УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЗАРЯДА-РАЗРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а точнее к устройствам для управления процессом заряда мощного емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) от источника питания постоянного напряжения и процессом разряда мощного ЕНЭ на источник постоянного напряжения, выполненных на базе электрохимических конденсаторов (суперконденсаторов) [1].
Известны устройства для заряда и разряда отдельных емкостей [2] и заряда и разряда ЕНЭ, используемые в силовых цепях постоянного тока тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ [3] и на тяговом подвижном составе [4, 5].
В качестве прототипа рассмотрено устройство, приведенное в [4], состоящее из последовательного соединения повышающего и понижающего импульсных источников напряжения постоянного тока, это устройство не позволяет регулировать мощность при разряде ЕНЭ, разряд обеспечивается при подключении ЕНЭ через диод к тяговым электродвигателям.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении функциональных возможностей технических средств, обеспечивающих заряд-разряд ЕНЭ для ЭПС железных дорог.
Техническим результатом заявленной полезной модели являются следующие улучшения в работе известных устройств заряда-разряда ЕНЭ: заявленное устройство позволяет реализовать плавное регулирование мощности при разряде мощного ЕНЭ в рабочем диапазоне напряжения в контактной сети (от 2700 до 4000 В). Технический результат обеспечивается за счет использования импульсного преобразователя постоянного тока с двухквадрантным режимом работы.
В качестве полупроводниковых ключей могут быть использованы силовые запираемые тиристоры или транзисторы.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом фиг. 1.
Устройство для управления процессом заряда-разряда ЕНЭ для электроподвижного состава (ЭПС) постоянного тока подключено параллельно силовой цепи электровоза (моторного вагона) постоянного тока 1 (фиг. 1) с использованием контактора K и содержит входной сглаживающий реактор L1 и входной сглаживающий конденсатор C1, разрядно-зарядный контур, в который входят два силовых запираемых тиристора VS1 и VS2, два силовых диода VD1 и VD2, промежуточный индуктивный накопитель энергии L2 (реактор, дроссель), а также модули электрохимических конденсаторов C.
Заявленное устройство должно быть оснащено необходимыми защитами от аварийных режимов (на фиг. 1 не показаны). Это устройство может быть использовано без входного сглаживающего реактора L1 при достаточном значении индуктивности силовой цепи электровоза (моторного вагона).
Принцип действия заявленного устройства основан на использовании импульсного преобразователя постоянного тока, который позволяет реализовать двухквадрантный режим работы для заряда и разряда ЕНЭ.
Система управления (СУ) 2 (фиг. 1) устройством заряда-разряда ЕНЭ в зависимости от напряжения на токоприемнике ЭПС и направления мощности (тяга или рекуперация) определяет режим работы устройства (заряд ЕНЭ, хранение энергии, разряд ЕНЭ).
и
При заряде ЕНЭ энергия от источника постоянного напряжения E (тяговые двигатели ЭПС) поступает на сглаживающий фильтр из реактора L1 и конденсатора C1 (фиг. 2, а, б). Ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора VS1 формирует в зарядном контуре последовательность импульсов с необходимой частотой (периодом T) и длительностью импульса t. При открытом полупроводниковом ключе VS 1 увеличивается ток по контуру E-L1-VS1-L2-C-E (фиг. 2, а), индуктивный элемент L2 запасает энергию в магнитном поле (сглаживающий конденсатор C1 разряжается через VS 1 на цепь с последовательным соединением L2 и C).
На интервале времени с закрытым ключом VS1, энергия, запасенная в индуктивном элементе L2, передается в ЕНЭ, ток протекает через обратный диод VD1 по цепи L2-C-VD1-L2 (фиг. 2, б). Сглаживающий конденсатор C1 заряжается от источника постоянного напряжения. Далее полупроводниковый ключ VS 1 открывается, процесс повторяется. На фиг. 3, а приведены временные диаграммы, поясняющие процессы при заряде ЕНЭ.
Управление мощностью в режиме заряда ЕНЭ осуществляется за счет изменения частоты и (или) длительности импульсов напряжения (тока) и, следовательно, изменения объемов электрической энергии передаваемой от источника питания в ЕНЭ с каждым импульсом.
Для разряда ЕНЭ параллельно ветви с индуктивным элементом L2 и ЕНЭ включен полупроводниковый ключ VS2 (фиг. 2, в). Ключевой режим работы этого элемента формирует последовательность импульсов тока, проходящих через силовой диод VD2, связывающий разрядный контур с ЕНЭ C и контур с источником постоянного напряжения E. При открытом полу проводниковом ключе VS2 увеличивается ток через ветвь с последовательно соединенными реактором L2 и ЕНЭ C по цепи VS2-C-L2-VS2, индуктивный элемент L2 запасает энергию в магнитном поле.
