Преобразовательная система электроснабжения собственных нужд электровоза

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности к преобразованию постоянного напряжения контактной сети в гальванически развязанные напряжения линии распредения, питанию обмоток тяговых электродвигателей, преобразованию напряжения линии распеределения в напряжение, необходимое для питания потребителей собственных нужд электровоза.

Известно изобретение «Преобразовательная система» по патенту РФ 2385237 с датой публикации 27.03.2010. 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 данного технического решения являются:

- высокие массогабаритные характеристики;

- 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.

Наиболее близким техническим решением является изобретение «Преобразовательная система электроснабжения собственных нужд электровоза» по патенту РФ 2612064 с датой публикации 02.03.2017, содержащее статический преобразователь, линию 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.

Недостатками прототипа являются:

- высокие массогабаритные характеристики;

- отсутствует резервирование входного канала питания;

- в случае отказа статического преобразователя происходит отключение независимого возбуждения тяговых электродвигателей.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение функциональных возможностей преобразовательной системы с уменьшением ее массогабаритных характеристик.

Техническими результатами изобретения являются:

- расширение диапазона входных напряжений;

- повышение частоты преобразования и КПД;

- повышение надежности преобразовательной системы за счет разделения основного канала питания на два;

- обеспечение резервирования канала питания промежуточной шины;

- при отказе входного преобразователя выполняется сохранение независимого возбуждения тяговых электродвигателей и осуществление питания с ограниченной выходной мощностью.

Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразовательная система для электроснабжения собственных нужд электровоза содержит n-число статических преобразователей, линию распределения электропитания, к которой подключены входы n-числа преобразователей частоты. Блок связи с микропроцессорной системой, статические преобразователи и n-число преобразователей частоты связаны между собой кодовой линией связи. При этом преобразовательная система содержит n-число каналов электропитания, состоящих из входных фильтров, входы которых являются входом преобразовательной системы от контактной сети, и статических преобразователей с гальванической развязкой, подсоединенных к выходу фильтров. Каналы включены параллельно, выходом которых является линия распределения электропитания, к которой подсоединено n-число преобразователей частоты, к выходу одного из которых подсоединена первичная обмотка трансформатора, имеющего две группы вторичных обмоток, каждая из которых подключена к своему тиристорному выпрямителю, к выходу каждого из которых подключены каналы обмоток возбуждения тяговых электродвигателей.

К линии питания могут быть подключены n-число преобразователей напряжения. Выходные обмотки трансформатора могут быть выполнены со средней точкой. Фильтры могут быть в виде реакторов или дросселей и выполнены с возможностью накопления энергии для регулирования выходного напряжения преобразователей частоты. Преобразователи частоты могут быть выполнены взаимозаменяемыми по перераспределению нагрузки в случае отказа одного из них.

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

Преобразовательная система 1 содержит два канала электропитания, состоящих из входных фильтров 2 и 3, входы которых являются входом преобразовательной системы от контактной сети, и статических преобразователей с гальванической развязкой 5 и 6 (3 кВ в 600 В), подсоединенных к выходу фильтров. Каналы включены параллельно, выходом которых является линия распределения электропитания, к которой подключены входы n-числа преобразователей частоты 7, 8, 9. При этом блок связи с микропроцессорной системой 4, преобразователи 5 и 6, преобразователи частоты 7, 8, 9, тиристорные выпрямители 11, 12 связаны между собой кодовой линией связи. К линии распределения электропитания подсоединен преобразователь частоты 7, к выходу которого подсоединена первичная обмотка трансформатора 13, который имеет две выходные обмотки, каждая из которых подключена к своему тиристорному выпрямителю 11 или 12, к выходу которых подключены каналы обмоток возбуждения тяговых электродвигателей. Преобразователь напряжения 10 может быть соединен кодовой линией связи с другими элементами, связанными между собой этим типом связи.

Преобразовательная система электроснабжения работает следующим образом.

Напряжение контактной сети с номинальным значением 3000 В постоянного тока поступает на вход входных фильтров 2 и 3, которые подавляют высоковольтные помехи, содержащиеся во входном напряжении, и транслируют это напряжение на вход статических преобразователей с гальванической развязкой 5 и 6 (3 кВ в 600 В). Фильтры 2 и 3 могут представлять собой реактор или дроссель, сглаживающий высоковольтную импульсную составляющую входного напряжения. Фильтры 2, 3 совместно с преобразователями 5,6 имеют функцию накопления энергии и регулирования выходного напряжения. Преобразователи 5, 6 обеспечивают понижение напряжения до 600 В и подают его на линию распределения электропитания. Блок связи 4 представляет собой микропроцессорное устройство с тремя каналами обмена по интерфейсу RS-485 и обеспечивает управление и диагностику преобразовательной системы в целом.

Напряжение 600 В поступает на входы преобразователей частоты 7, 8, 9 и на вход преобразователя напряжения 10. Преобразователи частоты 8 и 9 обеспечивают преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное, плавный разгон при пуске для электропитания вентиляторов обдува тяговых двигателей и тормозного компрессора. Преобразователь напряжения 10 обеспечивает электропитание бортовой сети и заряд аккумуляторной батареи электровоза. Преобразователь частоты 7, обеспечивающий преобразование входного напряжения в прямоугольное, подает напряжение на трансформатор 13, который обеспечивает гальваническую развязку, понижение прямоугольного напряжения и передачу его по двум каналам к тиристорным выпрямителям 11 и 12. Выпрямители 11, 12 регулируют уровень напряжения, подаваемого на обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, для поддержания в них требуемого значения тока.

При одной возможной неисправности преобразовательная система работает следующим образом:

- при отказе одного из входных преобразователей 5 или 6, а также при выходе из строя фильтра 2 или 3 сохраняется независимое возбуждение тяговых электродвигателей и осуществляется питание с ограниченной выходной мощностью;

- 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;

- в случае отказа преобразователя частоты 8 нагрузка с него переходит на преобразователь частоты 9. Если отказывает в работе преобразователь частоты 9, то нагрузка с него переходит на преобразователь частоты 8. В случае выхода из строя преобразователя частоты 7 трансформатор 13 подключается к преобразователю частоты 8, при этом нагрузка преобразователя 8 дополнительно подключается к преобразователю 9 либо подключается к преобразователю 9, а дополнительная нагрузка переходит на преобразователь 8. Таким образом, предусмотрена взаимозаменяемость преобразователей частоты для сохранения работоспособности преобразовательной системы в случае неисправности любого из преобразователей частоты 7, 8, 9.

Выполнение преобразовательной системы электроснабжения собственных нужд электровоза, выраженной совокупностью признаков независимого пункта формулы, обеспечивает получение заявленных технических результатов. Кроме того, признаки зависимых пунктов формулы изобретения также влияют на получение заявленных технических результатов, таких как расширение диапазона входных напряжений, повышение частоты преобразования, КПД и надежности преобразовательной системы, обеспечение резервирования канала питания промежуточной шины, сохранение независимого возбуждения тяговых электродвигателей и осуществление питания с ограниченной выходной мощностью при отказе входного преобразователя.