Источник электропитания для пассажирских железнодорожных вагонов локомотивной тяги

Область техники
Предлагаемый источник электропитания вагона относится к электрооборудованию пассажирских железнодорожных вагонов локомотивной тяги.
Уровень техники
Известен источник электропитания для пассажирского железнодорожного вагона /RU 5954 U1/, содержащий подвагонный генератор переменного тока, включающий ротор с приводом от колесной пары пассажирского вагона, а также статор, включающий две первую и вторую силовые трехфазные обмотки и одну обмотку возбуждения.
Недостатком известного источника электропитания /RU 5954 U1/ является, то что он не позволяет обеспечить мощность достаточную для электропитания оборудования пассажирских вагонов при пониженных скоростях (менее 35 км/ч) движения вагона из-за снижения частоты вращения ротора подвагонного генератора при этих скоростях. Это приводит к необходимости отключения мощных потребителей электрической энергии в пассажирском вагоне, переходу на электропитание от аккумуляторной батареи, уменьшению освещения в вагонах, запрету эксплуатации сантехнического оборудования.
Задачей полезной модели
является устранение указанных выше недостатков известного источника электропитания для пассажирского железнодорожного вагона /RU 5954U1/. а именно создание источника электропитания с приводом от колесной пары пассажирского вагона, обеспечивающего повышение надежности электропитания пассажирского вагона от подвагонного генератора в расширенном диапазоне скоростей движения вагона.
Техническим результатом полезной модели,
обеспечивающим решение оставленной задачи, являетсярасширение частотного диапазона стабилизации выходного напряжения источника.
Сущность полезной модели
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что источник электропитания для пассажирского вагона содержит подвагонный генератор переменного напряжения, состоящий из ротора с приводом от колесной пары пассажирского вагона, статора, включающий две первую и вторую силовые трехфазные обмотки и одну обмотку возбуждения.
Согласно полезной модели, он дополнительно содержит измеритель частоты вращения колесной пары и блок коммутации силовых обмоток, генератора, содержащий два контактора, включая первый и второй контакторы. Управляющие обмотки контакторов через измеритель частоты вращения колесной пары соединены с выходными цепями электропитания пассажирского вагона. Первые концы, силовых обмоток и соединены между собой через нормально замкнутые контакты первого контактора. Вторые концы вторых обмоток соединены через нормально разомкнутые вторые контакты первого контактора с первыми концами первых силовых обмоток и через нормально замкнутые контакты второго контактора вторые концы второй обмотки соединены между собой. Причем вторые концы первой силовой обмотки соединены между собой. Обмотка возбуждения 6 соединена по электропитанию через устройство регулирования тока возбуждения с выходными цепями электропитания.
Управляющий вход устройства соединен с управляющим выходом измерителя частоты, а контакторы выполнены электромагнитными и/или электронными.
Доказательство достижения заявленного технического результата и его связи с отличительными признаками полезной модели.
Введение отличительных признаков, а именно введение измерителя частоты вращения колесной пары и блока коммутации силовых обмоток, содержащего два контактора с контактами, а также соединение силовых обмоток подвагонного генератора через указанные коммутируемые контакты позволяют осуществить коммутацию силовых обмоток для их последовательного подключения при движении вагона на малых скоростях и параллельного подключения при движении на скоростях свыше 35 км/ч.
Последовательное включение силовых обмоток позволяет увеличить силу магнитного взаимодействия силовых обмоток с ротором подвагонного генератора и, как следствие, увеличить напряжение на их последовательно включенной обмотке, и повысить электрическую мощность источника электропитания на малых скоростях вращения ротора при пониженных скоростях движения вагона. Параллельное подключение обмоток на скоростях вагона свыше 35 км/ч позволяет исключить перенапряжение источника электропитания и стабилизировать его выходную мощность.
