Преобразовательная система электроснабжения собственных нужд газотурбовоза
CONVERSION SYSTEM FOR AUXILIARY POWER SUPPLY OF GAS TURBINE LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию напряжения постоянного тока выпрямителя газотурбовоза, изменяющегося по величине, в стабилизированное, гальванически развязанное напряжение для питания вспомогательных нагрузок (преобразователей, питающих асинхронные двигатели привода вентиляторов, компрессоров, насосов), бортовой сети и заряда аккумуляторных батарей.
Из уровня техники известен силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения по патенту РФ №72181 с датой приоритета 08.11.2007, содержащий каркас со съемными передним и задним щитами, левой боковой стенкой и правой боковой стенкой с разъемами для подключения входных цепей управления, установленные между ними вдоль направления воздушного потока группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого каналов преобразования электрической энергии, блоки управления каналами преобразования с элементами защиты каждого канала.
Из описания полезной модели «Газотурбинная установка локомотива» по патенту РФ84314 с датой приоритета от 18.12.2008 известно выполнение данной установки с тяговым генератором, к которому через преобразователи напряжения подключена бортовая сеть локомотива или через преобразователи напряжения подключены электрические двигатели вспомогательных агрегатов локомотива.
Недостатками вышеуказанных технических решений являются отсутствие стабилизации напряжения после выпрямителя на разных позициях контроллера машиниста при питании его от вспомогательного генератора.
Известен трехфазный преобразователь частоты и напряжения для тепловоза по патенту РФ №91696 с датой приоритета от 10.09.2009, содержащий шкаф с первой камерой, в которой размещен комплект элементов силовой части преобразователя, и второй камерой, в которой размещен комплект элементов управляющей части преобразователя, комплект элементов управляющей части снабжен микропроцессорным устройством, камеры снабжены основанием, при этом шкаф выполнен с отверстиями для ввода/вывода силовых кабелей и для выхода охлаждающего воздуха и снабжен правой боковой стенкой и левой боковой стенкой, на которой размещены внешние разъемные соединения.
Недостатком данного технического решения является сравнительно узкий диапазон входного напряжения.
Известна полезная модель «Система преобразования напряжения» по патенту РФ №45560 с датой приоритета 03.07.2004 г., включающая преобразовательный блок, блок управления и внутренний контур охлаждения с охлаждающей жидкостью, контур воздушного охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости во внутреннем контуре охлаждения использована незамерзающая жидкость.
Недостатком данного технического решения является отсутствие диагностики по неисправностям системы.
Наиболее близким техническим решением к заявленной системе является преобразователь напряжения для обеспечения электропитанием вспомогательных систем вагона пассажирского поезда по патенту РФ №2432268 с датой приоритета от 04.02.2010 г., содержащий корпус с модулем фильтрации и, по меньшей мере, один модуль преобразования напряжения. При этом модуль фильтрации выполнен с возможностью устранения импульсных электрических помех и высокочастотных электрических помех, защиты от перенапряжения с получением на выходе стабилизированного напряжения 110 Вольт.
Недостатками являются функциональная ограниченность ввиду формирования только одного канала для обеспечения бесперебойным электрическим питанием вспомогательных средств транспортного средства, а также узкий диапазон входного напряжения.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение функциональных возможностей газотурбовоза независимо от позиций контроллера машиниста, формирование стабильного постоянного напряжения электроснабжения собственных нужд газотурбовоза.
Техническими результатами изобретения являются бесперебойное электропитание вспомогательного оборудования, бортовой сети и заряда аккумуляторных батарей с обеспечением регулирования тока заряда за счет резервирования канала питания вспомогательных нагрузок газотурбовоза и канала заряда аккумуляторной батареи, обеспечение точности поддержания выходного напряжения преобразовательной системы.
Дополнительными техническими результатами являются повышение безопасности за счет обеспечения защиты от недопустимого повышения выходного и входного тока, от внешних и внутренних коротких замыканий, от перегрева полупроводниковых приборов, от несанкционированного доступа при поданном напряжении питания.
