Преобразовательная подстанция транспорта на электрической тяге

Изобретение относится к подстанциям транспорта на электрической тяге и может быть использовано в системах электроснабжения линий трамвая, троллейбуса, метрополитена и для зарядки аккумуляторов электромобилей, электробусов и других видов транспортных средств на электрической тяге, работающих автономно. Преобразовательная подстанция содержит преобразователь (1) высокого напряжения в напряжение для контактной сети, включающий в себя высоковольтный трансформатор и выпрямитель, преобразователь напряжения (2) в напряжение для зарядных терминалов и блок (3) зарядных терминалов. Преобразователь содержит блок защиты, управляющий блок и блок источников тока, число которых равно числу зарядных терминалов. Каждый источник тока содержит последовательно соединенные инвертор, развязывающий трансформатор, выпрямитель и включенный последовательно на выходе выпрямителя датчик тока, выход которого подключен к управляющему входу инвертора. Блок защиты, источники тока и зарядные терминалы соединены с управляющим блоком каналами связи. Техническим результатом является повышение равномерности загрузки подстанции, уменьшение стоимости, расширение функциональных возможностей и исключение дорогостоящих сверхпроводниковых индуктивных накопителей. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательным подстанциям транспорта на электрической тяге постоянного тока, и может быть использовано в системах электроснабжения линий трамвая, троллейбуса, метрополитена и для зарядки аккумуляторов электромобилей, электробусов и других видов транспортных средств на электрической тяге, работающих автономно.

Известны системы питания низковольтным напряжением постоянного тока, содержащие рубильник, трансформатор, выключатель, предохранители, выпрямитель (см. RU №2223581, Н02В 7/06, 2002). Недостатком известного является невозможность осуществления одновременного питания транспорта, питающегося от контактной сети и автономного транспорта.

Известны зарядные станции для литий-ионных аккумуляторов, используемых в качестве энергоносителя автономными транспортными средствами на электрической тяге, содержащие высоковольтный трансформатор и выпрямительно-инверторный агрегат (см. проспект фирмы AV "EV Solutions" от 04.01.2011 г.). Недостатком данной зарядной станции является то, что для зарядки требуется много времени из-за ограничения по предельной величине тока зарядки, равной 120 А.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является тяговая подстанция постоянного тока, содержащая силовой трансформатор, выпрямитель, а также устройство для накопления энергии для уменьшения неравномерности энергопотребления (см. RU №2259284, В60М 3/06, 2003 г.). Недостатком указанного устройства тяговой подстанции является высокая стоимость оборудования, сложность конструкции и системы управления, причем не устраняются повышенные потери напряжения и электроэнергии при пиковых нагрузках, а также невозможность зарядки автономных транспортных средств на электрической тяге.

Техническим результатом согласно изобретению является расширение функциональных возможностей, уменьшение стоимости и повышение равномерности энергопотребления подстанции.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство преобразовательной подстанции, содержащей преобразователь высокого напряжения в напряжение для контактной сети в виде высоковольтного трансформатора, подключенного ко входу выпрямителя, выход которого служит для подключения к контактной сети, введены блок зарядных терминалов и преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов, причем вход преобразователя напряжения для зарядных терминалов подключен к выходу выпрямителя для подключения к контактной сети, а его выход подключен к входу блока зарядных терминалов. Преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов может содержать блок защиты, управляющий блок и блок источников тока, число которых в блоке равно числу зарядных терминалов в блоке зарядных терминалов, вход блока защиты подключен к входу преобразователя, а его выход соединен с входами источников тока, подключенными параллельно к входу блока источников тока, выход каждого источника тока подключен к входу соответствующего зарядного терминала, блок защиты, источники тока и зарядные терминалы соединены с управляющим блоком каналами связи. Источник тока может содержать инвертор, развязывающий трансформатор, выпрямитель и датчик тока, причем вход инвертора подключен к входу источника тока, а выход инвертора соединен с входом развязывающего трансформатора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого подключен к выходу источника тока, датчик тока включен последовательно на выходе выпрямителя, инвертор выполнен с двумя управляющими входами, один из которых подключен через канал связи к управляющему блоку, а другой к выходу датчика тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 изображена блок-схема преобразовательной подстанции, на фиг.2 схематично представлена ее электрическая блок-схема, на фиг.3 представлен источник тока.

На чертежах показаны: преобразователь 1 высокого напряжения в напряжение для контактной сети, преобразователь напряжения 2 для блока 3 зарядных терминалов, высоковольтный трансформатор 4, выпрямитель 5, распределительное устройство 6 для подключения к контактной сети, блок защиты 7, блок 8 источников тока, управляющий блок 9, его канал связи 10 с блоком защиты 7, каналы связи 11 с источниками тока, каналы связи 12 с зарядными терминалами, инвертор 13 с управляющими входами 14,15, развязывающий трансформатор 16, выпрямитель 17, датчик тока 18. Каждый зарядный терминал соединяется с соответствующим ему источником тока, которые подключены к единому блоку защиты 7 параллельно.

Блок защиты 7 содержит коммутационную аппаратуру, аппаратуру контроля уровня напряжения на рабочем входе и контроля исправности цепей заземления. При помощи коммутационной аппаратуры по команде блока управления блок защиты 7 может соединять свой вход с выходом и размыкать их в случае аварийных ситуаций или по команде управляющего блока 9.

Управляющий блок 9 содержит в себе микропроцессорную систему управления внешними блоками, блоком защиты, источниками тока, зарядными терминалами, по каналам связи. Управляющий блок 9 реализует при помощи команд, передаваемых по каналам связи, основной алгоритм работы зарядной станции, производит непрерывный мониторинг текущих значений выходных напряжений и токов, а также производит протоколирование работы зарядной станции на встроенное устройство постоянного хранения данных.

