Система автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов
AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM FOR PASSENGER RAIL CARS

Назначение
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов подвижного состава, а также для автономного электроснабжения различных подвижных объектов.
Уровень техники
В настоящее время известно использование различных систем автономного электроснабжения (САЭ):
• на железнодорожном транспорте в виде генерирования электрической энергии подвагонным генератором подвижного состава с приводом вращения его ротора от оси колесной пары подвижного вагона для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при снижений скорости движения вагона до начальной нижней скорости (см. патент, РФ, №2334348);
• в системах электроснабжения, когда солнечная энергия преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной или полностью отсутствии солнечной энергии (см. патент, РФ, №2488911);
• в системах электроснабжения, когда генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от энергии ветра, для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной скорости ветра или его отсутствии (см. патенты, РФ, №2346182, №40769)
• в других системах, использующих, например, парогенераторы, гидрогенераторы и т.д., то есть там где генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от формирователя кинетической энергии вращения.
При создании современных автономных систем электроснабжения сегодня, среди прочих, ставится задача по увеличению их надежности, срока активного существования и повышению энергетических показателей. Особое место занимает железнодорожный транспорт, у которого к подвагонным генераторам требование по сроку активного существования превышает 30 лет (требования на сегодня - средний полный срок службы до списания должен быть не менее 40 лет), при этом для вагонов Подвижного состава требуются значительные мощности системы питания, превышающие 35 кВА. Поэтому на железнодорожном транспорте из вышеперечисленных способов и устройств автономного электроснабжения наиболее рациональным является использование генератора с приводом от оси колесной пары подвижного вагона и с размещением данного генератора под вагоном в имеющемся объемном пространстве.
Практически на сегодня используют подвагонные генераторы с обмотками возбуждения между статорами, с помощью которой обеспечивают стабилизацию выходных напряжений генератора. Так, например, в патенте РФ, №2334348 ("Подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона") в качестве генератора используют подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 исполнения индукторного, двухпакетного, трехфазного, реверсивного (см. патент, РФ, №2729913), который обеспечивает требуемую мощность в системе электроснабжения для вагона, и имеет следующие паспортные характеристики:
Недостатками системы электроснабжения с использованием подобных генераторов с обмотками возбуждения между статорами является невысокие показатели по удельной мощности (в соответствии с приведенными характеристиками (1) удельная мощность Руд = мощность/массу ≈ 48,6 Вт/кг) и эффективности работы, обусловленные тем, что требуется высокая начальная скорость движения вагона, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи (начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч), а также невысокий коэффициент полезного действия, определяемый, преимущественно, подвагонным генератором.
Известный патент, РФ, №2266829 ("Комплект электрооборудования пассажирского вагона") также имеют данный недостаток в виде высокой начальной скорости движения вагона при которой начинается заряд аккумуляторной батареи (Vнач = 30-35 км/ч). Это означает, что в нем используют генератор с обмотками возбуждения между статорами.
Известен способ автономного электроснабжения подвижного вагона (см. патент, РФ, №2729913), устройство (пример структурной схемы) которого является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.
Данное устройство прототипа включает в себя генератор, аппаратуру преобразования напряжения и формирования зарядного тока, аккумуляторную батарею, механический привод, формирователь кинетической энергии вращения, регулятор, потребители электроэнергии.
В генераторе прототипа отсутствуют обмотки возбуждения, для питания которых требуется электроэнергия. Всегда присутствующее значение магнитного потока в рабочем зазоре между полюсами ротора и статором обеспечивается высокоэнергетическими постоянными магнитами (на роторе устанавливают высокоэнергетические постоянные магниты). Использование в устройстве ротора тангенциального намагничивания позволяет получить в воздушном зазоре рабочие индукции, превышающие индукцию постоянных магнитов почти в два раза. В качестве высокоэнергетических постоянных магнитов используют, например, выпускаемые сегодня магниты на основе редкоземельных материалов типа NdFeB (см. ТУ 6391-004-59990452-2009. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты), которые обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией по намагниченности, и слабо чувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи. В результате обеспечиваются высокая удельная мощность автономной системы электроснабжения и повышенный коэффициент полезного действия генератора (коэффициент полезного действия - отношение электрической мощности, отдаваемой генератором, к механической мощности, прикладываемой к ротору) за счет отсутствия расхода электроэнергии на обмотки возбуждения. К тому же, при этом, уменьшаются тепловые потери. Кроме того, генератор обеспечивает начало заряда аккумуляторной батареи при существенно более низкой скорости вращения колесной пары (Vнач ≈ 10 км/ч), по сравнению со скоростью вращения колесной пары у генератора с обмотками возбуждения (Vнач ≈ 35 км/ч), так как постоянные магниты обеспечивают высокую индукцию независимо от скорости вращения ротора. Как следствие, увеличивается срок активного существования системы электроснабжения за счет использования простой надежной электрической схемы подвагонного генератора, т.к. в соответствии с ГОСТ Р 56526-2015 надежность - это совокупность свойств, характеризующих способность генератора обеспечивать в процессе функционирования получение заданного в техническом задании выходного эффекта при заданных условиях и режимах эксплуатации (основные свойства надежности - это безотказность, долговечность, сохраняемость).