Технические результаты достигаются тем, что предложена преобразовательная система электроснабжения собственных нужд газотурбовоза, содержащая, по меньшей мере, два входа питания постоянным напряжением в диапазоне 50-900 В, по меньшей мере, две параллельные ветви преобразования напряжения входного питания, причем каждая параллельная ветвь включает n-число конверторов соответственно, а также n-число блоков гальванической развязки соответственно. Объединенные выходы всех блоков гальванической развязки являются выходом для питания сети вспомогательных нагрузок газотурбовоза, выходом для заряда аккумуляторной батареи 480 В газотурбовоза через датчик тока, а также являются входом, по меньшей мере, для двух импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой. Объединенные выходы всех импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой являются выходом для питания цепей управления, освещения и заряда аккумуляторной батареи 110 В.
Каждый конвертор и блок гальванической развязки содержит программное обеспечение, позволяющее выполнять выравнивание нагрузок между ними, как внутри ветви, так и между ветвями. Кроме того, конвертор и блок гальванической развязки имеют охлаждение, например воздушное с замкнутым жидкостным контуром.
В преобразовательной системе также содержится блок управления, имеющий кодовую линию связи с системой управления газотурбовозом, для получения команд на включение/отключение преобразовательной системы и отдельных частей, а также для задания уставок (необходимые величины выходных параметров), диагностики и информационного обмена. Кроме того, блок управления имеет кодовую линию связи с конверторами, блоками гальванической развязки, импульсными преобразователями постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой, датчиком тока, регистратор данных, блок управления контакторами.
Дополнительно преобразовательная система может содержать блок управления контакторами газотурбовоза и в случае аварии можно отключить преобразовательную систему от питания газотурбовоза. Кроме того, система может содержать регистратор данных, снабженный энергонезависимой памятью, для регистрации параметров работоспособности системы в целом, диагностики и отказов.
Преобразовательная система обеспечивает:
- преобразование напряжения постоянного тока, изменяющегося по величине в диапазоне 50...900 В в стабилизированное, гальванически развязанное напряжение постоянного тока 420…570 В;
- заряд аккумуляторной батареи 480 В с обеспечением регулируемого тока заряда;
- преобразование напряжения постоянного тока 420…570 В или напряжения от аккумуляторной батареи 480 В в стабилизированное, гальванически развязанное напряжение питания бортовой сети газотурбовоза;
- взаимодействие с системой управления газотурбовоза по каналу кодовой связи.
Структурная схема преобразовательной системы электроснабжения собственных нужд газотурбовоза представлена на фиг. 1.
Преобразовательная система электроснабжения собственных нужд газотурбовоза располагается в машинном отделении газотурбовоза.
Преобразовательная система 1 содержит, по меньшей мере, два входа питания 2 постоянным напряжением в диапазоне 50-900В, по меньшей мере, две параллельные ветви 3 и 4 преобразования напряжения входного питания, причем каждая параллельная ветвь 3, 4 преобразования напряжения входного питания включает n-число конверторов 5 и 6 соответственно, а также n-число блоков гальванической развязки 7 и 8 соответственно. Каждый конвертор 5, 6 и блок гальванической развязки 7, 8 содержит программное обеспечение, позволяющее выполнять выравнивание нагрузок между ними, как внутри ветви, так и между ветвями 3, 4.
Объединенные выходы всех блоков гальванической развязки 7, 8 являются выходом для питания сети вспомогательных нагрузок газотурбовоза, а также выходом для заряда аккумуляторной батареи 480 В газотурбовоза через датчик тока 9, кроме того, являются входом, по меньшей мере, для двух импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой 10, 11. Объединенные выходы 12 всех импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой 10, 11 являются выходом для питания цепей управления, освещения и заряда аккумуляторной батареи 110 В.
