подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона

Формула изобретения

1. Подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона, содержащее силовой трехфазный трансформатор, преобразовательный блок, аккумуляторную батарею, статический полупроводниковый преобразователь, а также либо средство подключения к подвагонному трехфазному генератору с приводом от колесных пар, либо средство подключения к магистральной поездной высоковольтной сети, причем первичная обмотка силового трехфазного трансформатора обеспечена средством подключения к внешней сети переменного тока, а вторичная обмотка упомянутого трансформатора связана с преобразовательным блоком, выход которого подсоединен к аккумуляторной батарее, клеммам для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и статическому полупроводниковому преобразователю, состоящему из повышающего преобразователя постоянного напряжения и ряда инверторов с объединенными входами и независимыми выходами, соединенными с клеммами для подключения вагонных потребителей переменного тока, отличающееся тем, что содержит разъем для подключения формирователя дополнительных напряжений вагонных и вневагонных потребителей, силовой трехфазный трансформатор содержит дополнительно вторую вторичную обмотку, преобразовательный блок - вторые вход и выход, при этом вторая вторичная обмотка силового трехфазного трансформатора соединена со вторым входом преобразовательного блока, второй выход которого соединен с объединенными входами инверторов статического полупроводникового преобразователя, а первичная обмотка силового трехфазного трансформатора соединена с разъемом для подключения формирователя дополнительных напряжений.

2. Подвагонное устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразовательный блок состоит из двух отдельных мостовых полупроводниковых выпрямителей либо из одного выпрямителя и одного обратимого преобразователя.

3. Подвагонное устройство по п.1, отличающееся тем, что средство подключения к магистральной поездной высоковольтной сети выполнено в виде отдельного блока - высоковольтного преобразователя, вход которого соединен с высоковольтной сетью =/˜1500(3000) В, а два выхода обеспечивают разные по величине постоянные рабочие напряжения, при этом первый выход соединен с аккумуляторной батареей, клеммами для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающим преобразователем постоянного напряжения, а второй - с объединенными входами инверторов статического полупроводникового преобразователя, а преобразовательный блок содержит выпрямитель, выход которого соединен со вторым выходом высоковольтного преобразователя, и обратимый преобразователь, выход которого соединен с первым выходом высоковольтного преобразователя.

4. Подвагонное устройство по п.3, отличающееся тем, что обратимый преобразователь выполнен в виде трехплечевой диодно-транзисторной мостовой схемы, в которой параллельно каждому диоду, включенному в прямом направлении, подсоединен транзистор, включенный в обратном направлении и управляемый по базе импульсами, следующими с частотой 50 Гц со смещением для каждого плеча на ² /₃ .

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона относится к устройствам, предназначенным для использования в системах электроснабжения железнодорожного транспорта, а именно для преобразования входной энергии постоянного или переменного тока в выходную энергию требуемого вида применительно к пассажирским вагонам повышенной комфортности. Устройство может обеспечить нормальное функционирование всех электрических приборов и аппаратов, предусмотренных для эксплуатации в железнодорожном вагоне независимо от источника внешней энергии (будь то поездная высоковольтная магистраль, внешняя сеть переменного тока или собственный подвагонный генератор с приводом от колесных пар).

Уровень техники

Устройства электроснабжения пассажирских вагонов, особенно повышенной комфортности, предусматривают обеспечение соответствующим питанием целого ряда электрических потребительских устройств.

Например, из Интернета (сайт http://dvrb.com.ua) известно исполнение вагона пассажирского купейного модернизированного. На этом вагоне предусмотрено устанавливать:

- моноблочный кондиционер производства "ФЕЙВЕЛЕЙ" Франция;

- комплекс оборудования экологически чистого туалета ВТБН производства концерна "Вагонсистем", Россия;

- система пожарной сигнализации "Прометей-2";

- система видеонаблюдения (монитор и две видеокамеры);

- информационный дисплей Т1 82М;

- световая индикация занятости туалета;

- система вызова проводника по купе;

- светильники переходных площадок;

- светильники с автономными преобразователями;

- электрическая печь "Хортица 6"(котельное отделение).

