СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ
POWER SUPPLY SYSTEM OF ELECTRIC TRAIN WITH ASYNCHRONOUS TRACTION DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств с электротягой, которое может работать от различных систем внешнего электроснабжения, обеспечивая подачу электроэнергии к тяговым двигателям и нетяговым бортовым потребителям
Уровень техники
Для электрификации железных дорог применяются две системы электроснабжения: переменного и постоянного тока, в нашей стране это 25 кВ переменного тока и 3 кВ постоянного. Первоначально использовались электровозы двух типов: постоянного тока и переменного тока. Причем по пути следования поездов на специальных станциях стыкования двух различных систем производили смену электровозов одного типа на другой. Затем были разработаны электровозы двойного питания, которые являются более дорогостоящими и массивными, но не требуют специальных условий при переходе с одной системы питания на другую.
Тяговые приводы электровозов также бывают двух типов: синхронные (коллекторные) и асинхронные. Преимущество асинхронных над коллекторными заключается в относительной простоте и надежности, что обусловлено отсутствием щеточно-коллекторного узла. Работы по созданию мощных магистральных электровозов с аинхронными тяговыми двигателями были развернуты еще в конце 1960-х годов (Т.Люттин, С.В.Покровский «Унифицированные многосистемные преобразователи нового поколения для электровозов с асинхронными тяговыми двигателями», ЖДМ №5, 2005 г.). С тех пор создано не менее шести поколений асинхронных тяговых преобразователей, которые все более используются и в нашей стране также.
Тяговые преобразователи на базе современных компонентов силовой электроники в сочетании с трехфазными асинхронными тяговыми двигателями обеспечивают большие возможности как в повышении силы тяги, так и в снижении мешающего влияния электрической тяги на питающие сети.
В последние годы появились повышенные требования к качеству пассажирских перевозок, а значит, увеличилась потребность в дополнительных нетяговых потребителях электроэнергии (кондиционеры, электронагреватели, дополнительное освещение и т.п.). Кроме того, большинство нетяговых потребителей должно функционировать даже во время длительных стоянок.
Универсальная система электропитания на железнодорожном транспорте, наиболее полно соответствующая современным требованиям к пассажирским перевозкам, должна обеспечить взаимозаменяемое или комбинированное использование следующих внешних источников электроэнергии:
железнодорожная контактная сеть переменного тока (15-25 кВ),
железнодорожная контактная сеть постоянного тока (1,5-3,0 кВ),
внешняя трехфазная сеть переменного тока (380 В),
аккумуляторные батареи (110/50 В).
Известны технические решения, направленные на совершенствование работы систем электроснабжения электровозов и электропоездов с асинхронным тяговым приводом.
Например, известно изобретение по российскому патенту RU №2248892, в котором электропривод содержит переключатель рода тока, тяговый трансформатор, токоприемник и четырехквадрантный преобразователь, соединяемый контакторами с LC-фильтром. В тяговый электропривод введены два контактора, один из которых включен между крайним выводом реактора LC-фильтра и зажимом переменного тока четырехквадрантного преобразователя, а другой - между указанным выводом реактора LC-фильтра и плюсовым зажимом постоянного тока четырехквадрантного преобразователя.
Это устройство электропривода позволяет регулировать постоянное напряжение на входе автономного инвертора напряжения в диапазоне от фактической до максимальной величины питающей сети посредством использования в режиме импульсного прерывателя постоянного тока ключевых элементов четырехквадрантного преобразователя, не задействованных при питании от сети постоянного тока, что обеспечивает реализацию электроприводом максимальной мощности независимо от фактического напряжения тяговой сети. Одновременно сохраняется возможность функционирования привода по наиболее экономичной однозвенной схеме, когда фактическое напряжение тяговой сети обеспечивает развитие приводом требуемой мощности.
Технический результат заключается в исключении зависимости развиваемой приводом мощности от величины фактического напряжения питающей сети.
Также известен универсальный комплекс электроснабжения, предназначенный для питания измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) и бытовых нужд обслуживающего персонала лаборатории на колесах НИИЭФА-ЭНЕРГО (www.nfenergo.sp.ru), который обеспечивает:
- бесперебойность питания независимо от скорости движения вагона, включая остановки в пути следования;
- снабжение электроэнергией при длительных стоянках как при наличии внешней сети, так и при ее отсутствии;
- удобство дистанционного управления и контроля из аппаратного зала с рабочего места оператора.
