устройство для электропитания низковольтных цепей городского электротранспорта

Формула изобретения

Устройство для электропитания низковольтных цепей вагона городского электротранспорта, содержащее аккумуляторную батарею, к плюсовому выводу которой подключены низковольтные цепи, разделительный диод и конденсатор, подключенный одним выводом к минусовому выводу аккумуляторной батареи, а другим через разделительный диод - к ее плюсовому выводу, отличающееся тем, что часть низковольтных цепей предназначена для обеспечения аварийного торможения, подключена между положительным выводом конденсатора и разделительным диодом и снабжена ограничительным резистором, выполненным в виде подключенных параллельно друг другу постоянного резистора и терморезистора, включенным между плюсовым выводом аккумуляторной батареи и разделительным диодом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эектрооборудованию транспортных средств с электротягой и может быть использовано в схемах элетропитания низковольтных цепей управления, аварийного и служебного освещения и сигнализации, особенно для подачи электропитания на рельсовые тормоза и сериесные обмотки тяговых электродвигателей при аварийном торможении вагонов подвижного состава (трамваев, троллейбусов), а также в системах пуска и торможения электромобилей.

Как известно, источником тока низкого напряжения для питания низковольтных цепей вагонов трамваев и троллейбусов служит аккумуляторная батарея, подключенная к низковольтному генератору, блоку преобразования напряжения (БПН) или тиристорному зарядному устройству (ТЗУ). Например, в схеме силовых цепей трамвайного вагона КТМ-5М3 выход низковольтного генератора, обеспечивающего напряжение 28 В, подключен через предохранитель, реле обратного тока и реле регулировки напряжения к аккумуляторной батарее, к клеммам которой, в свою очередь, подключены непосредственно все низковольтные потребители, включая цепи управления, сигнализации и аварийного освещения, а также цепи включения аварийного торможения (см. М.Д.Иванов, А.П.Алпаткин, Б.К.Иеропольский. Устройство и эксплуатация трамвая. М.: Высшая школа, 1977, стр. 153, 170, рис. 116, 130). При исчезновении напряжения в контактной сети или перегорании предохранителя параллельной обмотки возбуждения выключается реле напряжения РН и замыкается его контакт в цепи питания обмоток контакторов ЛК3 и ТБ, с помощью которых на последовательные обмотки возбуждения тяговых двигателей подается напряжение от аккумуляторной батареи, и осуществляется торможение.

Аналогичным образом непосредственно от аккумуляторной батареи подается электропитание на низковольтные цепи управления в электрических схемах трамвайных вагонов РВЗ-6 и Т-3 (см. Там же, стр. 162, 163 и 184, 185, рис. 126 и 142).

Возникающие при нормальной работе трамвая кратковременные коммутационные перенапряжения в низковольтных цепях, достигающие 200 В и выше, отрицательно сказываются на всех низковольтных потребителях, сокращая их ресурс. При этом суммарный средний ток не превышает номинального значения источников (генератора и аккумуляторной батареи). Однако во время аварийного торможения к аккумуляторной батарее подключаются сериесные катушки тяговых электродвигателей и катушки рельсовых тормозов, причем потребляемый ток возрастает до 250 - 300 А. Такая чрезмерная нагрузка приводит к преждевременному износу аккумуляторной батареи, а возникающие в этот момент коммутационные перенапряжения могут достигать значений 300 В и выше, что часто приводит к выходу из строя электронных устройств низковольтных цепей и сокращению срока службы ламп накаливания цепей аварийного (служебного) освещения. Кроме того, в случае исчезновения питающего высоковольтного напряжения в результате аварии на линии или выхода из строя низковольтного генератора вся нагрузка падает на аккумуляторную батарею, что приводит к снижению напряжения на клеммах батареи до значения 19 В, недостаточного для нормальной работы низковольтных потребителей. В реальных условиях эксплуатации, когда аккумуляторная батарея не обладает номинальной емкостью в результате эксплуатационного износа, в режиме торможения возрастает опасность подачи недостаточного напряжения на рельсовые тормоза и сериесные катушки тяговых электродвигателей, что может привести к аварии трамвая.

