ЭНЕРГОУСТАНОВКА ЭЛЕКТРОВОЗА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С ГИБРИДНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и предназначена для применения на электроподвижном составе с асинхронными тяговыми электродвигателями.
Целью полезной модели является обеспечение возможности накопления электрической энергии, сглаживания графика электрической нагрузки электроподвижного состава, повышение надежности электроснабжения собственных нужд, а также повышение эффективности эксплуатации железнодорожного тягового подвижного состава.
Накопитель электрической энергии реализует функцию хранения электроэнергии. В связи с известными преимуществами и недостатками электрохимических и емкостных накопителей энергии перспективными являются накопители, комбинирующие в себе преимущества указанных устройств в гибридных накопителях. Применение гибридных накопителей электрической энергии в цепи питания тяговых электрических двигателей электровоза позволяет решать задачи выравнивания графика электрической нагрузки и повышения эффективности использования электроэнергии, полученной в результате применения на электроподвижном составе рекуперативного торможения.
Для реализации данных возможностей предложена энергоустановка электровоза с гибридным накопителем электрической энергии.
Известно устройство - система хранения энергии на основе ионистора (ультраконденсатора), содержащая эквивалентное последовательное сопротивление и параллельное сопротивление, позволяющее учесть внутренние потери энергии [1]. Недостатком указанного устройства является высокая емкость ионистора, необходимая для повышения эффективности работы устройства в режимах заряда при поглощении энергии рекуперации.
Наиболее близким к заявленному устройству являются способ управления силовой установкой и устройство для его реализации, а также энергоустановка локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии [2, 3] и устройство с гибридным накопителем электроэнергии, размещаемое на посту секционирования постоянного тока [4]. В устройствах [2, 3] подключение накопителя электроэнергии к электрическим тяговым двигателям осуществляется с помощью соединенного со звеном постоянного напряжения преобразователя, дополнительную тяговую выпрямительную установку, тяговые трехфазные преобразователи, в устройстве [4] - через преобразователи, подключенные к шинам поста секционирования постоянного тока.
Недостатками указанных устройств являются: отсутствие контроля над режимом работы тяговых электродвигателей и вспомогательных машин собственных нужд электроподвижного состава при управлении работой гибридного накопителя в различных режимах работы; отсутствие управления режимами накопителя в зависимости от скорости изменения тяговой и бортовой вспомогательной нагрузки электроподвижного состава.
Технический результат, достигается за счет:
1) появления возможности перевода в режим управляемого заряда и разряда гибридного накопителя в зависимости от уровня напряжения на двигателях электроподвижного состава, скорости изменения мощности тяговых электродвигателей и мощности собственных нужд, мощности, передаваемой в тяговую сеть, отдельно для электрохимического и емкостного модуля накопителя электроэнергии;
2) появления возможности управления направлением мощности накопителя в режиме разряда на собственные нужды электроподвижного состава или суммарную нагрузку совместно с нагрузкой тяговых электродвигателей.
Заявленные результаты достигаются за счет использования гибридного накопителя энергии, подключенного с использованием двух преобразователей постоянного/постоянного напряжения к звену постоянного тока силовой цепи питания собственных нужд и управляемых вентилей, подключенных к главной плюс-шине питания тяговых электрических двигателей.
Структурная и электрическая схемы предлагаемого устройства представлены на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно. Тяговый трансформатор 5 напряжением 25 кВ подключается к контактной сети через токоприемник 1 и выключатель 4. Через выпрямитель с импульсной модуляцией, подключенный ко вторичной обмотке тягового трансформатора, выполненный в виде двух параллельных мостов 6, питание подается на главную плюс-шину звена постоянного тока, к которому подключены тяговые преобразователи постоянно-переменного напряжения 16 и 18, выходы которых подключаются соответственно к асинхронным тяговым электродвигателям переменного тока (ТЭД) 23 и асинхронным электродвигателям системы собственных нужд (СН) 24 соответственно. При питании от контактной сети напряжением 3,3 кВ питание на звено постоянного тока поступает через токоприемник 1 и выключатель 2, через дроссель сетевого фильтра 3. Величина напряжения в звене постоянного тока измеряется датчиком напряжения 7, передающим сигнал измерения к блоку управления 21. В качестве вентилей для подключения накопителя электроэнергии в цепь введены IGBT-модули 8 и 9, обеспечивающие режим заряда и разряда накопителя электроэнергии на ТЭД и электродвигатели СН.
