УСТРОЙСТВО ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ НА БАЗЕ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности, к системам электроснабжения электрического транспорта и может быть использована на тяговых подстанциях электрического транспорта для выравнивания нагрузок и обеспечения заряда аккумуляторов транспортных средств на электрической тяге, работающих автономно, например, электромобилей.
Известно зарядное устройство для аккумуляторных батарей [патент РФ №134711, МПК Н02J 7/10 - Устройство зарядное для аккумуляторных батарей // Назаров В.Е., Тингаев Н.В., Цепилов Г.В. Заявл. 31.05.2013, Опубл. 20.11.2013, Бюл. 32], содержащее коммутатор напряжения и унифицированный многофункциональный преобразователь на основе четырехквадрантного преобразователя напряжения, состоящий из двух трехфазных мостов, шести дросселей и конденсаторов в промежуточной цепи постоянного тока, датчиков тока. Устройство позволяет получать электрическую энергию от сети постоянного тока напряжением 600…750 В, изменяя уровень выходного напряжения в пределах 100…750 В для заряда аккумуляторных батарей постоянным током до 200 А, что может быть использовано на действующих тяговых подстанциях электрического транспорта, обладающих для этого большой установленной мощностью.
Однако в указанном устройстве использован режим преобразования постоянного тока одного уровня напряжения в постоянный ток другого уровня напряжения, что не в полной мере использует возможности схемотехнически громоздкого и сложного в управлении четырехквадрантного преобразователя напряжения, что в целом усложняет само зарядное устройство и увеличивает стоимость его силовой части.
Известно устройство зарядной станции на базе преобразовательной подстанции транспорта на электрической тяге [патент РФ №2509667, МПК В60М 3/06 Преобразовательная подстанция транспорта на электрической тяге // Осипов В.Е., Крикунов И.Е., Большаков А.В., Едигарян Т.А. - Заявл. 18.09.2012, Опубл. 20.03.2014, Бюл. №8], принятое за прототип. В состав преобразовательной подстанции, содержащей преобразователь высокого напряжения в напряжение для контактной сети в виде высоковольтного трансформатора, подключенного к входу выпрямителя, выход которого служит для подключения к контактной сети, дополнительно введены блок зарядных терминалов и преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов, причем вход преобразователя напряжения для зарядных терминалов подключен к выходу выпрямителя для подключения к контактной сети, а его выход подключен к входу блока зарядных терминалов. Преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов содержит блок защиты, управляющий блок и блок источников тока, число которых в блоке равно числу зарядных терминалов в блоке зарядных терминалов, вход блока защиты подключен к входу преобразователя, а его выход соединен с входами источников тока, подключенными параллельно к входу блока источников тока. Выход каждого источника тока подключен к входу соответствующего зарядного терминала, блок защиты, источники тока и зарядные терминалы соединены с управляющим блоком каналами связи. Источник тока содержит инвертор, развязывающий трансформатор, выпрямитель и датчик тока, причем вход инвертора подключен к входу источника тока, а выход инвертора соединен с входом развязывающего трансформатора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого подключен к выходу источника тока. Датчик тока включен последовательно на выходе выпрямителя, инвертор выполнен с двумя управляющими входами, один из которых подключен через канал связи к управляющему блоку, а другой к выходу датчика тока.
Однако в указанном устройстве одновременное использование управляющего блока и блока защиты ведет к избыточности аппаратных средств управления, что усложняет само устройство и увеличивает его стоимость. Кроме того, использование инвертора, развязывающего трансформатора и выпрямителя в составе источника тока для безопасного и корректного начала работы зарядного терминала в соответствии с принятыми международными требованиями DIN SPEC 70121 и IEC 61851-23 потребует предварительного согласования уровня напряжения на выходе этого источника тока относительно произвольного уровня напряжения аккумуляторной батареи электромобиля, подключаемой к данному зарядному терминалу. Это, в свою очередь, требует дополнительных аппаратных и программных средств контроля уровней напряжений, что также усложняет устройство зарядной станции.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении количества аппаратных средств для контроля и управления зарядной станцией и обеспечении режима согласования уровней напряжений на зарядных терминалах и аккумуляторных батареях электромобилей.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве зарядной станции, принятым за прототип и содержащем высоковольтный тяговый трансформатор, выпрямитель, оборудование распределительного устройства тяговой сети и датчик тока в составе зарядного терминала, дополнительно устанавливаются два электрических аппарата, причем датчик тока заряда подключен к управляемому источнику постоянного тока через два параллельно соединенных
электрических аппарата, при этом один полюс замыкающего контакта каждого из двух электрических аппаратов присоединяется к выходу управляемого источника постоянного тока, а второй полюс замыкающего контакта первого электрического аппарата соединяется непосредственно с входом зарядного терминала, при этом второй полюс замыкающего контакта второго электрического аппарата соединяется с входом зарядного терминала через токоограничивающий резистор, причем для реализации программной части защитных функций и функций управления устройством зарядной станции устанавливается промышленный контроллер, один входной канал которого представляет проводной интерфейс для связи с автономным транспортным средством, другой входной канал промышленного контроллера соединен с датчиком тока заряда, кроме того, один выходной канал промышленного контроллера соединен с управляющим входом управляемого источника постоянного тока, а другой выходной канал промышленного контроллера соединен с блоком электрических аппаратов.
