Шкаф управления комплектом электрооборудования пассажирского вагона

Предлагаемая полезная модель относится к электрооборудованию железнодорожных пассажирских вагонов.
Одним из самых распространенных источников электрической энергии пассажирских железнодорожных вагонов является генератор пассажирского вагона, состоящий из собственного синхронного генератора, содержащий ротор, статор с силовыми обмотками и обмоткой возбуждения, и регулятора напряжения, вход которого подключен к силовым обмоткам, а выход – к обмотке возбуждения генератора, отличающийся тем, что в статоре генератора установлен датчик температуры, выполненный в виде обмоток из калиброванного медного провода определенного сопротивления, проложенных бифилярно вдоль проводников силовых обмоток, выход которого подключен к входу вновь введенного вторичного прибора измерения температуры с ключевым выходом, подключенным к входу регулятора напряжения. (Патент RU № 5954, опубликованный 15.11.2019 года).
Главным недостатком этого подвагонного генератора является то, что он не способен подавать требуемого напряжения и достигать требуемой мощности для обеспечения электропитанием систем и электрооборудования вагона на скорости движения ниже 35 км/ч из-за снижения частоты вращения ротора до 700 об./мин. Следствием этого недостатка является необходимость отключения мощных потребителей электрической энергии и многих систем, обеспечивающих комфортное путешествие пассажиров в пассажирских вагонах, а также переходу на электропитание от аккумуляторной батареи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является источник электропитания для пассажирских железнодорожных вагонов локомотивной тяги (Патент RU №193790, опубликованный 15.11.2019 года), содержащий подвагонный генератор переменного напряжения, включающий ротор с приводом от колесной пары пассажирского вагона, а также статор, включающий две: первую и вторую силовые трехфазные обмотки и одну обмотку возбуждения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит измеритель частоты вращения вала генератора и блок коммутации силовых обмоток генератора, содержащий два контактора, включая первый и второй контакторы, управляющие обмотки которых через измеритель частоты вращения колесной пары соединены с выходными цепями электропитания пассажирского вагона, первые концы силовых обмоток соединены между собой через нормально замкнутые первые 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 соединена по электропитанию через устройство регулирования тока возбуждения с выходными цепями электропитания, управляющий вход устройства соединен с управляющим выходом измерителя частоты.
Недостатками прототипа являются:
- неспособность подвагонного генератора работать без перегрузок на малых скоростях, так как при скорости движения вагона меньше 35 км/ч, для стабильной работы генератора, необходимо отключение ряда потребителей, что создает дискомфортные условия пассажирам;
- значительное сокращение ресурса работы аккумуляторной батареи в связи с частыми переключениями при смене источника электрической энергии в диапазоне скоростей движения вагона от 0 км/ч до 35 км/ч;
- неспособность подачи необходимого и стабильного напряжения при частоте вращения ротора от 300 об/мин;
- ограничение нагрузочной способности соединительной муфты генератора и колесной пары вагона при штатном режиме работы вагонных потребителей;
Задача предлагаемой полезной модели заключается в устранении перечисленных недостатков у источников питания такого типа, расширить у этих источников диапазон возможностей повышения надежности и стабильности обеспечения электрической энергией электрооборудования и систем пассажирского вагона от подвагонных генераторов на скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч.
Решением этой задачи стала разработка и проектирование шкафа управления комплектом электрооборудования пассажирского вагона с возможностью электроснабжения от подвагонного генератора при скорости движения от 15 км/час, что достигается установкой трансформатора напряжения с дополнительной обмоткой, которая дает возможность повысить выходное напряжение до необходимого уровня работы потребителей вагона. При использовании такого трансформатора напряжения, подвагонный генератор работает в режиме номинальной мощности, что дает возможность в полной мере обеспечить электроэнергией все потребители вагона за счет повышения выходного напряжения до 110 В.
Технический результат полезной модели заключается в стабильности обеспечения электрической энергией электрооборудования и систем пассажирского вагона от подвагонных генераторов на скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч, что позволило генератору стабильно работать при частоте вращения ротора от 300 об/мин. до 2400 об/мин. без превышения максимальной нагрузки на соединительную муфту подвагонного генератора.
