ИЛЬИНСКИЙ, Юрий Александрович (пр. Пацаева, д. 5 кв. 79, Долгопрудный, Московская обл, 0 Dolgoprudny, 141700, RU)
LABUTIN, Anatoly Anatolevich (ul. F. Poletaeva, 21-1-2Moscow, 8, 109378, RU)
ЛАБУТИН, Анатолий Анатольевич (ул. Ф. Полетаева, д. 21 к. 1, кв. 2, Москва, 8 Moscow, 109378, RU)
ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "МОСКОВСКИЙ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД ПАМЯТИ РЕВОЛЮЦИИ 1905 ГОДА" (Пресненский вал, д. 27 стр. 11, Москв, 7 Moscow, 123557, RU)
ILINSKY, Yury Aleksandrovich (pr. Patsaeva, 5-79Dolgoprudny, Moskovskaya obl. 0, 141700, RU)
ИЛЬИНСКИЙ, Юрий Александрович (пр. Пацаева, д. 5 кв. 79, Долгопрудный, Московская обл, 0 Dolgoprudny, 141700, RU)
LABUTIN, Anatoly Anatolevich (ul. F. Poletaeva, 21-1-2Moscow, 8, 109378, RU)
и
формула изобретения
1. способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве, согласно которому в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают и преобразуют в постоянное, отличающийся тем, что источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют, в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня — потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока. 2. способ по п. 1, отличающийся тем, что в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока понижают автономным преобразователем и подают пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.
3. система электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащая источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока, отличающаяся тем, что введены автономный преобразователь, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй выпрямитель и третий выпрямитель, при этом источник питания постоянного тока выполнен из источника питания переменного тока в виде трехфазного генератора с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя и третьего выпрямителя, второго выпрямителя - к выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третьего выпрямителя - к выходной обмотке высокого уровня напряжения, при этом выход источника питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя, который подсоединен к потребителям постоянного тока, а выход источника питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора, первый выпрямитель подсоединен к стационарной сети переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя объединены и подсоединены к входу инвертора.
4. система по п. 3, отличающаяся тем, что автономный преобразователь выполнен из трансформатора, второго инвертора и третьего инвертора, при этом вход/выход второго инвертора служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя, второй инвертор выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора, а третий инвертор подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к повышающей обмотке трансформатора и выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и наоборот, при этом вход/выход третьего инвертора служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя. |
способ снабжения потребителей на транспортном средстве и система для его реализации
область техники
изобретение относится к области электрооборудования транспортных средств.
предшествующий уровень техники
известна система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (TC), содержащая источник питания постоянного тока, к выходу которого подключены потребители постоянного тока TC, стационарную сеть переменного тока и автономный источник питания переменного тока, предназначенные для альтернативного питания потребителей переменного тока TC соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах TC, а также трансформатор и переключающий коммутатор (RU, N° 2168435).
известная система электроснабжения потребителей на TC реализует способ, согласно которому потребители постоянного тока TC питают от источника питания постоянного тока, а для питания потребителей переменного тока TC альтернативно используют стационарную сеть переменного тока или автономный источник питания переменного тока соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах TC.
ограничениями указанных способа и системы электроснабжения потребителей на TC являются:
- при использовании в качестве основного звена автономного источника питания переменного тока многокаскадного инвертора с повышением амплитудного напряжения выход из строя элементов любого из каскадов, например силовых модулей или управляющих цепей, ведет к потере питания потребителей переменного тока;
- трансформатор используется только для питания от стационарной сети переменного тока;
- при движении TC преобразование энергии для питания потребителей переменного тока осуществляют последовательно через каскады инвертора, и поэтому все его силовые элементы должны быть рассчитаны на полную мощность преобразования
наиболее близким является способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве, согласно которому в эксплуатационном режиме работы заменяющий лист (правило 26)
питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают трансформированием и преобразуют в постоянное (RU, N° 2301156).
