Система электропитания транспортного средства с электротягой, обеспечивающая надежное экстренное торможение и возможность аварийного самостоятельного автономного движения после торможения
Изобретение относится к системам электропитания транспортных средств с электротягой и предназначено для использования при осуществлении электропитания трамваев и троллейбусов. Система представляет собой резервный источник электропитания тяговых двигателей на борту транспортного средства на основе аккумуляторной батареи и нескольких сверхэнергоемких конденсаторов. Указанные конденсаторы при необходимости автономного самостоятельного движения транспортного средства, например, на обесточенном участке контактной сети соединяются последовательно с помощью системы переключателей. Образующийся повышающий преобразователь напряжения обеспечивает необходимое электропитание для тяговых электродвигателей. Система исключает возникновение разрушающих токовых нагрузок на аккумуляторную батарею, а также позволяет осуществлять надежное торможение транспортного средства и рекуперацию электрической энергии в сеть. 1 ил.
Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств с электротягой, а именно к системам электропитания, предназначенным для использования в режимах экстренного торможения транспортного средства.
Известно устройство для электропитания городского электротранспорта по патенту на изобретение №2166439, приоритет от 08.04.1999 г.(прототип), которое обеспечивает подачу электропитания на рельсовые тормоза и сериесные обмотки тяговых электродвигателей при аварийном торможении подвижного состава (трамваев, троллейбусов). Устройство содержит понижающий блок преобразования напряжения, вход которого подключен к источнику высоковольтного напряжения 550В, выход которого подключен к аккумуляторной батарее (24В) и всем низковольтным потребителям на борту транспортного средства. Параллельно к аккумуляторной батарее подключен сверхэнергоемкий конденсатор через нелинейный ограничивающий резистор и разделительный диод. Данная система электропитания предназначена для защиты аккумуляторной батареи и блока преобразования напряжения от ударных токовых нагрузок, возникающих в цепи низковольтного электропитания при работе сериесных катушек и рельсовых тормозов в режиме торможения транспортного средства, в том числе и при аварийном торможении.
Довольно часто после режима торможения, в том числе и аварийного, транспортное средство оказывается на обесточенном участке контактной сети. В результате этого транспортное средство утрачивает способность самостоятельного движения, ввиду отсутствия напряжения в контактной сети и отсутствия автономного источника электропитания на борту транспортного средства, который бы обеспечивал достаточный ток в цепях тяговых электродвигателей. Транспортное средство, оказавшееся на обесточенном участке контактной сети, может перемещаться только с помощью буксировочного средства, что крайне неудобно, поскольку вызывает полную, длительную остановку движения на линии и приводит к возникновению "пробок" на проезжей части.
Известен автономный источник питания транспортного средства по патенту JP 06001067 В4 (приоритет от 13.04.1989 г.), представляющий собой два энергоемких конденсатора, подключенные к аккумуляторной батарее и электродвигателю с помощью переключателей контроллера таким образом, что конденсаторы работают поочередно и обеспечивают непрерывное питание электродвигателя. Этот автономный источник питания предназначен для работы в низковольтной цепи с напряжением, не превышающим 24В.
Для того чтобы транспортное средство (трамвай, троллейбус) могло преодолеть обесточенный участок контактной сети самостоятельно, необходимо обеспечить напряжение в цепи тяговых двигателей порядка 48-60В. Для создания такого напряжения от низковольтной аккумуляторной батареи (24В) обычно используются повышающие преобразователи, например описанные в журнале "Изобретатель и рационализатор" №11/87 стр.18.
Однако при использовании в качестве источника автономного питания аккумуляторной батареи совместно с повышающим преобразователем в цели тяговых электродвигателей возникают ударные токовые нагрузки, являющиеся разрушающими для аккумуляторной батареи.
Заявляемое изобретение позволяет исключить эти недостатки и обеспечить необходимое электропитание тяговых электродвигателей для осуществления автономного движения транспортного средства на обесточенном участке контактной сети без создания разрушающих токовых нагрузок на аккумуляторную батарею как при автономном движении, так и в режиме торможения.
