавливаются аккумуляторные ячейки 15 (по 6 ячеек в кассету). После установки готовых к эксплуатации ячеек 15 в каждую кассету 14, ячейки внутри одной кассеты соединяются гибкими перемычками. Заполненные аккумуляторными ячейками 15 кассеты 14 устанавливаются в подвагонную нишу. Затем крайние аккумуляторные ячейки 15 каждой кассеты 14 соединяются между собой также гибкими перемычками, в соответствии с их делением на секции 3 (8 ячеек) и 4 (22 ячейки). Свободное место перед преобразователем 1, также установленным в нише вагона, необходимо для открывания дверцы корпуса преобразователя (Фиг. 5).
На Фиг. 3 представлена аккумуляторная кассета 14 (три основных вида).
На Фиг. 4 представлено фото энергоблока, установленного в подвагонном отсеке. В правой части виден преобразователь. Наибольшую часть подвагонной ниши занимает АКБ.
На Фиг. 5 представлено фотография преобразователя 1 в корпусе (крышка открыта). Надпись на внутренней панели преобразователя «ВПН - 1500 110/48» означает: Вагонный Преобразователь Напряжения, мощность преобразователя - 1500 Вт, 110/48 - номиналы напряжений на выходе преобразователя.
На Фиг. 5а представлено фотография преобразователя 1 в корпусе (увеличено). На панели преобразователя, в частности, показаны:
Тумблер 16 включения энергоблока, световой индикатор 17 «Работа», гнездо 18 «Micro SD» (установка и извлечение Micro SD карты) - для снятия показаний работы энергоблока и преобразователя: регистрация и сохранение отчетной информации, онлайн - мониторинг собственного состояния и АКБ.
На Фиг. 5б представлена изометрия преобразователя в формате 3D.
На Фиг. 5в показан вид снизу на преобразователь (панель выводов).
Согласно заявляемому изобретению, разработанный энергоблок ЭБВ ЭД-4М предназначен для питания низковольтных цепей электрооборудования вагонов электропоездов ЭД-4М ОАО «РЖД».
Энергоблок представляет собой автономное устройство, подключаемое к системе питания низковольтных цепей электрооборудования вагонов электропоезда ЭД-4М, и состоит из батареи необслуживаемых свинцовых аккумуляторных ячеек 2PzV-110 и двунаправленного импульсного преобразователя постоянного напряжения типа ВПН-1500-110/48 с контроллером заряда аккумуляторных ячеек на микропроцессорном программном управлении. Энергоблок ЭБВ ЭД-4М выполняет требования по накоплению и использованию энергии в противопожарном оборудовании, системе связи и управления электропоездом ЭД-4М во время планового и аварийного простоя, а также обеспечить работу пневматического привода для перевода токоприемника (пантографа) электропоезда ЭД-4М в рабочее положение после длительного простоя.
После монтажа энергоблока ЭБВ ЭД-4М в подвагонном ящике (согласно инструкции по эксплуатации), энергоблок включается тумблером 16 (QF1), проходит внутренний тест и затем загорается индикатор «Работа», сигнализирующий, что энергоблок ЭБВ ЭД-4М находиться в рабочем состоянии. Затем закрывается ящик преобразователя и закрывается подвагонный ящик. Энергоблок будет работать полностью в автоматическом режиме, при этом не требуется его обслуживание. О состоянии энергоблока можно смотреть через онлайн-мониторинг.
Только на примере Куйбышевской железной дороги (КбшЖД) экономия от замены никель-кадмиевых (щелочных) обслуживаемых батарей в 67 вагонах на энергоблоки заявляемой конструкции с гелевыми свинцово-кислотными необслуживаемыми батареями (тяговые гелевые аккумуляторные ячейки PzV) составляет на дату разработки свыше 10 млн рублей (экономия от использования одного энергоблока разработанной конструкции составляет около 150 тыс. рублей, срок службы - 7 лет). При этом затраты на обслуживание заявляемых энергоблоков отсутствуют, в отличие от существенных затрат на обслуживание никель-кадмиевых батарей, а общие затраты (приобретение новых АКБ с заявляемым энергоблоком) уменьшаются в 2 раза.