Технический результат достигается предлагаемым шкафом управления комплектом электрооборудования пассажирского вагона, содержащим штатный подвагонный генератор трехфазный переменного тока, который включает ротор с приводом от колесной пары пассажирского вагона и также статор, включающий две: первую и вторую силовые трехфазные обмотки и одну обмотку возбуждения и собственно шкаф управления комплектом электрооборудования. Шкаф управления комплектом электрооборудования пассажирского вагона дополнительно содержит трансформатор напряжения, причем к выводам первой первичной полной обмотки и к выводам первой первичной частичной обмотки трансформатора напряжения Т1 подключены контакторы KM1 и KM2 соответственно, которые в свою очередь подключены к автоматическому выключателю QF и блоку управления. Основные обмотки статора подвагонного штатного генератора трехфазного переменного тока G1 подключены к контакторам КМ3 и КМ5,срабатываниеэтих контакторов обеспечивают катушки контакторов К3 и К5, подключенные к блоку управления, а контактор КМ3 подключен к выводам второй первичной обмотки трансформатора напряжения Т1. К выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1 подключен контактор КМ4, который срабатывает при подаче сигнала на катушку К4, подключенную к блоку управления. К выпрямителю напряжения, который стабилизирует выходное напряжение, подключены потребители, одним из которых является блок управления. К блоку управления  подключены катушки К1, К2, К3, К4, К5, где каждая катушка управляет переключением соответствующих контакторов КМ1, КМ2, КМ3, КМ4, КМ5, а также драйвер управления возбуждением подвагонного генератора G1. Драйвер управления возбуждением подвагонного штатного генератора G1 напрямую подключается к обмотке возбуждения ротора подвагонного генератора G1.
Отличительными особенностями представляемой полезной модели являются:
- установка трансформатора напряжения, с двумя первичными и одной вторичной обмотками, который за счет коэффициента трансформации напряжения выдает на вывод вторичной обмотки стабильное выходное напряжение, необходимое для обеспечения потребителей вагона электроэнергией при скорости движения от 15 км/ч до 35 км/ч, исключая необходимость отключения ряда потребителей вагона;
- подключение логически-программируемых контроллеров, которые осуществляют управление возбуждением подвагонного генератора, автоматическую коммутацию силовых сетей и дают возможность управления нагрузкой;
- снижения влияния «человеческого фактора» за счет обеспечения полной автоматизации систем и электрооборудования вагона.
Основными источниками электроэнергии для железнодорожных пассажирских вагонов в представляемой полезной модели, в зависимости от режима движения вагона, являются: источник внешнего питания трехфазной сети 380В при стояночном режиме и подвагонный генератор трехфазного переменного тока в режиме движения. Коммутация силовой сети обеспечения электроэнергией систем вагона осуществляется переключениями контакторов, которые замыкаются в зависимости от подключаемого источника питания и скорости движения вагона.
Во время стоянки пассажирского вагона основным источником питания является внешний источник питания ~380 В, 50 Гц (11), который подключается к автоматическому выключателю QF. Автоматический выключатель QF подключается проводами через проходные клеммы непосредственно к контакторам KM1 и KM2, параллельное подключение которых обусловлено ступенями зарядки аккумуляторной батареи пассажирского вагона. В свою очередь, контакторы KM1 и KM2 подключены к выводам первой первичной полной обмотки (4) и к выводам первой первичной частичной обмотки (5) трансформатора напряжения Т1 соответственно. Работа контакторов КМ1 и КМ2 обусловлена подключением катушек контакторов К1 и К2 к блоку управления (10), который, подавая сигналы на эти катушки, управляет их работой.
Во время движения пассажирского вагона основным источником питания является подвагонный генератор трехфазного переменного тока G1, основные обмотки статора (3) которого подключены к контакторам КМ3 и КМ5, параллельное подключение и работа которых обусловлены скоростью движения пассажирского вагона. Автоматическое переключение этих контакторов обеспечивают катушки контакторов К3 и К5, подключенные к блоку управления (10). В свою очередь, контактор КМ3 подключен к выводам второй первичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (6).
К выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (7) подключен контактор КМ4, который срабатывает при подаче сигнала на катушку К4, подключенную к блоку управления (10). После чего, в зависимости от скоростного режима, через контакторы КМ4 и КМ5 подается трансформированное напряжение на подключенный к ним выпрямитель напряжения (8).