На фиг.1 представлена структурная блок-схема зарядной станции. Предлагаемое устройство зарядной станции (фиг.1) содержит: 1 - тяговый трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - оборудование распределительного устройства тяговой сети; 4 - управляемый источник постоянного тока; 5 - блок электрических аппаратов; 6 - зарядный терминал; 7 - датчик тока заряда; 8 - промышленный контроллер; 9 - канал управления уровнем напряжения источника тока; 10 - канал управления электрическими аппаратами; 11 - сигнал от датчика тока; 12 - проводной интерфейс для связи с автономным транспортным средством.
Устройство зарядной станции (фиг.1) работает следующим образом. Тяговый трансформатор 1 понижает высоковольтное напряжение переменного тока питающей трехфазной сети, пониженное напряжение переменного тока поступает на вход выпрямителя 2 и преобразуется в напряжение 600 В постоянного тока, которое далее одновременно поступает как на оборудование распределительного устройства тяговой сети 3 для питания городского электрического транспорта, так и на вход управляемого источника постоянного тока 4, который в исходном состоянии формирует минимальный уровень напряжения постоянного тока. При этом контакты обоих электрических аппаратов в блоке электрических аппаратов 5 находятся в разомкнутом состоянии и питающее напряжение на зарядном терминале 6 изначально отсутствует. Когда автономное транспортное средство подключается к зарядному терминалу 6, сигнал по проводному интерфейсу 12 поступает в промышленный контроллер 8, который посылает сигнал по каналу управления 10 второму электрическому аппарату в блоке 5 на замыкание контакта К2 в цепи с токоограничивающим резистором. Далее промышленный контроллер 8, используя канал 9 для управления уровнем напряжения источника тока, обеспечивает режим согласования уровней напряжения на выходе зарядного терминала 6 и
напряжения заряжаемой аккумуляторной батареи автономного транспортного средства. Для этого промышленный контроллер 8, плавно изменяет уровень напряжения на выходе управляемого источника постоянного тока 4, используя канал управления 9 и определяя при помощи сигнала 11 от датчика тока 7 минимальное значение тока заряда, которое достигается в том случае, когда напряжение на выходе управляемого источника постоянного тока 4 равно напряжению аккумуляторной батареи автономного транспортного средства, подключенного к зарядному терминалу 6. После согласования уровней напряжений промышленный контроллер 8 по каналу управления 10 посылает сигнал первому электрическому аппарату в блоке 5 на замыкание силового контакта К1 и переводит устройство зарядной станции в основной режим заряда аккумуляторной батареи, увеличив ток заряда до номинального значения за счет регулировки уровня напряжения постоянного тока при помощи сигнала 9 и контролируя фактический ток заряда при помощи сигнала 11, идущего от датчика тока 7.
Все остальные защитные и рабочие функции зарядной станции, в том числе функции выравнивания нагрузок тяговой подстанции в часы пик, аналогичны функциям, описанным в прототипе, и полностью поддерживаются промышленным контроллером 8 на программном уровне, при этом размещенные в блоке 5 электрические аппараты способны выполнять не только рабочее, но при необходимости и аварийное отключение зарядного терминала, обеспечивая требования электробезопасности путем создания видимого разрыва и обеспечения гальванической изоляции источников электрической энергии в электрической цепи.
Промышленная применимость полезной модели состоит в том, что устройство зарядной станции базируется на действующем оборудовании тяговой подстанции и собирается целиком из существующих стандартных модулей.
Техническим результатом является создание зарядных терминалов для поддержания режима быстрого заряда аккумуляторных батарей автономных транспортных средств постоянным током до 200 А, которые по сравнению с прототипом и имеющимися аналогами с использованием части силового оборудования тяговой подстанции обеспечивают предварительное согласование уровней напряжений на выходе конкретного зарядного терминала и подключаемой аккумуляторной батареи.