Питание системы энергоснабжения вагона осуществляется от поездной магистрали 3000 В постоянного или переменного тока.

Система энергоснабжения вагона состоит из:

подвагонного высоковольтного аппаратного ящика 2Я.111.У1, высоковольтного статического преобразователя SG 600380 ВР, входного реактивного сопротивления SG 600417, трансформатора SG 600419, инвертора статического трехфазного SG 600388 SP, реактивного сопротивления SG 600418, аккумуляторной батареи 84 ТНЖ-300110 В (на выкатных тележках); аппаратного подвагонного ящика подключения внешнего напряжения трехфазной сети 380/220 В 50 Гц.

Другой вагон, пассажирский некупейный, предусматривает энергоснабжение не только от высоковольтной поездной магистрали, но и от подвагонного трехфазного генератора. Этот вагон предусматривает:

- оборудование вагона крышной моноблочной установкой кондиционирования воздуха с питанием от подвагонного генератора через трехфазный преобразователь, обеспечивающий частотный пуск и регулирование холодопроизводительности;

- установку экологически чистого туалета (ЭЧТ) с подвагонным баком-накопителем;

- установку принципиально новой для вагонов данного типа системы электроснабжения с питанием от подвагонного генератора переменного тока 110 В мощностью 35 кВА;

- модернизированную систему освещения салона.

Система электроснабжения вагона состоит из подвагонного генератора; преобразователя трехфазного для кондиционера; высоковольтного аппаратного ящика; устройства вводного и ящика низковольтной аппаратуры. Вагон оборудуется щелочной аккумуляторной батареей емкостью 350 А·ч, установленной на выкатных тележках с верхним расположением направляющих и двойной электроизоляцией.

Подвагонное электрооборудование выполнено в виде модулей, установленных в подвагонных ящиках на выкатных тележках, что обеспечивает замену вышедшего из строя блока в течение 20-30 мин. Конструкция высоковольтного электрооборудования вагона позволяет производить замер сопротивления изоляции высоковольтной магистрали без каких-либо подготовительных операций. Питание электроугольного котла осуществляется от поездной магистрали 3 кВ постоянного или переменного тока. Для снабжения вагона в пути следования питанием 220 В 50 Гц установлен преобразователь.

В этих и подобно оборудованных вагонах питание на длительных стоянках осуществляется от аппаратного подвагонного ящика подключения внешнего напряжения трехфазной сети 380/220 В 50 Гц, содержащего силовой трехфазный понижающий трансформатор. В пути в системе электроснабжения вагона этот трансформатор не используется. Иными словами, КПД использования трансформатора мал.

В качестве прототипа заявляемого изобретения возьмем патент №2266829.

Этот патент защищает комплект электрооборудования пассажирского вагона, который предназначен для электроснабжения пассажирского вагона как во время движения поезда, так и во время стоянок. Комплект включает в себя генератор с приводом от колесных пар, аккумулятор, блок низковольтного питания, блок внешнего питания 380 В, блок высоковольтного питания от поездной магистрали 3000 В, потребителей постоянного и переменного тока, статические преобразователи частоты и напряжения, управляющие блоки.

Комплект работает следующим образом.

Во время движения поезда на скоростях выше 35 км/час генератор вырабатывает трехфазное переменное напряжение, которое поступает на блок низковольтного питания. включающий в себя трехфазный выпрямитель, на выходе которого формируется постоянное напряжение 110 В, предназначенное для заряда аккумулятора. На длительных стоянках напряжение = 110 В формируется от блока внешнего питания 380 В, включающего в себя трехфазный трансформатор на 50 Гц со вторичной обмотки которого напряжение подается на выпрямитель упомянутого блока низковольтного питания. Вагонные потребители постоянного и переменного тока питаются с выхода блока низковольтного питания. Однако при скорости вагона ниже 35 км/час и кратковременных стоянках питание потребителей может осуществляться только от аккумулятора, поэтому целый ряд вагонных потребителей (и в первую очередь - кондиционеры) в это время отключаются.