К выпрямителю напряжения (8), который стабилизирует выходное напряжение, подключены потребители (9), одним из которых является блок управления (10). К блоку управления (10) подключены катушки К1, К2, К3, К4, К5, обеспечивающие переключение контакторов КМ1, КМ2, КМ3, КМ4, КМ5 соответственно, а также драйвер управления возбуждением подвагонного генератора G1 (1). Драйвер управления возбуждением подвагонного генератора G1 напрямую подключается к обмотке возбуждения ротора подвагонного генератора G1 (2), что обеспечивает прямое управление возбуждением подвагонного генератораG1 и подачу стабильного и необходимого напряжения на основные обмотки статора для электропитания потребителей пассажирского вагона на скоростях от 15 км/ч до 35 км/ч.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что стабилизация выходного напряжения трансформатора, независимо от источника питания (внешний источник питания или подвагонный генератор), обеспечивается автоматическим переключением контакторов: КМ1 для трансформации напряжения с выводов первой первичной полной обмотки (4), КМ2 для трансформации напряжения с выводов первой первичной частичной обмотки (5) на вывод вторичной обмотки (7) трансформатора напряжения Т1;КМ3 для трансформации напряжения с выводов второй первичной обмотки (6)на вывод вторичной обмотки (7)трансформатора напряжения Т1; КМ5 для подачи питания напрямую в зависимости от скоростного режима движения вагона. Также драйвером управления возбуждением подвагонного генератора, который выполняет функцию электронного регулятора напряжения на обмотках возбуждения ротора подвагонного генератораG1 (2), что исключает возможность его перегрузок, и запрограммированным логическим контроллером, который, помимо управления драйвером управления возбуждения подвагонного генератораG1 (1), запрограммирован на автоматическую коммутацию сетей вагона, что обеспечивает полную автоматизацию электрических систем пассажирского вагона.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, представленным на фиг.1 в виде функциональной схемы работы предлагаемой модели, как коммутация трансформатора напряжения Т1, источников питания (G1 и 11) и потребителей вагона (9), позволяющая подвагонному генераторуG1 работать на номинальной мощности без перегрузок, cо стабилизацией выходного напряжения и автоматической коммутацией сетей вагона, основанной на использовании логически-программируемых контроллеров.
Позициями на Фиг. 1 обозначены:
G1 – подвагонный генератор трехфазный переменного тока;
Т1 – трансформатор напряжения;
QF – автоматический выключатель от внешнего источника питания ~ 380 В (10);
КМ1 – контактор подачи питания от внешнего источника питания ~ 380 В (10) на вывод первой первичной полной обмотки;
К1 – катушка контактора КМ1;
КМ2 - контактор подачи питания от внешнего источника питания ~ 380 В (10) на вывод первой первичной частичной обмотки;
К2 - катушка контактора КМ2;
КМ3 - контактор подачи питания на вывод второй первичной обмотки (6) трансформатора напряжения Т1 от подвагонного генератора G1 при скорости ниже 35 км/ч;
К3 - катушка контактора КМ3;
КМ4 – контактор вывода вторичной обмотки (7) трансформатора напряжения Т1 для потребителей вагона (8) при скорости ниже 35 км/ч;
К4 – катушка контактора КМ4;
КМ5 – контактор подачи питания для потребителей вагона (8) напрямую от генератора G1 при скорости свыше 35 км/ч;
К5 – катушка контактора КМ5;
1 – драйвер управления возбуждением подвагонного генератора G1;
2 – обмотка возбуждения ротора подвагонного генератора G1;
3 – основные обмотки статора подвагонного генератора G1;
4 – вывод первой первичной полной обмотки трансформатора напряжения Т1;
5 – вывод первой первичной частичной обмотки трансформатора напряжения Т1;
6 – вывод второй первичной обмотки трансформатора напряжения Т1;
7 – вывод вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1;
8 – выпрямитель напряжения;
9 – потребители вагона;
10 – блок управления;
11 – внешний источник питания ~ 380 В, 50 Гц.
В зависимости от выбора источника осуществляется обеспечение электроэнергией системы вагона, предлагаемая полезная модель может работать в нескольких режимах.
Первый режим –на стоянке, при подключении пассажирского вагона к внешнему источнику питания трехфазной сети напряжением 380 В (11).Блок управления (10)подает сигнал на катушки К1, К2, К3, К4, К5, тем самым управляя соответствующими контактамиконтакторовКМ1, КМ2, КМ3, КМ4, КМ5, и анализирует напряжение на аккумуляторной батарее вагона. При работе в таком режиме, при подключении внешнего источника питания к вагону взводится автоматический трехполюсный выключательQF, работающий совместно с расцепителем, которым управляет блок управления (10).Блок управления (10) подает сигнал на катушку К1 контактора КМ1 или катушку К2контактора КМ2,в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее, и катушку К4 контактора КМ4.
При заряде аккумуляторной батареи вагона нельзя допускать большой ток, поэтому блок управления (10) подает сигналы на катушки К1 и К4. Происходит одновременное замыкание контактов контактора КМ1и контактора КМ4. Ток подается на вывод первой первичной полной обмотки трансформатора напряжения Т1 (4). Происходит трансформация напряжения по коэффициенту, рассчитанного на напряжение аккумуляторной батареи при глубокой разрядке, и с вывода вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (7) через замкнутые контакты контактора КМ4 ток подается для потребителей вагона (9) через выпрямитель напряжения (8).
При достижении определенного уровня заряда аккумуляторной батареи вагона, блок управления (10) подает сигналы на катушку К2, одновременно размыкая цепь катушки К1, тем самым размыкая контакты контактора КМ1. При замыкании контактов контактора КМ2, ток подается на вывод первой первичной частичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (5), Трансформация напряжения в этом случае происходит уже по другому коэффициенту, рассчитанный на напряжение аккумуляторной батареи вагона при неполной зарядке. После, как и в первом случае, с вывода вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (7) через замкнутые контакты контактора КМ4 ток подается для потребителей вагона (10) через выпрямитель напряжения (8).
