СТАЦИОНАРНАЯ МАХОВИЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ РЕКУПЕРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Область техники
Полезная модель относится к области сбережения электрической энергии на рельсовом электрифицированном транспорте и может быть использована для осуществления рекуперативного торможения рельсового электроподвижного состава - трамваев, метропоездов, электропоездов.
Уровень техники
В России в последние годы велись работы по различным вариантам рекуперации электроэнергии при торможении рельсового электротранспорта, однако система тягового электроснабжения постоянного тока не оборудована устройствами приема энергии рекуперации, т.к. эта задача не решена в виду того, что ранее предложенные такие устройства малоэффективны и ненадежны.
Из уровня техники известна стационарная система рекуперативного торможения подвижного состава (RU 132405), включающая, как минимум, один маховичный накопитель с обратимой электромашиной, электрически связанной, по меньшей мере, с одной тяговой электромашиной электроподвижного состава, имеющего токосъемник для взаимодействия с основным контактным проводом, и систему управления рекуперативным торможением, расположенную на электроподвижном составе, где маховичный накопитель и обратимая электромашина установлены стационарно и расположены отдельно от электроподвижного состава, при этом обратимая электромашина маховичного накопителя связана с тяговой электромашиной посредством тягового частотного преобразователя и токосъемника электроподвижного состава через контактный провод, соединенный электрическим проводом с частотным преобразователем маховичного накопителя.
Указанная система принята нами за прототип.
Основные недостатки системы-прототипа связаны с низкой надежностью системы в силу наличия большого числа сложных элементов и подсистем как исполнительных, так и управляющих, а также с существенными капитальными и эксплуатационными затратами и потерями при ее установке и обслуживании:
1) необходимость монтажа параллельно контактному проводу дополнительного контактного провода аналогичного сечения;
2) необходимость установки управляемых прерывателей с возможностью электрического отсоединения от основного контактного провода;
3) необходимость установки дополнительных растяжек от опор контактной сети для дополнительного контактного провода и управляемых прерывателей;
4) необходимость организации систем электрического питания управляемых прерывателей, расположенных в контактной сети;
5) необходимость установки на все подвижные составы систем управления отсоединением участка контактного провода от основной контактной сети в период нахождения токосъемника на отсоединяемом участке;
6) нарушения тягового энергоснабжения подвижного состава и, следовательно, прерывание перевозочной деятельности при поломке управляемых прерывателей в положении электрически отсоединенного основного контактного провода и прерывание запасания рекуперированной энергии при поломке управляемых прерывателей в положении электрически присоединенного основного контактного провода;
7) отсутствие возможности автоматического перенаправления энергии рекуперации тормозящего подвижного состава от питания маховичного накопителя к питанию появившегося в этот период на данном участке контактной сети другого потребляющего энергию подвижного состава (для т.н. «межпоездного обмена энергией рекуперации»);
8) дополнительные расходы электроэнергии на питание управляемых прерывателей, расположенных в контактной сети, а также на питание систем управления отсоединением участка контактного провода от основной контактной сети, расположенных на подвижном составе.
Все вышеуказанные недостатки прототипа будут устранены в предлагаемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности и надежности системы накопления рекуперированной при торможении электроподвижного состава электрической энергии.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в:
- существенном снижении капитальных и эксплуатационных затрат на переоснащение и обслуживание контактных сетей и электроподвижного состава, необходимых для подключения и управления работой буферного накопителя энергии;
- увеличении объема полезно утилизируемой энергии рекуперативного торможения подвижного состава;
- повышении надежности работы системы накопления энергии.
Технический результат достигается тем, что в стационарной маховичной системе для накопления рекуперированной электрической энергии при торможении электроподвижного состава, содержащей маховичный накопитель с обратимой электромашиной, выполненной с возможностью электрической связи с тяговой электромашиной электроподвижного состава, имеющего токосъемник для взаимодействия с контактным проводом и расположенный на электроподвижном составе тяговый частотный преобразователь, маховичный накопитель и обратимая электромашина установлены стационарно и расположены отдельно от электроподвижного состава, при этом обратимая электромашина маховичного накопителя выполнена с возможностью связи с тяговой электромашиной посредством тягового частотного преобразователя и токосъемника электроподвижного состава через контактный провод, соединенный электрическим проводом с частотным преобразователем маховичного накопителя, который при помощи встроенных управляющего контроллера и управляемых им IGBT транзисторов замыкает и размыкает электрический ток с указанного электрического провода по сигналу внешнего датчика напряжения для подачи рекуперативного тока от рекуперативно тормозящего подвижного состава на обратимую электромашину маховичного накопителя.