Известно устройство для электроснабжения вспомогательного оборудования транспортного средства, содержащее генератор переменного тока с подключенными к его обмоткам выпрямителем и регулятором напряжения, аккумуляторную батарею, тиристорный защитный блок и переключатель, а также разделительный диод, включенный между одним из выводов регулятора напряжения и аккумуляторной батареи (см. авт.свидетельство СССР N 1611767, B 60 L 1/00, 1990 г.). В данном устройстве диод 8 служит для "развязки" аккумуляторной батареи с генератором и регулятором напряжения, но вся нагрузка, как и в предыдущем устройстве электропитания низковольтных цепей трамвая, подключена непосредственно к аккумуляторной батарее, и во время запуска двигателя с помощью стартера пусковой ток создает перегрузку аккумуляторной батареи, что приводит к ее преждевременному износу и быстрому выходу из строя, а также снижает надежность запуска двигателя с течением времени.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащая аккумуляторную батарею, отрицательным полюсом соединенную со стартером (низковольтной нагрузкой), устройство управления пуском с тяговым реле, включенное между стартером и положительным полюсом аккумуляторной батареи, полупроводниковый вентиль (разделительный диод) и конденсаторную батарею, подключенную одним полюсом к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи, а другим через полупроводниковый вентиль - к ее положительному полюсу (см. авт. свидетельство СССР N 1193287, F 02 N 11/08, 1985 г.). В момент пуска ДВС контакты тягового реле подключают стартер через вентиль к аккумуляторной батарее и одновременно к включенной параллельно с ней конденсаторной батарее. Включение полупроводникового вентиля в цепь аккумуляторной батареи обеспечивает прохождение тока ее разряда только в сторону низковольтной нагрузки и конденсатора, препятствуя протеканию тока в обратном направлении. Таким образом, в режиме пуска через нагрузку (стартер ДВС) протекает ток от аккумуляторной батареи и от конденсатора одновременно. Однако напряжение на обкладках конденсатора снижается быстрее, чем на обкладках аккумуляторной батареи из-за разницы их внутренних сопротивлений, и в конце режима пуска энергия аккумуляторной батареи начинает расходоваться как на питание нагрузки, так и на дозаряд конденсатора, поддерживая напряжение на его обкладках равным напряжению на собственных клеммах. В результате этого аккумуляторная батарея испытывает большие токовые перегрузки, что приводит к ее преждевременному износу и другим негативным последствиям, как и в вышеописанных устройствах.

Изобретение решает задачу увеличения срока службы и уменьшения необходимой емкости аккумуляторной батареи, а также повышения надежности работы низковольтных цепей за счет снижения импульсных коммутационных перенапряжений, особенно в режиме электрического торможения в аварийных условиях.

Для решения этой задачи устройство для электропитания низковольтных цепей городского электротранспорта, содержащее аккумуляторную батарею, к плюсовому выводу которой подключены низковольтные цепи, разделительный диод и конденсатор, подключенный одним выводом к минусовому выводу аккумуляторной батареи, а другим через разделительный диод - к ее плюсовому выводу, дополнительно снабжено ограничительным резистором, включенным между плюсовым выводом аккумуляторной батареи и разделительным диодом, а часть низковольтных цепей, предназначенная для обеспечения аварийного торможения, подключена между положительным выводом конденсатора и разделительным диодом. При этом ограничительный резистор выполнен в виде включенных параллельно друг другу постоянного резистора и терморезистора.

Устройство поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - конкретный пример ее выполнения.

Устройство содержит подключенную к низковольтному источнику электропитания, например, генератору 1, аккумуляторную батарею 2 большой емкости, к плюсовому выводу которой подключен ограничительный резистор 3, соединенный с анодом разделительного диода 4, и конденсатор 5 большой емкости, положительный вывод которого подключен к катоду диода 4, а отрицательный вывод - к минусовому выводу аккумуляторной батареи 2. Ограничительный резистор 3 предназначен для ограничения максимального тока заряда конденсатора 5 до значения, оптимального для конкретного типа аккумуляторной батареи 2, и выполнен из включенных параллельно друг другу постоянного резистора 6 и терморезистора 7.

Та часть низковольтных цепей, которая предназначена для обеспечения аварийного торможения, а именно, контакты рельсовых тормозов и сериесные обмотки тяговых электродвигателей, подключена к общей точке между положительным выводом конденсатора 5 и катодом разделительного диода 4. Другая часть низковольтных цепей (низковольтной нагрузки), например аварийное и служебное освещение, катушки реле, низковольтные электродвигатели цепей управления и электронные потребители, может быть подключена к общей точке между плюсовым выводом аккумуляторной батареи 2 и ограничительным резистором 3.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии для подачи электропитания на низковольтные цепи управления, освещения и сигнализации (низковольтную нагрузку) вагона электротранспорта должны быть включены выключатели аккумуляторной батареи 2 и источника низковольтного напряжения, например, низковольтного генератора 1, обеспечивающего подзаряд аккумуляторной батареи 2 до заданного номинального напряжения. При этом аккумуляторная батарея 2 подключена минусовым выводом к отрицательному выводу конденсатора 5, а плюсовым выводом - через последовательно включенные ограничительный резистор 3 и разделительный диод 4 к положительному выводу конденсатора 5, то есть конденсатор 5 оказывается подключенным параллельно аккумуляторной батарее 2 и заряжается до напряжения на ее клеммах. Диод 4, подключенный катодом к конденсатору 5, предотвращает утечку энергии из заряженного конденсатора 5 обратно в разряженную аккумуляторную батарею 2 и исключает его разряд во все другие элементы низковольтной нагрузки, кроме той ее части, которая обеспечивает экстренное (аварийное) торможение, а именно, на контакты рельсовых тормозов и сериесные обмотки тяговых электродвигателей.

