УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области железнодорожной электроэнергетике, а именно к устройствам питания вспомогательных низковольтных цепей электровозов переменного тока с резервированием основного источника питания аккумуляторной батареей, которая работает в режиме заряд-разряд.
Известно устройство питания вспомогательных цепей электровоза переменного тока, реализованное в виде шкафа питания ШП-21 [шкаф питания ШП-21, руководство по эксплуатации ИДМБ. 661 142. 004 РЭ5, прототип]. Известное устройство содержит силовой понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к входу питающего напряжения 380 В, а вторичные обмотки подключены к входам неуправляемого выпрямителя и управляемого выпрямителя. Выходы указанных выпрямителей соединены последовательно и подключены к выходным шинам (шинам основного питания) шкафа, к которым подключается нагрузка. Выход неуправляемого выпрямителя подключен также к обмотке контактора. Первый вывод нормально замкнутого контакта указанного контактора через предохранитель соединен со вторым выходом (выходом резервного питания) шкафа, к которому подключается плюсовой вывод аккумуляторной батареи. Второй вывод контактов подключен к выходной шине основного питания шкафа и к катоду первого тиристора, анод которого соединен с шиной резервного питания и катодом второго тиристора. Анод указанного второго тиристора подключен через датчик тока к шине основного питания, а управляющий электрод - к выходу блока регулирования тока с ограничением по напряжению. Первый вход блока регулирования тока соединен с выходом датчика тока, а второй подключен к шине резервного питания шкафа. Шина основного питания подключена к первому входу блока регулирования напряжения, вторые входы которого соединены с вторичной обмоткой трансформатора, а выход подключен к управляющему входу управляемого выпрямителя.
Недостатком известного устройства является низкий к.п.д. и большие пульсации выходного напряжения, обусловленные тиристорным фазовым регулированием. Кроме того, силовой трансформатор промышленной частоты имеет большие габариты и стоимость. При переключении питания нагрузки с аккумуляторной батареи на сеть переменного тока и обратно на нагрузке наблюдаются провалы напряжения большой длительности, что нарушает работу подключаемых к устройству в качестве нагрузки вспомогательных цепей электровоза. Кроме того, в известном устройстве применены транзисторные регуляторы токов и напряжений на дискретных элементах, обладающих большим разбросом параметров, что приводит к сложности и взаимозависимости регулировок напряжений и токов в процессе эксплуатации. Отсутствие узла контроля предохранителей, также является неудобством при эксплуатации.
Задачей полезной модели является снижение энергопотребления, повышение качества напряжения, снижение стоимости, повышение надежности функционирования и удобства обслуживания устройства.
Технический результат полезной модели - построение устройства питания вспомогательных цепей электровоза переменного тока с применением программно управляемых высокочастотных преобразователей напряжения, выполненных на базе современной микроэлектронной техники.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство питания вспомогательных цепей электровоза переменного тока, содержащее выпрямитель, контактор, нормально замкнутые контакта которого включены параллельно тиристору, катод которого подключен к связанной с первым выходом устройства шине основного питающего напряжения, а анод - к шине резервного питающего напряжения, связанной через предохранители со вторым выходом, связанным с источником резервного питания, согласно полезной модели, содержит зарядный модуль, силовой модуль и микропроцессорный блок управления, входы указанных силового модуля и зарядного модуля связаны с выходом выпрямителя, выход силового модуля связан с шиной основного питающего напряжения, выход зарядного модуля подключен к аноду указанного тиристора, управляющие входы/выходы силового и зарядного модулей соединены соответственно с первыми и вторыми входами/выходами микропроцессорного блока управления, к третьему выходу которого подключен управляющий электрод указанного тиристора, а к четвертому - обмотка управления контактора.
Кроме того, устройство дополнительно включает узел контроля предохранителей, подключенный параллельно к указанным предохранителям.
Поставленная задача решается также тем, что силовой и зарядный модули выполнены как высокочастотные преобразователи постоянного напряжения на базе IGBT модулей.