наиболее близкой является система электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащая источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока (RU, N° 2301156). известная система электроснабжения потребителей на TC реализуют способ, согласно которому потребители постоянного тока питают от источника питания постоянного тока, а для питания потребителей переменного тока TC альтернативно используют стационарную сеть переменного тока или автономный источник питания переменного тока соответственно в стационарном и эксплуатационном режимах TC. ограничениями известного способа и системы электроснабжения потребителей на TC являются:
- при использовании в эксплуатационном режиме в качестве основного источника питания потребителей переменного тока только автономного источника питания постоянного тока выход его из строя приводит к потере питания потребителей переменного тока;
- в эксплуатационном режиме энергия питание потребителей переменного тока осуществляется только через каскады преобразовательных устройств (автономного источника энергии, инверторов), поэтому их силовые элементы должны быть рассчитаны на полную мощность преобразования; - отсутствует гальваническая развязка между сетью постоянного тока и потребителями переменного тока, что необходимо для обеспечения условий безопасности.
система достаточно сложна, имеет большие габариты и массу.
раскрытие изобретения
в основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа электроснабжения потребителей на транспортном средстве и реализующей этот способ системы, которые позволяют повысить надежность, коэффициент полезного действия (кпд), улучшить массо-габаритные показатели системы, и, таким образом, улучшить технико-эксплуатационные характеристики.
для решения поставленной задачи в известном способе электроснабжения потребителей на транспортном средстве, в котором в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием, в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают и преобразуют в постоянное, согласно изобретению источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют, в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока. возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором целесообразно, чтобы в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока понижали автономным преобразователем и подавали пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.
для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной системе электроснабжения потребителей на транспортном средстве, содержащей источник питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям постоянного тока, стационарную сеть переменного тока, инвертор, ^ обеспечивающий преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединенный к потребителям переменного тока, первый выпрямитель и источник питания переменного тока, согласно изобретению введены автономный преобразователь, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй
10 выпрямитель и третий выпрямитель, при этом источник питания постоянного тока выполнен из источника питания переменного тока в виде трехфазного генератора с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя и третьего выпрямителя, второго выпрямителя - к ^ выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третьего выпрямителя - к выходной обмотке высокого уровня напряжения, при этом выход источника питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя, который подсоединен к потребителям постоянного
^ 20 υ тока, а выход источника питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора, первый выпрямитель подсоединен к стационарной сети переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя объединены и подсоединены к входу инвертора.
25 возможны дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы автономный преобразователь был выполнен из трансформатора, второго инвертора и третьего инвертора, при этом вход/выход второго инвертора служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя, второй инвертор выполнен с возможностью
30 преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора, а третий инвертор подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к повышающей обмотке трансформатора и выполнен с
возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и, наоборот, при этом вход/выход третьего инвертора служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя.
указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемую фигуру.
краткое описание чертежей на фигуре 1 изображена функциональная схема заявленной системы.
лучший вариант осуществления изобретения
поскольку заявленный способ реализуется при функционировании системы, то его сущность будет раскрыта в разделе описания работы устройства.
система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (фиг. 1) содержит источник 1 питания постоянного тока, подсоединенный к потребителям 2 постоянного тока. стационарная сеть 3 переменного тока предназначена для питания потребителей 4 переменного тока и потребителей 2 постоянного тока в стационарном режиме. инвертор 5 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное и подсоединен к потребителям 4 переменного тока. система также содержит первый выпрямитель 6 и источник 7 питания переменного тока.
в систему введены автономный преобразователь 8, выполненный обратимым и предназначенный для преобразования низкого уровня напряжения в высокий уровень напряжения и наоборот, второй выпрямитель 9 и третий выпрямитель 10. источник 1 питания постоянного тока выполнен из источника 7 питания переменного тока в виде трехфазного генератора (подвагонного) с двумя выходными обмотками для формирования двух уровней напряжений - низкого уровня и высокого уровня, и из подсоединенных соответственно к его выходным обмоткам второго выпрямителя 9 и третьего выпрямителя 10. второй выпрямитель 9 подсоединен к выходной обмотке низкого уровня напряжения, а третий выпрямитель 10 - к выходной обмотке высокого уровня напряжения. выход источника 1 питания постоянного тока с низким уровнем напряжения подсоединен к потребителям 2 постоянного тока и к первому входу/выходу низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8. первый вход/выход низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8 так же подсоединен к потребителям 2 постоянного тока. выход источника 1 питания постоянного тока с высоким уровнем напряжения подсоединен к входу инвертора 5. первый выпрямитель 6 подсоединен к
стационарной сети 3 переменного тока, а его выход и второй вход/выход высокого уровня напряжения автономного преобразователя 8 объединены и подсоединены к входу инвертора 5.