Ниже в таблице 1 приведены сравнительные характеристики генератора с обмотками возбуждения и прототипа (генератора, у которого на роторе устанавливают высокоэнергетические постоянные магниты).
Однако основным недостатком прототипа является то, что величина мощности и напряжений на выходе генератора изменяется в широких пределах с изменением частоты вращения ротора генератора, поскольку магнитный поток создается магнитами и практически не меняется (из-за отсутствия обмоток возбуждения, которые стабилизируют выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения). Предложенный в прототипе регулятор напряжения (статический преобразователь) в виде параллельного резонансного контура в каждой фазе, содержащего пассивные элементы емкость и дроссель насыщения, приводит для больших мощностей (верхний предел - приблизительно 40 кВА) к существенному увеличению массы и габаритов по отношению к генератору, снижая удельные энергетические характеристики и надежность эксплуатации системы электроснабжения (при этом регулятор напряжения обладает невысокой стабильностью напряжений), а использование в каждой фазе два встречно-параллельно включенных тиристора приводит к ухудшению качества напряжения за счет появления высших гармоник.
Следует отметить, что важнейшей тактико-технической характеристикой удельных энергетических характеристик системы электропитания является удельная мощность, т.е. отношение мощности электропитания к ее массе, которая зависит, прежде всего, от удельно-массовых характеристик используемых источников тока, но и в значительной мере от принятой схемы электропитания в виде статического преобразователя, формируемого комплексом электронного оборудования, который формирует режимы эксплуатации первичных источников и использования их потенциальных возможностей. Кроме того, в прототипе отсутствуют режимы, алгоритм и последовательность работы устройств статического преобразователя для преобразования напряжения и формирования зарядного тока аккумуляторной батареи.
Целью предлагаемого изобретения является улучшить удельные энергетические характеристики и повысить надежность системы автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов, а также снизить пороговое значение скорости движения вагонов, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи.
Раскрытие изобретения
Система автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов включает в себя первичные и вторичные источники питания, и регулятор напряжения, обеспечивающий формирование требуемых напряжений для всех вагонных потребителей электроэнергии. Механический привод передает вращение с формирователя кинетической энергии от вращения оси колесной пары подвижного вагона на ротор генератора. Генератор, с определенного числа оборотов ротора (в зависимости от типа своего исполнения) начинает вырабатывать на выходе переменное трехфазное напряжение, величина которого находится в прямо пропорциональной зависимости от частоты вращения ротора. Первичными источниками питания являются: аккумуляторная батарея и генератор с выходным переменным трехфазным напряжением.
Сущность изобретения заключается в том, что регулятор напряжения представляет собой статический преобразователь, обеспечивающий требуемые режимы энергообеспечения от первичных источников, выполнен на импульсных схемах, обеспечивающих высокий КПД. При этом в качестве генератора используется генератор на постоянных магнитах, который при одинаковой мощности имеет меньшую массу по сравнению с другими практически используемыми на сегодня типами генераторов - с обмоткой возбуждения, кроме того, генератор на постоянных магнитах начинает вырабатывать рабочее выходное напряжение, достаточное для заряда аккумуляторной батареи, при низких оборотах ротора, соответствующих движению поезда с малой скоростью, около 10 км/час (у генераторов с обмоткой возбуждения эта начальная скорость должна быть примерно 35 км/час).
Для обеспечения питания вагонных энергопотребителей (кондиционер, котел, розетки на несколько различных напряжений и т.п.) использованы следующие устройства: силовой Преобразователь постоянного напряжения, состоящий из управляемого силового чоппера, на выходе которого формируется постоянное напряжение (требуемое как для использования какими-то потребителями постоянного тока, так и для дальнейшего преобразования в переменное напряжение), и ряда стабилизирующих преобразователей, на выходе которых формируются требуемые значения напряжений для каждого потребителя, а также зарядный преобразователь постоянного напряжения, состоящий из управляемого зарядного чоппера, повышающего преобразователя постоянного напряжения и импульсного стабилизатора с управлением силовым ключом ШИМ (широтно-импульсное модулирование) прямоугольной импульсной последовательностью, на выходе которого по заданному алгоритму формируются напряжение и ток, которые обеспечивают оптимальный процесс заряда аккумуляторных батарей. Вторичные источники питания обеспечивают стабилизированное напряжение питания различных низковольтных устройств, используемых в схеме.
Управление силовым чоппером обеспечивается первым устройством управления, выход которого Подключен к управляющему входу силового ключа чоппера, а вход - к выходу силового чоппера, что позволяет обеспечить на выходе силового чоппера требуемое постоянное напряжение.
Зарядный преобразователь постоянного напряжения, являющийся импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненный по чопперной схеме, совместно с последовательно соединенным повышающим преобразователем напряжения, формирующего стабилизированное постоянное напряжение, обеспечивают работу импульсного стабилизатора с ШИМ управлением силовым ключом, являющегося стабилизатором понижающего типа с управлением по току, напряжению и температуре, который формирует требуемые параметры тока и напряжения при заряде аккумуляторной батареи.
