Система электропитания тепловоза
DIESEL LOCOMOTIVE POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию переменного тока в постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный для питания коллекторных тяговых двигателей, переменный и постоянный для питания собственных нужд тепловоза и внешних потребителей транспортных средств, в частности маневровых тепловозов.
Из уровня техники известен тяговый преобразователь тепловоза из патента RU 2612066 с датой публикации 02.03.2017. Преобразователь тяговый тепловоза содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами. Каналы преобразования формируются n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения. N-число конверторов, устройство управления током возбуждения содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление, защиту и диагностику собственного канала. Преобразователь тяговый тепловоза дополнительно может содержать инвертор для питания собственных нужд тепловоза и внешних потребителей. Преобразователь тяговый тепловоза дополнительно может содержать устройство электродинамического торможения.
Недостатком тягового преобразователя является невозможность обеспечения электропитанием всех потребителей тепловоза из-за отсутствия источников питания бортовой сети и заряда аккумуляторной батареи, а также низкий КПД из-за применения частотного преобразователя на выходе генератора.
Наиболее близким техническим решением является преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза по патенту RU 2556236 с датой публикации 10.07.2015. Комплекс содержит выпрямитель трехфазного тока в постоянный ток, к сети которого подключены потребители постоянного тока и через полупроводниковые преобразователи потребители переменного тока собственных нужд тепловоза. Потребители постоянного тока собственных нужд тепловоза: преобразователь бортовой сети тепловоза, и потребители переменного тока собственных нужд: полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный для питания асинхронных электродвигателей вентиляторов тепловоза и полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный для питания асинхронного электродвигателя компрессорной установки.
Недостатками прототипа являются функциональные ограничения в связи с отсутствием возможности электропитания бортовой сети тепловоза от бортовой аккумуляторной батареи, отсутствием возможности зарядки аккумуляторной батареи, отсутствием возможности электропитания тяговых электродвигателей, а также низким КПД из-за применения частотного преобразователя на выходе генератора.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются обеспечение электропитанием всех потребителей тепловоза, включая тягу, собственные нужды и внешних потребителей, а также повышение КПД системы электропитания тепловоза.
Техническими результатами изобретения являются:
• обеспечение электропитанием тяговых двигателей тепловоза, что позволит расширить функциональные возможности системы, добавив такие возможности как управление тягой и электрическим торможением тепловоза;
• обеспечение электропитанием двух каналов питания бортовой сети, пропадающего при отключении дизель-генераторной установки, так и непропадающего, с питанием от бортовой аккумуляторной батареи, что позволит обеспечить непрерывность обеспечения стабилизированным питанием критичных элементов системы управления тепловозом и отключение некритичных, которые снижают продолжительность работы от батареи, что увеличивает ее ресурс;
• обеспечение заряда бортовой аккумуляторной батареи, что обеспечивает увеличение продолжительности срока службы батареи, поддержание ее уровня заряда для постоянной готовности к отключению электропитания, снижение эксплуатационных расходов на ее обслуживание;
• увеличение КПД системы электропитания тепловоза;
• обеспечение электропитания внешних потребителей тепловоза, что расширяет функциональные возможности тепловоза, позволяет использовать тепловоз как энергоустановку для электропитания переносного инструмента или электрических машин ремонтной техники.
В прототипе использован термин «полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный», тождественный термину «инвертор», примененному в заявленном изобретении.
В прототипе использован термин «преобразователь бортовой сети тепловоза». В заявленном изобретении этому термину соответствуют по функциональному назначению источники питания непропадающего и пропадающего каналов питания бортовой сети.
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что система электропитания тепловоза содержит источник питания, инвертор для питания асинхронного электродвигателя компрессорной установки. Система дополнительно содержит неуправляемый выпрямитель, выполненный на выпрямительных диодах с низким уровнем падения напряжения. К сети постоянного тока подсоединены преобразователи тока якоря для электропитания тяговых двигателей и преобразователь возбуждения тяговых двигателей, зарядное устройство бортовой аккумуляторной батареи. Источник питания выполнен с двумя каналами питания бортовой сети: непропадающим и пропадающим. Система электропитания тепловоза может включать инвертор для питания асинхронных электродвигателей вентиляторов тепловоза. В системе электропитания тепловоза может быть использован однокаскадный преобразователь возбуждения. Система электропитания тепловоза может содержать несколько инверторов, раздельно для питания вспомогательных машин тепловоза и раздельно для внешних потребителей. Система электропитания тепловоза может дополнительно содержать преобразователь электродинамического торможения.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема системы электропитания тепловоза.
Система электропитания 1 тепловоза содержит несколько каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами 2. Каналы питания формируются выпрямителями дизель-генератора 3 либо источником питания от внешней сети 4. Каналы управления током тяговых двигателей формируются преобразователями тока якоря 5. Каналы управления током возбуждения формируются преобразователем возбуждения 6. Каналы питания вспомогательных машин тепловоза (компрессора и вентиляторов обдува тяговых двигателей), питания кабины и внешних потребителей формируются инверторами 7. Канал электродинамического торможения формируется преобразователем электродинамического торможения 8. Канал заряда бортовой аккумуляторной батареи формируется зарядным устройством 9. Канал непропадающего питания бортовой сети источником питания 10, канал пропадающего питания бортовой сети формируется источником питания 11. Преобразователи тока якоря 5, возбуждения 6, выпрямители дизель-генератора 3, источник питания от внешней сети 4, инверторы 7, преобразователь электродинамического торможения 8, зарядное устройство 9 и источники питания бортовой сети 10, 11 соединены между собой токопроводящими шинами 2. Элементы 3, 5, 6, 7, 8 образуют тяговый преобразователь 12. Элементы 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11 могут быть выполнены в виде нескольких параллельно соединенных элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Элементы 4, 5, 6, 7, 8, 13 содержат систему диагностики и систему автоматического регулирования выходных параметров для осуществления внутренней диагностики и передачи результатов диагностирования в систему управления тепловоза по линии связи 13 за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль. Система электропитания 1 может содержать модуль охлаждения 14, который может быть выполнен с воздушным охлаждением или с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.