Возможность переключения обмоток для управления выходной мощностью, а также регулирование выходного напряжения источника электропитания в зависимости от частоты вращения ротора подвагонного генератора тока позволяет достичь заявленного технического результата и, как следствие, решить поставленную задачу, заключающуюся в повышении надежности электропитания пассажирского вагона от подвагонного генератора в расширенном диапазоне (15-160 км/час) скоростей движения вагона.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого источника электропитания для пассажирского вагона, на фиг. 2 - электрическая схема блока коммутации силовых обмоток генератора.
Позициями на фиг. 1-2 обозначены:
1 - генератор;
2 - ротор;
3 - статор;
4 - силовые обмотки;
4.1 - первые концы
4.2 - вторые концы
5 - силовые обмотки;
5.1 - первые концы
5.2 - вторые концы
6 - обмотка возбуждения;
7 - измеритель частоты
8 - блок коммутации
9 - первый контактор
9.1 - нормально закрытые контакты контактора 9
9.2 - нормально открытые контакты контактора 9
10 - второй контактор
10.1 - нормально закрытые контакты контактора 10
11 - устройство регулирования напряжения;
12 - потребитель переменного тока;
13 - силовые цепи.
Раскрытие сущности полезной модели.
Согласно фиг. 1-2 в лучшем варианте осуществления полезной модели источник электропитания для пассажирского вагона содержит подвагонный генератор 1 переменного тока, измеритель 7 частоты вращения ротора 2 генератора 1 и блок коммутации 8 силовых обмоток 4, 5 генератора 1. Генератор 1 содержит ротор 2 с приводом от колесной пары пассажирского вагона, а также статор 3, включающий две первую 4 и вторую 5 силовые трехфазные обмотки и обмотку 6 возбуждения. Блок коммутации 8 силовых обмоток 4, 5 генератора 1 содержит два контактора, включая первый 9 и второй 10 контакторы. Управляющие обмотки контакторов 9 и 10 через измеритель 7 частоты вращения колесной пары соединены с выходными цепями 13 электропитания пассажирского вагона. Первые концы 4.1, 5.1 силовых обмоток 4 и 5 соединены между собой через нормально замкнутые контакты 9.1 первого 9 контактора. Вторые концы 5.2 вторых обмоток 5 соединены через нормально разомкнутые контакты 9.2 первого контактора 9 с первыми концами 4.1 первых силовых обмоток 4 и через нормально замкнутые контакты 10.1 второго 10 контактора вторые концы 5.2 второй обмотки 5 соединены между собой. Причем вторые концы 4.2 первой 4 силовой обмотки соединены между собой. Обмотка возбуждения 6 соединена по электропитанию через устройство 11 регулирования тока возбуждения с выходными цепями электропитания. Управляющий вход устройства 11 соединен с управляющим выходом измерителя 7 частоты.
Измеритель 7 частоты вращения генератора 1 выполнен в виде электронного преобразователя механической энергии вращения ротора 2 подвагонного генератора 1 в электрический сигнал и соединен по входу с датчиком вращения привода ротора 2 генератора 1 от колесной пары, а по управляющим выходам - с указанным выше устройством 11 регулирования тока возбуждения и контакторами 9 и 10 блока коммутации 8 силовых обмоток 4, 5 генератора 1.
Описание полезной модели в динамике.
Источник электропитания для пассажирского вагона локомотивной тяги работает следующим образом.
В исходном состоянии (перед началом движения вагона) силовые обмотки 4 и 5 статора подвагонного генератора 1 соединены последовательно через нормально замкнутые контакты 9.1 первого  контактора 9 и через нормально замкнутые контакты 10.1 второго  контактора 10 блока коммутации 8.