Кроме того, данная схема электропитания транспортного средства позволяет осуществлять рекуперацию электрической энергии, то есть ее возврат в электрическую сеть для вторичного последующего использования.
Поставленная задача решается тем, что в системе электропитания транспортного средства с электротягой, содержащей понижающий блок преобразования напряжения, вход которого подключен к источнику высоковольтного напряжения, а выход подключен к аккумуляторной батарее и всем низковольтным потребителям на борту транспортного средства, при этом параллельно аккумуляторной батарее подключен первый сверхэнергоемкий конденсатор через нелинейный ограничивающий резистор и первый разделительный диод, дополнительно параллельно первому сверхэнергоемкому конденсатору подключен, по крайней мере, один второй сверхэнергоемкий конденсатор, положительный вывод которого подключен к отрицательному выводу второго разделительного диода, зашунтированного размыкателем, а положительный вывод второго разделительного диода подключен к положительному выводу третьего разделительного диода, отрицательный вывод которого подключен к положительному выводу первого сверхэнергоемкого конденсатора и к положительному выводу первого разделительного диода. Положительный вывод первого сверхэнергоемкого конденсатора соединен с нормально-разомкнутым контактом переключателя, отрицательный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора подключен к подвижному контакту переключателя, который соединен с отрицательной шиной аккумуляторной батареи. Кроме того, дополнительно параллельно второму сверхэнергоемкому конденсатору подключен, по крайней мере, один третий сверхэнергоемкий конденсатор, положительный вывод которого подключен к выходу первого стабилизатора напряжения, вход которого соединен с положительными выводами второго и третьего разделительных диодов. Выход первого стабилизатора напряжения и положительный вывод третьего сверхэнергоемкого конденсатора подключен ко всем низковольтным потребителям и с выходом второго стабилизатора напряжения, вход которого подключен к выходу блока преобразователя напряжения. К точке соединения положительных выводов второго и третьего разделительных диодов и входу первого стабилизатора напряжения параллельно подключены тяговые электродвигатели транспортного средства, сериесные катушки тяговых электродвигателей и рельсовые тормоза. Положительный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора соединен через цели коммутации с положительными токосъемными щетками тяговых электродвигателей.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема заявляемого устройства.
Система электропитания транспортного средства с электротягой содержит понижающий блок преобразования напряжения 1, вход которого подключен к источнику высоковольтного напряжения (контактной сети) 2, а выход подключен к аккумуляторной батарее 3 и всем низковольтным потребителям на борту транспортного средства. Параллельно аккумуляторной батарее 3 подключен первый сверхэнергоемкий конденсатор 4 через нелинейный ограничивающий резистор 5 и первый разделительный диод 6. Дополнительно параллельно первому сверхэнергоемкому конденсатору 4 подключен, по крайней мере, один второй сверхэнергоемкий конденсатор 7, положительный вывод которого подключен к отрицательному выводу второго разделительного диода 8, зашунтированного размыкателем 9. Положительный вывод второго разделительного диода 8 подключен к положительному выводу третьего разделительного диода 10, к отрицательному выводу которого подключен положительный вывод первого сверхэнергоемкого конденсатора 4 и положительный вывод первого разделительного диода 6. Положительный вывод первого сверхэнергоемкого конденсатора 4 соединен с нормально-разомкнутым контактом "а" переключателя 11. Отрицательный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора 7 подключен к подвижному контакту "с" переключателя 11 и соединен с отрицательной шиной аккумуляторной батареи 3. Нормально-замкнутый контакт "b" переключателя 11 электрически соединен с отрицательной шиной аккумуляторной батареи 3. Дополнительно параллельно второму сверхэнергоемкому конденсатору 7 подключен, по крайней мере, один третий сверхэнергоемкий конденсатор 12, положительный вывод которого подключен к выходу первого стабилизатора напряжения 13, вход которого соединен с положительными выводами второго 8 и третьего 10 разделительных диодов. Выход первого стабилизатора напряжения 13 и положительный вывод третьего сверхэнергоемкого конденсатора 12 подключен ко всем низковольтным потребителям и соединен с выходом второго стабилизатора напряжения 14, вход которого подключен к выходу блока преобразования напряжения 1. К точке "d" соединения положительных выводов второго 8 и третьего 10 разделительных диодов и входу первого стабилизатора 13 параллельно подключены тяговые электродвигатели 15 транспортного средства, сериесные катушки 16 тяговых электродвигателей 15 и рельсовые тормоза 17. Положительный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора 7 соединен через цепи коммутации (не показаны на рисунке) с положительными токосъемными щетками тяговых электродвигателей 15.