Блок высоковольтного питания от поездной магистрали 3000 В обеспечивает два выходных напряжения. Одно из них предназначено для питания котла обогрева вагона, а второе, равное 110 В, направляется для преобразования и обеспечения электрических нужд вагона.

Недостаток заключается в том, что

1) во время стоянок и при тихом ходе не работает часть вагонных потребителей - питание осуществляется только от аккумуляторной батареи;

2) громоздкий силовой низкочастотный трансформатор, являющийся входом внешнего питания ˜380 В 50 Гц, используется мало - только при стоянках, остальное время не работает;

3) не обеспечивается питание потребительской нагрузки, требующей заземления, а сейчас, зачастую, это необходимо, так как вагоны становятся более комфортабельными, начиненными современными электроаппаратами.

Раскрытие изобретения

Заявленное изобретение - подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона - в качестве источника энергии может использовать: сгенерированное напряжение подвагонным трехфазным генератором с приводом от колесных пар, преобразованное поездное магистральное высоковольтное напряжение, внешнюю сеть переменного тока, энергию собственных аккумуляторов.

Сущность изобретения заключается в том, что подвагонное устройство снабжено средством подключения своей первичной обмотки к внешней сети переменного тока 380 В, 50 Гц, а также средством подключения либо к трехфазному генератору с приводом от колесных пар, вырабатывающему напряжение ˜380 В, либо средством подключения к магистральной поездной высоковольтной сети с напряжением =/˜1500-3000 В. При этом подвагонное устройство содержит низкочастотный силовой трехфазный трансформатор, соединенный со средством подключения своей первичной обмотки к внешней сети переменного тока 380 В, 50 Гц, который имеет два выхода, на разное напряжение, то есть две вторичные обмотки. Подвагонное устройство содержит также преобразовательный блок с двумя входами и двумя выходами, аккумуляторную батарею, клеммы для подключения вагонных потребителей постоянного тока и статический полупроводниковый преобразователь, состоящий из повышающего преобразователя постоянного напряжения и ряда инверторов с объединенными входами и независимыми выходами - для подключения вагонных потребителей переменного тока.

Первичная обмотка силового трехфазного трансформатора соединена с клеммами для подключения формирователя дополнительных напряжений для вагонных и вневагонных потребителей. (Формирователь может обеспечить объединение первичных обмоток трансформатора, например, по схеме "звезда", что обеспечит на выходе трехфазное переменное напряжения 380 В, 50 Гц с нулевой точкой. А напряжение между любой фазой и нулем позволит получить рабочее однофазное напряжение 220 В, 50 Гц. Кроме того, формирователь может содержать выпрямитель для получения нестандартного по величине напряжения постоянного тока. Это дает возможность более широкого использования силового трансформатора, в частности, для получения всех необходимых рабочих напряжений при эксплуатации и ремонте пассажирского вагона.)

Каждый вход преобразовательного блока соединен с одним из двух выходов силового трансформатора. Первый выход преобразовательного блока подключен к аккумуляторной батарее, клеммам для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающему преобразователю постоянного напряжения. Второй выход преобразовательного блока подключен к ряду инверторов с объединенными входами и независимыми выходами - для подключения вагонных потребителей переменного тока.

При работе от трехфазного генератора с приводом от колесных пар преобразовательный блок выполнен в виде двух мостовых полупроводниковых выпрямителей, причем один из них может быть выполнен в виде обратимого преобразователя для возможности преобразования постоянного напряжения аккумулятора с помощью трехфазного силового трансформатора - в переменное напряжение 220 В.