Изменяемая в заданном диапазоне скорость вращения колесной пары определяет алгоритм и режим работы статического преобразователя от первичных источников питания. Использование генератора с ротором на постоянных магнитах в совокупности со статическим преобразователем, выполненным на импульсных схемах, позволяет обеспечить надежное питание энергопотребителей вагона электроэнергией при движении поезда, на стоянках и остановках. Особенно важным достоинством является то, что обеспечивается заряд аккумулятора при малой скорости движения вагона (около 10 км/час).
Высокие удельные энергетические характеристики и высокая надежность обеспечены схемным решением статического преобразователя на импульсных схемах.
Графические иллюстрации
На фигуре 1 приведена общая структурная схема системы автономного электроснабжения, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:
1 - G (генератор);
2 - силовой чоппер;
2-1 - силовой ключ;
2-2 - дроссель;
2-4 - конденсатор;
22, 23, 2-3 - диоды, соответственно первый, второй и третий;
3, 7, 31 - УУ СК (устройство управления силовым ключом), соответственно первое, второе и третье;
4, 20, 18 - выпрямители, соответственно первый, второй и третий;
5 - ППН (зарядный преобразователь постоянного напряжения);
6 - зарядный чоппер;
1
2
8, 8 …8n - СППН 1, СППН 2 … СППН n (стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения, соответственно первый, второй и n-й);
9 - МП (механический привод);
10 - ФКЭВ (формирователь кинетической энергии вращения);
11 - ИСсСК (импульсный стабилизатор с ШИМ управляемым силовым ключом);
12 - УУ (устройство управления);
13, 14, 15, 16 - электронные ключи, соответственно первый, второй, третий и четвертый;
17 - трансформатор;
19-1, 19-2 … 19-n - инверторы, соответственно первый, второй и n-й;
21 - клеммный соединитель (разъем);
24 - АБ (аккумуляторная батарея);
25 - ВИП (вторичный источник питания);
26 - преобразователь напряжения;
27-1, 27-2 … 27-n - потребители переменного напряжения, соответственно первый, второй и n-й;
28 - потребители электроэнергии постоянного напряжения 110 В;
29 - ВС (внешняя сеть);
ст.пост
30 - U. (потребители электроэнергии постоянного стабилизированного напряжения);
32 - ДТХ (датчик тока без разрыва цепи с использование датчика Холла);
33 - ДН (датчик напряжения);
34 - Дt° (датчик температуры).
а
На фигуре 2 приведен график зависимости соотношения напряжения на входе и выходе чоппера от соотношения длительностей замкнутого и разомкнутого состояния силового ключа.
б
На фигуре 2 приведен график зависимости напряжения на выходе чоппера от напряжения на его входе.
На фигуре 3 приведена зависимость напряжения аккумуляторной батареи от ее остаточной емкости.
На фигуре 4 приведены типичные характеристики зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2 В.
0
На фигуре 5 приведена структурная схема системы автономного электроснабжения, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями, представленными на фигуре 1, а также: 8 - дополнительный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения.
Осуществление изобретения
Система автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов включает в себя аккумуляторную батарею 24, генератор 1, ротор которого связан через механический привод 9 с формирователем кинетической энергии вращения от оси колесной пары 10 подвижного пассажирского вагона.
1
2
1. В устройство (фиг.1) дополнительно введены выпрямители 4 и 20, клеммный соединитель 21, силовой чоппер 2, устройства управления силовым ключом 3 и 31, зарядный преобразователь постоянного напряжения 5, диоды 22 и 23, n стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения 8, 8 … 8n, n инверторов 19-1, 19-2 … 19-n, преобразователь напряжения 26, импульсный стабилизатор с ШИМ управляемым силовым ключом 11, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 32, датчик напряжения 33, датчик температуры 34, вторичный источник питания 25, причем:
• силовой чоппер 2 состоит из силового ключа 2-1, один вывод которого является входом силового чоппера 2, соединенного с первыми выводами соединенных между собой первого выпрямителя 4 и второго выпрямителя 20, которые являются положительной шиной питания первичного источника питания, второй вывод силового ключа 2-1 соединен с катодом третьего диода 2-3 и одним выводом дросселя 2-2, второй вывод которого соединен с одним выводом конденсатора 2-4 и является выходом силового чоппера 2, а второй вывод конденсатора 2-4 и анод третьего диода чоппера 2-3 соединены с отрицательным выводом питания чоппера 2 и соединены со вторыми выводами соединенных между собой первого 4 и второго выпрямителей 20, которые являются землей и отрицательной шиной питания первичного источника питания, управляющий вход силового ключа чоппера 2 соединен с выходом первого устройства управления силовым ключом 3, вход обратной связи которого соединен с выходом чоппера 2, отрицательный вывод питания устройства управления силовым ключом 3 соединен с землей;
• зарядный преобразователь постоянного напряжения 5 состоит из зарядного чоппера 6 и второго устройства управления силовым ключом 7, вход зарядного чоппера 6 соединен с положительной шиной питания первичного источника питания, а управляющий вход – с выходом второго устройства управления силовым ключом 7, вход обратной связи которого соединен с выходом зарядного чоппера бис входом преобразователя напряжения 26, отрицательная шина питания которого соединена с отрицательным выводом питания второго устройства управления силовым ключом 7, с отрицательным выводом питания чоппера бис землей;