Конструктивно устройство питания вспомогательных цепей электровоза переменного тока, согласно полезной модели, выполнено в виде напольного шкафа питания.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, согласно полезной модели, на фиг.2 - общий вид шкафа питания, включающего устройство, согласно полезной модели, вид спереди.
Устройство согласно полезной модели содержит выпрямитель 1, выход которого подключен к входам силового модуля 2 и зарядного модуля 3. Выход силового модуля 1 подключен к выходной шине основного питания, выход зарядного модуля через предохранители 4 подключен к шине резервного питания («+GB»). Управляющие входы- выходы силового модуля 2 и зарядного модуля 3 связаны с соответствующими первым и вторым входами - выходами микропроцессорного блока 5 управления. Третий выход микропроцессорного блока 5 управления связан с управляющим электродом тиристора 6, подключенного катодом к выходу силового модуля 2, а анодом - к выходу зарядного модуля 3. Четвертый и пятый выходы микропроцессорного блока 5 управления подключены к обмотке контактора 7, нормально замкнутые контакты 8 которого включены между выходами силового модуля 2 и зарядного модуля 3. К предохранителям 4 подключен узел 9 контроля предохранителей.
Силовой модуль 2 и зарядный модуль 3 являются высокочастотными преобразователями постоянного напряжения на базе IGBT модулей, с обратной связью (со стабилизацией) по напряжению и по току, соответственно.
Микропроцессорный блок 5 управления представляет собой микропроцессорный блок, работающей по специально разработанной программе. Программное обеспечение: управляющая программа, записанная во внутренней памяти микропроцессора TMS320LF2406ZPA.
Устройство согласно полезной модели работает следующим образом.
В основном режиме работы при наличии на входе выпрямителя 1 напряжения основной питающей сети ~380 В на его выходе формируется постоянное напряжение 540 В. Это напряжение поступает на входы силового 2 и зарядного 3 модулей, которые являясь высокочастотными преобразователями напряжения, формируют на своих выходах стабилизированное напряжение питания нагрузки 50 В, поступающее на выход основного питания («Выход I») и зарядный ток до 31,5 А, поступающий на второй выход устройства и к источнику резервного питания («+GB»), соответственно. При этом контактор 7 включен и его нормально замкнутые контакты 8 разомкнуты.
В этом режиме микропроцессорный блок 5 управления в соответствии с заданной программой контролирует напряжение на основном выходе устройства («Выход I») и зарядный ток на выходе резервного питания («+GB»), управляя транзисторами соответствующих модулей для поддержания этих параметров в требуемых пределах. Нагрузка питается от сетевого напряжения, а источник резервного питания (аккумуляторная батарея, не показана) заряжается до требуемой величины напряжения от зарядного модуля 3 до номинального напряжения, которое по величине - чуть выше требуемого напряжения на выходе устройства. При этом источник резервного питания (аккумуляторная батарея, не показана) отключен от основного выхода устройства (от нагрузки) запертым тиристором 6 и разомкнутыми контактами 8 контактора 7.
При пропадании напряжения питающей сети напряжение на выходе силового модуля 2 с датчика напряжения (не показан) силового модуля 2 в микропроцессорный блок 5 управления поступает соответствующий сигнал, в результате чего в микропроцессорном блоке 5 управления в соответствии с заложенными программами вырабатывается сигнал на выключение контактора 7. Контактор 7 обесточивается, и разомкнутые контакты 8 начинают замыкаться. Одновременно с пропаданием сетевого напряжения по заднему фронту сигнала с датчика напряжения силового модуля 2 на выходе блока 5 управления появляется импульс длительностью большей, чем время срабатывания контактора 7. Этот импульс, проходя через узел запуска (не показан) тиристора 6, поступает на его управляющий электрод. Тиристор 6 включается, подключая шину резервного питания и соответственно аккумуляторную батарею к основному выходу устройства, то есть к нагрузке. При окончательном срабатывании контактор 7 шунтирует контактами 8 тиристор 6, импульс управления заканчивается, тиристор 6 выключается. Тиристор 6 подготовлен к переходу в режим питания нагрузки от сети. Таким образом, нагрузка через контакты 8 контактора 7 подключается к источнику резервного питания (аккумулятору) до появления напряжения основной питающей сети.