Комплекс работает в четырех режимах, которые выбираются с помощью одного переключателя:
- основной режим работы на ходу вагона;
- режим питания на длительной стоянке при наличии внешней сети;
- электроснабжение на стоянке при отсутствии внешней сети;
- работа от внешней сети при пониженном или повышенном напряжении.
В состав комплекса входят инверторы, источник бесперебойного питания, дизель-генератор, зарядное устройство аккумуляторной батареи, шкаф распределительный, разделительный трансформатор, пульт дистанционного управления.
В качестве прототипа рассмотрим систему электроснабжения электровоза ES64U4 компании Siemens Transportation Systems (TS), (ЖДМ №12, 2005 г.)
Электровоз ES64U4 оснащен двумя тяговыми преобразователями, по одному на тяговые двигатели одной из тележек.
Каждый тяговый преобразователь включает:
- два четырехквадрантных импульсных регулятора;
- два импульсных инвертора (по одному на каждый тяговый двигатель);
- один инвертор для питания вспомогательных бортовых потребителей энергии.
При питании от контактной сети переменного тока напряжением 15 или 25 кВ тяговый ток поступает к преобразователям, предварительно пройдя через последовательность смонтированных на крыше коммутационных аппаратов, в которую входят разъединитель, переключатель заземления, индуктивный дроссель и главный вакуумный быстродействующий выключатель, на первичную обмотку главного трансформатора. Четырехквадрантные регуляторы 4QS подключены к вторичной обмотке главного трансформатора. Выпрямленный ток от них через промежуточное звено постоянного напряжения проходит к двум импульсным инверторам. Каждый инвертор питает трехфазным переменным током «свои» тяговые двигатели. Протекание тока возможно как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. реализуются режимы как тяги, так и электродинамического торможения.
При питании от контактной сети постоянного тока напряжением 3 или 1,5 кВ ток через двухступенчатый линейный фильтр направляется непосредственно в промежуточное звено постоянного напряжения. Фильтр формируется из вторичной обмотки главного трансформатора, конденсаторной сборки и индуктивного дросселя. В данном режиме тяговые преобразователи работают на полном напряжении контактной сети, а инверторы питают тяговые двигатели так же, как в случае контактной сети переменного тока.
На электровозе имеются два отдельных преобразователя для питания нетяговых бортовых потребителей энергии. Каждый из них подключен к выходу промежуточного звена постоянного напряжения одного из тяговых преобразователей.
Первый преобразователь вырабатывает электроэнергию регулируемого напряжения и регулируемой (в пределах от 2 до 60 Гц) частоты. Он питает асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором системы охлаждения. Второй преобразователь вырабатывает электроэнергию стабильного напряжения и стабильной частоты. Он питает установки кондиционирования воздуха в кабинах управления, мотор-компрессор, масляные насосы и устройство подзарядки аккумуляторной батареи. Зарядное устройство может также получать питание от внешнего источника энергии, подключаемого через специальный разъем.
Главный трансформатор электровоза изготовлен в однофазном исполнении и рассчитан на питание от контактной сети переменного тока 15 кВ, 16,7 Гц и 25 кВ, 50 Гц.
Недостатком является зависимость цепи питания нетяговых бортовых потребителей энергии от цепи питания тяговых двигателей, так как она подключена к выходу промежуточного звена постоянного напряжения одного из тяговых преобразователей.
Раскрытие изобретения
Заявляемая система электроснабжения электропоезда с асинхронным тяговым приводом снабжена устройствами подключения:
к железнодорожной контактной сети переменного тока напряжением ~25 кВ,
к железнодорожной контактной сети постоянного тока напряжением = 3 кВ,
к внешней трехфазной сети переменного тока напряжением ~380 В,
к аккумуляторной батарее на = 110/50 В.
Система содержит главный силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с устройством подключения к контактной сети переменного тока ~25 кВ и который питает электрическую цепь питания асинхронного тягового привода, включающую выпрямитель, фильтр и мощный инвертор, управляющий асинхронными двигателями, а также электрическую цепь питания нетяговых бортовых потребителей, в том числе зарядного устройства аккумуляторной батареи, включающую в себя полууправляемый выпрямитель и высокочастотный инвертор, подсоединенный через выключатель к одной из двух первичных обмоток многообмоточного трансформатора, имеющего несколько вторичных обмоток для индуктивного разделения по питанию всех нетяговых бортовых потребителей.