Гибридный накопитель энергии подключается через два преобразователя 10 и 13 для емкостного и электрохимического модуля накопителя электроэнергии соответственно. Уровень заряда электрохимического 11 и емкостного модулей 14 осуществляется с использованием датчиков напряжения 12 и 15.
Режим заряда накопителя реализуется при следующих условиях. При повышении напряжения на звене постоянного тока (измерение реализуется при помощи датчика 12) анализируется уровень нагрузки ТЭД, измеренной при помощи трансформаторов тока 17. В тяговом режиме (направление протекания тока к ТЭД) при уровне тока в силовой цепи выше уровня уставки заряд с использованием преобразователей 10 и 13 не реализуется. Включение преобразователей в режим заряда осуществляется при достижении двух условий - снижения тока ниже уровня уставки и скорости увеличения нагрузки в силовой цепи ниже заданной блоком управления 21. Включение накопителя в режим заряда осуществляется путем подачи положительного потенциала управления на вентиль 8. Регулирование тока заряда выполняется отдельно в цепях электрохимического и емкостного накопителя. В генераторном режиме работы ТЭД осуществляется заряд обоих модулей гибридного накопителя. Измерение направления тока и скорости изменения, уровня напряжения реализуется в блоке управления 21. Измерения тока и напряжения осуществляются с использованием трансформаторов тока 17 ТЭД и 20 СН и измерительного трансформатора напряжения СН 19. При создании необходимых условий преобразователи 10 и 13 обеспечивают заряд обоих модулей накопителя. Заряд прекращается при достижении максимального уровня заряда каждым модулем по отдельности. Выключатель 22 предназначен для резервной подачи напряжения от звена постоянного тока на собственные нужды в случае отказа работы вентилей 8 и 9 или блока управления 21.
Режим разряда реализуется при условии превышении напряжения на модулях гибридного накопителя выше минимально допустимого. Режим разряда реализуется при заданных значениях тяговой нагрузки и снижении напряжения на звене постоянного тока. С целью использования запасенной энергии накопителем на борту электроподвижного состава для питания СН обеспечивается отключение накопителя от цепи питания ТЭД закрытием вентиля 9 путем снятия положительного потенциала управления с IGBT-модуля для последующего подключения накопителя. Разряд накопителя в тяговую сеть выполняется при условии заряженности модулей накопителя, достижении критического уровня тяговой нагрузки и напряжения на звене постоянного тока. При отключенных вентиля 8 и 9 разряд накопителя осуществляется на асинхронные двигатели системы СН 24 при снижении уровня напряжения на звене постоянного тока до заданного уровня. Работа преобразователей 10 и 13 осуществляется в соответствии с характеристиками электрохимического и емкостного модулей. При достижении максимального напряжения на гибридном накопителе устройство переходит в режим ожидания либо в режим разряда в зависимости от режима работы электроподвижного состава и значений энергетических показателей.
Библиографический список
1. Титова, Т.С. Повышение энергетической эффективности локомотивов с накопителями энергии [Текст] / Т.С. Титова, А.М. Евстафьев, // Известия ПГУПС / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - Санкт-Петербург.- 2017. - 2. - С. 200-211.
2. Пат.2419563 Российской Федерации, МПК B60W 10/04 (2006.01), B60L 11/02 (2006.01). Способ управления силовой установкой и устройство для его реализации [Текст] / Е.Е. Косов, С.О. Никипелый; Заявитель и патентообладатель МИИТ. - №2009144792; заявл. 03.12.2009; опубл. 27.05.2011 бюл. №15. - 6 с.: 4 ил.
3. Пат.117119 Российской Федерации, МПК B60L 11/12 (2006.01). Энергоустановка локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии [Текст] / В.Н. Малахов, А.А. Сачков, Д.В. Попов; Заявитель и патентообладатель ООО «Центр инновационного развития Синара - Транспортные машины». - №2011135391; заявл. 24.08.2011; опубл. 20.06.2012 бюл. №17. - 8 с.: 4 ил.
4. Пат. 182 831 Российской Федерации, МПК В60М 3/00 (2006.01) H02J 1/00(2006.01). Пост секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии [Текст] / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, А. П. Шатохин; Заявитель и патентообладатель: ОмГУПС(ОмИИТ). - 2017144925, заявл. 20.12.2017; опубл.: 04.09.2018, бюл. №25. - 6 с.: 2 ил.