При работе от высоковольтной магистральной сети средством подключения к магистральной поездной высоковольтной сети является высоковольтный преобразователь, а преобразовательный блок содержит два устройства, одно из которых выполнено в виде мостового полупроводникового выпрямителя, выход которого соединен с одним выходом высоковольтного преобразователя, а второе - в виде обратимого преобразователя, выход которого соединен с другим выходом высоковольтного преобразователя,

Обратимый преобразователь может быть выполнен в виде трехплечевой диодно-транзисторной мостовой схемы, в которой параллельно каждому диоду, включенному в прямом направлении, подсоединен транзистор, включенный в обратном направлении.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается прежде всего в обеспечении гальванической развязки по питанию вагонных потребителей постоянного и переменного тока. Кроме того, благодаря широкому использованию силового трансформатора обеспечивается более компактное исполнение устройства в целом, т.к. исключается необходимость введения ряда дополнительных полупроводниковых устройств для получения комплекса рабочих напряжений. Это влечет за собой повышение надежности устройства в целом, т.к. надежность трансформатора выше надежности полупроводниковых устройств. Кроме того, изобретение позволяет с большим КПД использовать трехфазный силовой трансформатор, который в аналогичных устройствах был предназначен, главным образом, для использования лишь при питании от внешней сети переменного тока.

Таким образом, благодаря введению новых признаков и связей в подвагонное устройство электроснабжения, силовой трехфазный трансформатор может использоваться как для обычного использования во время продолжительных стоянок и ремонта, так и для обеспечения любых требуемых напряжений питания в пассажирском вагоне во время движения, а также для формирования дополнительных, нестандартных питающих напряжений вагонных и вневагонных потребителей при всех видах энергоснабжения поезда.

Перечень чертежей

Фиг.1 - общая структурная схема подвагонного устройства электроснабжения пассажирского вагона.

Фиг.2 - структурная схема подвагонного устройства электроснабжения пассажирского вагона при питании от подвагонного трехфазного генератора переменного тока ˜380 В.

Фиг.3 - структурная схема подвагонного устройства электроснабжения пассажирского вагона при питании от высоковольтной магистральной сети =/˜1500(3000) В через высоковольтный преобразователь с двумя выходными напряжениями постоянного тока: 140 В и 400 В.

Фиг.4 - мостовая трехплечевая электрическая схема обратимого преобразователя, выполненного на диодах и транзисторах.

Осуществление изобретения

Подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона выполнено в соответствии со структурной схемой, представленной на фиг.1.

Устройство содержит: силовой трехфазный трансформатор 1, преобразовательный блок 2, аккумуляторную батарею 3, статический полупроводниковый преобразователь 4, состоящий из повышающего преобразователя постоянного напряжения 5 и ряда инверторов 6, а также: либо средство подключения к подвагонному трехфазному генератору с приводом от колесных пар - контактный разъем 7, либо средство подключения к магистральной поездной высоковольтной сети - высоковольтный преобразователь 8.

Первичная обмотка 9 силового трехфазного трансформатора 1 соединена со средством подключения к внешней сети переменного тока - контактному разъему 10. Две вторичные обмотки 11 и 12 силового трехфазного трансформатора 1, с разным по величине выходным напряжением, соединены соответственно с отдельными входами 13 и 14 преобразовательного блока 2. Первый выход 15 преобразовательного блока 2 соединен с аккумуляторной батареей 3 клеммами 16 для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающим преобразователем постоянного напряжения 5. Второй выход 17 преобразовательного блока 2 связан с объединенными входами инверторов 6, независимые выходы которых соединены с соответствующими клеммами 18 для подключения вагонных потребителей переменного тока. Следует заметить, что пары вход-выход преобразовательного блока электрически не связаны. Кроме того, первичная обмотка 9 силового трехфазного трансформатора 1 соединена также с разъемом 19 для подключения формирователя дополнительных напряжений вагонных и вневагонных потребителей.

При работе только от трехфазного генератора с приводом от колесных пар (фиг.2) преобразовательный блок может быть выполнен в виде двух полупроводниковых выпрямителей 2.1 и 2.2, один из которых (2.1) может быть выполнен в виде обратимого преобразователя.

