RU2779324C1

RU2779324C1 - Autonomous power supply system for passenger rail cars

Info

Publication number: RU2779324C1
Application number: RU2021133298A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Глухов; Алексей Артамонович Артамонов; Анатолий Владимирович Бубен; Станислав Михайлович Росляков; Сергей Юрьевич Коваленко; Евгений Георгиевич Кревенцов; Андрей Владимирович Драгунов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики"
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-09-06

Abstract

FIELD: railway engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the power supply of passenger railway cars. The system of autonomous power supply of passenger railways includes a battery and a generator with an output variable three-phase voltage, the rotor of which receives rotation from the axis of the wheelset of the car, a voltage regulator and a secondary power source. At the same time, a static converter is used to generate voltages for powering the consumers of the car, which includes a constant voltage power converter and a constant voltage charging converter. A DC power converter consists of a controlled power chopper, which is connected via a diode to a group of stabilizing converters. A DC voltage charging converter with a series-connected DC voltage converter provides the battery charging process with a pulse stabilizer with PWM control by a power key based on signals from sensors of charging current, battery voltage and ambient temperature.

EFFECT: providing improved specific energy characteristics and to increasing the reliability of the autonomous power supply system.

3 cl, 5 dwg, 3 tbl

Description

НазначениеPurpose

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов подвижного состава, а также для автономного электроснабжения различных подвижных объектов.The invention relates to the electrical industry and can be used for autonomous power supply of passenger railway cars of rolling stock, as well as for autonomous power supply of various mobile objects.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время известно использование различных систем автономного электроснабжения (САЭ):Currently, the use of various autonomous power supply systems (ASS) is known:

• на железнодорожном транспорте в виде генерирования электрической энергии подвагонным генератором подвижного состава с приводом вращения его ротора от оси колесной пары подвижного вагона для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при снижений скорости движения вагона до начальной нижней скорости (см. патент, РФ, №2334348);• in railway transport in the form of generation of electrical energy by a rolling stock undercarriage generator with a drive to rotate its rotor from the axle of a wheel pair of a movable car to provide power to consumers of electricity and charge secondary power sources - electric energy storage batteries designed to power consumers of electricity when the speed decreases. car to the initial lower speed (see patent, RF, No. 2334348);

• в системах электроснабжения, когда солнечная энергия преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной или полностью отсутствии солнечной энергии (см. патент, РФ, №2488911);• in power supply systems, when solar energy is converted into electrical energy by photovoltaic converters (solar batteries) to provide power to consumers of electricity and charge secondary power sources - electric energy storage batteries designed to power consumers of electricity with limited or complete absence of solar energy (see. patent, RF, No. 2488911);

• в системах электроснабжения, когда генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от энергии ветра, для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания – накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной скорости ветра или его отсутствии (см. патенты, РФ, №2346182, №40769)• in power supply systems, when the generation of electrical energy is carried out by a generator, the rotor of which is driven by wind energy, to provide power to consumers of electricity and charge secondary power sources - electric energy storage batteries designed to power consumers of electricity with limited wind speed or its absence (see patents, RF, No. 2346182, No. 40769)

• в других системах, использующих, например, парогенераторы, гидрогенераторы и т.д., то есть там где генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от формирователя кинетической энергии вращения.• in other systems using, for example, steam generators, hydroelectric generators, etc., that is, where the generation of electrical energy is carried out by a generator, the rotor of which is driven from the shaper of the kinetic energy of rotation.

При создании современных автономных систем электроснабжения сегодня, среди прочих, ставится задача по увеличению их надежности, срока активного существования и повышению энергетических показателей. Особое место занимает железнодорожный транспорт, у которого к подвагонным генераторам требование по сроку активного существования превышает 30 лет (требования на сегодня - средний полный срок службы до списания должен быть не менее 40 лет), при этом для вагонов Подвижного состава требуются значительные мощности системы питания, превышающие 35 кВА. Поэтому на железнодорожном транспорте из вышеперечисленных способов и устройств автономного электроснабжения наиболее рациональным является использование генератора с приводом от оси колесной пары подвижного вагона и с размещением данного генератора под вагоном в имеющемся объемном пространстве.When creating modern autonomous power supply systems today, among other things, the task is to increase their reliability, the period of active existence and improve energy performance. A special place is occupied by railway transport, for which the requirement for undercarriage generators for the period of active existence exceeds 30 years (requirements today - the average full service life before decommissioning should be at least 40 years), while rolling stock cars require significant power supply system, exceeding 35 kVA. Therefore, in railway transport, of the above methods and devices for autonomous power supply, the most rational is the use of a generator driven from the axle of the wheelset of a movable car and with the placement of this generator under the car in the available volumetric space.

Практически на сегодня используют подвагонные генераторы с обмотками возбуждения между статорами, с помощью которой обеспечивают стабилизацию выходных напряжений генератора. Так, например, в патенте РФ, №2334348 ("Подвагонное устройство электроснабжения пассажирского вагона") в качестве генератора используют подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 исполнения индукторного, двухпакетного, трехфазного, реверсивного (см. патент, РФ, №2729913), который обеспечивает требуемую мощность в системе электроснабжения для вагона, и имеет следующие паспортные характеристики:Practically today, undercarriage generators are used with excitation windings between the stators, with the help of which they provide stabilization of the generator output voltages. So, for example, in the patent of the Russian Federation, No. 2334348 ("Undercarriage power supply device for a passenger car"), an undercarriage generator 2GV.13 U1 of the inductor, two-package, three-phase, reversible design is used as a generator (see patent, RF, No. 2729913), which provides the required power in the power supply system for the car, and has the following passport characteristics:

Недостатками системы электроснабжения с использованием подобных генераторов с обмотками возбуждения между статорами является невысокие показатели по удельной мощности (в соответствии с приведенными характеристиками (1) удельная мощность Руд = мощность/массу ≈ 48,6 Вт/кг) и эффективности работы, обусловленные тем, что требуется высокая начальная скорость движения вагона, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи (начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч), а также невысокий коэффициент полезного действия, определяемый, преимущественно, подвагонным генератором.The disadvantages of the power supply system using such generators with excitation windings between the stators are low indicators in terms of specific power (in accordance with the given characteristics (1) specific power Rsp = power / mass ≈ 48.6 W / kg) and work efficiency, due to the fact that a high initial speed of the car is required, at which the battery charge begins (the initial speed of the car is Vstart = 30-35 km/h), as well as a low efficiency, determined mainly by the undercar generator.

Известный патент, РФ, №2266829 ("Комплект электрооборудования пассажирского вагона") также имеют данный недостаток в виде высокой начальной скорости движения вагона при которой начинается заряд аккумуляторной батареи (Vнач = 30-35 км/ч). Это означает, что в нем используют генератор с обмотками возбуждения между статорами.The well-known patent, RF, No. 2266829 ("Set of electrical equipment for a passenger car") also have this drawback in the form of a high initial speed of the car at which the battery charge starts (Vstart = 30-35 km/h). This means that it uses a generator with excitation windings between the stators.

Известен способ автономного электроснабжения подвижного вагона (см. патент, РФ, №2729913), устройство (пример структурной схемы) которого является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.A known method of autonomous power supply of a rolling car (see patent, RF, No. 2729913), the device (an example of a block diagram) which is closest to the proposed invention and taken by the authors as a prototype.

Данное устройство прототипа включает в себя генератор, аппаратуру преобразования напряжения и формирования зарядного тока, аккумуляторную батарею, механический привод, формирователь кинетической энергии вращения, регулятор, потребители электроэнергии.This prototype device includes a generator, equipment for converting voltage and forming a charging current, a battery, a mechanical drive, a shaper of the kinetic energy of rotation, a regulator, consumers of electricity.

В генераторе прототипа отсутствуют обмотки возбуждения, для питания которых требуется электроэнергия. Всегда присутствующее значение магнитного потока в рабочем зазоре между полюсами ротора и статором обеспечивается высокоэнергетическими постоянными магнитами (на роторе устанавливают высокоэнергетические постоянные магниты). Использование в устройстве ротора тангенциального намагничивания позволяет получить в воздушном зазоре рабочие индукции, превышающие индукцию постоянных магнитов почти в два раза. В качестве высокоэнергетических постоянных магнитов используют, например, выпускаемые сегодня магниты на основе редкоземельных материалов типа NdFeB (см. ТУ 6391-004-59990452-2009. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты), которые обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией по намагниченности, и слабо чувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи. В результате обеспечиваются высокая удельная мощность автономной системы электроснабжения и повышенный коэффициент полезного действия генератора (коэффициент полезного действия - отношение электрической мощности, отдаваемой генератором, к механической мощности, прикладываемой к ротору) за счет отсутствия расхода электроэнергии на обмотки возбуждения. К тому же, при этом, уменьшаются тепловые потери. Кроме того, генератор обеспечивает начало заряда аккумуляторной батареи при существенно более низкой скорости вращения колесной пары (Vнач ≈ 10 км/ч), по сравнению со скоростью вращения колесной пары у генератора с обмотками возбуждения (Vнач ≈ 35 км/ч), так как постоянные магниты обеспечивают высокую индукцию независимо от скорости вращения ротора. Как следствие, увеличивается срок активного существования системы электроснабжения за счет использования простой надежной электрической схемы подвагонного генератора, т.к. в соответствии с ГОСТ Р 56526-2015 надежность - это совокупность свойств, характеризующих способность генератора обеспечивать в процессе функционирования получение заданного в техническом задании выходного эффекта при заданных условиях и режимах эксплуатации (основные свойства надежности - это безотказность, долговечность, сохраняемость).The prototype generator does not have excitation windings that require electricity to power them. The always present value of the magnetic flux in the working gap between the poles of the rotor and the stator is provided by high-energy permanent magnets (high-energy permanent magnets are installed on the rotor). The use of a tangential magnetization rotor in the device makes it possible to obtain working inductions in the air gap that are almost twice as high as the induction of permanent magnets. As high-energy permanent magnets, for example, magnets produced today based on rare earth materials of the NdFeB type (see TU 6391-004-59990452-2009. Sintered NdFeB (neodymium-iron-boron) magnets), which have a high coercive force and residual induction, are used. by magnetization, and are weakly sensitive to the size of the non-magnetic gap in the magnetic circuit. As a result, a high specific power of an autonomous power supply system and an increased efficiency of the generator (the efficiency is the ratio of the electric power output by the generator to the mechanical power applied to the rotor) are provided due to the absence of power consumption for the excitation windings. In addition, at the same time, heat losses are reduced. In addition, the generator provides the start of the battery charge at a significantly lower wheel pair rotation speed (Vini ≈ 10 km/h) magnets provide high induction regardless of rotor speed. As a result, the period of active existence of the power supply system increases due to the use of a simple reliable electrical circuit of the undercarriage generator, because in accordance with GOST R 56526-2015, reliability is a set of properties that characterize the generator's ability to provide, during operation, the output effect specified in the technical assignment under specified conditions and operating modes (the main reliability properties are reliability, durability, and persistence).

