Вторичный источник электропитания радиомодема малой мощности
SECONDARY SOURCE OF ELECTRIC POWER SUPPLY OF A LOW-POWER WIRELESS MODEM

Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к системам вторичных источников электропитания, и может быть использовано на железнодорожном транспорте для электропитания радиомодемов малой мощности (от 0,8 до 3 Вт), находящихся на перегонах, например для электропитания радиомодемов (приемопередатчиков) индустриальной системы «Интернет вещей».
Известен вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий первичный преобразователь, который образован кольцевым магнитопроводом, замкнутым вокруг фазного провода, на котором размещена вторичная обмотка, выходные зажимы которой образуют выходные зажимы первичного преобразователя, выпрямительный диодный мост, сглаживающий полярный конденсатор, преобразователь-стабилизатор напряжения, выполненный по схеме DC-DC конвертора, выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к нагрузке, аккумуляторную батарею, зарядное устройство, неполярный конденсатор, разрядник газовый, стабилизатор напряжения, ограничитель тока, токовый шунт для контроля тока аккумуляторной батареи, токовый шунт для контроля тока нагрузки, диод автоматического подключения аккумуляторной батареи, аналого-цифровой преобразователь контроля напряжения аккумуляторной батареи, аналого-цифровой преобразователь контроля тока аккумуляторной батареи, аналого-цифровой преобразователь контроля напряжения нагрузки, аналого-цифровой преобразователь контроля тока нагрузки, аналого-цифровой преобразователь контроля напряжения сглаживающего конденсатора (RU2496204 C1, H02J 3/00, 03.05.2012).
Недостатком известного вторичного источника электропитания с отбором мощности от протекающего тока по фазному проводу линии электропередачи (ЛЭП) является сложность конструкции, сравнительно большая масса и габариты из-за того, что через окно трансформатора тока пропускается фазный провод линии ЛЭП высокого напряжения.
Наиболее близким аналогом является вторичный источник бесперебойного питания, содержащий трансформатор тока с вторичной обмоткой, первичная обмотка которого включена в цепь фазного провода, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка трансформатора напряжения подключена к входу выпрямительного диодного моста со сглаживающей емкостью, выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы стабилизатора напряжения подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее, шунтирующие ветви, включенные параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения, образованные последовательно соединенными транзистором и резистором, включенным в цепь коллектора транзистора, а база транзистора соединена с выходом делителя напряжения шунтирующей ветви, выполненного в виде последовательно соединенных резисторов, включенных параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения (RU 2379742 C1, G05F 1/618, 20.01.2010).
Недостатком известного вторичного источника электропитания с отбором мощности от протекающего тока по фазному проводу ЛЭП является сложность конструкции, сравнительно большая масса и габариты из-за того, что через окно трансформатора тока пропускается фазный провод линии ЛЭП высокого напряжения, а также низкая эффективность, кроме того, схема отбора мощности рассчитана на непрерывно протекающий ток по фазному проводу ЛЭП.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции вторичного источника питания радиомодема за счет съема электрической энергии бесконтактным способом через переменное магнитное поле, создаваемое протекающим тяговым током по рельсовой линии.
Технический результат достигается тем, что вторичный источник электропитания радиомодема малой мощности содержит трансформатор тока, выпрямительный диодный мост, выходные зажимы которого подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, аккумуляторную батарею, управляемый коммутатор, неполярный конденсатор, защитный блок и ограничитель напряжения, при этом в выпрямительный диодный мост включен сглаживающий конденсатор, трансформатор тока выполнен с замкнутым магнитопроводом, через окно которого пропущена перемычка для пропуска тягового тока по рельсам между блок-участками автоблокировки и выполняющая функцию первичной обмотки трансформатора, параллельно вторичной обмотки трансформатора тока включен неполярный конденсатор с образованием резонансного контура, настроенного на промышленную частоту и подключенного через последовательно соединенные защитный блок и ограничитель напряжения к входным зажимам выпрямителя на диодном мосту, преобразователь-стабилизатор по схеме DC-DC конвертора соединен выходными зажимами с входами управляемого коммутатора для подачи напряжения на входы электропитания радиомодема и входы заряда аккумуляторной батареи, выходы которой подключены к другим входам управляемого коммутатора, другим выходом соединенного с информационным входом радиомодема.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема одного из вариантов выполнения вторичного источника питания радиомодема малой мощности.
Вторичный источник электропитания содержит трансформатор 1 тока, неполярный конденсатор 2, защитный блок 3, ограничитель напряжения 4, выпрямительный диодный мост 5, преобразователь-стабилизатор 6 по схеме DC-DC конвертора, управляемый коммутатор 7, аккумуляторную батарею 8. При этом трансформатор 1 тока выполнен с замкнутым магнитопроводом 9, первичной обмоткой которого является пропущенная через окно магнитопровода 9 междроссельная перемычка 10 дроссель трансформатора 11, соединенного с рельсовой линией 12. Параллельно вторичной обмотке 13 трансформатора 1 тока подключен неполярный конденсатор 2 с образованием параллельного резонансного контура, настроенного на промышленную частоту 50 Гц. В выпрямительный диодный мост 5 включен сглаживающий конденсатор (не показан).
