УСТРОЙСТВО НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ АВАРИЙНОГО ТЯГОВОГО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к электрическим системам транспортных средств с двигателями постоянного тока, в частности к системам регулирования скорости вагонов метрополитена, при питании их от источника питания постоянного напряжения - мощных конденсаторных накопителей энергии (КНЭ), выполненных главным образом на базе импульсных конденсаторов [1].
Известна система автономного питания трамвая в Японии [2], которая представляет собой источник питания и преобразователь тока, подключенный уже непосредственно к тяговым двигателям трамвая. Это устройство и было принято за прототип.
В прототипе в качестве автономного источника питания используется аккумуляторная батарея (АБ) с уровнем напряжения равным рабочему напряжению тяговых двигателей. Преобразователь тока - это трехфазный выпрямительно-инверторный агрегат, предназначенный для преобразования постоянного тока в переменный в режиме тяги и, наоборот, переменного тока - в постоянный при режимах рекуперативного торможения, а также для регулирования напряжения на тяговых двигателях. В качестве тяговых двигателей используются трехфазные асинхронные машины переменного тока. В схеме также присутствуют реактор и конденсатор фильтра, для выравнивания высших гармоник и повышения качества энергии.
Данная система автономного питания предназначена для непродолжительного электроснабжения транспортного средства в местах, где затруднительно строительство контактной сети. В качестве исходного
источника питания для подзаряда АБ используется точечная система электроснабжения на остановочных пунктах.
Недостатком прототипа является следующее: АБ должна быть рассчитана на номинальное напряжение работы тяговых двигателей, что уже, независимо от энергоемкости, делает ее весьма громоздкой и тяжелой. В прототипе также присутствует сложный и дорогостоящий полупроводниковый преобразователь тока.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение возможности автономного движения электроподвижного состава при отключении напряжения контактной сети, при этом в качестве источника питания может быть использована АБ с любым уровнем напряжения, вплоть до напряжения единичного гальванического элемента (1,2 В). Данная возможность позволяет иметь АБ меньшего размера и веса, что в условиях транспортного средства весьма значительно. Однако для тяговых двигателей необходим определенный и, как правило, более высокий уровень рабочего напряжения. Помимо этого в полезной модели отсутствует сложный и дорогостоящий полупроводниковый преобразователь тока.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемой системе имеется промежуточный емкостной накопитель энергии (ЕНЭ) с зарядным устройством.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом.
Данная система содержит источник питания постоянного тока, т.е. АБ 1, подключенную к зарядно-разрядному контуру, т.е. зарядному устройству 2, в которое входят дозирующий индуктивный реактор 3, тиристор 4 и диод 5, промежуточный емкостной накопитель энергии 6, ключи 7 и 8, а также тяговые двигатели постоянного тока 9.
Задача системы главным образом сориентирована обеспечение возможности автономного движения электроподвижного состава, т.е. при отсутствии основного электропитания.
Работа системы происходит следующим образом: в аварийной ситуации, когда пропадает напряжение в контактной сети, замыкают ключ 7 и от АБ через зарядное устройство 2 заряжают ЕНЭ 6. В качестве зарядного устройства используется зарядно-разрядный контур по схеме электромагнитного дросселя. Принцип действия данного зарядного устройства основан на том, что энергия от источника постоянного напряжения, в данном случае это АБ, пропорциональная квадрату тока, накапливается в индуктивности, а потом сбрасывается в ЕНЭ [3, 4]. Это происходит многократно до тех пор, пока напряжение на ЕНЭ не повысится до необходимого уровня. После этого замыкают ключ 8 и, разряжая ЕНЭ на тяговые электродвигатели, приводят поезд в движение.
Для конкретного применения на электроподвижном составе метрополитена новое устройство работает следующим образом: на каждом вагоне метро в наличии имеется аккумуляторная батарея. Общая энергоемкость АБ позволяет осуществить вывод поезда из туннеля. Однако уровень напряжения АБ несопоставимо мал по сравнению с уровнем рабочего напряжения тяговых двигателей. Поэтому для работы двигателей необходимо некое промежуточное устройство, которое бы поднимало напряжение до необходимого уровня. В качестве такого устройства и используется ЕНЭ, с зарядным устройством. ЕНЭ с помощью зарядного устройства заряжается от АБ собственных нужд вагона до необходимого уровня напряжения, а потом начинает питать тяговые двигатели.
Однако ЕНЭ, рассчитанный на полную энергоемкость АБ, будет представлять собой довольно громоздкую батарею конденсаторов, размещение которой на электроподвижном составе, в условиях дефицита места, представляется крайне затруднительным. Поэтому было принято решение передавать энергию от ЕНЭ к тяговым двигателям порциями, т.е. ЕНЭ выполнить меньшей энергоемкостью, но подключение к тяговым двигателям осуществлять несколько раз. Передавая электродвигателям энергию уже при рабочем уровне напряжения, ЕНЭ дает необходимый кинетический толчок
поезду. После того как ЕНЭ будет разряжен, он отключается от двигателей и через зарядное устройство снова заряжается от АБ. Этот период времени поезд будет двигаться по инерции. При достижении необходимого уровня напряжения ЕНЭ снова подключается к тяговым двигателям и далее процесс повторяется. Вследствие такого многократного подключения поезд может разогнаться до необходимой скорости и далее двигаться на выбеге до ближайшей станции.
Таким образом, в предложенном устройстве осуществляется пуск тяговых электродвигателей от емкостных накопителей энергии, что обеспечивает возможность автономного движения электроподвижного состава при отключении напряжения контактной сети.
Предлагаемая система может быть эффективно использована на мощных электрических транспортных средствах постоянного тока (троллейбус, трамвай, вагоны метро и вагоны железнодорожных электричек) для кратковременного тягового питания в случаях аварийного вывода поезда из туннеля, маневровом движении и т.п., а также для частичного принятия энергии рекуперации.
Источники информации:
[1] Иванов А.М., Герасимов А.Ф. «Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя», Электричество, №8, 1991 г.
[2] «Трамвай с питанием от аккумуляторной батареи», «Железные дороги мира», №5, 2005 г. (ПРОТОТИП)
[3] Пупынин В.Н., Никитин В.А. "Условия эффективного использования емкостного накопителя энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог", Электричество, №1, 1993 г.
[4] Пупынин В.Н. Шевлюгин М.В. "Разработка энергосберегающих схем тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока 3,3 кВ с использованием накопителей энергии" // "Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта", Сборник научных трудов, МГУ ПС (МИИТ) 1998 г., вып.916.