При начале движения пассажирского вагона ротор 2 генератора 1 начинает вращаться от колесной пары вагона. При вращении ротора 2 за счет остаточного магнетизма в роторе 2 в силовых обмотках 4 и 5 статора генератора 1 индуцируется напряжение, которое поступает на вход регулятора напряжения 11. При этом на выходе регулятора 11 появляется ток, который протекая по обмотке возбуждения 6 ротора 2 создает увеличенный магнитный поток в роторе 2, обеспечивающий повышение напряжения на силовых обмотках 4 и 5 за счет эффекта взаимоиндукции. При этом за счет последовательного соединения силовых обмоток 4 и 5 статора подвагонного генератора 1 на выходе блока коммутации на его силовых цепях 13 трехфазное напряжение электропитания потребителя 12 равно сумме напряжений силовых обмоток 4 и 5 напряжений, получаемых от подвагонного генератора 1. При скорости движения вагона от 0.5 до 15 км/час этого напряжения достаточно для освещения пассажирского вагона и работы сигнализации и измерительной аппаратуры. При достижении вагоном скорости 15 км/час частота оборотов ротора 2 возрастает и напряжение, и мощность генератора 1 возрастает до величины, необходимой для электропитания более мощных потребителей 12 электричества вагона, таких как системы кондиционирования, отопления и санитарного оборудования вагонов. Для сравнения в известном источнике электропитания / RU 5954 U1/ такая возможность энергообеспечения появлялась при скорости движения вагона свыше 35 км/час. При увеличении скорости вагона от 15 до 35 км час происходит увеличение выходного напряжения генератора 1 свыше допустимых (140 В) пределов за счет увеличения частоты ὠ оборотов ротора 2 подвагонного генератора 1. При этом измеритель 7 частоты вращения ротора 2 генератора 1 выдает управляющий сигнал на устройство 11 регулирования напряжения на обмотках 6 возбуждения ротора 2. По этому сигналу устройство 11 уменьшает напряжение на обмотках 2 возбуждения до стабилизации напряжения на его входах, связанных с силовыми цепями 13 электропитания потребителя 12. При достижении скорости вагона до 35 км/час возможности стабилизации напряжения на уровне 140 с помощью устройства 11 регулирования напряжения на обмотках 6 возбуждения ротора 2 истощаются и измеритель частоты ὠ оборотов ротора 2 подвагонного генератора 1 подает сигнал на контакторы 9 и 10. Контакторы 9 и 10 срабатывают. В результате срабатывания контакторов 9 и 10 нормально замкнутые контакты 9.1 контактора 9 и нормально замкнутые контакты 10.1 контактора 10 размыкаются, а нормально открытые контакты 9.2 контактора 9 замыкаются. При этом силовые обмотки 4 и 5 статора 3 переключаются с последовательного включения на параллельное и выходное напряжение на силовых цепях 13 и на входе устройства 11 регулирования тока возбуждения ротора 2 уменьшается вдвое. Устройство 11 переходит в рабочий режим стабилизации напряжения 140 в электропитания потребителей 12 вагона путем регулирования тока возбуждения в обмотках ротора 2 в диапазоне скоростей движения вагона от 35 до 160 км/час. При снижении скорости вагона заявленный источник электропитания для пассажирского вагона работает в обратном порядке до скоростей 15 км/час.
Полезная модель не ограничивается заявленным примером его осуществления. В рамках данной полезной модели возможно использование предложенного источника электропитания для вагонов-ресторанов и служебно- технических вагонов.
Промышленная применимость.
Полезная модель разработана на уровне опытного образца. Прошло его испытание на промышленном стенде. Испытания показали расширение функциональных возможностей предложенного источника электропитания пассажирских вагонов локомотивной тяги. При этом частотный диапазон стабилизации выходного напряжения предложенного источника увеличился на 14%. В абсолютных цифрах диапазон рабочих частот вращения ротора с 750…3450 об/мин расширился до диапазона 313…450 об/мин. Одновременно повысилось степень стабилизации напряжения подвагонного генератора в указанном диапазоне частот.
Это, в свою очередь, позволило обеспечить автономным электропитанием от подвагонного генератора вагонов с локомотивной тягой в расширенном диапазоне (15-160 км/час вместо 35-160 км/час) скоростей движения вагона.