СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ СИСТЕМ ОСНОВНОГО И РЕЗЕРВНОГО ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF POWER SUPPLY SYSTEMS OF MAIN AND BACKUP AIR SUPPLY, IN PARTICULAR, RAIL VEHICLE

Изобретение относится к способу и устройству для управления разными электрическими источниками питания для систем основного и резервного воздухоснабжения транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, по меньшей мере, с одним компрессором, приводимым от соответствующего электромотора и обеспечивающим сжатым воздухом, по меньшей мере, один основной резервуар сжатого воздуха и, по меньшей мере, один резервный резервуар сжатого воздуха, причем внешний, основной источник энергопитания обеспечивает систему основного воздухоснабжения и, по меньшей мере, один менее мощный бортовой, резервный источник энергопитания обеспечивает, по меньшей мере, частично систему резервного воздухоснабжения, а для включения и отключения двух разных источников энергопитания в зависимости от режима работы транспортного средства установлены средства переключения.
Область применения изобретения включает в первую очередь производство рельсовых транспортных средств, в частности, с электроприводом. При этом для снабжения пневмоагрегатов, например тормозной системы транспортного средства, в качестве рабочей энергии, используют сжатый воздух, производимый компрессором с электроприводом из воздуха окружающей среды. Наряду с основным воздухоснабжением пневмоагрегатов, запитываемых через основной резервуар сжатого воздуха, в соответствующих транспортных средствах необходим и т.н. резервный воздух для производства в рамках резервного воздухоснабжения необходимой пневмоэнергии для запуска транспортного средства. Под запуском транспортного средства понимают процесс перевода транспортного средства из нерабочего состояния в состояние готовности к эксплуатации. В состоянии готовности к эксплуатации транспортное средство подключено к основному источнику энергопитания, т.е., например, к воздушной контактной линии или к контактному рельсу. Запуск в случае наличия воздушной контактной линии осуществляют движением пантографа из сложенного положения в разложенное положение с помощью пневматического сервопривода, предпочтительно пневмоцилиндра. Пантограф в разложенном положении обеспечивает питание транспортного средства электроэнергией от воздушной контактной линии; в процессе запуска необходим также электроконтроллер.
Согласно общеизвестному уровню техники для запуска, как правило, используют автономный бортовой резервный воздушный компрессор с электропитанием от аккумулятора транспортного средства и относительно низкой производительностью в отличие от основного компрессора системы воздухоснабжения. Для этого необходима установка такого резервного воздушного компрессора с необходимой трубной разводкой и системой управления на борту транспортного средства.
В DE 10 2013 109 475 A1 раскрыто другое техническое решение, при котором такой автономный резервный воздушный компрессор не нужен, так как его функцию выполняет основной воздушный компрессор транспортного средства. Для резервного воздухоснабжения посредством компрессора его приводной электромотор запитывают через частотный преобразователь электроэнергией от аккумулятора транспортного средства. Такой приводной энергии достаточно для работы компрессора на низких оборотах и для отбора сжатого воздуха для системы резервного воздухоснабжения через ответвление питающего пневмопровода основного резервуара сжатого воздуха. Такой отбор резервного воздуха происходит после последовательно подключенного к компрессору блока воздухоосушителя, чтобы обеспечить наличие осушенного резервного воздуха. Другие детали скоординированного управления разными источниками электропитания основного и резервного воздухоснабжения транспортного средства не раскрыты.