Устройство работает следующим образом.
При обычном режиме движения транспортного средства, во время осуществления начала движения при наличии электропитания в контактной сети (при поднятом пантографе /токоприемнике/), постоянное напряжение контактной сети в 550В преобразуется блоком преобразования напряжения 1 в низковольтное напряжения 24В, которое заряжает аккумуляторную батарею 3. При этом размыкатель 9 находится в разомкнутом состоянии, а переключатель 11 находится в положении "b-с". При этом через нелинейный ограничивающий резистор 5 и первый разделительный диод 6 происходит заряд первого сверхэнергоемкого конденсатора 4 до напряжения аккумуляторной батареи 3. При этом второй сверхэнергоемкий конденсатор 7 находится в разряженном состоянии, поскольку второй разделительный диод 8 находится в закрытом состоянии и положительный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора 7 соединен со схемой рекуперации электроэнергии на борту транспортного средства (схема рекуперации не показана на чертеже). При этом низковольтные потребители 24В на борту транспортного средства получают электропитание от первого 13 и второго 14 стабилизаторов напряжения. При этом рельсовые тормоза 17, сериесные катушки 16 подключены к точке "d" на схеме и получают питание от первого сверхэнергоемкого конденсатора 4 по цепи через третий разделительный диод 10 и одновременно от аккумуляторной батареи 3 и блока преобразования напряжения 1 через нелинейный ограничивающий резистор 5 и первый разделительный диод 6, при этом третий сверхэнергоемкий конденсатор 12 заряжен до напряжения аккумуляторной батареи 3. При этом тяговые электродвигатели 15 получают электропитание от контактной сети (источника высоковольтного напряжения 2).
В режиме торможения транспортного средства заявляемая система работает следующим образом. При динамическом торможении сначала торможение осуществляется с помощью тяговых двигателей 15, переведенных в режим генераторов, а при достижении скорости движения транспортного средства 10 км/ч включаются рельсовые тормоза 17, при этом тяговые электродвигатели 15 отключаются от контактной сети 2, а сериесные катушки 16 получают электропитание от первого сверхэнергоемкого конденсатора 4, аккумуляторной батареи 3 и блока преобразования напряжения 1. Все низковольтные потребители 24В получают энергию электропитания от блока преобразования напряжения 1 и аккумуляторной батареи 3 через второй стабилизатор напряжения 14. При этом часть электроэнергии, выработанная при динамическом торможении тяговыми электродвигателями 15, через схему рекуперации заряжает второй сверхэнергоемкий конденсатор 7 до напряжения 24В, который теперь представляет собой резервный источник энергии на борту транспортного средства. Как только напряжение на обкладках второго сверхэнергоемкого конденсатора 7 превысит напряжение открывания второго разделительного диода 8, последний открывается и электроэнергия от системы рекуперации тяговых электродвигателей 15 поступает к сериесным катушкам 16 и запирает третий разделительный диод 10. При закрытом третьем разделительном диоде 10 первый сверхэнергоемкий конденсатор 4 перестает отдавать свою энергию в цепь нагрузки и начинает заряжаться от аккумуляторной батареи 3 и блока преобразования напряжения 1 до уровня напряжения, имеющегося на этих источниках. При снижении скорости до 10 км/ч в систему торможения подключаются рельсовые тормоза 17, получая электропитание от того же источника энергии, что и сериесные катушки 16. Таким образом, заявляемая система электропитания позволяет наиболее экономичным способом организовать электропитание всех потребителей на борту за счет использования для собственных нужд транспортного средства электроэнергии, вырабатываемой тяговыми электродвигателями 15 в режиме динамического торможения и зарядке резервного источника энергии (второго сверхэнергоемкого конденсатора 7), значительно уменьшая расход электроэнергии от контактной сети.