• первый стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения 8i состоит из устройства управления 12, первый вывод которого является входом положительного питания, соединенный через первый диод 22 с выходом силового чоппера 2 и с первыми выводами первого 13 и третьего 15 электронных ключей, а второй вывод - является входом отрицательного питания устройства управления 12 и соединен с первыми выводами второго 14 и четвертого 16 электронных ключей и с землей, вторые выводы первого 13 и второго 14 электронных ключей соединены между собой и с одним выводом первичной обмотки трансформатора 17, второй вывод которого соединен с вторыми выводами третьего 15 и четвертого 16 электронных ключей, управляющие входы первого 13, второго 14, третьего 15 и четвертого 16 электронных ключей соединены с первым и вторым выходом устройства управления 12, вторичная обмотка трансформатора 17 соединена с третьим выпрямителем 18, вывод положительного напряжения которого соединен входом управления устройства управления 12, а выходы являются выходами первого стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения 8i и соединены с входами первого инвертора 19-1, выходы которого соединены с первым потребителем переменного напряжения 27-1;
1
2
n
• выход преобразователя напряжения 26 соединен с входом импульсного стабилизатора с ШИМ управляемым силовым ключом ИСсСК 11, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, а управляющий вход - с выходом устройства управления силовым ключом УУ СК 31, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, а первый, второй и третий входы соединены соответственно с выходами датчика напряжения ДН 33, датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 32 и датчика температуры Дt° 34; выход импульсного стабилизатора с ШИМ управляемым силовым ключом ИСсСК 11 соединен с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи 24, с гальванически развязанным способом с датчиком тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 32, с входом датчика напряжения ДН 33, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, к которой соединена минусовая шина аккумуляторной батареи 24, плюсовая шина которой через второй диод 23 соединена с первый выводом устройства управления 12 стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения 8, аналогично которому выполнены стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения 8 … 8, выходы которых соединены соответственно с входами 19-2 … 19-n инверторов, выходы которых соединены соответственно с потребителями электроэнергии 27-2 … 27-n; плюсовая и минусовая клемма аккумуляторной батареи 24 соединены соответственно с плюсовой и минусовой шинами потребителей электроэнергии постоянного напряжения ПО В (28), а также соответственно с плюсовым входом и минусовой шинами вторичного источника питания ВИП 25, выходы которого соединены с шинами питания низковольтных устройств.
0
На фигуре 5 приведена структурная схема системы автономного электроснабжения по фигуре 1 с подсоединением к силовому чопперу 2 дополнительного стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения (8), выходным напряжением которого является постоянное напряжение 110 В, соединенное соответственно с плюсовой и минусовой шинами потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28), при этом, аккумуляторная батарея АБ 24 отсоединена от потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28).
Описание работы системы автономного электроснабжения
1. Описание структурной схема системы автономного электроснабжения по фигуре 1.
В исходном состоянии, когда вагон стоит без движения, на выходе формирователя кинетической энергии вращения ФКЭВ 10 отсутствует кинетическая энергия вращения от оси колесной пары подвижного вагона, которая через механический привод МП 9 соединена с ротором генератора G 1. Вращение ротора генератора G 1 отсутствует и генератор G 1 не вырабатывает электроэнергию для заряда аккумуляторной батареи АБ 24 и потребителей электроэнергии (27-1, 27-2 … 27-n). Движение вагона обеспечивает вращение оси его колесной пары, кинетическая энергия вращения которой через механический привод МП 9 приводит во вращение ротор генератора G 1, в результате чего полюса ротора индуцируют электродвижущую силу в трехфазных многополюсных обмотках статора генератора G 1 и на его выходе формируется переменное трехфазное напряжение, которое преобразуется на выходе выпрямителя 4 в постоянное (см. Трехфазный выпрямитель, на сайте: https://ru.wikipedia.org/wiki/).
В качестве привода оси колесной пары подвижного вагона 20 можно использовать, например, Привод с редуктором ВБА-32/2 (см., например: 1. Патент, РФ, №2752527. 2. Рйс.8.8 на сайте: http://scbist.corn/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html).
В качестве генератора G 1 можно использовать, например, устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, представленное в патенте, РФ, №2752527. В данном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют обмотки возбуждения, стабилизирующие выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения, поэтому на выходе генератора G 1 величина напряжений изменяется с изменением частоты вращения ротора, поскольку магнитный поток Ф создается магнитами и практически не меняется. Заявитель предлагаемого изобретения АО «НИИЭМ» является патентообладателем приведенного патента, РФ, №2752527 и поэтому в процессе его разработки были проведены всесторонние исследования. Характеристики (зависимость мощности генератора от частоты вращения ротора генератора, соответствующей скорости движения вагона), снятые с макетного образца генератора, изготовленного по данному патенту, приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что при увеличении частоты вращения ротора генератора G 1 в пределах от 0 до 900 оборотов в минуту, которая соответствует скорости движения вагона от 0 до 45 км/ч, мощность вырабатываемой электроэнергии генератором G 1 изменяется по линейному нарастающему закону от 0 до 38 кВт. При этом величина переменного напряжения на выходе генератора G 1 изменяется от 0 до приблизительно 600 В, которая после преобразования в постоянное напряжение на выходе выпрямителя будет изменяться в пределах от 0 до приблизительно 700 В (см., например, Неуправляемые выпрямители. На сайте: http://thebard.narod.ru/EPUS/lect/3.htm).