Задача данного изобретения – предложить способ, а также устройство для управления разными источниками электропитания основной и резервной системы воздухоснабжения транспортного средства, обеспечивающий соответствующее рабочему режиму транспортного средства переключение между источниками питания без ущерба для систем основного и резервного воздухоснабжения транспортного средства. Эта задача решена посредством способа, охарактеризованного признаками пункта 1 формулы изобретения. Для соответствующего устройства приведен пункт 5 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Изобретение включает технологическое решение, по которому систему резервного воздухоснабжения отсоединяют путем отключения электромотора от резервного источника питания (предпочтительно аккумулятора транспортного средства) после достижения в резервном воздушном резервуаре минимального давления, предпочтительно 8 бар, достаточного для запуска транспортного средства посредством резервного воздуха, и/или после подключения основного источника питания после запуска транспортного средства приводом от резервного воздуха и включения соответствующего электроконтроллера транспортного средства, что обеспечивает готовность транспортного средства к эксплуатации от основного источника энергопитания.
Преимуществом технического решения по данному изобретению является, в частности, то, что простые средства системы управления обеспечивают переключение с резервного на основное воздухоснабжение при фиксировании достаточного количества произведенного резервного воздуха для запуска транспортного средства и смены рабочего режима на эксплуатационную готовность. Если после запуска транспортного средства подключен основной источник энергопитания, то в любом случае обеспечена возможность перехода рабочего режима транспортного средства в режим готовности к эксплуатации. Максимально раннее отключение резервного источника энергопитания экономит энергорасход аккумулятора транспортного средства. Решение по данному изобретению обеспечивает возможность осуществления энергопитания электромотора компрессора в зависимости от энерговооруженности либо от источника энергопитания до запуска, либо от другого источника энергопитания после запуска.
Другими словами, транспортное средство получает электрическое напряжение перед запуском от резервного источника энергопитания, чтобы сначала в процессе резервного воздухоснабжения заполнить воздухом резервный резервуар. Посредством энергии сжатого воздуха из резервного резервуара транспортное средство подключают к основному источнику энергопитания с переводом в запущенное состояние. Это происходи, например, путем подъема пантографа, включения электроконтроллера и/или электросоединения с контактным рельсом.
В другом усовершенствованном варианте выполнения изобретения предложено отключение резервного источника энергопитания после такого понижения напряжения, при котором невозможно дальнейшее достаточное энергопитание других, более приоритетных, чем электромотор компрессора потребителей электроэнергии. Такими более приоритетными потребителями электроэнергии являются, например, освещение машинного помещения или кабины машиниста, хвостовые огни или противоюзная защита. Обнаружение падения напряжения обеспечивает выявление простым образом возможности резервного источника энергопитания для достаточного энергопитания резервного воздухоснабжения. При этом одновременно учитывают требования техники безопасности, предъявляемые к транспортному средству. Также предложено предпочтительное отложенное по времени подключение основного источника энергопитания по отношению к предваряющему отключению резервного источника энергопитания резервного воздухоснабжения. Только после надежного отсоединения резервного источника энергопитания от главной электроцепи посредством соответствующего средства переключения, например с помощью контактора, подключают основной источник энергопитания. Небольшая мертвая пауза в рамках этого переключения исключает возможность короткого замыкания источников энергопитания.
Согласно другому усовершенствованию изобретения предложена установка выходной частоты частотного преобразователя выполненного в виде трехфазного двигателя электромотора таким образом, чтобы характеристика работы электромотора зависела от реактивного давления и/или от входного напряжения аккумулятора. Например, электромотор может работать при низком реактивном давлении на более высоких оборотах, чем при более высоком реактивном давлении. Это обеспечивает равномерную нагрузку электромотора с максимальной производительностью подключенного компрессора без возникновения перегрузки. Такое управление оборотами электромотора осуществляют предпочтительно согласно полю характеристик U/f-управления (вольт-частотного или скалярного). Выходную частоту частотного преобразователя регулируют в поле характеристик U/f-управления или за пределами этого поля. Посредством датчика оборотов электромотора компрессора и/или датчика давления резервного резервуара воздуха происходит соответствующее регулирование выходной частоты частотного преобразователя.