Ниже в таблице 1 приведены сравнительные характеристики генератора с обмотками возбуждения и прототипа (генератора, у которого на роторе устанавливают высокоэнергетические постоянные магниты).Table 1 below shows the comparative characteristics of a generator with excitation windings and a prototype (a generator with high-energy permanent magnets installed on the rotor).

Однако основным недостатком прототипа является то, что величина мощности и напряжений на выходе генератора изменяется в широких пределах с изменением частоты вращения ротора генератора, поскольку магнитный поток создается магнитами и практически не меняется (из-за отсутствия обмоток возбуждения, которые стабилизируют выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения). Предложенный в прототипе регулятор напряжения (статический преобразователь) в виде параллельного резонансного контура в каждой фазе, содержащего пассивные элементы емкость и дроссель насыщения, приводит для больших мощностей (верхний предел - приблизительно 40 кВА) к существенному увеличению массы и габаритов по отношению к генератору, снижая удельные энергетические характеристики и надежность эксплуатации системы электроснабжения (при этом регулятор напряжения обладает невысокой стабильностью напряжений), а использование в каждой фазе два встречно-параллельно включенных тиристора приводит к ухудшению качества напряжения за счет появления высших гармоник.However, the main disadvantage of the prototype is that the magnitude of the power and voltage at the output of the generator varies over a wide range with a change in the frequency of rotation of the generator rotor, since the magnetic flux is created by magnets and practically does not change (due to the lack of excitation windings that stabilize the output voltages within certain limits by smoothly changing the current in the excitation windings). Proposed in the prototype voltage regulator (static converter) in the form of a parallel resonant circuit in each phase, containing passive elements capacitance and saturation inductor, leads to high power (upper limit - approximately 40 kVA) to a significant increase in weight and dimensions in relation to the generator, reducing specific energy characteristics and reliability of operation of the power supply system (at the same time, the voltage regulator has low voltage stability), and the use of two back-to-back thyristors in each phase leads to a deterioration in voltage quality due to the appearance of higher harmonics.

Следует отметить, что важнейшей тактико-технической характеристикой удельных энергетических характеристик системы электропитания является удельная мощность, т.е. отношение мощности электропитания к ее массе, которая зависит, прежде всего, от удельно-массовых характеристик используемых источников тока, но и в значительной мере от принятой схемы электропитания в виде статического преобразователя, формируемого комплексом электронного оборудования, который формирует режимы эксплуатации первичных источников и использования их потенциальных возможностей. Кроме того, в прототипе отсутствуют режимы, алгоритм и последовательность работы устройств статического преобразователя для преобразования напряжения и формирования зарядного тока аккумуляторной батареи.It should be noted that the most important tactical and technical characteristic of the specific energy characteristics of the power supply system is the specific power, i.e. the ratio of power supply power to its mass, which depends primarily on the mass-specific characteristics of the current sources used, but also to a large extent on the adopted power supply circuit in the form of a static converter formed by a complex of electronic equipment that forms the modes of operation of primary sources and their use potential opportunities. In addition, the prototype lacks the modes, algorithm and sequence of operation of the static converter devices for converting voltage and generating the charging current of the battery.

Целью предлагаемого изобретения является улучшить удельные энергетические характеристики и повысить надежность системы автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов, а также снизить пороговое значение скорости движения вагонов, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи.The purpose of the invention is to improve the specific energy characteristics and increase the reliability of the autonomous power supply system for passenger railway cars, as well as to reduce the threshold value of the speed of the cars, at which the battery charge starts.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Система автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов включает в себя первичные и вторичные источники питания, и регулятор напряжения, обеспечивающий формирование требуемых напряжений для всех вагонных потребителей электроэнергии. Механический привод передает вращение с формирователя кинетической энергии от вращения оси колесной пары подвижного вагона на ротор генератора. Генератор, с определенного числа оборотов ротора (в зависимости от типа своего исполнения) начинает вырабатывать на выходе переменное трехфазное напряжение, величина которого находится в прямо пропорциональной зависимости от частоты вращения ротора. Первичными источниками питания являются: аккумуляторная батарея и генератор с выходным переменным трехфазным напряжением.The autonomous power supply system for passenger railway cars includes primary and secondary power sources, and a voltage regulator that ensures the formation of the required voltages for all car consumers of electricity. The mechanical drive transfers the rotation from the kinetic energy shaper from the rotation of the axis of the wheelset of the movable car to the generator rotor. The generator, from a certain number of revolutions of the rotor (depending on the type of its execution), begins to generate an alternating three-phase voltage at the output, the value of which is directly proportional to the rotor speed. Primary power sources are: battery and alternator with output alternating three-phase voltage.

Сущность изобретения заключается в том, что регулятор напряжения представляет собой статический преобразователь, обеспечивающий требуемые режимы энергообеспечения от первичных источников, выполнен на импульсных схемах, обеспечивающих высокий КПД. При этом в качестве генератора используется генератор на постоянных магнитах, который при одинаковой мощности имеет меньшую массу по сравнению с другими практически используемыми на сегодня типами генераторов - с обмоткой возбуждения, кроме того, генератор на постоянных магнитах начинает вырабатывать рабочее выходное напряжение, достаточное для заряда аккумуляторной батареи, при низких оборотах ротора, соответствующих движению поезда с малой скоростью, около 10 км/час (у генераторов с обмоткой возбуждения эта начальная скорость должна быть примерно 35 км/час).The essence of the invention lies in the fact that the voltage regulator is a static converter that provides the required power supply modes from primary sources, is made on pulse circuits that provide high efficiency. At the same time, a permanent magnet generator is used as a generator, which, at the same power, has a smaller mass compared to other types of generators practically used today - with an excitation winding, in addition, a permanent magnet generator begins to generate a working output voltage sufficient to charge the battery batteries, at low rotor speeds, corresponding to the movement of the train at low speed, about 10 km / h (for generators with an excitation winding, this initial speed should be about 35 km / h).

Для обеспечения питания вагонных энергопотребителей (кондиционер, котел, розетки на несколько различных напряжений и т.п.) использованы следующие устройства: силовой Преобразователь постоянного напряжения, состоящий из управляемого силового чоппера, на выходе которого формируется постоянное напряжение (требуемое как для использования какими-то потребителями постоянного тока, так и для дальнейшего преобразования в переменное напряжение), и ряда стабилизирующих преобразователей, на выходе которых формируются требуемые значения напряжений для каждого потребителя, а также зарядный преобразователь постоянного напряжения, состоящий из управляемого зарядного чоппера, повышающего преобразователя постоянного напряжения и импульсного стабилизатора с управлением силовым ключом ШИМ (широтно-импульсное модулирование) прямоугольной импульсной последовательностью, на выходе которого по заданному алгоритму формируются напряжение и ток, которые обеспечивают оптимальный процесс заряда аккумуляторных батарей. Вторичные источники питания обеспечивают стабилизированное напряжение питания различных низковольтных устройств, используемых в схеме.The following devices were used to provide power to car power consumers (air conditioner, boiler, sockets for several different voltages, etc.): direct current consumers, and for further conversion to alternating voltage), and a number of stabilizing converters, at the output of which the required voltage values \u200b\u200bare formed for each consumer, as well as a charging DC voltage converter, consisting of a controlled charging chopper, a step-up DC voltage converter and a switching stabilizer with power key control PWM (pulse width modulation) by a rectangular pulse sequence, at the output of which, according to a given algorithm, voltage and current are formed, which ensure the optimal process of charging batteries ares. The secondary power supplies provide a stabilized supply voltage to the various low voltage devices used in the circuit.

Управление силовым чоппером обеспечивается первым устройством управления, выход которого Подключен к управляющему входу силового ключа чоппера, а вход - к выходу силового чоппера, что позволяет обеспечить на выходе силового чоппера требуемое постоянное напряжение.The control of the power chopper is provided by the first control device, the output of which is connected to the control input of the power chopper switch, and the input is connected to the output of the power chopper, which makes it possible to provide the required constant voltage at the output of the power chopper.

Зарядный преобразователь постоянного напряжения, являющийся импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненный по чопперной схеме, совместно с последовательно соединенным повышающим преобразователем напряжения, формирующего стабилизированное постоянное напряжение, обеспечивают работу импульсного стабилизатора с ШИМ управлением силовым ключом, являющегося стабилизатором понижающего типа с управлением по току, напряжению и температуре, который формирует требуемые параметры тока и напряжения при заряде аккумуляторной батареи.A charging DC/DC converter, which is a step-down type pulsed serial stabilizer, made according to a chopper circuit, together with a series-connected voltage boost converter that generates a stabilized DC voltage, ensures the operation of a switching regulator with PWM control by a power switch, which is a step-down type stabilizer with current, voltage control and temperature, which generates the required parameters of current and voltage when charging the battery.

Изменяемая в заданном диапазоне скорость вращения колесной пары определяет алгоритм и режим работы статического преобразователя от первичных источников питания. Использование генератора с ротором на постоянных магнитах в совокупности со статическим преобразователем, выполненным на импульсных схемах, позволяет обеспечить надежное питание энергопотребителей вагона электроэнергией при движении поезда, на стоянках и остановках. Особенно важным достоинством является то, что обеспечивается заряд аккумулятора при малой скорости движения вагона (около 10 км/час).The speed of rotation of the wheelset, which is changed in a given range, determines the algorithm and mode of operation of the static converter from primary power sources. The use of a generator with a permanent magnet rotor in combination with a static converter made on impulse circuits makes it possible to provide reliable power supply to the car's energy consumers during the movement of the train, at parking lots and stops. A particularly important advantage is that the battery is charged at a low speed of the car (about 10 km/h).