Это является существенным отличием от используемых сегодня аналогов статического преобразователя, работающего совместно с генератором, у которого присутствуют обмотки возбуждения.
В качестве сравнения рассмотрим преобразовательное устройство системы электропитания пассажирского вагона (см., например, патент, РФ, №2326774), у которого величина постоянного напряжения после выпрямления подвагонного трехфазного генератора находится в существенно более узком диапазоне в пределах от 50 В до 150 В. Это говорит о том, что генератор выполнен с обмотками возбуждения, позволяющими стабилизировать выходное напряжения путем стабилизации тока в обмотках возбуждения. Но при этом существенным недостатком генератора является, то, что формирование данного минимального напряжения происходит при достижении скорости движения вагона приблизительно в пределах (от 30 до 38) км/ч. До достижения данной скорости питание осуществляется только от аккумуляторной батареи и ее заряд отсутствует. Только появление минимального напряжения на выходе генератора (50 В на выходе выпрямителя генератора) позволяет обеспечить заряд аккумуляторной батареи, электропитание устройств статического преобразователя и потребителей электроэнергии. Верхний предел постоянного напряжения 150 В является всего лишь в 3 раза превышающим минимальное напряжение 50 В, что не вызывает каких-либо трудностей для обеспечения работы преобразователя постоянного напряжения, на который поступает данное напряжение.
В предлагаемом изобретении на начальном участке увеличения частоты вращения ротора генератора G 1 (при начале движения вагона), в соответствии с таблицей 2, уже на скорости 10 км/ч мощность, формируемой электроэнергии на выходе генератора G 1, составляет 8,4 кВт. Низкая мощность формируемой электроэнергии на выходе генератора G 1 не достаточна для потребителей электроэнергии вагона (27-1,27-2 … 27-n), однако достаточна для заряда аккумуляторной батареи АБ 24, являющейся источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) при начале движения вагона (а также на стоянке вагона). Питание же потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) от генератора G 1 возможно только при достижении для этого достаточной мощности формируемого сигнала на выходе генератора G 1.
В качестве аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте используют промышленные кислотные и щелочные аккумуляторные батарей которые располагают в подвагонных ящиках (см., например, Аккумуляторные батареи (АБ). На сайте: сайт: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/).
В качестве электролита у кислотной аккумуляторной батареи используют раствор серной кислоты, а у щелочной аккумуляторной батареи используется раствор 20% едкого калия, реже - едкого натрия. Для увеличения срока службы в электролит добавляется едкий литий, который служит также и для уменьшения процесса газообразования. Щелочная АБ менее подвержена глубоким разрядам по сравнению с кислотной, но ее недостатком является то, что на низких температурах ее эксплуатация недопустима из-за "замерзания" электролита и снижения остаточной емкости, и, в связи с этим, в процессе эксплуатации требуется подогрев аккумуляторной батареи, например, электронагревателями (см. например, патент, РФ, №2571728).
На сегодня в основном используют промышленные кислотные аккумуляторные батареи, поэтому в качестве аккумуляторной батареи АБ 4 рассмотрим использование, например, свинцово-кислотной аккумуляторной батареи 56PzS(M)350P емкостью 350 А⋅ч, напряжением 112 В, (см., например, Аккумуляторы для железнодорожного транспорта. На сайте: https://pandia.ru/text/78/133/794.php). Далее в описании заявки в качестве примера будем использовать данную выбранную аккумуляторную батарею емкостью 350 А⋅ч и напряжением 112 В.
Рассмотрим режимы работы для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) от первичных источников питания, а именно, от генератора G 1 (с выхода выпрямителя 4) в зависимости от генерируемой им мощности и от аккумуляторной батареи АБ 24.
Режим 1. Напряжение на выходе генератора G 1 отсутствует (вагон находится на остановке или стоянке и не движется), мощность от генератора G 1 равна нулевому значению. Аккумуляторная батарея АБ 24 заряжена. Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) является аккумуляторная батарея АБ 24. Происходит разряд аккумуляторной батареи АБ 24 при отсутствии зарядного тока.
При длительной стоянке больше заданного времени, например в депо, заряд аккумуляторной батареи АБ 24 может осуществляться от внешней сети ВС 29, подключаемой через клеммный соединитель (разъем) 21 к выпрямителю 20, при этом часть потребителей электроэнергии (в основном мощных) целесообразно отключать.
Режим 2. Низкое напряжение на выходе генератора G 1 (на начальном участке увеличения частоты вращения ротора генератора G 1 при начале движения вагона), мощность, формируемой электроэнергии от генератора G 1, не достаточна для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) является аккумуляторная батарея АБ 24. При достижении определенной скорости вагона (минимальной зарядной мощности электроэнергии на выходе генератора G 1) начинается заряд аккумуляторной батареи АБ 24 от генератора G 1.