При появлении напряжения основной питающей сети микропроцессорный блок 5 управления включает зарядный модуль 3, который начинает заряжать аккумуляторную батарею, работающую сначала в буферном режиме, получая заряд от зарядного модуля 3 и одновременно отдавая напряжение в нагрузку. При этом напряжение на выходе резервного питания («+GB») устройства начинает увеличиваться. По достижению величины этого напряжения до заданного значения напряжения на нагрузке, микропроцессорный блок 5 управления одновременно включает силовой модуль 2 и контактор 7. Моменты включения установлены в блоке 5 управления таким образом, чтобы контакты 8 размыкались при напряжении на выходе силового модуля 2, равном заданному напряжению нагрузки 50 В.
Переключение устройства из режима питания нагрузки от источника резервного питания (аккумулятора) в режим питания от сети происходит при напряжении аккумулятора, равному заданному выходному напряжению силового модуля 2, что исключает появление провалов напряжения на нагрузке и при этом предотвращает протекание в аккумулятор зарядного тока. Последнее обстоятельство очень важно, так как величина зарядного тока при разряженном аккумуляторе может превысить аварийный ток нагрузки и привести к полному отключению устройства и соответственно невозможности его штатной работы при появлении сетевого напряжения.
В режиме питания нагрузки от аккумуляторной батареи обмотка контактора 7 обесточена и не потребляет ток от аккумулятора, что позволяет последнему через замкнутые контакты 8 контактора 7 разряжаться до напряжения меньшего минимального напряжения разряда. Это позволяет в экстренных случаях использовать имеющийся источник резервного питания в таком качестве для питания нагрузки.
Узел 9 контроля предохранителей контролирует величину напряжения на зажимах предохранителей 4 как в режиме заряда, так и в режиме разряда аккумуляторной батареи, что позволяет оперативно контролировать их исправность.
В отличие от известного устройства, устройство, согласно полезной модели за счет применения преобразования энергии с помощью транзисторных ключей в силовом и зарядном модулях позволило отказаться от применения громоздкого и дорогостоящего силового трансформатора, что повысило к.п.д. устройства, уменьшило его габариты вес и стоимость.
Работа силового и зарядного модулей на повышенной частоте преобразования напряжения позволила понизить уровень пульсаций выходного напряжения.
Применение микропроцессорного блока управления с использованием интегральных микросхем позволило отказаться от регулировочных резисторов и повысило удобство эксплуатации. Наличие узла контроля предохранителей, индицирующего неисправность предохранителей, соответствующим светодиодом также повысило удобство эксплуатации, надежность, ремонтопригодность устройства.
Устройство согласно полезной модели конструктивно выполнено в виде предназначенного для установки и эксплуатации внутри электровоза переменного тока напольного шкафа питания, представляющего собой металлическую конструкцию. Общий вид (вид спереди) указанного шкафа питания представлен на фиг.2., где показано расположение его основных элементов.
Шкаф питания 10 в своей верхней части включает съемную лицевую панель 11 управления, на которой расположены индикатор 12 напряжения на основном выходе устройства «Выход I», индикатор 13 тока на выходе устройства «+GB», индикаторы 14 узла 9 контроля предохранителей 4. На второй лицевой панели 15 расположены переключатели 16 подключения нагрузки и источника резервного питания, а также предохранители 4.
В нижней части шкафа, закрываемой металлической крышкой 17, расположены силовой модуль 2, зарядный модуль 3, блок 5 управления, выполненные в виде вставных блоков.
Разработанный заявителем на базе данной полезной модели шкаф питания ШП-3МП электровоза переменного тока используется для питания цепей управления, освещения, сигнализации, радиостанции, заряда аккумуляторной батареи и питания электроплитки. Габаритные размеры шкафа 715×1315×66 мм. Масса шкафа питания не более 190 кг.
По сравнению с прототипом при аналогичных по току и напряжению выходных параметрах, применение устройства, согласно полезной модели, позволило примерно в 1, 3 раза уменьшить потребляемую мощность, значимо снижены пульсации выходного напряжения, вес шкафа питания уменьшен в 2 раза.