Высокие удельные энергетические характеристики и высокая надежность обеспечены схемным решением статического преобразователя на импульсных схемах.High specific energy characteristics and high reliability are ensured by the circuit design of the static converter based on pulsed circuits.

Графические иллюстрацииGraphic illustrations

На фигуре 1 приведена общая структурная схема системы автономного электроснабжения, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:Figure 1 shows a general block diagram of an autonomous power supply system, containing components with positions indicated by numbers:

1 - G (генератор);1 - G (generator);

2 - силовой чоппер;2 - power chopper;

2-1 - силовой ключ;2-1 - power key;

2-2 - дроссель;2-2 - throttle;

2-4 - конденсатор;2-4 - capacitor;

22, 23, 2-3 - диоды, соответственно первый, второй и третий;22, 23, 2-3 - diodes, respectively, the first, second and third;

3, 7, 31 - УУ СК (устройство управления силовым ключом), соответственно первое, второе и третье;3, 7, 31 - UU SK (power key control device), respectively, the first, second and third;

4, 20, 18 - выпрямители, соответственно первый, второй и третий;4, 20, 18 - rectifiers, respectively, the first, second and third;

5 - ППН (зарядный преобразователь постоянного напряжения);5 - PPN (charging DC voltage converter);

6 - зарядный чоппер;6 - charging chopper;

8₁, 8₂ …8n - СППН 1, СППН 2 … СППН n (стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения, соответственно первый, второй и n-й);eight_one, eight₂ …8n - SPPN 1, SPPN 2 ... SPPN n (stabilizing DC voltage converters, respectively, the first, second and nth);

9 - МП (механический привод);9 - MP (mechanical drive);

10 - ФКЭВ (формирователь кинетической энергии вращения);10 - FCEV (shaper of kinetic energy of rotation);

11 - ИСсСК (импульсный стабилизатор с ШИМ управляемым силовым ключом);11 - ISSSK (pulse stabilizer with PWM controlled power switch);

12 - УУ (устройство управления);12 - CU (control device);

13, 14, 15, 16 - электронные ключи, соответственно первый, второй, третий и четвертый;13, 14, 15, 16 - electronic keys, respectively, the first, second, third and fourth;

17 - трансформатор;17 - transformer;

19-1, 19-2 … 19-n - инверторы, соответственно первый, второй и n-й;19-1, 19-2 ... 19-n - inverters, respectively, the first, second and n-th;

21 - клеммный соединитель (разъем);21 - terminal connector (connector);

24 - АБ (аккумуляторная батарея);24 - AB (battery);

25 - ВИП (вторичный источник питания);25 - VIP (secondary power supply);

26 - преобразователь напряжения;26 - voltage converter;

27-1, 27-2 … 27-n - потребители переменного напряжения, соответственно первый, второй и n-й;27-1, 27-2 ... 27-n - consumers of alternating voltage, respectively, the first, second and n-th;

28 - потребители электроэнергии постоянного напряжения 110 В;28 - consumers of electricity with a constant voltage of 110 V;

29 - ВС (внешняя сеть);29 - VS (external network);

30 - U_{ст.пост}. (потребители электроэнергии постоянного стабилизированного напряжения);30 - U _st.post . (consumers of electricity of constant stabilized voltage);

32 - ДТХ (датчик тока без разрыва цепи с использование датчика Холла);32 - DTX (current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor);

33 - ДН (датчик напряжения);33 - DN (voltage sensor);

34 - Дt° (датчик температуры).34 - Dt ° (temperature sensor).

На фигуре 2_а приведен график зависимости соотношения напряжения на входе и выходе чоппера от соотношения длительностей замкнутого и разомкнутого состояния силового ключа.Figure _2a shows a graph of the ratio of the voltage at the input and output of the chopper on the ratio of the durations of the closed and open states of the power switch.

На фигуре 2_б приведен график зависимости напряжения на выходе чоппера от напряжения на его входе.Figure _2b shows a graph of the dependence of the voltage at the output of the chopper on the voltage at its input.

На фигуре 3 приведена зависимость напряжения аккумуляторной батареи от ее остаточной емкости.The figure 3 shows the dependence of the battery voltage on its residual capacity.

На фигуре 4 приведены типичные характеристики зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2 В.Figure 4 shows the typical characteristics of the charging process of a lead-acid battery with a nominal voltage of 2 V.

На фигуре 5 приведена структурная схема системы автономного электроснабжения, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями, представленными на фигуре 1, а также: 8₀ - дополнительный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения.The figure 5 shows a block diagram of an autonomous power supply system, containing components with the positions indicated in figure 1, as well as: 8 ₀ - additional stabilizing DC voltage converter.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Система автономного электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов включает в себя аккумуляторную батарею 24, генератор 1, ротор которого связан через механический привод 9 с формирователем кинетической энергии вращения от оси колесной пары 10 подвижного пассажирского вагона.The autonomous power supply system for passenger railway cars includes a battery 24, a generator 1, the rotor of which is connected through a mechanical drive 9 with a generator of the kinetic energy of rotation from the axle of the wheelset 10 of the movable passenger car.

1. В устройство (фиг.1) дополнительно введены выпрямители 4 и 20, клеммный соединитель 21, силовой чоппер 2, устройства управления силовым ключом 3 и 31, зарядный преобразователь постоянного напряжения 5, диоды 22 и 23, n стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения 8₁, 8₂ … 8n, n инверторов 19-1, 19-2 … 19-n, преобразователь напряжения 26, импульсный стабилизатор с ШИМ управляемым силовым ключом 11, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 32, датчик напряжения 33, датчик температуры 34, вторичный источник питания 25, причем:1. Rectifiers 4 and 20, terminal connector 21, power chopper 2, power key control devices 3 and 31, charging DC voltage converter 5, diodes 22 and 23, n stabilizing DC voltage converters 8 ₁ are additionally introduced into the device (Fig.1). , 8 ₂ … 8n, n inverters 19-1, 19-2 … 19-n, voltage converter 26, switching regulator with PWM controlled power switch 11, continuous current sensor using a Hall sensor 32, voltage sensor 33, temperature sensor 34, secondary power supply 25, wherein:

• силовой чоппер 2 состоит из силового ключа 2-1, один вывод которого является входом силового чоппера 2, соединенного с первыми выводами соединенных между собой первого выпрямителя 4 и второго выпрямителя 20, которые являются положительной шиной питания первичного источника питания, второй вывод силового ключа 2-1 соединен с катодом третьего диода 2-3 и одним выводом дросселя 2-2, второй вывод которого соединен с одним выводом конденсатора 2-4 и является выходом силового чоппера 2, а второй вывод конденсатора 2-4 и анод третьего диода чоппера 2-3 соединены с отрицательным выводом питания чоппера 2 и соединены со вторыми выводами соединенных между собой первого 4 и второго выпрямителей 20, которые являются землей и отрицательной шиной питания первичного источника питания, управляющий вход силового ключа чоппера 2 соединен с выходом первого устройства управления силовым ключом 3, вход обратной связи которого соединен с выходом чоппера 2, отрицательный вывод питания устройства управления силовым ключом 3 соединен с землей;• power chopper 2 consists of a power switch 2-1, one output of which is the input of power chopper 2, connected to the first outputs of the interconnected first rectifier 4 and the second rectifier 20, which are the positive power bus of the primary power source, the second output of the power switch 2 -1 is connected to the cathode of the third diode 2-3 and one terminal of the inductor 2-2, the second terminal of which is connected to one terminal of the capacitor 2-4 and is the output of the power chopper 2, and the second terminal of the capacitor 2-4 and the anode of the third diode of the chopper 2- 3 are connected to the negative power output of the chopper 2 and connected to the second outputs of the first 4 and second rectifiers 20 connected to each other, which are the ground and the negative power bus of the primary power source, the control input of the power switch of the chopper 2 is connected to the output of the first control device of the power switch 3, the feedback input of which is connected to the output of chopper 2, the negative power supply terminal of the control device power key 3 is connected to the ground;

• зарядный преобразователь постоянного напряжения 5 состоит из зарядного чоппера 6 и второго устройства управления силовым ключом 7, вход зарядного чоппера 6 соединен с положительной шиной питания первичного источника питания, а управляющий вход – с выходом второго устройства управления силовым ключом 7, вход обратной связи которого соединен с выходом зарядного чоппера бис входом преобразователя напряжения 26, отрицательная шина питания которого соединена с отрицательным выводом питания второго устройства управления силовым ключом 7, с отрицательным выводом питания чоппера бис землей;• DC voltage charging converter 5 consists of charging chopper 6 and the second control device for power switch 7, the input of charging chopper 6 is connected to the positive power bus of the primary power source, and the control input is connected to the output of the second control device for power switch 7, the feedback input of which is connected with the output of the charging chopper bis the input of the voltage converter 26, the negative power bus of which is connected to the negative power output of the second power switch control device 7, with the negative power output of the chopper bis ground;