На интервале времени с закрытым ключом VS2 энергия, запасенная в индуктивном элементе L2 (на интервале времени с открытым VS2), передается в источник питания, ток протекает через диод VD2 по цепи E-C-L2-VD2-L1-E (фиг. 2, г). В соответствии с законом коммутации при закрытии полупроводникового ключа VS2 ток в индуктивном элементе L2 не может измениться мгновенно, поэтому ток, протекающий через L2, меняет путь протекания и проходит через диод VD2, сглаживающий фильтр и источник питания E. Далее полупроводниковый ключ VS2 открывается, процесс повторяется. На фиг. 3, б приведены временные диаграммы, поясняющие процессы при разряде ЕНЭ.
Управление мощностью в режиме разряда ЕНЭ осуществляется за счет изменения частоты и (или) длительности импульсов и, следовательно, изменения объемов электрической энергии передаваемой от ЕНЭ с каждым импульсом в источник питания.
Сглаживающий фильтр снижает переменную составляющую в токе при разряде и заряде ЕНЭ, который протекает через силовую цепь электровоза.
Процесс заряда ЕНЭ может быть реализован при значении напряжения источника питания в рабочем диапазоне устройства, для тяговой сети железных дорог постоянного тока при напряжении от 3300 до 4000 В. При достижении номинального напряжения на ЕНЭ, т.е. при завершении процесса накопления энергии, полупроводниковый ключ VS1 закрывается.
Процесс разряда ЕНЭ может быть реализован при значении напряжения источника питания в рабочем диапазоне устройства, для тяговой сети железных дорог постоянного тока при напряжении от 2700 до 3300 В. При уменьшении напряжения на ЕНЭ до 50% от номинального, т.е. при завершении процесса возврата энергии, полупроводниковый ключ VS2 закрывается.
Процесс заряда или разряда ЕНЭ может быть реализован при любом значении запасенной энергии в ЕНЭ в рабочем диапазоне напряжения.
Управление полупроводниковыми ключами VS1, VS2 осуществляется системой управления (СУ) с использованием датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН).
Часть энергии рекуперации возвращается в контактную сеть, накопление энергии на борту ЭПС осуществляется при наличии избыточной энергии рекуперации.
Для обеспечения необходимой энергоемкости и мощности ЕНЭ отдельные модули электрохимических конденсаторов соединяются между собой последовательно и параллельно.
Достоинства предлагаемого устройства состоят в том, что оно может реализовать плавное регулирование мощности в заданном диапазоне при заряде и разряде ЕНЭ; обеспечить заряд и разряд ЕНЭ при напряжении источника питания в рабочем диапазоне (2700-4000 В); использовать энергоемкость ЕНЭ на 75% (техническая документация на электрохимические конденсаторы допускает их разряд до 50% от номинального напряжения); обеспечить высокий КПД цикла «заряд-разряд» выше 95%.
Недостатки предлагаемого устройства состоят в том, что необходим входной сглаживающий конденсатор со значительной емкостью.
Источники информации:
1. Иванов, А.М. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя [Текст] / А.М. Иванов, А.Ф. Герасимов // Электричество. - 1991. - №8. - С. 16-19.
2. Булатов, О.Г. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии [Текст] / О.Г. Булатов, В.С.Иванов, Д.И. Панфилов. - М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.
3. Пат. 2365017 Российская Федерация, МПК H02J 1/00. Тяговая подстанция постоянного тока с емкостными накопителями энергии [Текст] / Алексеев Е.Н., Добровольские Т.П.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Российские железные дороги». - №2008125602/09; заявл. 26.06.08; опубл. 20.08.09, Бюл. №23. - 6 с.
4. Пат. 2379201 Российская Федерация, МПК B60L 7/10. Способ рекуперации электрической энергии на рельсовом транспорте в накопительную установку вагона [Текст] / Анисов А.Н., Криштафович Г.И., Пахомов В.Я.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма «Уктус Электрик». - №2008118850/11; заявл. 14.05.08; опубл. 20.01.10, Бюл. №2. - 6 с. (ПРОТОТИП).
5. Пат. 2216457 Российская Федерация, МПК B60L 7/10. Устройство для рекуперативного торможения тяговых электродвигателей вагона метрополитена [Текст] / Винник Л.В., Рябцев Г.Г., Сухоруков А.К., Желтов К.С; заявитель и патентообладатель АОЗТ «Завод по ремонту электроподвижного состава». - №2002103365/11; заявл. 12.02.02; опубл. 20.11.03, Бюл. №32. - 5 с.