Каждый зарядный терминал блока 3 зарядных терминалов служит для подключения заряжаемого транспортного средства к зарядной станции и содержит в себе силовой разъем для подключения, органы управления зарядом, средства отображения информации о процессе заряда и средства идентификации пользователя зарядной станции.

В данном устройстве использованы проводные каналы связи с последовательным интерфейсом.

Работа подстанции осуществляется следующим образом. Преобразователь 1 высокого напряжения в напряжение для контактной сети вырабатывает напряжение, которое подается для контактной сети через распределительное устройство 6 и на вход преобразователя напряжения 2 для блока 3 зарядных терминалов. Нагрузка подстанции через контактную сеть определяется количеством работающего электрического транспорта на питающихся от этой подстанции линиях. Одновременно подстанция нагружается со стороны преобразователя напряжения 2 для блока 3 зарядных терминалов. Автономный транспорт для заряда аккумуляторов подключается к соответствующему зарядному терминалу. Количество одновременно заряжаемых автономных транспортных средств определяется количеством зарядных терминалов в блоке 3 и максимальной мощностью, разрешенной в данный момент на заряд автономных транспортных средств, зависящей от графика суточного потребления мощности тяговой подстанцией для питания контактной сети. В соответствии с графиком суточного потребления управляющий блок 9 вводит в работу допустимое число зарядных терминалов 3.

Заряжающееся транспортное средство подключается к зарядному выходу зарядного терминала. Зарядный терминал через канал связи 12 дает запрос управляющему блоку 9 на начало заряда. Управляющий блок 9 через канал связи 10 подает сигнал начала заряда блоку защиты 7 и через канал связи 11 источнику тока блока 8 соответствующему данному зарядному терминалу, к которому подключено транспортное средство. Блок защиты 7 при соблюдении необходимых условий для проведения заряда, после получения сигнала управления от управляющего блока 9 посредством внутренней коммутационной аппаратуры соединяет свой рабочий вход со своим выходом. Таким образом, напряжение, подаваемое на контактную сеть с выхода выпрямителя 5, попадает на рабочий вход источника тока 8 через блок защиты 7. Инвертор 13 источника тока преобразует постоянное напряжение в переменное с частотой, задаваемой сигналами на управляющем входе 14, подключенном по каналу связи 11 к управляющему блоку 9, и на сигнальном входе 15, подключенном к датчику выходного тока 18. Переменное напряжение с выхода инвертора 13 поступает на первичную обмотку развязывающего трансформатора 16 и с его вторичной обмотки на вход выпрямителя 17. Выпрямитель 17 преобразует переменное напряжение на входе в постоянное на выходе. Выход выпрямителя 17 через датчик тока 18 подключен к выходу источника тока. Таким образом, уровень выходного постоянного напряжения на выходе источника тока задается сигналом на управляющем входе 14 и сигналом от датчика тока на входе 15. Выход источника тока подключен к входу зарядного терминала. Выход зарядного терминала подключается к заряжаемому транспортному средству. Аккумуляторные батареи транспортного средства являются сопротивлением нагрузки, определяющим уровень тока, протекающего через датчик тока 18 соответствующего источника тока блока 8. Необходимый зарядный ток задается управляющим блоком 9 через управляющий вход 14 и стабилизируется на заданном уровне по сигналу от датчика тока 18. Таким образом, мощность, расходуемая на заряд аккумуляторных батарей автономных транспортных средств, является дополнительной к мощности затрачиваемой подстанцией на энергоснабжение контактной сети.

Повышение равномерности энергопотребления подстанции достигается путем введения управляющим блоком в работу допустимого числа зарядных терминалов в соответствии с графиком суточного потребления. Расширение функциональных возможностей достигается путем создания возможностей для зарядки аккумуляторов автономного транспорта.

Изготовлена действующая модель устройства. Положительные результаты испытания свидетельствуют о ее работоспособности и возможности широкого применения с учетом п.1д Перечня поручений Пр-3291, утвержденного президентом РФ 03.11.2011.

1. Преобразовательная подстанция транспорта на электрической тяге, содержащая преобразователь высокого напряжения в напряжение для контактной сети в виде высоковольтного трансформатора и выпрямителя, причем выход трансформатора соединен с входом выпрямителя, выход которого служит для подключения к контактной сети, отличающийся тем, что введены блок зарядных терминалов и преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов, причем вход преобразователя напряжения для зарядных терминалов подключен к выходу выпрямителя для подключения к контактной сети, а его выход подключен к входу блока зарядных терминалов.

2. Преобразовательная подстанция по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов содержит блок защиты, управляющий блок и блок источников тока, число источников тока в блоке источников тока равно числу зарядных терминалов в блоке зарядных терминалов, вход блока защиты подключен к входу преобразователя напряжения для блока зарядных терминалов, а выход блока защиты соединен с входами источников тока, подключенными параллельно к входу блока источников тока, выход каждого источника тока подключен к входу соответствующего зарядного терминала, блок защиты, источники тока и зарядные терминалы соединены с управляющим блоком каналами связи.

3. Преобразовательная подстанция по п.2, отличающаяся тем, что каждый источник тока содержит инвертор, развязывающий трансформатор, выпрямитель и датчик тока, причем вход инвертора подключен к входу источника тока, а выход инвертора соединен с входом развязывающего трансформатора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого подключен к выходу источника тока, датчик тока включен последовательно на выходе выпрямителя, инвертор выполнен с двумя управляющими входами, один из которых подключен через канал связи к управляющему блоку, а другой к выходу датчика тока.