Режим 3. Скорость вагона позволяет обеспечить формирование электроэнергии на выходе генератора G 1 мощностью, достаточной для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) в данном режиме является генератор G 1. Происходит заряд аккумуляторной батареи АБ 24 от генератора G 1. Рассмотрим работу устройств в данном режиме.
Постоянное напряжение с выхода первого выпрямителя 4 генератора G 1 поступает на вход силового ключа 2-1 силового чоппера 2, входящего в состав чопперной схемы в виде импульсного последовательного стабилизатора понижающего типа.
Силовой чоппер 2 представляет собой силовую часть, в которой силовой ключ 2-1 управляется ШИМ прямоугольной импульсной последовательности (см., например, Импульсные источники питания, построенные по чопперной схеме. На сайте: https://ozlib.com/1038388/). В качестве силового ключа 2-1 может быть использован высоковольтный мощный электронный ключ, например, биполярный транзистор (IGBT) с изолированным затвором SEMiX453GAR12E4s. При подаче импульса с устройства управления силовым ключом УУ СК 3 ключ 2-1 открывается, ток через него поступает через сглаживающий дроссель 2-2 в выходной конденсатор 2-4, при этом в дросселе 2-2 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа 2-1, он закрывается, и в контуре диод (2-3) - дроссель (2-2) - конденсатор (2-4) начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе 2-2 энергии в выходной конденсатор 2-4. Далее цикл повторяется. Дроссель (2-2) и конденсатор (2-4) представляют собой Г-образную схему LC-фильтра. Дроссель 2-2 может быть выполнен на ферритовом сердечнике.
3
p
а
ст.пост.
Типичная зависимость соотношения напряжения на входе и выходе чоппера 2 от соотношения длительностей замкнутого t и разомкнутого t состояния силового ключа представлено на фиг.2 (см., например, DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated. На сайте: https://www.compel.ru/lib/134297). Устройство управления силовым ключом УУ СК 3 обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе чоппера 2 (см. фиг.2б) за счет обратной связи с его выхода на управляющий вход УУ СК 3, выполненного на базе контроллера. В диапазоне от 0 до U на выходе контроллера УУ СК 3 формируется импульсная последовательность широтно-импульсного регулирования (ШИР), т.е. с постоянным коэффициентом заполнения D, определяемого выражением (2):
где Т - период в импульсной последовательности.
а
ст.пост.
ст.пост.
Поэтому, в соответствии с графиком на фиг.2, с увеличение напряжения на входе напряжение на выходе увеличивается. При достижении на выходе чоппера 2 заданного стабилизированного постоянного напряжения U на выходе контроллера УУ СК 3 формируется импульсная последовательность ШИМ (с изменяемым коэффициентом заполнения D), стабилизируя данное напряжение. Величина стабилизированного постоянного напряжения U должна превышать напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 (для выбранной в качестве примера аккумуляторной батареи АБ 24 номинальное напряжение составляет 112 В) и находится например, в диапазоне от 126 В до 142 В. Данный диапазон от 126 В до 142 В выбран в связи с тем, что он соответствует требуемому питанию для потребителей электроэнергии вагона 30 и может к ним подключаться напрямую.
ст.пост.
1
1
2
1
Выходное напряжение Чоппера 2 (U) "запирает" диод 23 для прохождения напряжения с аккумуляторной батареи АБ 24 и через диод 22 поступает в стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8, 82 … 8n, формируемые постоянные напряжения которых преобразуются в переменные инверторами 19-1, 19-2 … 19-n (см. Инвертор. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). На сайте: https://reference/terminology/154-inverter), с выходов которых переменные напряжения подаются к потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Схемы стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8, 8 … 8n одинаковы, соединены они параллельно, поэтому рассмотрим их работу на примере одного СППН 1 (8).
1
1
1
Устройство управления УУ 12, ключи 13, 14, 15, 16, трансформатор 17 и выпрямитель 18 представляют собой стабилизированный преобразователь напряжения 8 выполненный в виде мостового инвертора (см., например: 1. Мостовой преобразователь с ШИМ. На сайте: https://fresh-web-studio.github.io/artemsdobnikov/math/full-bridge.html. 2. Патент, РФ, №2689401). Устройство управления УУ 12, которое по определенному закону открывает попарно электронные ключи 13, 16 и 15, 14 соответственно, позволяет обеспечить формирование переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора 17. На вторичной обмотке трансформатора 17 с учетом его коэффициента трансформации (отношения количества витков вторичной обмотки к первичной) формируется переменное напряжение, которое преобразуется в постоянное третьим выпрямителем 18, при этом, выход третьего выпрямителя 18 является выходом стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения 8. За счет соединения обратной связью выхода третьего выпрямителя 18 с управляющим входом контроллера, входящего в состав устройства управления УУ 12, и формирующего широтно-импульсную модуляцию импульсов, осуществляется стабилизация напряжения на выходе СППН 1 (8).
В качестве контроллера можно использовать, например, микроконтроллер ST10F276Z5T3.
В качестве электронных ключей 13, 14, 15, 16 можно использовать, например, два мощных высоковольтных электроизолированных IGBT полумоста SEMiX453GB12E4s.