Другая часть низковольтной нагрузки, например, цепи служебного освещения, сигнализации, низковольтные электродвигатели, катушки реле и т.п. (создающие коммутационные перенапряжения), постоянно подключена к общей точке между ограничительным резистором 3 и плюсовым выводом аккумуляторной батареи 2 и получает электропитание от аккумуляторной батареи 2 и генератора 1.

В момент экстренного или аварийного торможения, например, в случае пропадания высоковольтного электропитания в сети, выхода из строя источника низковольтного напряжения или в другой ситуации, часть нагрузки, обеспечивающая торможение, подключается к конденсатору 5, например, с помощью реле или выключателя (на чертеже не показаны), и через ограничительный резистор 3 и диод 4 - к аккумуляторной батарее 2. При этом даже если с течением времени аккумуляторная батарея 2 начнет саморазряжаться, и напряжение на ее клеммах окажется меньше номинального, то это не приведет к уменьшению напряжения на обкладках конденсатора 5, т. к. ток саморазряда конденсатора практически отсутствует, и торможение будет осуществлено в полном объеме именно за счет энергии конденсатора 5. Емкость конденсатора 5 выбирают достаточно большой с тем, чтобы обеспечить любой режим торможения.

После окончания режима аварийного торможения и отключения соответствующей части нагрузки схема возвращается в исходное положение для заряда конденсатора 5. Заряд конденсатора 5 осуществляется от аккумуляторной батареи 2 через диод 4 и ограничительный резистор 3, который не допускает протекания тока от аккумуляторной батареи, большего установленного значения при любых режимах его потребления. Если аккумуляторная батарея 2 свежезаряжена от генератора 1, то при каждой перезарядке конденсатора 5 после очередного режима торможения при отсутствии ограничительного резистора 3 она подвергалась бы резкому броску тока из-за малого внутреннего сопротивления конденсатора, т. е. регулярным и значительным токовым перегрузкам, включая закипание электролита, что приводит к быстрому износу и разрушению аккумуляторной батареи. Ограничительный резистор 3, включенный в цепь заряда конденсатора 5, ограничивает ток заряда величиной, определенной типом используемой аккумуляторной батареи, вне зависимости от напряжения на ее клеммах и времени заряда, что позволяет избежать указанных выше перегрузок.

Выполнение же ограничительного резистора 3 в виде двух параллельно включенных резисторов (постоянного 6 и терморезистора 7) позволяет дополнительно снизить или даже полностью избежать вредного влияния кратковременных (доли секунды), но имеющих большую амплитуду импульсных коммутационных перенапряжений, которые возникают, как правило, во время обычного движения транспортного средства. Так как при этом рельсовые тормоза и сериесные катушки электродвигателей отключены и не потребляют энергии, а терморезистор 7 имеет большую инерционность и не успевает за время прохождения кратковременного импульса существенно изменить свое сопротивление, то все упомянутые, коммутационные перенапряжения через малое сопротивление "холодного" терморезистора поглощаются большой емкостью конденсатора 5.

В аварийной ситуации при отключении индуктивных потребителей и включении низковольтных цепей, обеспечивающих торможение, терморезистор 7 быстро разогревается, а его сопротивление увеличивается до величины, много большей, чем у постоянного резистора 6, и при этом (при относительно длительной нагрузке) сопротивление цепи определяется сопротивлением постоянного резистора. В качестве терморезистора может быть использован, например, вольфрамовый или просто соответствующей мощности лампа накаливания.

Таким образом, по сравнению с прототипом включение в схему устройства токоограничивающего резистора в цепь заряда конденсатора и раздельное подключение одной, наиболее ответственной, части низковольтных цепей, связанной с аварийным и экстренным торможением, и другой части низковольтных цепей позволяет увеличить срок службы аккумуляторной батареи при возможности уменьшения ее номинала емкости, а следовательно, стоимости, массы и габаритов устройства, а также повысить надежность торможения электротранспортного средства в условиях аварийных и экстренных ситуаций.