Второй режим - при движении вагона на низких скоростях от 15 км/ч до 35 км/ч, основным источником электроэнергии становится подвагонный трехфазный генератор переменного тока G1. На низких скоростях, подвагонный генератор G1 не способен выдавать необходимое напряжение в сети, чтобы обеспечить электроэнергией системы и электрооборудование вагона, потому что частота вращения ротора низкая (менее 700 об/мин.) и генератор ограничен нагрузкой на присоединительную муфту. В связи с этими проблемами, для стабилизации напряжения на обмотках возбуждения ротора подвагонного генератора G1 (2), устанавливается драйвер управления возбуждением подвагонного генератора(1), который представляет собой электронный регулятор на базе микроконтроллера. Драйвер управления возбуждением подвагонного генератораG1 (1) получает данные на основании программы работы блока управления (10) и по полученным данным о скорости движения вагона, тока нагрузки, температуры в аккумуляторном боксе и температуры генератора, и управляет возбуждением подвагонного генератора G1.
На низкой скорости (от 15 до35 км/ч), ток с основных обмоток статора подвагонного генератораG1 (3) подается на контактор КМ3, при этом блок управления (10), кроме подачи сигнала на драйвер управления возбуждением подвагонного генератораG1 (1), одновременно подает сигналы на катушку К3 контактора КМ3 и катушку К4контактора КМ4. При срабатывании контактора КМ3, через замкнутые контакты, ток подается на вывод второй первичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (6). Происходит трансформация напряжения по коэффициенту, рассчитанного для работы трансформатора c напряжением подвагонного генератора G1 при движении вагона со скоростью 15км/ч-35 км/ч. Одновременно срабатывает контактор КМ4 и с вывода вторичной обмотки трансформатора напряжения Т1 (7) через замкнутые контакты контактора КМ4 ток подается для потребителей вагона (9).
Третий режим - при скорости движения вагона свыше 35 км/ч, при которой возможно обеспечить потребители вагона (9) необходимой электроэнергией. Блок управления (10) размыкает цепи подачи тока на катушку К3 контактора КМ3 и катушку К4 контактора КМ4 и одновременно подает ток на катушку К5 контактора КМ5, при этом контакты контакторов КМ3 и КМ4 размыкаются, а контакты контактора КМ5 замыкаются, и генератор подает ток для потребителей вагона (9) через выпрямитель напряжения (8) напрямую.
Предложенная полезная модель, основанная на использовании трансформатора напряжения с дополнительной первичной обмоткой, драйвера управления возбуждением подвагонного генератора и логически-программируемых контроллеров, позволила:
- работать подвагонному генератору без перегрузок в диапазоне скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч без превышения нагрузочной способности соединительной муфты, тем самым увеличив жизненный цикл эксплуатации генератора;
- широко расширить диапазон возможностей электропитания систем и электрооборудования пассажирских вагонов от подвагонного генератора без переключения на питание от аккумуляторной батареи в диапазоне скорости движения вагона от 15 км/ч до 160 км/ч. Для сравнения, в известном источнике электропитания RU 5954 U1 такая возможность появлялась только при скорости движения вагона свыше 35 км/ч.
- стабилизировать выходное напряжение от источников электропитания, как от внешних источников, так и от подвагонных генераторов;
- полностью автоматизировать коммутацию систем и электрооборудования пассажирских вагонов;
- повысить уровень комфорта для пассажиров во время путешествий в пассажирских вагонах.
Промышленная применимость.
Разработанная полезная модель уже успела себя показать в действии и зарекомендовать себя в нескольких заказах, как надежное и качественное в исполнении электрооборудование, которое постепенно становится очень востребованным в сфере производства железнодорожных вагонов (вагонов-купе и вагонов-плацкарт).
Расширенный функционал представляемой полезной модели, одной из функции которой является стабилизация выходного напряжения, выдаваемого подвагонным генератором, избавило от необходимости в разработке новых подвагонных генераторов, способных работать диапазоне частот вращения ротора от 300 об/мин. до 3400 об/мин. В свою очередь, также отпала необходимость в разработке и внедрения новой системы микроклимата, что позволило улучшить условия комфорта для пассажиров в вагоне на участках путей, где пассажирский состав движется со скоростью от 15 км/ч до 35 км/ч, не отключая системы кондиционирования и микроклимата, и одновременно заряжать аккумуляторную батарею.
Также данная полезная модель может применяться для замены эксплуатирующего в настоящее время электрооборудования при капитальном ремонте как отечественных, так и импортных вагонов.