Управление рекуперативным током в IGBT транзисторах частотного преобразователя накопителя осуществляется его контроллером по сигналу внешнего датчика напряжения в соответствии с достижением установленного уровня напряжения в контактной сети (уставки), отслеживаемого управляющим контроллером частотного преобразователя. Возможность изменения напряжения в контактной сети постоянного тока при рекуперирующем подвижном составе обусловлена тем свойством электрической энергии в контактной сети, что при наличии в последней энергии рекуперации от тормозящего электроподвижного состава и отсутствии на этом участке контактной сети других потребляющих ток энергопотребителей (других движущихся на тяге подвижных составов), электрический ток в контактном проводе минимальный в силу отсутствия его потребления, а значение напряжения увеличивается относительно номинального значения, устанавливаемого на участке контактной сети при отсутствии как потребления энергии на тягу подвижного состава, так и подачи в сеть энергии рекуперации.
Описываемое изменение уровня напряжения в контактной сети определяется датчиком, который направляет соответствующий сигнал на контроллер частотного преобразователя маховичного накопителя. Переданное внешним датчиком мгновенное значение напряжения контактной сети сравнивается в контроллере частотного преобразователя маховичного накопителя с заранее установленным предельным значением (уставкой), при достижении которой контроллер частотного преобразователя выдает команду на открытие или закрытие IGBT транзисторов, регулирующих подачу тока на вход обратимой электромашины маховичного накопителя. Открытие силовых транзисторных ключей преобразователя для подачи питания на вход обратимой электромашины накопителя осуществляется при превышении значения текущего сетевого напряжения выше указанной уставки напряжения, а величина протекающего через IGBT транзисторы тока зависит от степени превышения текущего напряжения контактной сети над значением уставки. При повышенном напряжении в контактной сети относительно этого верхнего значения (уставки) IGBT транзисторы пропускают рекуперативный ток на обмотки статора обратимой электромашины маховичного накопителя, благодаря чему ее ротор производит раскрутку маховика.
При уменьшении значения напряжения в контактной сети в ходе рекуперативного торможения состава ниже установленного верхнего значения напряжения (уставки), например, при появлении на данном участке контактной сети другого потребляющего энергию на тягу подвижного состава контроллер частотного преобразователя маховичного накопителя энергии по сигналу внешнего датчика напряжения фиксирует это уменьшенное мгновенное значение напряжения сети и, после сравнения с уставкой, посылает на IGBT транзисторы сигнал на прекращение пропускания тока в обмотки статора обратимого электродвигателя маховичного накопителя, из-за чего разгон маховика прекращается.
Благодаря этому отключению накопителя от энергопотребления энергия рекуперации тормозящего подвижного состава направляется не в накопитель энергии, а напрямую через контактную сеть на токосъемники потребляющего энергию на тягу другого подвижного состава, осуществляющего свой разгон во время рекуперативного торможения первого подвижного состава на данном участке контактной сети. Эффективность прямой передачи рекуперированной энергии на тягу разгоняющегося подвижного состава выше, нежели при варианте передачи, опосредованной буферным накопителем в силу меньшего количества преобразований энергии, поскольку при каждом таком преобразовании потери энергии ненулевые. Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение объема полезно утилизируемой на тягу энергии рекуперативного торможения электроподвижного состава.
Управляющий контроллер частотного преобразователя имеет вводной порт для подключения в него электрических датчиков, например, для датчика напряжения. Таким образом, датчик напряжения, фиксирующий уровень напряжения в электрическом проводе, соединяющем контактную сеть с частотным преобразователем маховичного накопителя, может быть выполнен как внешним для указанного частотного преобразователя, так и быть элементом электрической схемы самого частотного преобразователя.
Кроме того, в результате замены модели-прототипа на предлагаемую полезную модель при реализации стационарной маховичной системы для накопления рекуперированной электрической энергии при торможении электроподвижного состава повышаются эффективность и надежность системы, снижаются капитальные затраты:
1) отпадает необходимость монтажа параллельно контактному проводу дополнительного контактного провода аналогичного сечения;
2) не требуется установка управляемых прерывателей с возможностью электрического отсоединения от основного контактного провода;
3) становятся не нужны дополнительные растяжки от опор контактной сети для дополнительного контактного провода и управляемых прерывателей;
4) не требуется система электрического питания управляемых прерывателей, расположенных в контактной сети;
5) становятся излишними системы управления отсоединением участка контактного провода от основной контактной сети в период нахождения токосъемника на отсоединяемом участке, устанавливаемые в модели-прототипе на подвижной состав.