• первый стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения 8i состоит из устройства управления 12, первый вывод которого является входом положительного питания, соединенный через первый диод 22 с выходом силового чоппера 2 и с первыми выводами первого 13 и третьего 15 электронных ключей, а второй вывод - является входом отрицательного питания устройства управления 12 и соединен с первыми выводами второго 14 и четвертого 16 электронных ключей и с землей, вторые выводы первого 13 и второго 14 электронных ключей соединены между собой и с одним выводом первичной обмотки трансформатора 17, второй вывод которого соединен с вторыми выводами третьего 15 и четвертого 16 электронных ключей, управляющие входы первого 13, второго 14, третьего 15 и четвертого 16 электронных ключей соединены с первым и вторым выходом устройства управления 12, вторичная обмотка трансформатора 17 соединена с третьим выпрямителем 18, вывод положительного напряжения которого соединен входом управления устройства управления 12, а выходы являются выходами первого стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения 8i и соединены с входами первого инвертора 19-1, выходы которого соединены с первым потребителем переменного напряжения 27-1;• the first stabilizing DC/DC converter 8i consists of a control device 12, the first output of which is a positive power input, connected through the first diode 22 to the output of power chopper 2 and to the first outputs of the first 13 and third 15 electronic switches, and the second output is the input of the negative power control device 12 and is connected to the first conclusions of the second 14 and fourth 16 electronic keys and to the ground, the second conclusions of the first 13 and second 14 electronic keys are connected to each other and with one output of the primary winding of the transformer 17, the second output of which is connected to the second outputs of the third 15 and fourth 16 electronic keys, the control inputs of the first 13, second 14, third 15 and fourth 16 electronic keys are connected to the first and second outputs of the control device 12, the secondary winding of the transformer 17 is connected to the third rectifier 18, the positive voltage output of which is connected to the control input of the unit 12, and the outputs are the outputs of the first stabilizing DC/DC converter 8i and are connected to the inputs of the first inverter 19-1, the outputs of which are connected to the first AC consumer 27-1;

• выход преобразователя напряжения 26 соединен с входом импульсного стабилизатора с ШИМ управляемым силовым ключом ИСсСК 11, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, а управляющий вход - с выходом устройства управления силовым ключом УУ СК 31, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, а первый, второй и третий входы соединены соответственно с выходами датчика напряжения ДН 33, датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 32 и датчика температуры Дt° 34; выход импульсного стабилизатора с ШИМ управляемым силовым ключом ИСсСК 11 соединен с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи 24, с гальванически развязанным способом с датчиком тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 32, с входом датчика напряжения ДН 33, отрицательный вывод питания которого соединен с землей, к которой соединена минусовая шина аккумуляторной батареи 24, плюсовая шина которой через второй диод 23 соединена с первый выводом устройства управления 12 стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения 8₁, аналогично которому выполнены стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения 8₂ … 8_n, выходы которых соединены соответственно с входами 19-2 … 19-n инверторов, выходы которых соединены соответственно с потребителями электроэнергии 27-2 … 27-n; плюсовая и минусовая клемма аккумуляторной батареи 24 соединены соответственно с плюсовой и минусовой шинами потребителей электроэнергии постоянного напряжения ПО В (28), а также соответственно с плюсовым входом и минусовой шинами вторичного источника питания ВИП 25, выходы которого соединены с шинами питания низковольтных устройств.• the output of the voltage converter 26 is connected to the input of the switching regulator with PWM controlled by the power switch ISSSK 11, the negative power output of which is connected to the ground, and the control input is connected to the output of the control device of the power switch UU SK 31, the negative power output of which is connected to the ground, and the first , the second and third inputs are connected, respectively, to the outputs of the voltage sensor DN 33, the current sensor without breaking the circuit using the Hall sensor DTH 32 and the temperature sensor Dt ° 34; the output of the switching regulator with a PWM controlled power switch ISSSK 11 is connected to the positive terminal of the battery 24, in a galvanically isolated way with a current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor DTH 32, with the input of the voltage sensor DN 33, the negative power output of which is connected to the ground, to which the negative bus of the battery 24 is connected, the positive bus of which is connected through the second diode 23 to the first output of the control device 12 of the stabilizing DC voltage converter 8 ₁ , similar to which the stabilizing DC voltage converters 8 ₂ ... 8 _n are made, the outputs of which are connected respectively to the inputs 19 -2 ... 19-n inverters, the outputs of which are connected respectively to electricity consumers 27-2 ... 27-n; the positive and negative terminals of the storage battery 24 are connected respectively to the positive and negative buses of the DC voltage consumers PO B (28), as well as, respectively, to the positive input and negative tires of the secondary power source VIP 25, the outputs of which are connected to the power buses of low-voltage devices.

На фигуре 5 приведена структурная схема системы автономного электроснабжения по фигуре 1 с подсоединением к силовому чопперу 2 дополнительного стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения (8₀), выходным напряжением которого является постоянное напряжение 110 В, соединенное соответственно с плюсовой и минусовой шинами потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28), при этом, аккумуляторная батарея АБ 24 отсоединена от потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28).The figure 5 shows a block diagram of the autonomous power supply system according to figure 1 with an additional stabilizing DC voltage converter (8 ₀ ) connected to the power chopper 2, the output voltage of which is a constant voltage of 110 V, connected respectively to the positive and negative tires of consumers of electricity of a direct voltage of 110 V (28), at the same time, the storage battery AB 24 is disconnected from the consumers of electricity with a constant voltage of 110 V (28).

Описание работы системы автономного электроснабженияDescription of the operation of the autonomous power supply system

1. Описание структурной схема системы автономного электроснабжения по фигуре 1.1. Description of the block diagram of the autonomous power supply system according to figure 1.

В исходном состоянии, когда вагон стоит без движения, на выходе формирователя кинетической энергии вращения ФКЭВ 10 отсутствует кинетическая энергия вращения от оси колесной пары подвижного вагона, которая через механический привод МП 9 соединена с ротором генератора G 1. Вращение ротора генератора G 1 отсутствует и генератор G 1 не вырабатывает электроэнергию для заряда аккумуляторной батареи АБ 24 и потребителей электроэнергии (27-1, 27-2 … 27-n). Движение вагона обеспечивает вращение оси его колесной пары, кинетическая энергия вращения которой через механический привод МП 9 приводит во вращение ротор генератора G 1, в результате чего полюса ротора индуцируют электродвижущую силу в трехфазных многополюсных обмотках статора генератора G 1 и на его выходе формируется переменное трехфазное напряжение, которое преобразуется на выходе выпрямителя 4 в постоянное (см. Трехфазный выпрямитель, на сайте: https://ru.wikipedia.org/wiki/).In the initial state, when the car is stationary, there is no kinetic energy of rotation from the axle of the wheel pair of the movable car, which is connected to the generator rotor G 1 through the mechanical drive MP 9. There is no rotation of the generator rotor G 1 and the generator G 1 does not generate electricity to charge the battery AB 24 and electricity consumers (27-1, 27-2 ... 27-n). The movement of the car ensures the rotation of the axis of its wheelset, the kinetic energy of rotation of which, through the mechanical drive MP 9, causes the rotor of the generator G 1 to rotate, as a result of which the rotor poles induce an electromotive force in the three-phase multi-pole windings of the stator of the generator G 1 and an alternating three-phase voltage is formed at its output , which is converted at the output of rectifier 4 to a constant (see Three-phase rectifier, on the website: https://ru.wikipedia.org/wiki/).

В качестве привода оси колесной пары подвижного вагона 20 можно использовать, например, Привод с редуктором ВБА-32/2 (см., например: 1. Патент, РФ, №2752527. 2. Рйс.8.8 на сайте: http://scbist.corn/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html).As a drive for the axle of the wheelset of the movable car 20, you can use, for example, the Drive with a gearbox VBA-32/2 (see, for example: 1. Patent, RF, No. 2752527. 2. Figure 8.8 on the website: http://scbist .corn/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html).

В качестве генератора G 1 можно использовать, например, устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, представленное в патенте, РФ, №2752527. В данном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют обмотки возбуждения, стабилизирующие выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения, поэтому на выходе генератора G 1 величина напряжений изменяется с изменением частоты вращения ротора, поскольку магнитный поток Ф создается магнитами и практически не меняется. Заявитель предлагаемого изобретения АО «НИИЭМ» является патентообладателем приведенного патента, РФ, №2752527 и поэтому в процессе его разработки были проведены всесторонние исследования. Характеристики (зависимость мощности генератора от частоты вращения ротора генератора, соответствующей скорости движения вагона), снятые с макетного образца генератора, изготовленного по данному патенту, приведены в таблице 2.As a generator G 1, you can use, for example, a device of a synchronous generator with excitation from permanent magnets, presented in the patent, RF, No. 2752527. In this generator with excitation from permanent magnets, there are no excitation windings that stabilize the output voltages within certain limits by smoothly changing the current in the excitation windings, therefore, at the output of the generator G 1, the voltage value changes with a change in the rotor speed, since the magnetic flux Ф is created by magnets and practically does not is changing. The applicant of the proposed invention JSC "NIIEM" is the patent holder of the above patent, RF, No. 2752527, and therefore, in the process of its development, comprehensive studies were carried out. Characteristics (dependence of the generator power on the frequency of rotation of the generator rotor, corresponding to the speed of the car), taken from the mock-up sample of the generator, made according to this patent, are shown in Table 2.

Из таблицы 2 видно, что при увеличении частоты вращения ротора генератора G 1 в пределах от 0 до 900 оборотов в минуту, которая соответствует скорости движения вагона от 0 до 45 км/ч, мощность вырабатываемой электроэнергии генератором G 1 изменяется по линейному нарастающему закону от 0 до 38 кВт. При этом величина переменного напряжения на выходе генератора G 1 изменяется от 0 до приблизительно 600 В, которая после преобразования в постоянное напряжение на выходе выпрямителя будет изменяться в пределах от 0 до приблизительно 700 В (см., например, Неуправляемые выпрямители. На сайте: http://thebard.narod.ru/EPUS/lect/3.htm).Table 2 shows that with an increase in the rotor speed of the generator G 1 in the range from 0 to 900 rpm, which corresponds to the speed of the car from 0 to 45 km / h, the power generated by the generator G 1 changes according to a linear increasing law from 0 up to 38 kW. In this case, the alternating voltage at the output of the generator G 1 changes from 0 to approximately 600 V, which, after being converted to a constant voltage at the output of the rectifier, will vary from 0 to approximately 700 V (see, for example, Uncontrolled rectifiers. On the site: http ://thebard.narod.ru/EPUS/lect/3.htm).

Это является существенным отличием от используемых сегодня аналогов статического преобразователя, работающего совместно с генератором, у которого присутствуют обмотки возбуждения.This is a significant difference from the analogues of a static converter used today, working in conjunction with a generator, which has excitation windings.