В качестве аппаратного устройства для реализации указанного способа, которое включает в качестве средств переключения первичный контактор для подключения основного источника питания, а также вторичный контактор для подключения резервного источника питания, предложена установка между запасным источником питания и вторичным контактором повышающего преобразователя для производства напряжения, заданного резервным источником питания. За счет этого повышающий преобразователь повышает относительно малое питающее напряжение аккумулятора транспортного средства, например, до уровня рабочего напряжения электромотора для его работы в рамках резервного воздухоснабжения при запуске транспортного средства.
Также предложена установка между вторичным контактором и выполненным в виде поворотного серводвигателя электромотором частотного преобразователя, управляющего, как указано выше, оборотами электромотора посредством регулируемой выходной частоты.
В качестве другого усовершенствования устройства по данному изобретению предложена установка блока контроллера напряжения для работы с резервным источником питания, чтобы выровнять напряжение частотного преобразователя и/или повышающего преобразователя и рабочее напряжение резервного источника питания. Это предотвращает возможность перегрузки резервного источника питания при резервном воздухоснабжении.
Другие усовершенствования изобретения более подробно раскрыты далее при описании предпочтительного варианта осуществления изобретения на основе фигур, на которых представлено следующее:
фиг. 1 – схема устройства основного и резервного воздухоснабжения рельсового транспортного средства с применением основного источника питания, а также резервного источника питания резервного воздухоснабжения,
фиг. 2 – электросхема средств переключения для отключения двух разных источников питания в зависимости от рабочего режима транспортного средства.
Согласно фиг. 1 для основного и резервного воздухоснабжения запитанного от воздушной контактной электролинии рельсового транспортного средства (не показано) установлен компрессор 1 для производства сжатого воздуха для заполнения основного воздушного резервуара 2, а также соединенного с ним основного пневмопровода 3. Компрессор 1 приводит в действие электромотор 4. Электроэнергию для привода электромотора 4 в обычном режиме рельсового транспортного средства снимают через пантограф 5 с воздушной контактной линии. Снятую через пантограф 5 электроэнергию в качестве основного источника питания подают через отдельно подробно описанные ниже средства 6 переключения, в том числе, на электромотор 4 компрессора 1 (пунктирная линия). В качестве резервного источника питания II параллельно основному источнику питания I установлен аккумулятор 7 транспортного средства.
Для запуска транспортного средства посредством резервного воздуха, производимого компрессором 1 с использованием резервного источника питания II, выдвигают соотнесенный с пантографом 5 пневматический сервопривод, так как в этом рабочем режиме транспортного средства отсутствует электроэнергия от воздушной контактной линии, т.е. еще не подключен основной источник питания I. Получаемая от резервного источника питания II электроэнергия достаточна на этом этапе запуска транспортного средства для работы компрессора 1 с малой производительностью, необходимой для выдвижения пантографа 5 посредством пневматического сервопривода.
Для этого резервный воздух, произведенный компрессором 1 с питанием от аккумулятора, поступает через распределительный клапан 8, выполненный в виде электропневматического трехходового двухпозиционного клапана, по команде от средства 6 переключения в резервный воздушный резервуар 9. Резервный воздушный резервуар 9 накапливает резервный воздух для работы пневмосервопривода пантографа 5. Вне этапа запуска рельсового транспортного средства распределительный клапан 8 направляет произведенный компрессором 1 сжатый воздух в основной воздушный резервуар 2 для основного воздухоснабжения транспортного средства. Заполнение основного воздушного резервуара 2 происходит предпочтительно в обычном рабочем режиме транспортного средства с питанием от основного источника питания I.
Если в момент запуска транспортного средства в основном воздушном резервуаре 2 достаточно сжатого воздуха, то пустой резервный воздушный резервуар 9 заполняют из него. Для этого параллельно распределительному клапану 8 установлен обратный клапан 10 с направлением пропуска от основного воздушного резервуара 2 к резервному резервуару 9.