При работе от высоковольтной магистральной сети (фиг.3) два выхода 20 и 21 высоковольтного преобразователя 8 обеспечивают разные по величине постоянные рабочие напряжения (например, 140 В и 400 В). При этом один из его выходов (20) соединен с аккумуляторной батареей 3 клеммами 16 для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающим преобразователем постоянного напряжения 5, а второй -21 - с объединенными входами инверторов 6 статического полупроводникового преобразователя 4. Кроме того, преобразовательный блок 2 содержит два устройства, одно из которых выполнено в виде выпрямителя 2.4, выход 17 которого соединен с выходом 21 высоковольтного преобразователя 8, а второе устройство - в виде обратимого преобразователя 2.3, выход 15 которого соединен с выходом 20 высоковольтного преобразователя 8 и соответственно с аккумуляторной батареей 3 клеммами 16 для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающим преобразователем постоянного напряжения 5.

Обратимый преобразователь (2.1 или 2.3) может быть выполнен, например, в виде трехплечевой диодно-транзисторной мостовой схемы (фиг.4), в которой параллельно каждому диоду 22, включенному в прямом направлении, подсоединен транзистор 23, включенный в обратном направлении и управляемый по базе импульсами, следующими с частотой 50 Гц со смещением для каждого плеча на 2/3 , обеспечивая работу обратимого преобразователя в обратном направлении, а именно преобразование постоянного напряжения - в переменное с частотой 50 Гц.

Описание работы

При продолжительных стоянках и при работах в депо подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона работает от внешней сети переменного тока (фиг.1). Напряжение 380 В, 50 Гц поступает через контактный разъем 10 на первичную обмотку 9 силового трехфазного трансформатора 1. Предположим, что на первой вторичной обмотке 11 образуется напряжение 110 В, а на второй вторичной обмотке 12 - 285 В. Тогда на первый вход 13 преобразовательного блока 2 поступает переменное напряжение 110 В, а на второй вход 14 - переменное напряжение 285 В.

Пусть преобразовательный блок 2 обеспечивает на выходе 15 постоянное напряжение 140 В, а на выходе 17 - постоянное напряжение 400 В.

Постоянное напряжение 140 В идет на заряд аккумуляторов 3 и подается на клеммы 16, к которым могут подсоединяться необходимые потребители постоянного тока.

С выхода 17 преобразовательного блока 2 постоянное напряжение 400 В подается на объединенные входы инверторов 6, выходы которых соединены с клеммами 18, служащими для подключения потребителей переменного тока. А повышающий преобразователь постоянного напряжения 5 в этом случае фактически не работает.

Таким образом, два выходных канала питания потребителей получаются гальванически развязанными.

При работе только от трехфазного генератора с приводом от колесных пар (фиг.2) преобразовательный блок может быть выполнен в виде двух мостовых полупроводниковых выпрямителей 2.1 и 2.2, а средство подключения к подвагонному трехфазному генератору может быть выполнено в виде контактного разъема 7, соединяющего генератор с входом одного из двух упомянутых выпрямителей, а также с одной из выходных обмоток трансформатора 1. В этом случае с выхода одного используемого выпрямителя 2.1 напряжение подается к клеммам 16 для вагонных потребителей постоянного тока, к аккумуляторной батарее 3 и к повышающему преобразователю постоянного напряжения 5 статического полупроводникового преобразователя 4, напряжение с выхода второй обмотки 12 трансформатора 1 через выпрямитель 2.2 подается на входы инверторов 6, формирующих питающее напряжение для вагонных потребителей переменного тока.

При подключении к внешней сети напряжение со второй вторичной обмотки 12 трансформатора 1 подается через выпрямитель 2.2 на входы инверторов 6, с первой вторичной обмотки 11 трансформатора 1 подается через выпрямитель 2.1 к аккумуляторной батарее 3 и контактам 16 для подключения потребителей постоянного тока. Таким образом, при работе от подвагонного генератора и от внешней сети повышающий преобразователь 5 фактически не работает.