В качестве сравнения рассмотрим преобразовательное устройство системы электропитания пассажирского вагона (см., например, патент, РФ, №2326774), у которого величина постоянного напряжения после выпрямления подвагонного трехфазного генератора находится в существенно более узком диапазоне в пределах от 50 В до 150 В. Это говорит о том, что генератор выполнен с обмотками возбуждения, позволяющими стабилизировать выходное напряжения путем стабилизации тока в обмотках возбуждения. Но при этом существенным недостатком генератора является, то, что формирование данного минимального напряжения происходит при достижении скорости движения вагона приблизительно в пределах (от 30 до 38) км/ч. До достижения данной скорости питание осуществляется только от аккумуляторной батареи и ее заряд отсутствует. Только появление минимального напряжения на выходе генератора (50 В на выходе выпрямителя генератора) позволяет обеспечить заряд аккумуляторной батареи, электропитание устройств статического преобразователя и потребителей электроэнергии. Верхний предел постоянного напряжения 150 В является всего лишь в 3 раза превышающим минимальное напряжение 50 В, что не вызывает каких-либо трудностей для обеспечения работы преобразователя постоянного напряжения, на который поступает данное напряжение.As a comparison, consider a converting device for the power supply system of a passenger car (see, for example, patent, RF, No. 2326774), in which the value of the constant voltage after rectifying the three-phase undercar generator is in a much narrower range ranging from 50 V to 150 V. This indicates that the generator is made with excitation windings, which make it possible to stabilize the output voltage by stabilizing the current in the excitation windings. But at the same time, a significant disadvantage of the generator is that the formation of this minimum voltage occurs when the speed of the car reaches approximately within (from 30 to 38) km/h. Until this speed is reached, power is supplied only from the battery and there is no battery charge. Only the appearance of a minimum voltage at the output of the generator (50 V at the output of the generator rectifier) makes it possible to charge the battery, power the devices of the static converter and consumers of electricity. The upper limit of the DC voltage of 150 V is only 3 times the minimum voltage of 50 V, which does not cause any difficulty in ensuring the operation of the DC voltage converter to which this voltage is supplied.

В предлагаемом изобретении на начальном участке увеличения частоты вращения ротора генератора G 1 (при начале движения вагона), в соответствии с таблицей 2, уже на скорости 10 км/ч мощность, формируемой электроэнергии на выходе генератора G 1, составляет 8,4 кВт. Низкая мощность формируемой электроэнергии на выходе генератора G 1 не достаточна для потребителей электроэнергии вагона (27-1,27-2 … 27-n), однако достаточна для заряда аккумуляторной батареи АБ 24, являющейся источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) при начале движения вагона (а также на стоянке вагона). Питание же потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) от генератора G 1 возможно только при достижении для этого достаточной мощности формируемого сигнала на выходе генератора G 1.In the proposed invention, at the initial stage of increasing the rotor speed of the generator G 1 (at the start of the movement of the car), in accordance with table 2, already at a speed of 10 km/h, the power generated by the electricity at the output of the generator G 1 is 8.4 kW. The low power of the generated electricity at the output of the generator G 1 is not sufficient for the consumers of the car's electricity (27-1.27-2 ... 27-2 ... 27-n) at the beginning of the movement of the car (as well as at the parking lot of the car). The supply of electric power consumers of the car (27-1, 27-2 ... 27-n) from the generator G 1 is possible only if the generated signal at the output of the generator G 1 reaches sufficient power for this.

В качестве аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте используют промышленные кислотные и щелочные аккумуляторные батарей которые располагают в подвагонных ящиках (см., например, Аккумуляторные батареи (АБ). На сайте: сайт: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/).As batteries in railway transport, industrial acid and alkaline batteries are used, which are located in undercarriage boxes (see, for example, Batteries (AB). On the website: website: https://studfiles.net/preview/4021502/page: 6/).

В качестве электролита у кислотной аккумуляторной батареи используют раствор серной кислоты, а у щелочной аккумуляторной батареи используется раствор 20% едкого калия, реже - едкого натрия. Для увеличения срока службы в электролит добавляется едкий литий, который служит также и для уменьшения процесса газообразования. Щелочная АБ менее подвержена глубоким разрядам по сравнению с кислотной, но ее недостатком является то, что на низких температурах ее эксплуатация недопустима из-за "замерзания" электролита и снижения остаточной емкости, и, в связи с этим, в процессе эксплуатации требуется подогрев аккумуляторной батареи, например, электронагревателями (см. например, патент, РФ, №2571728).As an electrolyte, an acid battery uses a solution of sulfuric acid, and an alkaline battery uses a solution of 20% caustic potassium, less often caustic sodium. To increase the service life, caustic lithium is added to the electrolyte, which also serves to reduce the gas formation process. Alkaline batteries are less prone to deep discharges compared to acid batteries, but its disadvantage is that at low temperatures its operation is unacceptable due to electrolyte “freezing” and a decrease in residual capacity, and, therefore, battery heating is required during operation. , for example, electric heaters (see, for example, patent, RF, No. 2571728).

На сегодня в основном используют промышленные кислотные аккумуляторные батареи, поэтому в качестве аккумуляторной батареи АБ 4 рассмотрим использование, например, свинцово-кислотной аккумуляторной батареи 56PzS(M)350P емкостью 350 А⋅ч, напряжением 112 В, (см., например, Аккумуляторы для железнодорожного транспорта. На сайте: https://pandia.ru/text/78/133/794.php). Далее в описании заявки в качестве примера будем использовать данную выбранную аккумуляторную батарею емкостью 350 А⋅ч и напряжением 112 В.Today, industrial acid batteries are mainly used, therefore, as an AB 4 battery, we will consider using, for example, a 56PzS (M) 350P lead-acid battery with a capacity of 350 Ah, a voltage of 112 V, (see, for example, Batteries for railway transport, on the website: https://pandia.ru/text/78/133/794.php). Further in the description of the application, as an example, we will use this selected battery with a capacity of 350 Ah and a voltage of 112 V.

Рассмотрим режимы работы для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) от первичных источников питания, а именно, от генератора G 1 (с выхода выпрямителя 4) в зависимости от генерируемой им мощности и от аккумуляторной батареи АБ 24.Consider the modes of operation for consumers of electric power of the car (27-1, 27-2 ... 27-n) from the primary power sources, namely, from the generator G 1 (from the output of the rectifier 4) depending on the power it generates and on the battery AB 24 .

Режим 1. Напряжение на выходе генератора G 1 отсутствует (вагон находится на остановке или стоянке и не движется), мощность от генератора G 1 равна нулевому значению. Аккумуляторная батарея АБ 24 заряжена. Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) является аккумуляторная батарея АБ 24. Происходит разряд аккумуляторной батареи АБ 24 при отсутствии зарядного тока.Mode 1. There is no voltage at the output of the generator G 1 (the car is at a stop or parking lot and does not move), the power from the generator G 1 is equal to zero. The battery AB 24 is charged. The power source for the electric power consumers of the car (27-1, 27-2 ... 27-n) is the battery AB 24. The battery AB 24 is discharged in the absence of charging current.

При длительной стоянке больше заданного времени, например в депо, заряд аккумуляторной батареи АБ 24 может осуществляться от внешней сети ВС 29, подключаемой через клеммный соединитель (разъем) 21 к выпрямителю 20, при этом часть потребителей электроэнергии (в основном мощных) целесообразно отключать.During long-term parking for more than a specified time, for example, in a depot, the battery AB 24 can be charged from the external network BC 29, connected through the terminal connector (connector) 21 to the rectifier 20, while it is advisable to turn off part of the electricity consumers (mostly powerful ones).

Режим 2. Низкое напряжение на выходе генератора G 1 (на начальном участке увеличения частоты вращения ротора генератора G 1 при начале движения вагона), мощность, формируемой электроэнергии от генератора G 1, не достаточна для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) является аккумуляторная батарея АБ 24. При достижении определенной скорости вагона (минимальной зарядной мощности электроэнергии на выходе генератора G 1) начинается заряд аккумуляторной батареи АБ 24 от генератора G 1.Mode 2. Low voltage at the output of the generator G 1 (in the initial section of the increase in the frequency of rotation of the generator G 1 rotor at the start of the car), the power generated by the electricity from the generator G 1 is not sufficient for the consumers of the car's electricity (27-1, 27-2 ... 27-n). The power source for electric power consumers of the car (27-1, 27-2 ... 27-n) is the battery AB 24. When a certain speed of the car is reached (the minimum charging power of electricity at the output of the generator G 1), the battery AB 24 starts charging from the generator G one.

Режим 3. Скорость вагона позволяет обеспечить формирование электроэнергии на выходе генератора G 1 мощностью, достаточной для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n) в данном режиме является генератор G 1. Происходит заряд аккумуляторной батареи АБ 24 от генератора G 1. Рассмотрим работу устройств в данном режиме.Mode 3. The speed of the car makes it possible to generate electricity at the output of the generator G 1 with a power sufficient for the consumers of the car's electricity (27-1, 27-2 ... 27-n). The source of power for consumers of electric power of the car (27-1, 27-2 ... 27-n) in this mode is the generator G 1. The battery AB 24 is charged from the generator G 1. Consider the operation of devices in this mode.

Постоянное напряжение с выхода первого выпрямителя 4 генератора G 1 поступает на вход силового ключа 2-1 силового чоппера 2, входящего в состав чопперной схемы в виде импульсного последовательного стабилизатора понижающего типа.A constant voltage from the output of the first rectifier 4 of the generator G 1 is fed to the input of the power switch 2-1 of the power chopper 2, which is part of the chopper circuit in the form of a step-down pulsed serial stabilizer.