6) становятся невозможными нарушения тягового энергоснабжения подвижного состава и, следовательно, прерывания перевозочной деятельности, могущие возникать при поломке управляемых прерывателей в положении электрически отсоединенного основного контактного провода, и прерывание запасания рекуперированной энергии при поломке управляемых прерывателей в положении электрически присоединенного основного контактного провода;
7) не требуется расход электроэнергии, необходимой на питание управляемых прерывателей прототипа, расположенных в контактной сети, а также на питание систем управления отсоединением участка контактного провода от основной контактной сети, расположенных на подвижном составе;
8) сокращается количество подсистем и элементов при реализации стационарной маховичной системы для накопления рекуперированной электрической энергии при торможении электроподвижного состава, что, в свою очередь, увеличивает надежность этой системы, которая зависит в обратной степени от числа элементов.
Таким образом, предлагаемая полезная модель приводит к снижению капитальных затрат на ее установку, а также дополнительно уменьшает потребление энергии на собственные нужды накопительной системы, повышает объем полезно утилизируемой на тягу энергии рекуперативного торможения электроподвижного состава и, кроме того, значительно увеличивает надежность как накопительной маховичной системы, так и контактной сети рельсового электротранспорта.
Осуществление полезной модели
Контактный провод 1 через токосъемник 2 и тяговый частотный преобразователь 3 питает обратимую тяговую электромашину 4, приводящую в движение колеса 5 электроподвижного состава 6, в данном случае передвигающегося по заземленному рельсу 7, соединенному как с корпусом подвижного состава 6 для электробезопасности, так и, в случае необходимости, проводом 8 с тяговым частотным преобразователем 3.
Горизонатально осевой или вертикально осевой маховичный накопитель 9 включает в себя корпус 10 с опорами-подшипниками 11 любого приемлемого типа, в том числе и магнитными, в которых зафиксирован маховик 12, механически соединенный с ротором обратимой электромашины 13, электрически соединенной с частотным преобразователем 14, имеющим IGBT транзисторы и контроллер управления с, по крайней мере, одним сигнальным портом для соединения с внешними датчиками, при этом частотный преобразователь 14 электрически соединен проводом 15 с контактным проводом 1. Кроме того, частотный преобразователь 14 соединен через сигнальный порт с датчиком напряжения 16, который производит измерение напряжения в проводе 15 и, соответственно, в контактной сети 1. При достижении напряжением в сети установленного значения (уставки) по сигналу от датчика напряжения 16 контроллер частотного преобразователя 14 выдает управляющий сигнал на открытие или закрытие установленных в нем же IGBT транзисторов, через которые подается электрический ток для питания обмоток статора обратимой электромашины 13. Маховичный накопитель 9 своим корпусом 10 закреплен, в том числе с помощью упругих прокладок, на твердом основании 17, например, бетонного углубления (колодца) 18, пола контейнера или строения (не показаны).
В данном конкретном случае при описании работы устройства предполагается, что при рекуперативном торможении подвижного состава 6 в контактный провод 1 поступает рекуперативный ток, получаемый при работе в генераторном режиме обратимой тяговой электромашины 4 и преобразованного тяговым преобразователем 3 в постоянный ток. При отсутствии других потребителей рекуперированной энергии на данном участке контактной сети эта электроэнергия передается от электромашины 4 электромашине 13.
В этом случае при рекуперативном торможении подвижного состава 6 рекуперированная энергия через токосъемник 2 направляется в контактную сеть 1, вызывая повышение напряжения в ней и, соответственно, в проводе 15. Датчик напряжения 16 посылает сигнал на контроллер частотного преобразователя 14, в котором фиксируется превышение значения напряжения в проводе 15 и, следовательно, в контактной сети 1 выше установленного верхнего значения напряжения (уставки), в результате чего контроллер и выдает сигнал об открытии IGBT транзисторов. Из частотного преобразователя 14 рекуперативный ток, преобразованный в трехфазный, подается на вход обратимой трехфазной электромашины 13, ротор которой начинает раскручиваться под действием электромагнитных сил обмотки статора, и, тем самым, начинает раскручивать вал маховика 12, который соединен с ротором электромашины 13, например, механической муфтой (не показана). Раскручивание маховика под действием рекуперативного тока продолжается до тех пор, пока скорость его вращения не достигнет установленного максимального значения или напряжение в контактной сети не снизится до значения ниже установленной уставки, когда от датчика напряжения 16 поступит сигнал со значением напряжения ниже уставки на контроллер частотного преобразователя 14, в результате чего IGBT транзисторы будут закрыты для пропускания тока на обмотку статора обратимой электромашины 13 из провода 15, соединенного параллельным соединением с контактной сетью 1. Причиной такого понижения напряжения на участке контактной сети с рекуперативно тормозящим подвижным составом может быть заход на этот участок другого подвижного состава (не показан), находящегося в режиме тяги и, соответственно, потребляющего из сети электроэнергию.
Энергия, запасенная в накопителе, затем будет использована для пуска и разгона электроподвижного состава.