Эта же цепь питания нетяговых бортовых потребителей - по входу - может быть соединена при необходимости (например, при длительных стоянках) с внешней трехфазной сетью переменного тока напряжением ~380 В.
Система имеет также вторую цепь питания нетяговых бортовых потребителей, которая через выключатель может подсоединяться к контактной сети постоянного тока = 3 кВ. Эта цепь содержит высокочастотный инвертор и разделительный двухобмоточный трансформатор, который через выключатель может подсоединяться к той же первичной обмотке многообмоточного трансформатора, что и упомянутая первая цепь питания нетяговых бортовых потребителей.
Вторая же первичная обмотка многообмоточного трансформатора может подключаться (в случае необходимости в аварийном питании) к аккумуляторной батарее на = 110/50 В через маломощный инвертор (преобразующий постоянное напряжение батареи в переменное).
Технический эффект изобретения заключается в упрощении электрической схемы системы универсального электроснабжения, в снижении массогабаритных показателей источника питания собственных нужд, в повышении коэффициента полезного действия и надежности источника питания бортовых потребителей. Это осуществляется за счет того что:
1) электрическая цепь питания нетяговых бортовых потребителей при работе от контактной сети переменного тока ~25 кВ отслеживает питание всех низковольтных потребителей энергии и заряд аккумуляторной батареи электропоезда с помощью полууправляемого выпрямителя и высокочастотного инвертора, причем вход выпрямителя может подключаться либо к дополнительной обмотке силового трансформатора, либо к промышленной трехфазной сети 380 В, 50 Гц, что значительно упрощает схему и снижает массогабаритные показатели источника питания собственных нужд;
2) применение двух- и многообмоточного высокочастотных трансформаторов позволяет обеспечивать питание низковольтных потребителей энергии от высоковольтных контактных сетей постоянного и переменного тока, а также от аккумуляторной батареи = 110 В через маломощный инвертор, что повышает коэффициент полезного действия и надежность источника питания потребителей.
На чертеже приведена функциональная схема системы электроснабжения электропоезда с асинхронным тяговым приводом.
Осуществление изобретения
Система электроснабжения, представленная на чертеже, включает в себя:
1 - устройство подключения системы электроснабжения электропоезда к железнодорожной контактной сети переменного тока напряжением ~25 кВ,
2 - устройство подключения системы электроснабжения электропоезда к железнодорожной контактной сети постоянного тока напряжением = 3 кВ,
3 - устройство подключения цепи питания нетяговых бортовых потребителей к внешней трехфазной сети переменного тока напряжением ~380 В,
4 - устройство подключения нетяговых бортовых потребителей к аккумуляторной батарее на = 110/50 В,
5 - главный силовой трансформатор,
6 - выпрямитель,
7 - фильтр или преобразователь постоянного напряжения (первый),
8 - мощный инвертор для тягового привода,
9 - полууправляемый выпрямитель,
10 - фильтр или преобразователь постоянного напряжения (второй),
11 - высокочастотный инвертор,
12 - многообмоточный трансформатор,
13 - первый выключатель первичной обмотки многообмоточного трансформатора,
14 - разделительный трансформатор,
15 - высокочастотный инвертор,
16 - маломощный инвертор,
17 - преобразователь 3-фазного выходного напряжения 380 в 50 Гц,
18 - преобразователь 2-фазного выходного напряжения 230 в 50 Гц,
19 - преобразователь зарядного устройства аккумуляторных батарей,
20 - преобразователь бортового потребителя на 50 В постоянного тока,
21 - преобразователь бортового потребителя на напряжение по требованию от 0 до 135 В,
22 - выключатель цепи нетяговых бортовых потребителей при работе от контактной железнодорожной сети = 3 кВ,
23 - выключатель цепи нетяговых бортовых потребителей при работе от контактной железнодорожной сети ~25 кВ,
24 - второй выключатель первичной обмотки многообмоточного трансформатора.
В качестве устройств подключения 1-4 могут быть использованы стандартные контакторы и автоматические выключатели.
Выпрямитель 6 может быть выполнен по мостовой двухполупериодной схеме.
Фильтры или преобразователи постоянного напряжения 7 и 10 могут быть выполнены по любой общеизвестной схеме.