Силовой чоппер 2 представляет собой силовую часть, в которой силовой ключ 2-1 управляется ШИМ прямоугольной импульсной последовательности (см., например, Импульсные источники питания, построенные по чопперной схеме. На сайте: https://ozlib.com/1038388/). В качестве силового ключа 2-1 может быть использован высоковольтный мощный электронный ключ, например, биполярный транзистор (IGBT) с изолированным затвором SEMiX453GAR12E4s. При подаче импульса с устройства управления силовым ключом УУ СК 3 ключ 2-1 открывается, ток через него поступает через сглаживающий дроссель 2-2 в выходной конденсатор 2-4, при этом в дросселе 2-2 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа 2-1, он закрывается, и в контуре диод (2-3) - дроссель (2-2) - конденсатор (2-4) начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе 2-2 энергии в выходной конденсатор 2-4. Далее цикл повторяется. Дроссель (2-2) и конденсатор (2-4) представляют собой Г-образную схему LC-фильтра. Дроссель 2-2 может быть выполнен на ферритовом сердечнике.The power chopper 2 is a power part in which the power switch 2-1 is controlled by a PWM of a rectangular pulse train (see, for example, Switching power supplies built according to a chopper scheme. On the website: https://ozlib.com/1038388/). As a 2-1 power switch, a high-voltage high-power electronic switch, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) SEMiX453GAR12E4s, can be used. When a pulse is applied from the control device of the power switch UU SK 3, the key 2-1 opens, the current through it flows through the smoothing choke 2-2 to the output capacitor 2-4, while energy is accumulated in the choke 2-2. When the control pulse is removed from the key 2-1, it closes, and in the circuit the diode (2-3) - the inductor (2-2) - the capacitor (2-4) starts to flow current, caused by the release of the energy accumulated in the inductor 2-2 into output capacitor 2-4. Then the cycle repeats. The inductor (2-2) and the capacitor (2-4) are an L-shaped LC filter circuit. Choke 2-2 can be made on a ferrite core.

Типичная зависимость соотношения напряжения на входе и выходе чоппера 2 от соотношения длительностей замкнутого t₃ и разомкнутого t_p состояния силового ключа представлено на фиг.2_а (см., например, DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated. На сайте: https://www.compel.ru/lib/134297). Устройство управления силовым ключом УУ СК 3 обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе чоппера 2 (см. фиг.2б) за счет обратной связи с его выхода на управляющий вход УУ СК 3, выполненного на базе контроллера. В диапазоне от 0 до U_{ст.пост.} на выходе контроллера УУ СК 3 формируется импульсная последовательность широтно-импульсного регулирования (ШИР), т.е. с постоянным коэффициентом заполнения D, определяемого выражением (2):A typical dependence of the ratio of the voltage at the input and output of the chopper 2 on the ratio of the durations of the closed t ₃ and open t _p state of the power switch is shown in Fig. _2a (see, for example, DC / DC converters: operating principles and unique solutions Maxim Integrated. On website: https://www.compel.ru/lib/134297). The control device power key UU SK 3 provides voltage stabilization at the output of the chopper 2 (see figb) due to feedback from its output to the control input of the UU SK 3, made on the basis of the controller. In the range from 0 to U _st. at the output of the controller CU SK 3, a pulse sequence of pulse-width regulation (PWR) is formed, i.e. with a constant fill factor D, determined by expression (2):

где Т - период в импульсной последовательности.where T is the period in the pulse sequence.

Поэтому, в соответствии с графиком на фиг.2_а, с увеличение напряжения на входе напряжение на выходе увеличивается. При достижении на выходе чоппера 2 заданного стабилизированного постоянного напряжения U_{ст.пост.} на выходе контроллера УУ СК 3 формируется импульсная последовательность ШИМ (с изменяемым коэффициентом заполнения D), стабилизируя данное напряжение. Величина стабилизированного постоянного напряжения U_{ст.пост.} должна превышать напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 (для выбранной в качестве примера аккумуляторной батареи АБ 24 номинальное напряжение составляет 112 В) и находится например, в диапазоне от 126 В до 142 В. Данный диапазон от 126 В до 142 В выбран в связи с тем, что он соответствует требуемому питанию для потребителей электроэнергии вагона 30 и может к ним подключаться напрямую.Therefore, in accordance with the graph in Fig.2 _a , with an increase in the input voltage, the output voltage increases. Upon reaching the output of the chopper 2 preset stabilized DC voltage U _st.post. at the output of the controller UU SK 3, a PWM pulse sequence is formed (with a variable duty cycle D), stabilizing this voltage. The value of the stabilized DC voltage U _st.post. must exceed the voltage of the AB 24 storage battery (for the AB 24 storage battery selected as an example, the nominal voltage is 112 V) and is, for example, in the range from 126 V to 142 V. This range from 126 V to 142 V was chosen due to the fact that that it corresponds to the required power supply for the electrical consumers of car 30 and can be connected directly to them.

Выходное напряжение Чоппера 2 (U_{ст.пост.}) "запирает" диод 23 для прохождения напряжения с аккумуляторной батареи АБ 24 и через диод 22 поступает в стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8₁, 82 … 8n, формируемые постоянные напряжения которых преобразуются в переменные инверторами 19-1, 19-2 … 19-n (см. Инвертор. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). На сайте: https://reference/terminology/154-inverter), с выходов которых переменные напряжения подаются к потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Схемы стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8₁, 8₂ … 8n одинаковы, соединены они параллельно, поэтому рассмотрим их работу на примере одного СППН 1 (8₁).The output voltage of Chopper 2 (U _st.constant ) "locks" diode 23 for the passage of voltage from the storage battery AB 24 and through diode 22 enters the stabilizing DC voltage converters (SPPN 1, SPPN 2 ... SPPN n) 8 ₁ , 82 ... 8n , the generated direct voltages of which are converted into alternating voltages by inverters 19-1, 19-2 ... 19-n (see Inverter. Pulse-width modulation (PWM). On the website: https://reference/terminology/154-inverter), with outputs of which alternating voltages are supplied to the wagon's electricity consumers (27-1, 27-2 ... 27-n). The circuits of stabilizing DC voltage converters (SPPN 1, SPPN 2 ... SPPN n) 8 ₁ , 8 ₂ ... 8n are the same, they are connected in parallel, so let's consider their operation using one SPPN 1 (8 ₁ ) as an example.

Устройство управления УУ 12, ключи 13, 14, 15, 16, трансформатор 17 и выпрямитель 18 представляют собой стабилизированный преобразователь напряжения 8₁ выполненный в виде мостового инвертора (см., например: 1. Мостовой преобразователь с ШИМ. На сайте: https://fresh-web-studio.github.io/artemsdobnikov/math/full-bridge.html. 2. Патент, РФ, №2689401). Устройство управления УУ 12, которое по определенному закону открывает попарно электронные ключи 13, 16 и 15, 14 соответственно, позволяет обеспечить формирование переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора 17. На вторичной обмотке трансформатора 17 с учетом его коэффициента трансформации (отношения количества витков вторичной обмотки к первичной) формируется переменное напряжение, которое преобразуется в постоянное третьим выпрямителем 18, при этом, выход третьего выпрямителя 18 является выходом стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения 8₁. За счет соединения обратной связью выхода третьего выпрямителя 18 с управляющим входом контроллера, входящего в состав устройства управления УУ 12, и формирующего широтно-импульсную модуляцию импульсов, осуществляется стабилизация напряжения на выходе СППН 1 (8₁).The control device CU 12, keys 13, 14, 15, 16, transformer 17 and rectifier 18 are a stabilized voltage converter 8 ₁ made in the form of a bridge inverter (see, for example: 1. PWM bridge converter. On the website: https: / /fresh-web-studio.github.io/artemsdobnikov/math/full-bridge.html 2. Patent, RF, No. 2689401). The control device CU 12, which, according to a certain law, opens in pairs electronic keys 13, 16 and 15, 14, respectively, allows the formation of an alternating voltage on the primary winding of the transformer 17. On the secondary winding of the transformer 17, taking into account its transformation ratio (the ratio of the number of turns of the secondary winding to primary) an alternating voltage is formed, which is converted to a constant by the third rectifier 18, while the output of the third rectifier 18 is the output of the stabilizing DC voltage converters 8 ₁ . Due to the feedback connection of the output of the third rectifier 18 with the control input of the controller, which is part of the control device UU 12, and forming a pulse-width modulation of pulses, the voltage is stabilized at the output of the SPPN 1 (8 ₁ ).

В качестве контроллера можно использовать, например, микроконтроллер ST10F276Z5T3.As a controller, you can use, for example, the ST10F276Z5T3 microcontroller.

В качестве электронных ключей 13, 14, 15, 16 можно использовать, например, два мощных высоковольтных электроизолированных IGBT полумоста SEMiX453GB12E4s.As electronic keys 13, 14, 15, 16, you can use, for example, two powerful high-voltage electrically insulated IGBT half-bridge SEMiX453GB12E4s.

Постоянные напряжения с выходов стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8₁, 8₂ … 8n поступают соответственно на входы инверторов 19-1, 19-2 … 19-n, которые формируют на выходах переменные напряжения и подают их к соответствующим потребителям электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Инверторы могут быть трехфазными (см., например, Трехфазный автономный инвертор. На сайте: https://electric-220.ru/news/trekhfaznyj_invertor/2019-06-15-1703) или однофазными (см., например, Однофазные инверторы напряжения. На сайте:DC voltages from the outputs of stabilizing DC voltage converters (SPPN 1, SPPN 2 ... SPPN n) 8 ₁ , 8 ₂ ... 8n, respectively, are fed to the inputs of inverters 19-1, 19-2 ... 19-n, which form alternating voltages at the outputs and supply them to the corresponding consumers of the electric power of the car (27-1, 27-2 ... 27-n). Inverters can be three-phase (see, for example, Three-phase autonomous inverter. On the website: https://electric-220.ru/news/trekhfaznyj_invertor/2019-06-15-1703) or single-phase (see, for example, Single-phase voltage inverters . On the site:

https://studme.org/236020/tehnika/invertory_napryazheniya) в зависимости от требований по подаваемым напряжениям к потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n).https://studme.org/236020/tehnika/invertory_napryazheniya) depending on the requirements for the voltages supplied to the wagon's electricity consumers (27-1, 27-2 ... 27-n).

В качестве транзисторного моста в инверторах 19-1, 19-2 … 19-n могут быть использованы IGBT трехфазный транзисторный мост SEMIX453GD12E4C.As a transistor bridge in inverters 19-1, 19-2 ... 19-n, an IGBT three-phase transistor bridge SEMIX453GD12E4C can be used.

В качестве Примера ниже в таблице 3 приведены параметры выходных каналов (канал - это выходные параметры одного из инверторов 19-1, 19-2 … 19-n) для современных вагонов постройки Тверского вагоностроительного завода, взятые из технического задания по разработке статического преобразователя.As an example, Table 3 below shows the parameters of the output channels (the channel is the output parameters of one of the inverters 19-1, 19-2 ... 19-n) for modern cars built by the Tver Carriage Works, taken from the terms of reference for the development of a static converter.