Если в результате торможения транспортное средство остановилось на обесточенном участке контактной сети (например, "пересечка" или обрыв контактной сети), то заявляемая система питания позволяет обеспечить самостоятельное автономное движение транспортного средства до выхода на токовый участок контактной сети.
Автономное движение осуществляется следующим образом. Переключатель 11 переводится в положение "а-с", при этом заряженные первый сверхэнергоемкий конденсатор 4 и второй сверхэнергоемкий конденсатор 7 оказываются соединенными последовательно, в результате чего напряжение в точке "d" увеличивается и достигает суммы напряжений на этих конденсаторах. Таким образом, первый и второй сверхэнергоемкие конденсаторы 4 и 7 выполняют функцию повышающего преобразователя напряжения. Напряжение в 48В из точки "d" прикладывается к тяговым электродвигателям 15, и такого напряжения оказывается достаточно, чтобы обеспечить самостоятельное автономное движение транспортного средства до токового участка контактной сети.
Если по каким-либо причинам перед осуществлением автономного движения транспортного средства второй сверхэнергоемкий конденсатор 7 оказался незаряженным, то необходимо предварительно осуществить его зарядку от аккумуляторной батареи 3, замкнув на время автономного движения размыкатель 9.
Аналогичным образом можно повысить напряжение в точке "d" до любого требуемого напряжения, кратного напряжению аккумуляторной батареи 3, подключив по данной схеме (аналогично тому, как подключен конденсатор 7 с диодом 8 и размыкателем 9) необходимое количество сверхэнергоемких конденсаторов.
Система электропитания транспортного средства с электротягой, содержащая понижающий блок преобразования напряжения, вход которого подключен к источнику высоковольтного напряжения, а выход подключен к аккумуляторной батарее и цепям низковольтных потребителей на борту транспортного средства, к аккумуляторной батарее через нелинейный ограничивающий резистор и первый разделительный диод подключен первый сверхэнергоемкий конденсатор, отличающаяся тем, что дополнительно введены второй и третий сверхэнергоемкие конденсаторы, второй и третий разделительные диоды, размыкатель, переключатель, первый и второй стабилизаторы напряжения, при этом положительный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора подключен к отрицательному выводу второго разделительного диода, зашунтированного размыкателем, положительный вывод второго разделительного диода подключен к положительному выводу третьего разделительного диода, отрицательный вывод которого подключен к положительному выводу первого сверхэнергоемкого конденсатора и положительному выводу первого разделительного диода, положительный вывод первого сверхэнергоемкого конденсатора соединен с нормально разомкнутым контактом переключателя, отрицательный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора подключен к подвижному контакту переключателя и через его нормально замкнутый контакт соединен с отрицательной шиной аккумуляторной батареи, положительный вывод третьего сверхэнергоемкого конденсатора подключен к выходу первого стабилизатора напряжения, вход которого соединен с положительными выводами второго и третьего разделительных диодов, вход второго стабилизатора напряжения подключен к выходу блока преобразования напряжения, выходы первого и второго стабилизаторов напряжения соединены друг с другом и подключены ко всем низковольтным потребителям, к точке соединения положительных выводов второго и третьего разделительных диодов и входу первого стабилизатора напряжения параллельно подключены тяговые электродвигатели транспортного средства, сериесные катушки тяговых электродвигателей и рельсовые тормоза, а положительный вывод второго сверхэнергоемкого конденсатора соединен через цепи коммутации с положительными токосъемными щетками тяговых электродвигателей.