автономный преобразователь 8 может быть выполнен конструктивно различным образом. для простоты устройства он может быть выполнен из трансформатора 11, второго инвертора 12 и третьего инвертора 13. вход/выход второго инвертора 12 служит первым входом/выходом низкого уровня напряжения автономного преобразователя 8. второй инвертор 12 (обратимый) выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот и подсоединен электрической цепью передачи переменного напряжения к понижающей обмотке трансформатора 11. третий инвертор 13 (так же обратимый) подсоединен электрической цепью - передачи переменного напряжения к повышающей обмотке .трансформатора 11 и выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное и наоборот. вход/выход третьего инвертора 13 служит вторым входом/выходом высокого уровня напряжения автономного преобразователя 8.
в составе потребителей 2 постоянного тока может быть аккумуляторная батарея (аб), работающая в различных режимах как потребитель и источник электрической энергии. стационарная сеть 3 переменного тока, инвертор 5 и первый выпрямитель 6 могут быть выполнены в однофазном и трехфазном исполнениях.
работает система электроснабжения потребителей на транспортном средстве (фиг. 1) следующим образом.
функционирование системы электроснабжения потребителей 2, 4 в эксплуатационном режиме работы TC происходит следующим образом.
потребителей 2 постоянного тока TC питают непосредственно с выхода с низким уровнем напряжения источника 1 питания постоянного тока. при необходимости (отказ, перегрузка отдельных элементов схемы) это питание может осуществляться и с выхода с высоким уровнем напряжения источника 1 через автономный преобразователь 8.
для питания потребителей 4 переменного тока в эксплуатационном режиме работы TC при отключенной стационарной сети 3 используют выход с высоким уровнем напряжения источника 1 постоянного тока и автономный преобразователь 8
(по отдельности или совместно). изобретение предусматривает организацию в эксплуатационном режиме двух параллельных потоков передачи энергии от источника 1 постоянного тока (двухуровневого) потребителям 2 постоянного тока и потребителям 4 переменного тока, причем часть энергии потребителям 4 переменного тока от источника 1 может передаваться через автономный преобразователь 8.
в стационарном режиме работы TC функционирование системы электроснабжения производится без использования источника 1. напряжение переменного тока стационарной сети 3 последовательно преобразуется первым выпрямителем 6, автономным преобразователем 8 и подается потребителям 2 постоянного тока, а также через выпрямитель 6, инвертор 5 - потребителям 4 переменного тока.
таким образом, описанная система осуществляет следующий способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве: - в эксплуатационном режиме работы питание потребителей постоянного тока производят от источника постоянного тока, а питание потребителей переменного тока производят от этого же источника постоянного тока, постоянное напряжение которого преобразуют в переменное инвертированием;
- в стационарном режиме работы питание потребителей переменного тока производят от стационарной сети переменного тока, а питание потребителей постоянного тока производят от стационарной сети переменного тока, переменное напряжение которого понижают трансформированием и преобразуют в постоянное;
- источник питания постоянного тока выполняют с двумя уровнями напряжений - низким уровнем напряжения и высоким уровнем напряжения, для чего используют трехфазный генератор с двумя выходными обмотками, а переменное напряжение с его двух выходных обмоток выпрямляют;
- в эксплуатационном режиме работы постоянным напряжением низкого уровня питают потребителей постоянного тока, а напряжением высокого уровня - потребителей переменного тока, при этом дополнительно напряжение низкого уровня повышают автономным преобразователем, выполненным обратимым, и подают это дополнительное постоянное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования;
- в стационарном режиме работы переменное напряжение от стационарной сети переменного тока выпрямляют и подают выпрямленное напряжение к потребителям переменного тока до его инвертирования, и одновременно это выпрямленное напряжение подают на автономный преобразователь, которым понижают уровень выпрямленного напряжения, и подают его к потребителям постоянного тока.
кроме того, в эксплуатационном режиме напряжение высокого уровня от источника питания постоянного тока можно понижать автономным преобразователем и подать пониженное напряжение к потребителям постоянного тока.
в практических условиях заявленная система (фиг. 1) функционирует следующим образом.