В режиме 1 и в режиме 2 аккумуляторная батарея АБ 24 является источником питания для потребителей электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n). Напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 через диод 23 (диод 22 "запирается" напряжением аккумуляторной батареи АБ 24) поступает в стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения (СППН 1, СППН 2 … СППН n) 8₁, 8₂ … 8n, формируемые постоянные напряжения которых преобразуются в переменные инверторами 19-1, 19-2 … 19-n, с выходов которых переменные напряжения подаются к потребителям электроэнергии вагона (27-1, 27-2 … 27-n).In mode 1 and mode 2, the AB 24 battery is a power source for the wagon's electric power consumers (27-1, 27-2 ... 27-n). The voltage of the battery AB 24 through diode 23 (diode 22 is "locked" by the voltage of the battery AB 24) enters the stabilizing DC voltage converters (SPPN 1, SPPN 2 ... SPPN n) 8 ₁ , 8 ₂ ... 8n, the generated constant voltages of which are converted into variable inverters 19-1, 19-2 ... 19-n, from the outputs of which alternating voltages are supplied to the consumers of the car's electricity (27-1, 27-2 ... 27-n).

При заряде аккумуляторной батареи АБ 24 в режиме 2 должна обеспечиваться требуемая величина зарядного тока. Оптимальная величина тока заряда (I_{зар.опт.}) практически всех аккумуляторных батарей должна быть (см. например, патент, РФ, №2702758) приблизительно 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (так, для выбранной АБ 24 емкостью 350 А⋅ч, I_{зар.опт.} = 35 А) и не превышать 0,3 номинальной емкости аккумуляторной батареи (из технического задания: для вагонных аккумуляторов - 0,2 номинальной емкости аккумуляторной батареи, т.е. не более 70 А для выбранной в качестве примера АБ 24). Токи менее 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи также обеспечивают ее заряд, при этом, следует учитывать, что заряд током менее нижнего порога (приблизительно 0,03 номинальной емкости) практически не приводит к повышению емкости аккумуляторной батареи.When charging the battery AB 24 in mode 2, the required amount of charging current must be provided. The optimal value of the charge current (I _{charged opt.} ) of almost all batteries should be (see, for example, patent, RF, No. 2702758) approximately 0.1 of the nominal capacity of the battery (for example, for the selected AB 24 with a capacity of 350 A⋅h, I _{charge opt.} = 35 A) and not exceed 0.3 of the nominal capacity of the battery (from the technical specifications: for car batteries - 0.2 of the nominal capacity of the battery, i.e. no more than 70 A for the battery selected as an example 24). Currents less than 0.1 of the rated capacity of the battery also provide its charge, while it should be borne in mind that charging with a current below the lower threshold (approximately 0.03 of the rated capacity) practically does not increase the capacity of the battery.

Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи при ее эксплуатации должен обеспечиваться постоянный контроль уровня заряженности (остаточной емкости, представляющей значение количества электрической энергии, выраженное в ампер часах или Кулонах, которое аккумуляторная батарея отдает при разряде до выбранного конечного напряжения в любом текущем его состоянии) аккумуляторной батареи 24 и управление ее зарядным процессом (см., например, патент, РФ, №2706762). Заряд аккумуляторной батареи 24 осуществляется следующим образом. Напряжение с выхода первого выпрямителя 4 генератора G 1 или с выхода второго выпрямителя 20 (при заряде от внешней сети ВС 20 через клеммный соединитель 21) поступает на вход зарядного преобразователя постоянного напряжения ППН 5, выполненного по чопперной схеме в виде импульсного последовательного стабилизатора понижающего типа, содержащего зарядный чоппер 6 и второе устройство управления силовым ключом УУ СК 7.To increase the service life of the battery during its operation, constant monitoring of the level of charge (residual capacity, representing the value of the amount of electrical energy, expressed in ampere hours or Coulombs, which the battery gives when discharged to the selected final voltage in any of its current state) of the battery 24 and control of its charging process (see, for example, patent, RF, No. 2706762). The battery 24 is charged as follows. The voltage from the output of the first rectifier 4 of the generator G 1 or from the output of the second rectifier 20 (when charging from the external network BC 20 through the terminal connector 21) is fed to the input of the charging DC voltage converter PPN 5, made according to the chopper circuit in the form of a step-down pulse series stabilizer, containing a charging chopper 6 and a second device for controlling the power key UU SK 7.

Работа ППН 5 аналогична работе силового чоппера 2 совместно с первым УУ СК 3 и описана выше. Выбор импост, (см. фиг.2_б) ППН 5 осуществляется исходя из гарантированной достаточности мощности для обеспечения процесса заряда аккумуляторной батареи 24.The operation of the PPN 5 is similar to the operation of the power chopper 2 together with the first CU SK 3 and is described above. The choice of impost, (see figure 2 _b ) PPN 5 is based on the guaranteed sufficiency of power to ensure the process of charging the battery 24.

Постоянное стабилизированное напряжение с выхода ППН 5 поступает на вход повышающего преобразователя напряжения 26 (может быть выполнен аналогично описанному выше СППН 1 (8₁)), формирующего на выходе постоянное напряжение, достаточное для работы импульсного стабилизатора с ШИМ управлением силовым ключом ИСсСК 11, являющегося импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненный по чопперной схеме, в котором совместно с третьим устройством УУ СК 31 стабилизируются в требуемые значения по напряжению и току для заряда аккумуляторной батареи 24.A constant stabilized voltage from the output of PPN 5 is fed to the input of a step-up voltage converter 26 (can be performed similarly to the SPPN 1 (8 ₁ ) described above), which generates a constant voltage at the output sufficient for the operation of a switching regulator with PWM control of the power switch ISSSK 11, which is a pulse series step-down type stabilizer, made according to the chopper circuit, in which, together with the third device, the control unit SK 31 is stabilized to the required values for voltage and current to charge the battery 24.

Рассмотрим процесс заряда аккумуляторной батареи 24.Consider the process of charging the battery 24.

Графики соотношения заряженности свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, состоящей, например, из шести аккумуляторов с номинальным напряжением 2 В, и ее напряжения представлены на фиг.3 (см. сайт: https://akkumulyatoravto.ru/konstmkciya/parametry/zaryad.htmlGraphs of the charge ratio of a lead-acid battery, consisting, for example, of six batteries with a nominal voltage of 2 V, and its voltage are shown in Fig.3 (see website: https://akkumulyatoravto.ru/konstmkciya/parametry/zaryad.html

Как видно из графиков на фиг.3 в самом простейшем случае, например, при реализации цифрового варианта метода управления по напряжению, достаточно лишь датчика выходного напряжения ДН 33 (датчика напряжения аккумуляторной батареи 24), т.е. обратной связи по напряжению на первый вход третьего устройства управления силовым ключом 31, выполненного в виде микроконтроллера, формирующего ШИМ управление силовым ключом ИСсСК 11. Однако этого недостаточно в реальных условиях эксплуатации аккумуляторной батареи 24 при постоянном подключении к ней зарядного устройства и выбора алгоритма ее заряда. При включении и выключении заряда в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее 24, может происходить хронический ее недозаряд и преждевременный выход из строя. Для исключения этого в соответствии с типичными характеристиками зарядного процесса (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2 В, представленными на фиг.4, очевидно, что необходимо как минимум два датчика - это датчик выходного напряжения и датчик выходного тока. Следует отметить, что в выбранной для примера свинцово-кислотной аккумуляторной батарее 56PzS(M)350P емкостью 350 А⋅ч, напряжением 112 В, содержится 56 аккумуляторов напряжением 2 В, поэтому для нее применимы представленные типичные характеристики зарядного процесса на фиг.4 (с соответствующей корректировкой при выборе значений постоянного тока и постоянного напряжения).As can be seen from the graphs in figure 3, in the simplest case, for example, when implementing a digital version of the voltage control method, only the output voltage sensor DN 33 (battery voltage sensor 24) is sufficient, i.e. voltage feedback to the first input of the third control device of the power switch 31, made in the form of a microcontroller that forms the PWM control of the power switch ISSK 11. However, this is not enough in real operating conditions of the battery 24 with a constant connection of the charger to it and the choice of the algorithm of its charge. When the charge is turned on and off, depending on the voltage on the battery 24, chronic undercharging and premature failure may occur. To avoid this, in accordance with the typical characteristics of the charging process (see, Algorithms for charging lead-acid batteries. On the website: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) of a lead-acid battery with a nominal voltage of 2 V, presented 4, it is obvious that at least two sensors are needed - this is an output voltage sensor and an output current sensor. It should be noted that the lead-acid battery 56PzS (M) 350P with a capacity of 350 Ah, voltage 112 V, selected for example, contains 56 batteries with a voltage of 2 V, therefore, the typical characteristics of the charging process presented in Fig. 4 are applicable to it (with appropriate adjustment when choosing the values of DC current and DC voltage).

В качестве датчика тока ДТХ 32 целесообразно использовать датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла (например, разработанного и выпускаемого заявителем данного изобретения АО «НИИЭМ»: ДТХ-100 ПИГН.411521.007ТУ), который через отверстие в нем "надевается" на провод, подсоединяемый к выходу ИИсСК 11. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка. Выходной сигнал датчика тока ДТХ 32 подается ко второму входу третьего устройства управления силовым ключом УУ СК 31 (к микроконтроллеру), обеспечивающего стабилизацию зарядного тока ШИМ управлением.As a current sensor DTX 32, it is advisable to use a current sensor without breaking the circuit using a Hall sensor (for example, developed and manufactured by the applicant of this invention JSC "NIIEM": DTX-100 PIGN.411521.007TU), which is "put on" on the wire through the hole in it connected to the IISSK 11 output. This ensures complete galvanic isolation. The output signal of the current sensor ДТХ 32 is fed to the second input of the third control device for the power switch УУ СК 31 (to the microcontroller), which ensures stabilization of the charging current by PWM control.

