СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ В НАКОПИТЕЛЬНУЮ УСТАНОВКУ ВАГОНА
METHOD OF ELECTRIC POWER RECOVERY IN RAILWAY CAR STORAGE UNIT

Изобретение относится к области сбережения электрической энергии на рельсовом транспорте и, в частности, на метрополитенах.
Циклограмма движения поезда состоит из трех этапов: разгон (потребление электрической энергии из сети) - выбег (пассивный этап) - торможение. При торможении вся кинетическая энергия поезда преобразуется тяговыми электродвигателями, перешедшими в генераторный режим, в тепло, выделяемое на тормозных реостатах поезда, т.е. вся энергия не только безвозвратно теряется, но и дополнительно повышается температура на пассажирских станциях, что ухудшает микроклимат в метрополитене.
В России в течение ряда лет велись работы по различным вариантам рекуперации электроэнергии при торможении поездов метрополитена, однако эта задача не решена, т.к. система тягового электроснабжения (СТЭ) не оборудована устройствами приема энергии рекуперации.
С появлением мощных емкостных накопителей (конденсаторов и аккумуляторов) работы по рекуперации энергии торможения активизировались. Так, например, известно "Устройство для электрического торможения тяговых электродвигателей вагонов метрополитена" (RU1 2302951 C1, B60L 7/00, 06.04.2006 г.), рассматриваемое как прототип. В прототипе заряд двух групп накопителей производится через ступени тормозного резистора.
Недостатком известного устройства является использование ступеней тормозного резистора для заряда накопителя. Если раньше вся энергия торможения переходила в тепло, выделяемое на тормозном резисторе, то в прототипе на тормозном резисторе в виде тепла выделяется по-прежнему значительная часть энергии торможения.
Целью изобретения является повышение экономической эффективности эксплуатации вагона за счет исключения из работы тормозного резистора полностью. Кроме того, вследствие отсутствия выделяемого тепла происходит улучшение микроклимата метрополитена, а также появляется возможность вывода состава с пассажирами из туннеля к пассажирской платформе при аварийном отключении питающего напряжения.
Указанная цель достигается тем, что устройство рекуперации электрической энергии состоит только из реактивных элементов и электронных силовых ключей.
Предлагаемое устройство состоит из электродвигателей, заряжающих в режиме торможения емкостной накопитель через включенные последовательно повышающий и понижающий импульсные источники напряжения постоянного тока, при этом в качестве промежуточных накопителей энергии используются штатные индуктивные шунты силового оборудования вагона.
Н
1
2
Э
Н
На чертеже приведена эквивалентная электрическая схема устройства, на которой показаны: контактная сеть КС, токоприемник ТК, контактор К, линейный контактор ЛК, тяговые электродвигатели Д, индуктивные шунты ИШ1 и ИШ2 (на схеме не показаны дополнительные коммутирующие элементы, подключающие индуктивные шунты), датчики тока ДТ1 и ДТ2, датчики напряжения ДН1 и ДН2, силовые полупроводниковые приборы - ключи VT1 и VT2 (в качестве которых могут использоваться силовые транзисторы или тиристоры), силовые полупроводниковые диоды VД1 и VД2, емкостной накопитель С, ток электродвигателей i, ток заряда/разряда накопителя i, система управления СУ, авторежимное устройство АУ. Параллельные группы двух включенных последовательно электродвигателей Д (представлены величиной 2Е) с эквивалентной индуктивностью L (якорные обмотки, обмотки возбуждения и дополнительных полюсов) в режиме торможения подключены к повышающему импульсному источнику напряжения 2, который в свою очередь подключен через силовой полупроводниковый ключ VT2 к понижающему импульсному источнику напряжения 3, а накопитель С является общей нагрузкой всех каскадов 1, 2, и 3. Система управления СУ обеспечивает измерение значений тока в тормозном контуре электродвигателей и значений тока и напряжения накопителя и коммутацию силовых ключей.
Т
0
1
а
2
Н
Н
Н
Э
1
ТОРМ
1
ТОРМ
Устройство работает следующим образом. Для обеспечения момента торможения М, гарантирующего требуемую динамику торможения с заданной величиной отрицательного ускорения, величина тока торможения поддерживается СУ в соответствии с уставками штатного авторежимного устройства. Перед началом торможения на зажимах электродвигателей имеется малая величина э.д.с. 2Е (вследствие отсутствия возбуждения). При открывании ключа VT1 ток i достаточно быстро возрастает и, следовательно, быстро увеличивается величина 2Е. Энергия магнитного поля накапливается в штатном индуктивном шунте ИШ1. При закрывании ключа VT1 потенциал точки "а" - φ резко возрастает и при открывании ключа VT2 через индуктивный шунт ИШ2 потечет ток i, заряжая накопитель С. При закрывании ключа VT2 и открывании VT1 заряд С проходит по цепи ИШ2→С→VД→ИШ2 за счет накопленной энергии в индуктивном шунте ИШ2, а по цепи 2Е→ИШ1→VT1→L происходит накопление энергии торможения в ИШ1 при токе i≈I (ток в тормозном резисторе при отсутствии накопителя). Тем самым обеспечивается непрерывность преобразования кинетической энергии торможения вагона в электромагнитную энергию и электрическую энергию накопителя. Система управления СУ по сигналам датчика тока ДТ1 и ДН1 обеспечивает среднее значение тока i≈I, управляя коммутацией ключей VT1 и VT2.
Н
Заряд накопителя С прекращается по достижении напряжения на нем заданного уровня, контролируемого датчиком напряжения ДН2.
Н
Н
Энергия, запасенная в накопителе, затем будет использована для пуска и разгона поезда по цепи С→VД2→ЛК→Д→С. При этом контактор К (вновь вводимый) при торможении вагона и в начале пуска и разгона находится в отключенном состоянии. Включение контактора К во время разгона происходит по команде СУ от ДН2 и ДН1. Если в процессе заряда накопителя напряжение заряда не достигает заданного уровня по какой-либо причине, то при пуске вагона контактор К автоматически замыкается вместе с линейным контактором ЛК, и электрооборудование вагона переходит в тяговый режим работы вагона.