Преобразовательная система электроснабжения собственных нужд электровоза

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию постоянного тока контактной сети в стабильный по напряжению постоянный ток с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный ток и переменный для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей, собственных нужд электровоза и дополнительных внешних потребителей транспортных средств.

Известно изобретение «Преобразователь собственных нужд электровоза» по патенту РФ №2314939 с датой приоритета от 11.05.2005 г. Преобразователь содержит в каждой секции электровоза статический преобразователь, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети, средняя точка которого соединена с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с эмиттером первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом конденсаторного делителя, а эмиттер второго транзистора соединен со вторым выводом конденсаторного делителя, выпрямитель, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора, и регулятор напряжения, в каждой секции электровоза содержится сглаживающий реактор, имеющий вывод для подключения к токоприемнику электровоза и другим выводом.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности обеспечения работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения.

Наиболее близким техническим решением является изобретение «Преобразовательная система» по патенту РФ №2385237 с датой приоритета от 04.12.2008 г. Преобразовательная система содержит блок защиты, вход которого является входом преобразовательной системы от контактной сети, статический преобразователь, выполненный с возможностью обеспечения питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и линии распределения электропитания, к которой подключены входы преобразователей собственных нужд электровоза, при этом блок связи с микропроцессорной системой управления и диагностики, статический преобразователь и преобразователи собственных нужд связаны между собой кодовой линией связи.

Недостатками прототипа являются:

- высокие массогабаритные характеристики;

- отсутствует возможность работы системы от напряжения контактной сети без промежуточного этапа понижения входного напряжения;

- не реализована возможность подключения двух исполнительных механизмов к исправному преобразователю частоты при возникновении неисправности одного из преобразователей частоты;

- отсутствует резервирование входного канала питания преобразователя частоты.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение функциональных возможностей преобразовательной системы с уменьшением ее массогабаритных характеристик, формирование стабильного постоянного напряжения промежуточной шиной постоянного тока для электропитания преобразователей частоты вспомогательных машин, собственных нужд электровоза и дополнительных нагрузок, устанавливаемых на электровоз или подключаемых к нему.

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение частоты преобразования и КПД преобразователя;

- обеспечение возможности функционирования преобразовательной системы от напряжения контактной сети без промежуточного этапа понижения входного напряжения, питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей;

- осуществление рекуперации стабилизируемого тока обмоток возбуждения обратно во входную сеть.

Дополнительным техническим результатом можно отметить резервирование тракта электропитания преобразователей собственных нужд и системы микроклимата кабины машиниста при неисправности статического преобразователя.

Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразовательная система для электроснабжения собственных нужд электровоза содержит блок защиты, вход которого является входом преобразовательной системы от контактной сети, статический преобразователь, выполненный с возможностью обеспечения питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и линии распределения электропитания, к которой подключены входы n-числа преобразователей собственных нужд электровоза. При этом блок связи с микропроцессорной системой управления и диагностики, статический преобразователь и n-число преобразователей собственных нужд связаны между собой кодовой линией связи. К выходу блока защиты подсоединен статический преобразователь, который содержит инвертор напряжения, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора, который имеет, по меньшей мере, три выходных обмотки, каждая из которых подключена к своему тиристорному выпрямителю, содержащему тиристоры, к выходу двух из них подключены каналы обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, на выходе третьего тиристорного выпрямителя подключен LC-фильтр для питания потребителей собственных нужд.

В качестве преобразователя собственных нужд могут быть преобразователь частоты питания вентиляторов обдува тяговых двигателей, преобразователь частоты тормозного компрессора, преобразователь напряжения питания бортовой сети и заряда аккумуляторной батареи электровоза. Преобразовательная система может содержать линию распределения электроснабжения для обеспечения резервирования электропитания от соседней секции электровоза. Статический преобразователь может быть выполнен с возможностью обеспечения электропитания системы микроклимата кабины машиниста.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразовательной системы электроснабжения для собственных нужд электровоза.

Преобразовательная система 1 содержит блок защиты 2, вход которого является входом преобразовательной системы 1 от контактной сети, к выходу которого подсоединен статический преобразователь 3, выполненный с возможностью обеспечения питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и линии распределения электропитания, к которой подключены входы n-числа преобразователей собственных нужд электровоза 4. При этом статический преобразователь 3, n-число преобразователей собственных нужд 4 и блок связи 5 с микропроцессорной системой управления и диагностики связаны между собой кодовой линией связи. Статический преобразователь 3 содержит инвертор напряжения 6, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора 7, который имеет, по меньшей мере, три выходных обмотки, каждая из которых подключена к своему тиристорному выпрямителю 8-10, содержащему тиристоры, к выходу двух из них подключены каналы обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, на выходе третьего тиристорного выпрямителя 10 подключен LC-фильтр 11 для питания потребителей собственных нужд.