Кроме того, следует учитывать температуру аккумуляторной батареи 24, зависящей от температуры окружающей среды, в связи с чем требуется корректировки заданных напряжений в процессе заряда. Более высокая температура окружающей среды требует уменьшения напряжения, а более низкая температура - увеличение напряжения заряда. Поэтому целесообразно использовать еще один датчик - это датчик температуры Дt° 34, подключаемый к третьему входу третьего УУ СК 31 (к микроконтроллеру). В качестве датчик температуры Дt° 34 могут использоваться проволочные термометры сопротивления, имеющие нормированную характеристику сопротивления от температуры окружающей среды.In addition, the temperature of the storage battery 24, which depends on the ambient temperature, should be taken into account, and therefore it is necessary to correct the specified voltages during the charging process. A higher ambient temperature requires a decrease in voltage, and a lower temperature requires an increase in charge voltage. Therefore, it is advisable to use another sensor - this is a temperature sensor Dt ° 34, connected to the third input of the third control unit SK 31 (to the microcontroller). As a temperature sensor Dt ° 34, wire resistance thermometers with a normalized resistance characteristic from the ambient temperature can be used.

Таким образом, алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 24 должен быть следующим:Thus, the algorithm for the process of charging the battery 24 should be as follows:

• в начале при разряженной аккумуляторной батареи 24 заряд до заданного напряжения должен обеспечиваться постоянным током (поддержание оптимального постоянного тока);• at the beginning, with a discharged storage battery 24, the charge to the specified voltage must be provided by direct current (maintaining an optimal constant current);

• затем при достижении заданного напряжения обеспечивается заряд постоянным напряжением (поддержание заданного постоянного стабилизированного напряжения).• then, when the specified voltage is reached, a constant voltage charge is provided (maintaining the specified constant stabilized voltage).

Рассмотрим заряд аккумуляторной батареи 24 от генератора G 1 при начале движения вагона.Consider the charge of the battery 24 from the generator G 1 at the start of the movement of the car.

Выбор стабилизированного выходного напряжения U_{ст.пост.} зарядного преобразователя постоянного напряжения ППН 5 осуществляется при условии достижения определенной скорости движения вагона при которой на выходе генератора G 1 формируется мощность электроэнергии, достаточная с учетом КПД, для обеспечения требуемой мощности зарядного процесса аккумуляторной батареи 24. Как видно из таблицы 2, например, при скорости движения вагона 10 км/ч, мощность генератора G 1 составляет P_G = 8,4 кВт, которой уже достаточно для обеспечения зарядного процесса аккумуляторной батареи АБ 24 при номинальном токе I_{зар.опт} = 35 А. Поясним это.Selection of stabilized output voltage U _st. charging DC voltage converter PPN 5 is carried out under the condition that a certain speed of the car is reached, at which the output of the generator G 1 generates an electric power sufficient, taking into account the efficiency, to provide the required power of the charging process of the battery 24. As can be seen from table 2, for example, at a speed the movement of the car is 10 km/h, the power of the generator G 1 is P _G = 8.4 kW, which is already enough to ensure the charging process of the battery AB 24 at a rated current I _{charge opt} = 35 A. Let us explain this.

Мощность зарядного процесса P_3n.G₅ обеспечиваемая генератором G 1 с учетом потерь передачи, т.е. с учетом коэффициента полезного действия η определяется выражением:The power of the charging process P _3n .G ₅ provided by the generator G 1, taking into account transmission losses, i.e. taking into account the efficiency η is determined by the expression:

Устройства предлагаемой САЭ выполнены на импульсных преобразователях, основными компонентами которых являются дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы, имеющие малые потери, а также ключи с малым сопротивлением в замкнутом состоянии, поэтому коэффициент полезного действия η данных устройств составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/).The devices of the proposed ASS are made on pulse converters, the main components of which are chokes, capacitors, controlled switches and low-loss transformers, as well as switches with low resistance in the closed state, so the efficiency η of these devices is at least 0.8 and can reach 0.9 or more (see Switching voltage regulators. On the website: https://studfile.net/preview/6445693/).

В соответствии с выражением (3) при наименьшем (наихудшем) значении η, равном 0,8,In accordance with expression (3), with the smallest (worst) value of η equal to 0.8,

Требуемая мощность зарядного процесса Р_зп.тр. определяется следующим выражением:Required power of the charging process R _zp.tr. is defined by the following expression:

гдеwhere

U_{макс.зп} - максимальное напряжение на входе ИСсСК 11;U _max.zp - the maximum voltage at the input ISSK 11;

I_{зар.опт.} - ^- оптимальная величина тока заряда для аккумуляторной батареи 24;I _zar.opt. - ^- the optimal value of the charge current for the battery 24;

При максимальном напряжении U_{макс.зп}, равном, например, 130 В для выбранной в качестве примера аккумуляторной батареи 24 с номинальным напряжением 112 В и оптимальном токе заряда I_{зар.опт} = 35 А, в соответствии с выражением (4)At a maximum voltage U _max.zp equal, for example, 130 V for a battery 24 selected as an example with a nominal voltage of 112 V and an optimal charge current I charge _opt . = 35 A, in accordance with expression (4)

что существенно ниже мощности P_зп.G, обеспечиваемой генератором G 1.which is significantly lower than the power P _cp.G provided by the generator G 1.

Таким образом, заряд аккумуляторной батареи 24 в предлагаемом изобретении может осуществляться при достаточно низкой скорости движения вагона.Thus, the charge of the battery 24 in the present invention can be carried out at a sufficiently low speed of the car.

В качестве диодов 22, 23, 2-3 можно использовать модуль диода SKKE 380/12.Diode module SKKE 380/12 can be used as diodes 22, 23, 2-3.

Выпрямители 4, 20, 18 могут быть выполнены, например, на базе диодных модулей SKKD162/12 (два диода включенных последовательно).Rectifiers 4, 20, 18 can be made, for example, based on diode modules SKKD162/12 (two diodes connected in series).

В качестве контроллеров ШИМ модуляции в устройствах управления ключами чопперных схем можно использовать микроконтроллер ST10F276Z5T3.As PWM modulation controllers in chopper circuit key control devices, you can use the ST10F276Z5T3 microcontroller.

2. Описание структурной схема системы автономного электроснабжения пассажирского вагона по фигуре 5.2. Description of the block diagram of the autonomous power supply system of the passenger car according to figure 5.

Аккумуляторной батареи 24 отключена от потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28), что позволяет "разгрузить" ее в основном длительном режиме 3 при движении вагона. Кроме того, номинальное напряжение аккумуляторной батареи АБ 24 может отличаться от напряжения 112 В, т.к. не подключается напрямую к шинам питания для потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28). Дополнительный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения 8₀, подключаемый к силовому чопперу 2, формирует на выходе постоянное напряжение 110 В, которое подключается к шинам питания для потребителей электроэнергии постоянного напряжения 110 В (28).The storage battery 24 is disconnected from consumers of electric power of direct voltage 110 V (28), which allows it to be "unloaded" in the main long-term mode 3 when the car is moving. In addition, the nominal voltage of the battery AB 24 may differ from the voltage of 112 V, because. not connected directly to the power rails for 110 V DC power consumers (28). An additional stabilizing DC voltage converter 8 ₀ , connected to power chopper 2, generates a 110 V DC voltage at the output, which is connected to the power buses for 110 V DC power consumers (28).

Таким образом, использование предлагаемой системы автономного электроснабжения, рассмотренной на примере электроснабжения пассажирского вагона, позволяет обеспечить улучшенные удельные энергетические характеристики (удельную мощность, коэффициент полезного действия) и повысить надежность системы автономного электроснабжения, а также снизить пороговое значение скорости движения пассажирского вагона, при которой начинается заряд аккумуляторной батареи.Thus, the use of the proposed system of autonomous power supply, considered on the example of the power supply of a passenger car, makes it possible to provide improved specific energy characteristics (specific power, efficiency) and increase the reliability of the autonomous power supply system, as well as reduce the threshold value of the speed of the passenger car, at which battery charge.

Claims

1. An autonomous power supply system for passenger railway cars, which includes primary power sources and a voltage regulator that ensures the formation of the required voltages for all car consumers of electricity, and the primary power sources are: a battery and a generator with an output alternating three-phase voltage, the rotor of which receives rotation from axles of the wheel pair of the car by means of a mechanical drive, characterized in that for the formation of voltages for supplying the consumers of the car, a static converter is used, connected to the generator through a rectifier, providing the required modes of energy supply from primary sources, made on impulse circuits, including: a DC power converter , consisting of a controlled power chopper, at the output of which a given constant voltage is formed and which is connected through a diode to a group of stabilizing converters, at the output where the required values of direct voltages are formed, converted into alternating voltage through series-connected inverters for each consumer of alternating voltage; a DC voltage charging converter, consisting of a charging chopper, with a series-connected DC voltage converter generates a DC voltage sufficient in power and voltage to ensure the charging process of the battery by a switching regulator with PWM power key control, which is generated by the controller in the power key control device, based on providing the required charging algorithm with constant optimal current and constant voltage with temperature correction, based on signals from sensors of the charging current, battery voltage and ambient temperature, supplied to the inputs of the power switch control device, and the power and charging choppers are connected to the generator output through the first rectifier and to the external network through the second rectifier; the power chopper is controlled through its power switch connected to the output of the first control device, the input of which is connected to the output of the power chopper, forming a feedback; control of the charging chopper of the charging DC converter is provided by the second control device, the output of which is connected to the control input of the charging chopper, and the input is connected to the output of the charging chopper and the input of the voltage converter, the output of which is connected to a switching regulator with PWM control of the power switch connected to the storage battery; in addition, a secondary power source was introduced to provide power to the low-voltage devices of the static converter; the storage battery is connected to consumers of electric power of direct voltage 110 V.

2. The system according to claim 1, characterized in that each of the group of stabilizing DC voltage converters includes a key bridge, a bridge key control device, a transformer, a rectifier, and the input of the control device is the input of said converter, the primary winding of the transformer is included in the diagonal of the bridge , and the secondary is connected to a rectifier, the output of which is the output of the said converter.

3. The system according to claim 1, characterized in that an additional stabilizing DC voltage converter is connected to the power chopper, the output voltage of which is a constant voltage of 110 V for electricity consumers, while the battery is disconnected from consumers of DC voltage of 110 V.