Выводы вторичной обмотки 13 трансформатора 1 тока через последовательно соединенные защитный блок 3 и ограничитель 4 напряжения подключены к входным зажимам выпрямительного диодного моста 5, выходные зажимы которого через преобразователь-стабилизатор 6 по схеме DC-DC конвертора подключены к входам управляемого коммутатора 7 для подачи напряжения на входы электропитания радиомодема 14 и входы заряда аккумуляторной батареи 8.
Выходы аккумуляторной батареи подключены к другим входам управляемого коммутатора 7, другим выходом соединенного с информационным входом радиомодема 14.
Магнитопровод 9 трансформатора 1 тока выполнен разъемным, что позволяет легко установить в его окно перемычку 11, соединяющую дроссель-трансформатор 11 с рельсовой линией 12, не нарушая работу аппаратуры рельсовых цепей.
На чертеже представлены элементы системы тягового электроснабжения тяговые подстанции 15 и 16 и контактный провод 17, а также электроподвижной состав (ЭПС) 18.
Вторичный источник электропитания радиомодема малой мощности работает следующим образом.
В любой точке электрифицированной железной дороги происходит возврат токов по рельсам на тяговую подстанцию 15 или от находящегося на рельсовой линии 12 по меньшей мере одного электроподвижного состава 18 (ЭПС 18), т.е. электропитание ЭПС 18 проходит через контактную сеть 17, а возврат токов происходит через рельсовую линию 12 обратного тока, которая включает в себя рельсовые звенья, накладки, стыковые соединители, рельсовые и междроссельные перемычки 10, заземления на тяговой подстанции, протяженное заземление самих рельсов и другие устройства.
Предлагаемый источник электропитания осуществляет съем электрической энергии бесконтактным способом через переменное магнитное поле, создаваемое протекающим тяговым током по междроссельной перемычке 10. Особенностью рельсовой линии 12 обратного тока тяговой сети является то, что она имеет относительно земли низкий потенциал - практически около нуля, и наличие тока в ней не постоянное, а в момент нахождения на участке между тяговыми подстанциями 15 и 16 по крайней мере одного ЭПС 18.
При наличии ЭПС 18 на участке по междроссельной перемычке 9 протекает обратный тяговый ток, который наводит напряжение в параллельном резонансном контуре из вторичной обмотки 13 трансформатора 1 тока и неполярного конденсатора 2. Наведенное напряжение поступает через защитный блок 3 на ограничитель 4 и далее на выпрямительный диодный мост 5. Выпрямительный диодный мост 5 со сглаживающим конденсатором преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение, которое подается на преобразователь-стабилизатор 6 DC-DC конвертора, динамический диапазон работы которого по входному напряжению составляет 20 дБ.
Динамический диапазон токов, при котором происходит съем энергии с рельсовой линии 12 обратного тока тяговой сети, находится в пределах 10-300 А, т.е. значительно больше. Уменьшение динамического диапазона напряжений на входе преобразователя-стабилизатора 6 DC-DC конвертора обеспечивается ограничителем 4 и защитным блоком 3, разрядники которого защищают элементы схемы от перенапряжений, возникающих при токах короткого замыкания в тяговой сети. В результате чего на входе преобразователя-стабилизатора 6 диапазон изменений напряжений не превышает 20 дБ, а на его выходе поддерживается стабильное постоянное напряжение, достаточное для работы радиомодема 14.
С выхода преобразователя-стабилизатора 6 DC-DC конвертора напряжение поступает на управляемый коммутатор 7, обеспечивающий подачу напряжения на входы заряда аккумуляторной батареи 8 и на вход электропитания радиомодема 14.
Электропитание на радиомодем 14 может поступать через управляемый коммутатора 7 как с преобразователя-стабилизатора 6 DC-DC, так и от аккумуляторной батареи 8.
При наличии тока в рельсовой линии 12, управляемый коммутатор 7 подает напряжение на входы заряда аккумуляторной батареи 8 энергии и на входы питания радиомодема 14. В случае отсутствия обратного тока в рельсовой линии 12 управляемый коммутатор 7 обеспечивает подачу питающего напряжения на радиомодем 14 от аккумуляторной батареи 8.
При выходе из строя аккумуляторной батареи 8 или понижении на ней напряжения ниже определенного уровня управляемый коммутатор 7 формирует код «неисправность накопителя энергии» и подает сигналы этого кода на информационный вход радиомодема 14, который передает его в систему диагностики (не показана).
Таким образом, предлагаемый источник электропитания обеспечивает бесперебойный режим электропитания радиомодемов малой мощности, размещенных вблизи рельсовых линий железной дороги.