В качестве преобразователей собственных нужд могут быть преобразователи частоты 12, 13 питания вентиляторов обдува тяговых двигателей, преобразователь частоты 14 тормозного компрессора, преобразователь напряжения 15 питания бортовой сети и заряда аккумуляторной батареи электровоза. Преобразовательная система может содержать вход для обеспечения резервирования электропитания от соседней секции электровоза.

Преобразовательная система работает следующим образом.

Напряжение контактной сети с номинальным значением 3000 В постоянного тока поступает на вход блока защиты 2, который подавляет высоковольтные помехи, содержащиеся во входном напряжении, и транслирует это напряжение на вход статического преобразователя 3, который обеспечивает формирование выходного напряжения прямоугольной формы. Напряжение с инвертора поступает на трансформатор 7, который обеспечивает гальваническую развязку, понижение напряжения и передачу его по трем каналам к тиристорным выпрямителям 8-10, два из них 8, 9 преобразуют прямоугольное напряжение в напряжение с управляемым значением тока для трактов электропитания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, один тиристорный выпрямитель 10 преобразует напряжение для тракта электропитания преобразователя собственных нужд 4. С выхода статического преобразователя 3 напряжение транслируется в преобразователи собственных нужд 4, на преобразователи частоты 12-14, которые обеспечивают преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное, плавный разгон при пуске для электропитания вентиляторов обдува тяговых двигателей и тормозного компрессора.

При одной возможной неисправности заявляемая преобразовательная система работает следующим образом:

- при выходе из строя блока защиты 2 электровоз переходит на работу по схеме последовательного возбуждения тяговых электродвигателей, преобразователи собственных нужд и системы микроклимата кабины машиниста принимают электроснабжения от статического преобразователя соседней секции электровоза;

- при выходе из строя статического преобразователя 3 электровоз переходит на работу по схеме последовательного возбуждения тяговых электродвигателей, питание преобразователей собственных нужд 4 и системы микроклимата кабины машиниста обеспечивается от статического преобразователя от соседней секции;

- при неисправности одного из преобразователей частоты производится переключение вспомогательных машин к исправному преобразователю частоты с помощью переключателя, тем самым обеспечивая работу двух исполнительных механизмов от одного преобразователя частоты.

Блок связи 5 представляет собой микропроцессорное устройство с тремя каналами обмена по интерфейсу RS-485.

Блок защиты 2 представляет собой LC-фильтр, сглаживающий высоковольтную импульсную составляющую входного напряжения.

Статический преобразователь 3 включает в себя:

- инвертор 6, обеспечивающий преобразование входного напряжения в прямоугольное;

- трансформатор 7, обеспечивающий гальваническую развязку, преобразование прямоугольного напряжения в пониженное напряжение на вторичных обмотках с управляемым значение тока;

- управляемые тиристорные выпрямители 8-10, регулирующие длительность прямоугольного напряжения, подаваемого на обмотки возбуждения (широтно-импульсное модулирование) для поддержания в них требуемого значения тока, а также формирование входное напряжение для преобразователей собственных нужд.

Выполнение преобразовательной системы для электроснабжения собственных нужд электровоза, содержащей блок защиты, вход которого является входом преобразовательной системы от контактной сети, статический преобразователь, выполненный с возможностью обеспечения питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и линии распределения электропитания, к которой подключены входы преобразователей собственных нужд электровоза, при этом блок связи с микропроцессорной системой управления и диагностики, статический преобразователь и преобразователи собственных нужд связаны между собой кодовой линией связи, к выходу блока защиты подсоединен статический преобразователь, который содержит инвертор напряжения, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора, который имеет три выходных обмотки, каждая из которых подключена к своему тиристорному выпрямителю, содержащий тиристоры, к выходу двух из них подключены каналы обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, на выходе третьего тиристорного выпрямителя подключен LC-фильтр для питания потребителей собственных нужд обеспечивает повышение частоты преобразования и КПД, реализует возможность функционирования преобразовательной системы от напряжения контактной сети без промежуточного понижения входного напряжения, а также обеспечивает резервирование тракта электропитания преобразователей собственных нужд и системы микроклимата кабины машиниста при неисправности статического преобразователя.