Система электропитания тепловоза работает следующим образом.
Входное трехфазное напряжение с дизель-генератора тепловоза поступает на вход неуправляемого выпрямителя дизель-генератора 3, который преобразует его в напряжение постоянного тока на промежуточной шине питания 2. Благодаря низкому падению напряжения на выпрямительных диодах в сравнении с транзисторами обеспечивается уменьшение потерь. Также повышению КПД способствует отсутствие коммутационных потерь, возникающих в транзисторных преобразователях при переключении транзисторов. При этом обеспечение постоянства величины напряжения в шине 2 может производиться либо регулируемым возбуждением дизель-генераторной установки, либо не производиться вообще.
Входное напряжение внешней сети (контактная сеть либо внешняя промышленная сеть переменного тока 380 В) поступает на вход источника питания 4 от внешней сети, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания 2.
Тяговый преобразователь 12 обеспечивает согласованное управление токами якоря и возбуждения тяговых двигателей для максимизации силы тяги и обеспечения тяговой характеристики тепловоза во всем диапазоне скоростей, а также возможность обеспечения рекуперации электрической энергии при торможении и ее утилизацию в тормозных резисторах.
Преобразователи тока якоря 5 управляют токами якорей тяговых двигателей и обеспечивают плавное регулирование силы тяги тепловоза, а также защиту тяговых двигателей от перегрузки. В режиме электрического торможения преобразователи тока якоря 5 обеспечивают регулирование тормозного усилия тепловоза.
Преобразователи возбуждения 6 управляют возбуждением тяговых двигателей во всем диапазоне скоростей тепловоза, обеспечивая как увеличенное возбуждение при трогании с места, так и ослабление возбуждения при движении с большими скоростями. Управление осуществляется таким образом, чтобы преобразователь тока якоря 5 обеспечил максимально возможную величину силы тяги на данной скорости. Также преобразователь возбуждения обеспечивает возбуждение тяговых двигателей при электрическом торможении.
Инвертор 7 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное для питания вспомогательных машин тепловоза (компрессора и асинхронных электродвигателей вентиляторов тяговых электродвигателей), питание потребителей кабины и их защиту в процессе его работы.
Преобразователь электродинамического торможения 8 обеспечивает передачу энергии, получаемой при электрическом рекуперативном торможении на внешний тормозной резистор.
Зарядное устройство 9 производит заряд бортовой аккумуляторной батареи и обеспечение бесперебойного питания на канале непропадающего питания бортовой сети от аккумуляторной батареи при пропадании входного питания. Зарядное устройство 9 может быть выполнено как единым блоком, так и состоять из блока заряда от промежуточной шины 2 и блока бесперебойного питания между аккумуляторной батареей и каналом непропадающего питания.
Источники питания 10 и 11 обеспечивают питание соответствующих каналов питания тепловоза. При пропадании входного питания напряжение на выходе также пропадает. В канале непропадающего питания напряжение при этом поддерживается зарядным устройством 9 от бортовой аккумуляторной батареи. Снабжение системы электропитания тепловоза источником питания непропадающего канала питания бортовой сети обеспечит непрерывность стабилизированного электропитания критичных систем тепловоза, например систем управления и безопасности тепловоза, систем пожаротушения и радиосвязи. Снабжение системы электропитания тепловоза источником питания пропадающего канала питания бортовой сети обеспечит отключение электропитания при выключении дизеля у устройств, работа которых не требуется при выключенном дизеле, что приводит к увеличению продолжительности работы тепловоза от батареи и увеличивает ее ресурс.
Использование нескольких инверторов 7 для питания вспомогательных машин, кабины и внешних потребителей позволяет производить управление внешними потребителями, такими как снегоочиститель, независимо от режимов работы самого тепловоза. Также это позволяет использовать силовую установку тепловоза как электростанцию для питания потребителей промышленной сети, например электроинструмента ремонтной бригады, либо отопления и освещения.
Применение однокаскадного преобразователя возбуждения 6 обеспечивает повышение КПД за счет одновременного понижения и стабилизации напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения.
Система электропитания тепловоза может содержать преобразователь электродинамического торможения 8 для обеспечения рекуперативного торможения тепловоза, обеспечивающего сброс рекуперированной при электрическом торможении электроэнергии на тормозные резисторы.
Система электропитания тепловоза может содержать модуль охлаждения 14, который обеспечивает необходимый тепловой режим входящих в него элементов.
Система электропитания тепловоза по линии связи 13 производит взаимодействие с системой управления тепловозом, получает из нее в зависимости от режима работы тепловоза уставки величин токов и напряжений, которые необходимо подать на подключенные нагрузки или уставки величины силы тяги, по которым производит управление токами якоря и возбуждения, а также передает в систему управления тепловозом диагностическую информацию, полученную в результате самодиагностики и диагностики подключенного оборудования.