В преобразовательной системе 1 также содержится блок управления 13, имеющий кодовую линию связи с системой управления 14 газотурбовозом для получения команд на включение/отключение преобразовательной системы 1 и отдельных частей системы, а также для задания уставок (необходимые величины выходных параметров), диагностики и информационного обмена. Кроме того, блок управления 13 имеет кодовую линию связи с конверторами 5, 6, блоками гальванической развязки 7, 8, импульсными преобразователями постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой 10, 11, датчиком тока 9, регистратором данных 15, блоком управления контакторами 16.
Преобразовательная система работает следующим образом.
Перед началом работы преобразовательной системы 1 подается низковольтное напряжение питания 110 В на выходы двух импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа 10, 11. После подачи низковольтного напряжения проводится самодиагностика и передается диагностический массив состояния аппаратуры системы 1 в блок управления 13. Для сбора диагностической информации в преобразовательной системе 1 служит регистратор данных 16. При срабатывании защиты блок управления 13 отключает преобразовательную систему 1 и передает диагностическое сообщение в систему управления 14.
При положительном завершении самодиагностики подается команда из блока управления 13 в блок управления контакторами 16, который осуществляет включение коммутационных аппаратов газотурбовоза, обеспечивающих подключение преобразовательной системы 1 к питающему напряжению для начала ее работы.
Работа преобразовательной системы 1 заключается в преобразовании напряжения постоянного тока в диапазоне от 50 до 900 В в стабилизированное напряжение постоянного тока.
Напряжение постоянного тока в диапазоне значений от 50 до 900 В поступает на входы конверторов 5, 6, которые обеспечивают повышение входного напряжения до требуемого уровня либо его транслирование без изменения. Напряжение с выходов конверторов 5, 6 поступает на входы блока гальванической развязки 7, 8 соответственно, на объединенных выходах которых формируется гальванически развязанное от входа напряжение постоянного тока в диапазоне 420…570 В, уровень которого зависит от заданных системой управления 14 газотурбовоза значений тока и напряжения заряда, а также уровня заряженности аккумуляторной батареи 480 В. Напряжение с объединенных выходов 12 блоков гальванической развязки 7, 8 поступает в сеть вспомогательных нагрузок газотурбовоза, цепи заряда аккумуляторной батареи 480 В, также поступает на вход импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой 10, 11, на объединенных выходах которых формируется гальванически развязанное от входа пониженное стабилизированное напряжение постоянного тока, предназначенное для электропитания цепей управления, освещения и заряда аккумуляторной батареи 110 В газотурбовоза.
При неисправностях преобразовательная система работает следующим образом. При одной возможной неисправности в параллельной ветви преобразования напряжения входного питания 3 или 4 оставшейся ветви достаточно, чтобы преобразовательная система обеспечила электропитание выходных каналов в полном объеме.
При одной возможной неисправности одного из импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой 10, 11 оставшегося преобразователя 10 или 11 достаточно, чтобы преобразовательная система 1 обеспечила электропитание цепей управления, освещения и заряда аккумуляторной батареи 110 В газотурбовоза в полном объеме.
Таким образом, преобразовательная система, по меньшей мере, с двумя входами питания постоянным напряжением в диапазоне 50-900 В, с двумя параллельными ветвями преобразования напряжения входного питания, причем каждая параллельная ветвь включает n-число конверторов и n-число блоков гальванической развязки и при наличии, по меньшей мере, двух импульсных преобразователей постоянного напряжения понижающего типа с гальванической развязкой, при одной возможной неисправности обеспечивает бесперебойное электропитание вспомогательного оборудования, бортовой сети и заряда аккумуляторных батарей с обеспечением регулирования тока заряда за счет резервирования канала питания вспомогательных нагрузок газотурбовоза и канала заряда аккумуляторной батареи, обеспечения точности поддержания выходного напряжения преобразовательной системы. При этом повышается безопасность эксплуатации преобразовательной системы за счет обеспечения защиты от недопустимого повышения выходного и входного тока, от внешних и внутренних коротких замыканий, от перегрева полупроводниковых приборов, от несанкционированного доступа при поданном напряжении питания.