От электронного блока управления средствами 6 переключения на электропневматический распределительный клапан 8 поступает электрический сигнал (пунктирная линия) на осуществление основного или резервного воздухоснабжения. Для этого на средства 6 переключения со стороны сигнального входа поступает сигнал давления от первого датчика давления 11 основного воздушного резервуара 2, а также от второго датчика давления 12 резервного воздушного резервуара 9 (пунктирная линия). На этой основе электронный блок управления средств 6 переключения по указанной логической схеме определяет коммутационный сигнал для электропневматического распределительного клапана 8.
Относительно распределительного клапана 8 в первом коммутационном положении трехходового двухпозиционного клапана питающее давление компрессора 1 подают в рамках резервного воздухоснабжения в резервный воздушный резервуар 9, в частности при запуске транспортного средства, а во втором положении питающее давление компрессора 1 подают в рамках основного воздухоснабжения в основной воздушный резервуар 2.
На фиг. 2 показаны другие составные части средств 6 переключения. Основной источник питания I подключен через основной контактор 13 и последовательно подключенный для выравнивания частотный преобразователь 14 к выполненному в виде трехфазного двигателя электромотору 4. Вторичный контактор отключает резервное воздухоснабжение путем отсоединения электромотора 4 от резервного источника питания II после достижения определенного датчиком 12 резервного давления в резервном воздушном резервуаре 9 минимальной величины, необходимой для запуска транспортного средства с помощью резервного воздуха. В этих условиях необходимо исходить из того, что запуск транспортного средства обеспечен возможностью выдвижения пантографа 5 посредством его пневматического сервопривода. В альтернативном варианте вторичный контактор 15 отключает также резервный источник питания II при подключении основного источника питания I. С этой целью установлен датчик напряжения 17 для мониторинга статуса подключения пантографа 5. Так как в этих условиях основной источник питания I готов к работе, резервный источник питания II может быть отключен с переключением на основной источник питания I. Кроме этого резервный источник питания II отсоединяют от резервного воздухоснабжения, если его напряжение упало до величины, не обеспечивающей возможность снабжения в необходимом объеме электроэнергией более приоритетные по сравнению с электромотором 4 компрессора 1 потребителей электроэнергии. Для этого к аккумулятору 7 транспортного средства подключен детектор падения напряжения 18. Детектор падения напряжения 18 активирует отключение резервного источника питания II с помощью вторичного контактора 15 при зафиксированном падении напряжения ниже пограничного значения. Между резервным источником питания II и вторичным контактором установлен повышающий преобразователь 16 для повышения заданного напряжения резервного источника питания II.
Указанные условия коммутации и переключения контролирует электронный блок управления 19, который при наступлении, по меньшей мере, одного из указанных условий дает соответствующие команды на вторичный контактор 15 и первичный контактор 13.
При переключении с резервного источника питания II на основной источник питания I первичный контактор 13 получает команды от реле задержки 20 с задержкой по времени относительно предыдущего отключения резервного источника питания II через вторичный контактор 15. Электронный блок управления 19 регулирует выходную частоту частотного преобразователя 14 для работы электромотора 4 таким образом, чтобы он в соответствии с заданным параметром работал при сниженном реактивном давлении основного и вспомогательного воздуха на более высоких оборотах, чем при более высоком реактивном давлении.
Изобретение не ограничено описанным выше вариантом его осуществления. Возможны различные его вариации без нарушения объема правовой защиты по формуле изобретения. Например, возможно использование в качестве основного источника питания I вместо воздушной контактной линии через пантограф 5 токопроводящего рельса. В этом случае пневматический сервопривод с приводом от резервного воздуха осуществляет контактирование с электропроводящим рельсом и/или включение электроконтроллера для рабочего электроснабжения транспортного средства. Также существует возможность осуществления переключения с резервного источника питания II после запуска транспортного средства на основной источник питания I или только возможность отключения резервного источника питания II по соображениям безопасности в зависимости от других, отличных от указанных условий причин.