1
2
Постоянные напряжения с выходов стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8, 8 … 8n поступают соответственно на входы инверторов 19-1, 19-2 … 19-n, которые формируют на выходах переменные напряжения и подают их к соответствующим потребителям электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Инверторы могут быть трехфазными (см., например, Трехфазный автономный инвертор. На сайте: https://electric-220.ru/news/trekhfaznyj_invertor/2019-06-15-1703) или однофазными (см., например, Однофазные инверторы напряжения. На сайте:
https://studme.org/236020/tehnika/invertory_napryazheniya) в зависимости от требований по подаваемым напряжениям к потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n).
В качестве транзисторного моста в инверторах 19-1, 19-2 … 19-n могут быть использованы IGBT трехфазный транзисторный мост SEMIX453GD12E4C.
В качестве Примера ниже в таблице 3 приведены параметры выходных каналов (канал - это выходные параметры одного из инверторов 19-1, 19-2 … 19-n) для современных вагонов постройки Тверского вагоностроительного завода, взятые из технического задания по разработке статического преобразователя.
1
2
В режиме 1 и в режиме 2 аккумуляторная батарея АБ 24 является источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 через диод 23 (диод 22 "запирается" напряжением аккумуляторной батареи АБ 24) поступает в стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8, 8 … 8n, формируемые постоянные напряжения которых преобразуются в переменные инверторами 19-1, 19-2 … 19-n, с выходов которых переменные напряжения подаются к потребителям электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n).
зар.опт.
зар.опт.
При заряде аккумуляторной батареи АБ 24 в режиме 2 должна обеспечиваться требуемая величина зарядного тока. Оптимальная величина тока заряда (I) практически всех аккумуляторных батарей должна быть (см. например, патент, РФ, №2702758) приблизительно 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (так, для выбранной АБ 24 емкостью 350 А⋅ч, I = 35 А) и не превышать 0,3 номинальной емкости аккумуляторной батареи (из технического задания: для вагонных аккумуляторов - 0,2 номинальной емкости аккумуляторной батареи, т.е. не более 70 А для выбранной в качестве примера АБ 24). Токи менее 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи также обеспечивают ее заряд, при этом, следует учитывать, что заряд током менее нижнего порога (приблизительно 0,03 номинальной емкости) практически не приводит к повышению емкости аккумуляторной батареи.
Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи при ее эксплуатации должен обеспечиваться постоянный контроль уровня заряженности (остаточной емкости, представляющей значение количества электрической энергии, выраженное в ампер часах или Кулонах, которое аккумуляторная батарея отдает при разряде до выбранного конечного напряжения в любом текущем его состоянии) аккумуляторной батареи 24 и управление ее зарядным процессом (см., например, патент, РФ, №2706762). Заряд аккумуляторной батареи 24 осуществляется следующим образом. Напряжение с выхода первого выпрямителя 4 генератора G 1 или с выхода второго выпрямителя 20 (при заряде от внешней сети ВС 20 через клеммный соединитель 21) поступает на вход зарядного преобразователя постоянного напряжения ППН 5, выполненного по чопперной схеме в виде импульсного последовательного стабилизатора понижающего типа, содержащего зарядный чоппер 6 и второе устройство управления силовым ключом УУ СК 7.
б
Работа ППН 5 аналогична работе силового чоппера 2 совместно с первым УУ СК 3 и описана выше. Выбор импост, (см. фиг.2) ППН 5 осуществляется исходя из гарантированной достаточности мощности для обеспечения процесса заряда аккумуляторной батареи 24.
1
Постоянное стабилизированное напряжение с выхода ППН 5 поступает на вход повышающего преобразователя напряжения 26 (может быть выполнен аналогично описанному выше СППН 1 (8)), формирующего на выходе постоянное напряжение, достаточное для работы импульсного стабилизатора с ШИМ управлением силовым ключом ИСсСК 11, являющегося импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненный по чопперной схеме, в котором совместно с третьим устройством УУ СК 31 стабилизируются в требуемые значения по напряжению и току для заряда аккумуляторной батареи 24.
Рассмотрим процесс заряда аккумуляторной батареи 24.
Графики соотношения заряженности свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, состоящей, например, из шести аккумуляторов с номинальным напряжением 2 В, и ее напряжения представлены на фиг.3 (см. сайт: https://akkumulyatoravto.ru/konstmkciya/parametry/zaryad.html
Как видно из графиков на фиг.3 в самом простейшем случае, например, при реализации цифрового варианта метода управления по напряжению, достаточно лишь датчика выходного напряжения ДН 33 (датчика напряжения аккумуляторной батареи 24), т.е. обратной связи по напряжению на первый вход третьего устройства управления силовым ключом 31, выполненного в виде микроконтроллера, формирующего ШИМ управление силовым ключом ИСсСК 11. Однако этого недостаточно в реальных условиях эксплуатации аккумуляторной батареи 24 при постоянном подключении к ней зарядного устройства и выбора алгоритма ее заряда. При включении и выключении заряда в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее 24, может происходить хронический ее недозаряд и преждевременный выход из строя. Для исключения этого в соответствии с типичными характеристиками зарядного процесса (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2 В, представленными на фиг.4, очевидно, что необходимо как минимум два датчика - это датчик выходного напряжения и датчик выходного тока. Следует отметить, что в выбранной для примера свинцово-кислотной аккумуляторной батарее 56PzS(M)350P емкостью 350 А⋅ч, напряжением 112 В, содержится 56 аккумуляторов напряжением 2 В, поэтому для нее применимы представленные типичные характеристики зарядного процесса на фиг.4 (с соответствующей корректировкой при выборе значений постоянного тока и постоянного напряжения).