Выпрямитель 2.1 может быть выполнен в виде обратимого преобразователя, что обеспечит возможность питания любых потребителей переменного тока от аккумуляторов через силовой трансформатор 1 при отсутствии любого другого источника питания. При этом повышающий преобразователь постоянного напряжения 5 может не работать, так как его функции выполняет силовой трансформатор 1 с выпрямителем 2.2.

При работе от высоковольтной магистральной сети (фиг.3) используется средство подключения к магистральной поездной высоковольтной сети, которое выполнено в виде отдельного блока - высоковольтного преобразователя 8, вход которого соединен с высоковольтной сетью =/˜1500(3000) В, а два выхода 20 и 21 обеспечивают разные по величине постоянные рабочие напряжения (например, 140 В и 400 В соответственно). При этом один из выходов 20 соединен с аккумуляторной батареей 3, клеммами 16 для подсоединения вагонных потребителей постоянного тока и повышающим преобразователем постоянного напряжения 5, а второй - с объединенными входами инверторов 6 статического полупроводникового преобразователя. Преобразовательный блок 2 содержит два устройства, одно из которых выполнено в виде выпрямителя 2.4, выход 17 которого соединен с одним выходом (21) высоковольтного преобразователя, а второе - в виде обратимого преобразователя 2.3, выход 15 которого соединен с другим выходом (20) высоковольтного преобразователя 8. Как и в предыдущем случае, использование обратимого преобразователя 2.3 позволяет также преобразовывать постоянное напряжение аккумуляторной батареи 110 В - в переменное трехфазное 380 В, 50 Гц, для использования аккумуляторов в случае крайней необходимости в качестве источника переменного тока в течение непродолжительного времени и при отсутствии других источников энергии.

Обратимый преобразователь 2.1 или 2.3 (фиг.4) может быть выполнен в виде трехплечевой диодно-транзисторной мостовой схемы, в которой параллельно каждому диоду 22, включенному в прямом направлении, подсоединен транзистор 23, включенный в обратном направлении и управляемый по базе импульсами, следующими с частотой 50 Гц со смещением для каждого плеча на 2/3 , обеспечивая тем самым работу мостового обратимого преобразователя 2.3 в обратном направлении, а именно: преобразование постоянного напряжение - в переменное, с частотой 50 Гц. Сгенерированное на первичной обмотке 9 этого трансформатора 1 напряжение поступает на клеммы 14 для подсоединения формирователя дополнительных напряжений, который может обеспечить питанием вагонных или вневагонных нестандартных потребителей. Как уже было сказано выше, формирователь дополнительных напряжений позволяет получить на выходе трехфазное переменное напряжения 380 В, 50 Гц с нулевой точкой. А напряжение между любой фазой и нулем позволяет получить рабочее однофазное напряжение 220 В, 50 Гц. Кроме того, формирователь дополнительных напряжений может содержать выпрямитель для получения, в случае необходимости, дополнительного напряжения постоянного тока (например, = 520 В).

Итак, при использовании в качестве устройства электроснабжения пассажирского вагона заявленного изобретения имеют место следующие преимущества:

- гальваническая развязка по питанию потребителей постоянного и переменного тока;

- работа всех вагонных потребителей во время стоянок и при тихом ходе в том числе, обеспечивается заряд аккумуляторов;

- постоянное использование силового низкочастотного трансформатора, являющегося входным источником энергоснабжения при использовании внешнего питания ˜380 В 50 Гц, даже во время следования поезда, то есть значительное увеличение КПД системы электроснабжения;

- обеспечение питанием трехфазных и однофазных нагрузок переменного тока частотой 50 Гц с заземленной нейтралью;

- обеспечение дополнительным нестандартным питающим напряжением отдельных потребителей постоянного тока;

- возможность использования силового трансформатора для получения всех необходимых рабочих напряжений для инструмента и аппаратуры при ремонте пассажирского вагона в неприспособленных условиях;

- повышение КПД системы электроснабжения.