при стоянке TC, например, поезда, питание потребителей 2, 4 осуществляется от вагонной аккумуляторной батареи (аб). генератор источника 7 питания переменного тока не работает, стационарная сеть 3 (внешняя сеть) имеет место быть только в отстойнике вагонов. потребители 2 постоянного напряжения получают питание непосредственно от аб, а для питания потребителей 4 переменного тока используется автономный преобразователь 8 и инвертор 5. так как энергетически возможности аб ограничены, питание потребителей 4 переменного тока производится по минимуму. обычно, это только вентиляция, поэтому и расчетная мощность автономного преобразователя 8 для режима вентиляции невелика.
при движении, начиная с определенной скорости (обычно, 20-25 км/час), питание потребителей 2 постоянного тока, включая заряд аб, осуществляется от генератора (подвагонного) источника 7 через второй выпрямитель 9. одновременно от второй более высоковольтной обмотки трехфазного генератора источника 7 питания переменного тока через третий выпрямитель 10 и инвертор 5 питаются потребители 4 переменного тока. осуществляется также принципиальная возможность передавать энергию от источника 7 через второй выпрямитель 9, сеть постоянного тока, автономный преобразователь 8 и инвертор 5. этот канал используется для выравнивания нагрузки обмоток трехфазного генератора источника 7, но и в этом случае автономный преобразователь 8 загружен мало, и его расчетная мощность невелика. основной поток энергии от источника 1 к потребителям 4 переменного тока идет напрямую, минуя автономный преобразователь 8. в случае
если низковольтная обмотка трехфазного генератора источника 7 генератора загружена полностью, энергию потребителям 2 постоянного тока можно передавать и со второй (высоковольтной) обмотки трехфазного генератора источника 7 через третий выпрямитель 10, т.е. с выхода источника 1 с высоким уровнем напряжения и через автономный преобразователь 8. в эксплуатируемых сейчас вагонах из-за отсутствия второй обмотки на генераторе любая передача энергии от генератора или аб потребителям 4 переменного тока происходит только через автономный преобразователь 8, увеличивая потери, ухудшая массо-габаритные показатели и стоимость этого автономного преобразователя 8. в режиме работы от внешней сети (в отстойнике вагонов) трехфазное напряжение 380 в стационарной сети 3 выпрямляется первым выпрямителем 6 и через инвертор 5 подается потребителям 4 переменного тока, а через автономный преобразователь 8 - потребителям 2 постоянного тока, причем энергопотребление последних ограничивается. технический результат в эксплуатационном режиме работы, а именно сокращение по сравнению с аналогами каскадов преобразований, повышение кпд, надежности, улучшение массо-габаритных показателей системы электроснабжения достигается за счет использования трехфазного генератора (подвагонного) с двумя выходными обмотками и за счет общего построения схемы. вторая высоковольтная выходная обмотка трехфазного генератора источника
7 выполняется на любое требуемое значение напряжения. при расширении номенклатуры потребителей системы этих обмоток может быть и более двух. отпадает необходимость дополнительного преобразования (как правило, более технически сложного повышения напряжения) энергии для питания потребителей 4 переменного тока. автономный преобразователь 8 выполняется на значительно меньшую установленную мощность и используется как вспомогательный. поэтому объем преобразовательного оборудования, потери в нем меньше (в реальном измерении для конкретной системы электроснабжения пассажирских вагонов в 1,5-2 раза). установленная мощность и габаритные размеры трехфазного генератора с двумя выходными обмотками источника 7 по сравнению с обычной однообмоточной машиной практически не изменяются. возможность резервирования питания всех потребителей 2, 4 (а, следовательно, повышение надежности электроснабжения
потребителей 2, 4) обеспечивается заявленной кольцевой функциональной схемой, показанной на фигуре 1. .
специалистам понятно, что описанная выше функциональная схема допускает ее дополнение различными техническими средствами, известными из существующего уровня техники, а предложенное техническое решение не исчерпывается описанным выше примером конкретной реализации изобретения, сущность которого отображена независимыми пунктами формулы изобретения.
промышленная применимость
наиболее успешно заявленный способ электроснабжения потребителей на транспортном средстве и система для его реализации промышленно применимы при эксплуатации оборудования пассажирских вагонов с автономным энергоснабжением.