В качестве мощного первого инвертора 8 можно использовать 3-фазный мостовой инвертор.
В качестве высокочастотного второго инвертора 11 можно использовать однофазный полумостовой или мостовой инвертор.
В качестве высокочастотного третьего инвертора 15 можно использовать однофазный полумостовой или мостовой инвертор.
В качестве маломощного четвертого инвертора 16 можно использовать однофазный полумостовой или мостовой инвертор.
Преобразователи 17 и 18 могут быть выполнены по любым общеизвестным схемам, разработанным для получения соответствующих выходных напряжений: 380 В, 50 Гц; 230 В, 50 Гц.
Низковольтные преобразователи постоянного тока 19-21 могут быть выполнены также по известным схемам.
Работа системы электроснабжения электропоезда с асинхронным тяговым приводом в зависимости от источника внешнего электроснабжения может осуществляться разным путем.
1 случай - подключение системы электроснабжения электропоезда к контактной сети постоянного тока = 3 кВ.
Постоянное напряжение постоянного тока = 3 кВ поступает на фильтр 7 (или преобразователь постоянного напряжения), затем на инвертор 8, где формируется рабочее напряжение для работы асинхронных двигателей АД. Цепь питания нетяговых бортовых потребителей подключается через выключатель 22 и включает в себя высокочастотный инвертор 15, разделительный трансформатор 14 и первичную обмотку (БП) многообмоточного трансформатора 12, которая может отключаться выключателем 13. На вторичных обмотках трансформатора 12 формируются выходные напряжения разного номинального значения:
a) входное напряжение для преобразователя 17 3-фазного выходного напряжения 380 в 50 Гц, предназначенного для питания бортового кондиционера;
b) входное напряжение для преобразователя 18 2-фазного выходного напряжения 230 в 50 Гц, предназначенного для питания вагонных розеток;
c) входное напряжение выпрямителя 19, подключенного к осветительным приборам вагона;
d) входное напряжение выпрямителя 20, подключенного к различным низковольтным потребителям вагона;
e) входное напряжение выпрямителя 21, предназначенного для обеспечения подзаряда вагонных аккумуляторов.
2 случай - подключение системы электроснабжения электропоезда к контактной сети переменного тока ~25 кВ.
Переменное напряжение ~25 кВ через устройство подключения 1 подается на первичную обмотку главного силового трансформатора 5. На одной из его вторичных обмоток (ВВ) формируется входное напряжение электрической цепи питания асинхронного тягового привода, включающей выпрямитель 6, фильтр 7 (формирователь постоянного напряжения) и мощный инвертор 8.
Для питания нетяговых бортовых потребителей служит цепь питания, подключаемая выключателем 23 к другой вторичной обмотке (НВ) главного силового трансформатора 5. В цепь питания входят: полууправляемый выпрямитель 9, собранный по любой известной мостовой схеме, фильтр 10 (формирователь постоянного напряжения), высокочастотный инвертор 11 и первичная обмотка (БП) многообмоточного трансформатора 12, которая может отключаться от этой цепи выключателем 24.
Как и в 1-м случае на вторичных обмотках трансформатора 12 формируются выходные напряжения разного требуемого номинального значения.
3 случай - подключение цепи питания нетяговых бортовых потребителей (на остановках или в депо) к внешней трехфазной сети переменного тока напряжением ~380 В, 50 Гц.
Для подключения служит устройство подключения 3, которое подает ~380 В на вход цепи питания нетяговых бортовых потребителей, используемую во 2-м случае, т.е. состоящую из полууправляемого выпрямителя 9, фильтра 10 (формирователя постоянного напряжения), высокочастотного инвертора 11 и первичной обмотки (БП) многообмоточного трансформатора 12, которая может отключаться от этой цепи выключателем 24. В этом случае выключатель 23 находится в выключенном состоянии.
4 случай - подключение нетяговых бортовых потребителей к аккумуляторной батарее на = 110/50 Гц (аварийное подключение).
Постоянный ток от аккумуляторных батарей (= 110 В) подается через устройство подключения 4 на вход маломощного инвертора 16, преобразуясь в переменный ток. Выход инвертора 16 соединен со второй первичной обмоткой (АБ) многообмоточного трансформатора 12. Этот случай предполагает использование аккумуляторных батарей в экстренных случаях, например для дежурного освещения вагона.