В качестве датчика тока ДТХ 32 целесообразно использовать датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла (например, разработанного и выпускаемого заявителем данного изобретения АО «НИИЭМ»: ДТХ-100 ПИГН.411521.007ТУ), который через отверстие в нем "надевается" на провод, подсоединяемый к выходу ИИсСК 11. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка. Выходной сигнал датчика тока ДТХ 32 подается ко второму входу третьего устройства управления силовым ключом УУ СК 31 (к микроконтроллеру), обеспечивающего стабилизацию зарядного тока ШИМ управлением.
Кроме того, следует учитывать температуру аккумуляторной батареи 24, зависящей от температуры окружающей среды, в связи с чем требуется корректировки заданных напряжений в процессе заряда. Более высокая температура окружающей среды требует уменьшения напряжения, а более низкая температура - увеличение напряжения заряда. Поэтому целесообразно использовать еще один датчик - это датчик температуры Дt° 34, подключаемый к третьему входу третьего УУ СК 31 (к микроконтроллеру). В качестве датчик температуры Дt° 34 могут использоваться проволочные термометры сопротивления, имеющие нормированную характеристику сопротивления от температуры окружающей среды.
Таким образом, алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 24 должен быть следующим:
• в начале при разряженной аккумуляторной батареи 24 заряд до заданного напряжения должен обеспечиваться постоянным током (поддержание оптимального постоянного тока);
• затем при достижении заданного напряжения обеспечивается заряд постоянным напряжением (поддержание заданного постоянного стабилизированного напряжения).
Рассмотрим заряд аккумуляторной батареи 24 от генератора G 1 при начале движения вагона.
ст.пост.
G
зар.опт
Выбор стабилизированного выходного напряжения U зарядного преобразователя постоянного напряжения ППН 5 осуществляется при условии достижения определенной скорости движения вагона при которой на выходе генератора G 1 формируется мощность электроэнергии, достаточная с учетом КПД, для обеспечения требуемой мощности зарядного процесса аккумуляторной батареи 24. Как видно из таблицы 2, например, при скорости движения вагона 10 км/ч, мощность генератора G 1 составляет P = 8,4 кВт, которой уже достаточно для обеспечения зарядного процесса аккумуляторной батареи АБ 24 при номинальном токе I = 35 А. Поясним это.
3n
5
Мощность зарядного процесса P.G обеспечиваемая генератором G 1 с учетом потерь передачи, т.е. с учетом коэффициента полезного действия η определяется выражением:
Устройства предлагаемой САЭ выполнены на импульсных преобразователях, основными компонентами которых являются дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы, имеющие малые потери, а также ключи с малым сопротивлением в замкнутом состоянии, поэтому коэффициент полезного действия η данных устройств составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/).
В соответствии с выражением (3) при наименьшем (наихудшем) значении η, равном 0,8,
зп.тр.
Требуемая мощность зарядного процесса Р определяется следующим выражением:
где
макс.зп
U - максимальное напряжение на входе ИСсСК 11;
зар.опт.
-
I -  оптимальная величина тока заряда для аккумуляторной батареи 24;
макс.зп
зар.опт
При максимальном напряжении U, равном, например, 130 В для выбранной в качестве примера аккумуляторной батареи 24 с номинальным напряжением 112 В и оптимальном токе заряда I = 35 А, в соответствии с выражением (4)
зп.G
что существенно ниже мощности P, обеспечиваемой генератором G 1.
Таким образом, заряд аккумуляторной батареи 24 в предлагаемом изобретении может осуществляться при достаточно низкой скорости движения вагона.
В качестве диодов 22, 23, 2-3 можно использовать модуль диода SKKE 380/12.
Выпрямители 4, 20, 18 могут быть выполнены, например, на базе диодных модулей SKKD162/12 (два диода включенных последовательно).
В качестве контроллеров ШИМ модуляции в устройствах управления ключами чопперных схем можно использовать микроконтроллер ST10F276Z5T3.
2. Описание структурной схема системы автономного электроснабжения пассажирского вагона по фигуре 5.
0
Аккумуляторной батареи 24 отключена от потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28), что позволяет "разгрузить" ее в основном длительном режиме 3 при движении вагона. Кроме того, номинальное напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 может отличаться от напряжения 112 В, т.к. не подключается напрямую к шинам питания для потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28). Дополнительный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения 8, подключаемый к силовому чопперу 2, формирует на выходе постоянное напряжение 110 В, которое подключается к шинам питания для потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28).
Таким образом, использование предлагаемой системы автономного электроснабжения, рассмотренной на примере электроснабжения пассажирского вагона, позволяет обеспечить улучшенные удельные энергетические характеристики (удельную мощность, коэффициент полезного действия) и повысить надежность системы автономного электроснабжения, а также снизить пороговое значение скорости движения пассажирского вагона, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи.