RU2816383C1

RU2816383C1 - Vehicle electric traction system with energy accumulator

Info

Publication number: RU2816383C1
Application number: RU2023121429A
Authority: RU
Inventors: Артём Валерьевич Александров; Алексей Борисович Бурдасов; Денис Александрович Вертегел; Александр Сергеевич Гультяев; Кирилл Григорьевич Локтионов; Иван Иванович Талья
Original assignee: Акционерное общество "ТРАНСМАШХОЛДИНГ"
Filing date: 2023-08-16
Publication date: 2024-03-28

Abstract

FIELD: transportation.

SUBSTANCE: invention relates to electric traction systems of vehicles. Vehicle traction electrical system with energy accumulator comprises control unit, traction channel with DC link with connected to it channel of charging-discharging device with charging-discharging device and energy accumulator, traction motor connected to DC link. Traction channel is equipped with a charging contactor, a charging resistor, a linear contactor and a filter capacitor. Channel of the charging-discharging device is equipped with a charging contactor, a charging resistor and a linear contactor. Charging-discharging device comprises at least two primary transistor converters connected in series to the traction channel with charging capacitors at the input, each of which is connected to the primary winding of single-phase isolation transformers, the secondary winding of which is connected to the secondary transistor converters containing the storage capacitor on the output contacts. Outputs of secondary transistor converters are connected in parallel and connected to energy accumulator.

EFFECT: higher reliability of the charging and discharging device of the traction electrical system of the vehicle.

6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических тяговых систем транспортных средств преимущественно железнодорожного подвижного состава с накопителем электрической энергии и питанием от контактной сети постоянного тока.The invention relates to the field of electrical traction systems of vehicles, mainly railway rolling stock, with an electrical energy storage device and power supply from a direct current contact network.

Известно устройство электродвижительной установки транспортного средства МПК B60L 50/50, B60L 9/18, B60L 1/00, Н02Р 27/06, Н02М 7/521, RU 2721864 С1, 2019100662 от 10.01.2019, Гельвер Ф.А. (RU), содержащее систему управления, источник постоянного напряжения, трехфазный инвертор напряжения, собранный на транзисторных полумостах и конденсаторах, тяговый электродвигатель переменного тока, параллельный накопитель электрической энергии и согласующий электрический преобразователь. Согласующий электрический преобразователь параллельного накопителя электрической энергии состоит из дросселя и двух дополнительных транзисторов с антипараллельно подключенными диодами. Достоинством данного технического решения является простота конструкции и соответственно повышенная надежность устройства, однако существенным недостатком является то обстоятельство, что напряжение накопителя электрической энергии должно соответствовать напряжению источника постоянного напряжения.The device of the electric propulsion system of the vehicle MPK B60L 50/50, B60L 9/18, B60L 1/00, Н02Р 27/06, Н02М 7/521, RU 2721864 C1, 2019100662 dated 01/10/2019, Gelver F.A. is known. (RU), containing a control system, a DC voltage source, a three-phase voltage inverter assembled on transistor half-bridges and capacitors, an AC traction motor, a parallel electrical energy storage device and a matching electrical converter. The matching electrical converter of a parallel electrical energy storage device consists of a choke and two additional transistors with antiparallel connected diodes. The advantage of this technical solution is the simplicity of the design and, accordingly, increased reliability of the device, but a significant drawback is the fact that the voltage of the electrical energy storage device must correspond to the voltage of the constant voltage source.

Также известно транспортное средство с электрической тяговой системой МПК B60L 9/14, B60L 1/00, Н02М 3/10, B60L 2200/26, B60L 2210/10, RU 2755566 С1, 2021105463 от 03.03.2021 СИМЕНС МОБИЛИТИ ГМБХ (DE), содержащее промежуточный контур постоянного напряжения и по меньшей мере один, соединенный с промежуточным контуром постоянного напряжения вторичный контур, имеющий более низкий уровень напряжения, чем промежуточный контур постоянного напряжения. К промежуточному контуру постоянного напряжения подключены два последовательно соединенных аккумуляторных блока, средний вывод которых непосредственно или через резистор соединен с корпусом транспортного средства. Вторичный контур соединен со средним выводом, и нагружается напряжением одного из двух аккумуляторных блоков, вследствие чего достигается деление напряжения промежуточного контура постоянного напряжение пополам и не требуется DC/DC преобразователь для преобразования напряжения промежуточного контура до более низкого уровня напряжения вторичного контура. Второе преимущество устройства состоит в том, что аккумуляторные блоки имеют изоляцию относительно корпуса в два раза ниже требуемого по напряжению промежуточного контура, что удешевляет стоимость устройства. Устройство может содержать схему выравнивания напряжений между аккумуляторными блоками. К промежуточному контуру постоянного напряжения подключается инвертор напряжения для питания по меньшей мере одного тягового электродвигателя. Ко вторичному контуру подключается предпочтительно преобразователь собственных нужд для питания бортовых потребителей транспортного средства. Существенным недостатком данного устройства является то, что оно не может быть использовано в транспортном средстве, у которого минусовой потенциал источника напряжения соединен с корпусом транспортного средства. Кроме того, недостатками данного устройства является то, что она предпочтительна для применения при напряжении вторичного контура в два раза ниже напряжения промежуточного первичного контура и требует выравнивания напряжения между последовательно включенными аккумуляторными блоками. Аккумуляторные блоки не предназначены для питания тягового привода в автономном режиме движения транспортного средства.Also known is a vehicle with an electric traction system MPK B60L 9/14, B60L 1/00, Н02М 3/10, B60L 2200/26, B60L 2210/10, RU 2755566 C1, 2021105463 dated 03/03/2021 SIEMENS MOBILITY GMBH (DE), comprising a DC intermediate circuit and at least one secondary circuit connected to the DC intermediate circuit, having a lower voltage level than the DC intermediate circuit. Two series-connected battery packs are connected to the DC voltage intermediate circuit, the middle terminal of which is connected directly or through a resistor to the vehicle body. The secondary circuit is connected to the middle terminal, and is loaded with the voltage of one of the two battery banks, as a result of which the DC voltage of the intermediate circuit is divided in half and does not require a DC/DC converter to convert the intermediate circuit voltage to a lower level of the secondary circuit voltage. The second advantage of the device is that the battery packs have insulation relative to the housing that is two times lower than the required intermediate circuit voltage, which reduces the cost of the device. The device may contain a voltage equalization circuit between battery units. A voltage inverter is connected to the DC intermediate circuit to power at least one traction motor. Preferably, an auxiliary converter is connected to the secondary circuit to power the on-board consumers of the vehicle. A significant disadvantage of this device is that it cannot be used in a vehicle in which the negative potential of the voltage source is connected to the vehicle body. In addition, the disadvantages of this device are that it is preferable for use with a secondary circuit voltage half the voltage of the intermediate primary circuit and requires voltage equalization between series-connected battery packs. Battery packs are not intended to power the traction drive in autonomous mode of vehicle movement.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту и выбранная в качестве прототипа является устройство управления двигательной установкой электрического транспортного средства и система железнодорожного транспортного средства МПК B60L 9/18, B60L 11/18, В61С 3/02 RU 2529577 C1, 30.07.2010 JP PCT/JP2010/062946 Б заявка 2013108861/11, 21.04.2011 ХАТАНАКА Кента (JP) МИЦУБИСИ ЭЛЕКТРИК КОРПОРЕЙШЕН (JP) с питанием от контактной сети постоянного тока, включающее в себя блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока, содержащий зарядный и линейный контакторы, зарядный резистор, реактор и конденсатор фильтра, транзисторный ключ с встречно подключенным диодом и тормозным резистором, к выходу звена постоянного тока подключен трехфазный инвертор напряжения, к выходным контактам которого через один трехфазный контактор подключен тяговый электродвигатель переменного тока и через второй трехфазный контактор подключена плюсовая цепь заряда накопителя электрической энергии, содержащая сглаживающий реактор, трехполюсный переключатель с возможностью подключения накопителя энергии к плюсовой цепи заряда или к плюсовой цепи звена постоянного тока устройства, конденсатор фильтра, линейный и зарядный контакторы с зарядным резистором. Минусовая цепь накопителя энергии подключена к минусовой цепи звена постоянного тока устройства. Параллельно накопителю энергии через контактор в плюсовой цепи подключено вспомогательное устройство питания с возможностью преобразования напряжения постоянного тока накопителя энергии в трехфазное напряжение для питания вспомогательного оборудования. Для управления процессом преобразования электрической энергии устройство содержит на выходе инвертора три датчика тока, датчик тока контроля заряда/разряда накопителя энергии, датчики напряжения источника питания и накопителя энергии, конденсатора фильтра звена постоянного тока и конденсатора фильтра накопителя энергии.The closest in technical essence to the claimed object and chosen as a prototype is the control device for the propulsion system of an electric vehicle and the system of a railway vehicle MPK B60L 9/18, B60L 11/18, B61C 3/02 RU 2529577 C1, 07/30/2010 JP PCT /JP2010/062946 B application 2013108861/11, 04/21/2011 HATANAKA KENTA (JP) MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION (JP) powered by a DC contact network, including a control unit, a traction channel with a DC link, containing charging and line contactors , a charging resistor, a reactor and a filter capacitor, a transistor switch with a back-to-back diode and a braking resistor, a three-phase voltage inverter is connected to the output of the DC link, to the output contacts of which an AC traction motor is connected through one three-phase contactor and a positive circuit is connected through a second three-phase contactor charge of an electrical energy storage device, containing a smoothing reactor, a three-pole switch with the ability to connect the energy storage device to the positive charging circuit or to the positive circuit of the DC link of the device, a filter capacitor, linear and charging contactors with a charging resistor. The negative circuit of the energy storage device is connected to the negative circuit of the DC link of the device. An auxiliary power device is connected in parallel to the energy storage device through a contactor in the positive circuit with the ability to convert the DC voltage of the energy storage device into three-phase voltage to power the auxiliary equipment. To control the process of converting electrical energy, the device contains three current sensors at the inverter output, a current sensor for controlling the charge/discharge of the energy storage device, voltage sensors for the power source and energy storage device, a DC link filter capacitor and an energy storage filter capacitor.

Достоинством устройства является возможность одновременного и раздельного потребления электрической энергии от источника питания и от накопителя энергии, одновременное приведение в движение транспортного средства и заряд накопителя энергии, заряд накопителя энергии через трехфазный преобразователь, работающий в режиме преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение с регулировкой величины выходного напряжения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, одновременный либо раздельный возврат электрической энергии источнику питания и заряд накопителя энергии в режиме электродинамического торможения транспортного средства.The advantage of the device is the possibility of simultaneous and separate consumption of electrical energy from the power source and from the energy storage device, simultaneous propulsion of the vehicle and charging of the energy storage device, charging of the energy storage device through a three-phase converter operating in the mode of converting direct voltage to direct voltage with adjustable output voltage value both in the direction of increase and decrease, simultaneous or separate return of electrical energy to the power source and charge of the energy storage device in the mode of electrodynamic braking of the vehicle.

Недостатком устройства является невозможность использовании его при уровне напряжения источника питания значительно выше уровня напряжения накопителя энергии.The disadvantage of the device is that it cannot be used at a power source voltage level significantly higher than the energy storage voltage level.

Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости и массо-габаритных параметров зарядно/разрядного устройства за счет использования трансформаторов, транзисторных модулей с изоляцией по корпусу, соответствующему уровню напряжения контактной сети, но меньшего класса, чем требование по напряжению контактной сети, и повышение надежности тяговой электрической системы транспортного средства за счет использования накопителя энергии с уровнем напряжения U2 значительно меньшим уровня напряжения контактной сети U1.The objective of the present invention is to reduce the cost and weight-dimensional parameters of the charger/discharge device through the use of transformers, transistor modules with insulation along the body corresponding to the contact line voltage level, but of a lower class than the contact line voltage requirement, and to increase the reliability of the traction electrical system vehicle due to the use of an energy storage device with a voltage level U2 significantly lower than the voltage level of the contact network U1.

Технический результат заключается в повышении надежности зарядно/разрядного устройства тяговой электрической системы транспортного средства за счет снижения уровня напряжения накопителя энергии по сравнению с напряжением контактной сети и, как следствие, снижение уровня необходимой электрической изоляции.The technical result is to increase the reliability of the charger/discharge device of the vehicle's traction electrical system by reducing the voltage level of the energy storage device compared to the contact line voltage and, as a consequence, reducing the level of required electrical insulation.

Поставленный технический результат достигается за счет применения тяговой электрической системы транспортного средства с накопителем энергии, содержащей блок управления, тяговый канал со звеном постоянного тока с подключенным к нему каналом зарядно/разрядного устройства с зарядно/разрядным устройством и накопителем энергии, как минимум одним тяговым электродвигателем, подключенным к звену постоянного тока, причем тяговый канал снабжен зарядным контактором тягового канала, зарядным резистором тягового канала, линейным контактором тягового канала и фильтровым конденсатором, а канал зарядно/разрядного устройства снабжен зарядным контактором накопителя энергии, зарядным резистором накопителя энергии и линейным контактором накопителя энергии, отличающейся тем, что зарядно-разрядное устройство содержит, как минимум, два последовательно подключенных к тяговому каналу первичных транзисторных преобразователя с зарядными конденсаторами на входе, каждый из которых подключен к первичной обмотке однофазного разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена со вторичным транзисторным преобразователем содержащим на выходных контактах накопительный конденсатор, причем выхода вторичных транзисторных преобразователей соединены параллельно и через зарядный контактор накопителя энергии, зарядный резистор накопителя энергии и линейный контактор накопителя энергии подключены к накопителю энергии.The stated technical result is achieved through the use of a traction electrical system of a vehicle with an energy storage device, containing a control unit, a traction channel with a DC link with a charger/discharge device channel connected to it with a charger/discharge device and an energy storage device, at least one traction electric motor, connected to the DC link, wherein the traction channel is equipped with a charging contactor of the traction channel, a charging resistor of the traction channel, a linear contactor of the traction channel and a filter capacitor, and the channel of the charge/discharge device is equipped with a charging contactor of the energy storage device, a charging resistor of the energy storage device and a linear contactor of the energy storage device, characterized in that the charge-discharge device contains at least two primary transistor converters connected in series to the traction channel with charging capacitors at the input, each of which is connected to the primary winding of a single-phase isolation transformer, the secondary winding of which is connected to a secondary transistor converter containing at the output contacts, a storage capacitor, and the outputs of the secondary transistor converters are connected in parallel and through the charging contactor of the energy storage device, the charging resistor of the energy storage device and the linear contactor of the energy storage device are connected to the energy storage device.

Тяговая электрическая система дополнительно может содержать между положительным и отрицательным контактами звена постоянного тока тягового канала постоянно включенный резистор длительного разряда фильтрового конденсатора звена постоянного тока и накопительных конденсаторов первичных транзисторных преобразователей зарядно-разрядного устройства.The traction electrical system may additionally contain, between the positive and negative contacts of the DC link of the traction channel, a permanently switched on long-discharge resistor of the filter capacitor of the DC link and storage capacitors of the primary transistor converters of the charge-discharge device.

Тяговая электрическая система может содержать в качестве тягового электродвигателя тяговый электродвигатель постоянного тока.The traction electrical system may comprise a DC traction motor as a traction motor.

Тяговая электрическая система может содержать в качестве тягового электродвигателя асинхронный тяговый электродвигатель, который подключен к звену постоянного тока тягового канала через трехфазный инвертор напряжения.The traction electrical system may contain, as a traction electric motor, an asynchronous traction electric motor, which is connected to the DC link of the traction channel through a three-phase voltage inverter.

Тяговая электрическая система дополнительно может содержать канал питания вспомогательных потребителей с возможностью преобразования выходного напряжения зарядно/разрядного устройства и напряжения постоянного тока накопителя энергии в трехфазное напряжение для питания вспомогательного оборудования.The traction electrical system may additionally contain a power supply channel for auxiliary consumers with the ability to convert the output voltage of the charger/discharge device and the DC voltage of the energy storage device into three-phase voltage to power the auxiliary equipment.

Тяговый канал тяговой электрической системы дополнительно может содержать входной реактор, транзисторный ключ с встречно подключенным диодом и защитным резистором.The traction channel of the traction electrical system may additionally contain an input reactor, a transistor switch with a counter-connected diode and a protective resistor.

Далее приведено подробное описание сущности заявленного изобретения на примере тяговой электрической системы транспортного средства с асинхронными тяговыми электродвигателями. При этом для специалиста в области локомотивостроения не составит труда заменить асинхронные тяговые электродвигатели на электродвигатели постоянного тока для осуществления заявленного изобретения.The following is a detailed description of the essence of the claimed invention using the example of a traction electrical system of a vehicle with asynchronous traction motors. At the same time, it will not be difficult for a specialist in the field of locomotive construction to replace asynchronous traction motors with DC electric motors to implement the claimed invention.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 Тяговая электрическая система содержит блок управления 1, тяговый канал, трехфазный инвертор напряжения 11, нагрузкой которого является, как минимум, один асинхронный тяговый электродвигатель 12, канал зарядно/разрядного устройства, накопитель энергии 21 и канал питания вспомогательных потребителей.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1 The traction electrical system contains a control unit 1, a traction channel, a three-phase voltage inverter 11, the load of which is at least one asynchronous traction motor 12, a charger/discharge device channel, an energy storage device 21 and a power supply channel for auxiliary consumers.

Тяговый канал состоит из входного реактора 2, зарядного контактора тягового канала 3 с зарядным резистором тягового канала 5, линейного контактора тягового канала 4, звена постоянного тока, содержащего постоянно включенный резистор 6 длительного разряда, расположенный между положительным и отрицательным контактами звена постоянного тока, фильтровый конденсатор 7, транзисторный ключ 9, со встречно подключенным диодом 10 и тормозной (защитный) резистор 8. Причем зарядный резистор тягового канала 5 соединен с плюсовым контактом фильтрового конденсатора 7, резистором длительного разряда 6, соединенного с минусовым контактом фильтрового конденсатора 7, выходом линейного контактора 4 и плюсовым контактом одного из первичных транзисторных преобразователей 13. Выход звена постоянного тока соединен с трехфазным инвертором напряжения 11, нагрузкой которого является, как минимум, один асинхронный тяговый электродвигатель 12.The traction channel consists of an input reactor 2, a charging contactor of the traction channel 3 with a charging resistor of the traction channel 5, a linear contactor of the traction channel 4, a DC link containing a permanently switched on long-discharge resistor 6 located between the positive and negative contacts of the DC link, a filter capacitor 7, transistor switch 9, with a back-to-back diode 10 and a braking (protective) resistor 8. Moreover, the charging resistor of the traction channel 5 is connected to the positive contact of the filter capacitor 7, a long-term discharge resistor 6 connected to the negative contact of the filter capacitor 7, the output of the linear contactor 4 and the positive contact of one of the primary transistor converters 13. The output of the DC link is connected to a three-phase voltage inverter 11, the load of which is at least one asynchronous traction motor 12.

Канал зарядно/разрядного устройства содержит первичные и вторичные транзисторные преобразователи 13 и 16 соответственно, разделительные трансформаторы 15, линейный 20 и зарядный 18 контакторы накопителя энергии и зарядный резистор накопителя энергии 19. Последовательно соединенные первичные транзисторные преобразователи 13 на входе содержат зарядные конденсаторы 14. Выходные контакты первичных транзисторных преобразователей 13 соединены с первичной обмоткой разделительных трансформаторов 15, вторичные обмотки которых соединены с входными контактами вторичных транзисторных преобразователей 16, выходы которых снабжены накопительными конденсаторами 17 и по выходным контактам вторичные транзисторные преобразователи 16 соединены параллельно. К выходным контактам вторичных транзисторных преобразователей через зарядный контактор накопителя энергии 18 с зарядным резистором накопителя энергии 19 и линейный контактор накопителя энергии 20 подключен накопитель энергии 21.The channel of the charge/discharge device contains primary and secondary transistor converters 13 and 16, respectively, isolation transformers 15, linear 20 and charging 18 contactors of the energy storage device and a charging resistor of the energy storage device 19. The series-connected primary transistor converters 13 at the input contain charging capacitors 14. Output contacts primary transistor converters 13 are connected to the primary winding of isolation transformers 15, the secondary windings of which are connected to the input contacts of secondary transistor converters 16, the outputs of which are equipped with storage capacitors 17 and at the output contacts the secondary transistor converters 16 are connected in parallel. An energy storage device 21 is connected to the output contacts of the secondary transistor converters through the charging contactor of the energy storage device 18 with the charging resistor of the energy storage device 19 and the linear contactor of the energy storage device 20.

Канал питания вспомогательных потребителей транспортного средства содержит трехфазный инвертор регулируемого напряжения и частоты 25 с зарядным конденсатором вспомогательных потребителей 26 на входе и индуктивно-емкостным фильтром высокочастотных гармоник напряжения 27 на выходе, инвертор по плюсовой цепи соединен с линейным контактором вспомогательных потребителей 24 и параллельным ему зарядным контактором вспомогательных потребителей 22 с последовательно соединенным зарядным резистором вспомогательных потребителей 23, линейный контактор вспомогательных потребителей 24 и зарядный резистор вспомогательных потребителей 23 соединены с выходным контактом линейного контактора накопителя энергии 20, а по минусовой цепи инвертор соединен с зарядно/разрядным устройством и накопителем энергии 21.The power channel for auxiliary consumers of the vehicle contains a three-phase inverter of adjustable voltage and frequency 25 with a charging capacitor of auxiliary consumers 26 at the input and an inductive-capacitive filter for high-frequency voltage harmonics 27 at the output, the inverter is connected via a positive circuit to a linear contactor of auxiliary consumers 24 and a parallel charging contactor auxiliary consumers 22 with a series-connected charging resistor of auxiliary consumers 23, a linear contactor of auxiliary consumers 24 and a charging resistor of auxiliary consumers 23 are connected to the output contact of a linear contactor of an energy storage device 20, and along the negative circuit the inverter is connected to a charger/discharge device and an energy storage device 21.

Транзисторный ключ 9 с диодом 10 и резистором 8 предназначены для защиты звена постоянного тока от перенапряжений, штатного разряда конденсаторов 7 и 14 при снятии напряжения питания транспортного средства и гашения энергии рекуперации транспортного средства в случае невозможности принятия энергии торможения источником питания и накопителем энергии 21.Transistor switch 9 with diode 10 and resistor 8 are designed to protect the DC link from overvoltages, the normal discharge of capacitors 7 and 14 when the vehicle supply voltage is removed and to suppress the vehicle's recuperation energy if it is impossible to accept braking energy from the power source and energy storage device 21.

Резистор 6 предназначен для длительного разряда конденсаторов 7 и 14 в случае отказа штатного разряда.Resistor 6 is designed for long-term discharge of capacitors 7 and 14 in case of failure of the standard discharge.

Тяговая электрическая система снабжена датчиками тока и напряжения, регистрирующими напряжение звена постоянного тока тягового канала, входной ток тягового канала, ток тормозного резистора, линейные напряжения и токи инверторов напряжения, напряжения зарядных и накопительных конденсаторов транзисторных преобразователей, токи транзисторных преобразователей, напряжение и ток накопителя энергии.The traction electrical system is equipped with current and voltage sensors that record the DC link voltage of the traction channel, the input current of the traction channel, the braking resistor current, the linear voltages and currents of the voltage inverters, the voltages of the charging and storage capacitors of the transistor converters, the currents of the transistor converters, the voltage and current of the energy storage device. .

Тяговая электрическая система может содержать несколько каналов питания вспомогательных потребителей трехфазного переменного напряжения, дополнительно может содержать зарядное устройство аккумуляторной батареи питания цепей управления.The traction electrical system may contain several channels for powering auxiliary consumers of three-phase alternating voltage, and may additionally contain a battery charger for powering control circuits.

Устройство работает следующим образом. При подключении тяговой системы к источнику напряжения постоянного тока по команде блока управления 1 включается зарядный контактор тягового канала 3 и происходит заряд фильтрового конденсатора 7 звена постоянного тока тягового канала и конденсаторов 14 первичных транзисторных преобразователей 13. Напряжение конденсаторов 7 и 14 регистрируется датчиками напряжения, сигнал с которых поступает в блок управления, ток заряда конденсаторов регистрируется датчиком тока, сигнал с которого также поступает в блок управления. Конденсатор 7 заряжается до напряжения источника питания, а конденсаторы 14 заряжаются до напряжения источника питания, деленное на число последовательно включенных первичных транзисторных преобразователей 13 (по фиг. 1 это число 2). По завершению заряда включается линейный контактор тягового канала 4, что означает готовность к движению транспортного средства или заряду накопителя энергии или одновременно к движению и заряду накопителя энергии.The device works as follows. When the traction system is connected to a DC voltage source, at the command of control unit 1, the charging contactor of the traction channel 3 is turned on and the filter capacitor 7 of the DC link of the traction channel and capacitors 14 of the primary transistor converters 13 are charged. The voltage of capacitors 7 and 14 is recorded by voltage sensors, the signal from which enters the control unit, the capacitor charge current is recorded by a current sensor, the signal from which also enters the control unit. Capacitor 7 is charged to the voltage of the power source, and capacitors 14 are charged to the voltage of the power source, divided by the number of series-connected primary transistor converters 13 (in Fig. 1 this is number 2). Upon completion of the charge, the linear contactor of the traction channel 4 is turned on, which means it is ready to move the vehicle or charge the energy storage device, or simultaneously to move and charge the energy storage device.

Для обеспечения движения транспортного средства по управляющим сигналам от блока управления транзисторные ключи автономного инвертора напряжения 11 формируют на его выходе импульсное трехфазное напряжение (U, V, W) с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое поступает на обмотку статора асинхронного тягового электродвигателя 12 и транспортное средство приходит в движение.To ensure the movement of the vehicle according to control signals from the control unit, transistor switches of the autonomous voltage inverter 11 generate at its output a pulsed three-phase voltage (U, V, W) with a main time harmonic, adjustable in amplitude and frequency in accordance with the required control law that is supplied to the stator winding of the asynchronous traction motor 12 and the vehicle starts moving.

Заряд накопителя энергии (НЭ) 21 происходит следующим образом. По управляющим сигналам от блока управления транзисторные ключи первичных транзисторных преобразователей 13 формируют на первичной обмотке разделительных трансформаторов 15 знакопеременные высокочастотные импульсы с регулируемым коэффициентом заполнения, определяющим требуемую величину напряжения заряда накопителя энергии 21. Импульсы напряжения со вторичной обмотки разделительных трансформаторов 15 поступают на вход вторичных транзисторных преобразователей 16, работающих в данном случае в режиме управляемых выпрямителей и на накопительных конденсаторах 17 формируется постоянное напряжение в соответствии с требуемым напряжением заряда накопителя энергии 21. Ток заряда поступает в накопитель энергии через линейный контактор накопителя энергии 20. Заряд накопителя энергии может происходить в режиме стоянки, движения в режиме тяги, выбега и торможения в режиме рекуперации.The energy storage device (NE) 21 is charged as follows. Based on control signals from the control unit, the transistor switches of the primary transistor converters 13 form alternating high-frequency pulses with an adjustable fill factor on the primary winding of the isolation transformers 15, which determines the required charge voltage of the energy storage device 21. Voltage pulses from the secondary winding of the isolation transformers 15 are supplied to the input of the secondary transistor converters 16, operating in this case in the mode of controlled rectifiers and a constant voltage is formed on storage capacitors 17 in accordance with the required charging voltage of the energy storage device 21. The charge current enters the energy storage device through the linear contactor of the energy storage device 20. The energy storage device can be charged in standby mode, movement in traction mode, coasting and braking in recuperation mode.

В режиме рекуперации тяговый электродвигатель 12 работает в режиме генератора, инвертор напряжения 11 в соответствии с управляющими сигналами от блока управления 1 работает в режиме управляемого выпрямителя, и генерируемая электрическая энергия из звена постоянного тока, по приведенной выше схеме, полностью или частично, в зависимости от уровня заряда накопителя, передается НЭ 21. Частично рекуперируемая электрическая энергия одновременно через линейный контактор тягового канала 4 может возвращаться в контактную сеть, и при полностью заряженном НЭ 21 рекуперируемая энергия полностью возвращается в контактную сеть.In recuperation mode, traction motor 12 operates in generator mode, voltage inverter 11, in accordance with control signals from control unit 1, operates in controlled rectifier mode, and the generated electrical energy from the DC link, according to the above diagram, in whole or in part, depending on charge level of the storage device, is transferred to NE 21. Partially recovered electrical energy can simultaneously be returned to the contact network through the linear contactor of the traction channel 4, and when NE 21 is fully charged, the recovered energy is completely returned to the contact network.

Режим движения транспортного средства от НЭ 21 происходит следующим образом. По сигналу блока управления 1 при отключенном линейном контакторе накопителя энергии 20 включается зарядный контактор накопителя энергии 18 и происходит заряд накопительных конденсаторов 17. Ток заряда и напряжение на конденсаторах контролируется датчиками тока и напряжения, сигналы с которых поступают в модуль управления 1. При завершении заряда конденсаторов 17 отключается зарядный контактор накопителя энергии 18 и включается линейный контактор накопителя энергии 20. По сигналам модуля управления 1 вторичные транзисторные преобразователи 16 формируют знакопеременные высокочастотные импульсы с регулируемым коэффициентом заполнения, которые через разделительные трансформаторы 15 поступают на первичные транзисторные преобразователи 13, работающие в режиме управляемых выпрямителей, и происходит заряд конденсаторов 14 и 7. При достижении напряжения на конденсаторах 7 и 14 требуемого уровня блок управления 1 управляет транзисторами инвертора напряжения 11, на выходе которого формируется импульсное трехфазное напряжение с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое поступает на обмотку статора асинхронного тягового электродвигателя 12 и транспортное средство приходит в движение.The mode of movement of the vehicle from NE 21 occurs as follows. Based on a signal from control unit 1, when the linear contactor of the energy storage device 20 is turned off, the charging contactor of the energy storage device 18 is turned on and the storage capacitors 17 are charged. The charging current and voltage on the capacitors are controlled by current and voltage sensors, the signals from which are sent to control module 1. When the charging of the capacitors is completed 17, the charging contactor of the energy storage device 18 is turned off and the linear contactor of the energy storage device 20 is turned on. Based on the signals from the control module 1, the secondary transistor converters 16 generate alternating high-frequency pulses with an adjustable fill factor, which through the isolation transformers 15 are supplied to the primary transistor converters 13 operating in the controlled rectifier mode , and capacitors 14 and 7 are charged. When the voltage on capacitors 7 and 14 reaches the required level, control unit 1 controls the transistors of voltage inverter 11, the output of which generates a pulsed three-phase voltage with a fundamental time harmonic, regulated in amplitude and frequency in accordance with the required law control, which is supplied to the stator winding of the asynchronous traction motor 12 and the vehicle starts moving.

Для включения канала питания вспомогательных потребителей транспортного средства включается зарядный контактор вспомогательных потребителей 22 и происходит заряд конденсатора 26. По завершению заряда модуль управления 1 включает линейный контактор вспомогательных потребителей 24 и управляя транзисторами инвертора напряжения 25 формирует на его выходе импульсное трехфазное напряжение с основной временной гармоникой, регулируемой по амплитуде и частоте в соответствии с требуемым законом управления, которое фильтром 27 преобразовывается в практически синусоидальное трехфазное напряжение. При отключенном НЭ предварительно включается линейный контактор накопителя энергии 20, затем включается зарядный контактор вспомогательных потребителей 22 и далее канал питания вспомогательных потребителей транспортного средства выходит на режим по выше приведенному алгоритму.To turn on the power supply channel for the auxiliary consumers of the vehicle, the charging contactor of the auxiliary consumers 22 is turned on and the capacitor 26 is charged. Upon completion of the charge, the control module 1 turns on the linear contactor of the auxiliary consumers 24 and, by controlling the transistors of the voltage inverter 25, generates at its output a pulsed three-phase voltage with the main time harmonic, adjustable in amplitude and frequency in accordance with the required control law, which is converted by filter 27 into an almost sinusoidal three-phase voltage. When the NE is turned off, the linear contactor of the energy storage device 20 is first turned on, then the charging contactor of the auxiliary consumers 22 is turned on, and then the power supply channel for the auxiliary consumers of the vehicle enters the mode according to the above algorithm.

Таким образом, предлагаемая тяговая электрическая система транспортного средства позволяет использовать накопитель электрической энергии с уровнем напряжения значительно ниже уровня напряжения контактной сети постоянного тока, что повышает надежность накопителя энергии и обеспечивает совместное и раздельное функционирование тягового канала и накопителя энергии во всех режимах работы тяговой системы.Thus, the proposed traction electrical system of a vehicle allows the use of an electrical energy storage device with a voltage level significantly lower than the voltage level of the DC contact network, which increases the reliability of the energy storage device and ensures the joint and separate functioning of the traction channel and the energy storage device in all operating modes of the traction system.

Claims

1. A traction electrical system of a vehicle with an energy storage device, containing a control unit, a traction channel with a DC link with a charger-discharge device channel connected to it with a charger-discharge device and an energy storage device, at least one traction motor connected to the DC link , wherein the traction channel is equipped with a charging contactor of the traction channel, a charging resistor of the traction channel, a linear contactor of the traction channel and a filter capacitor, and the channel of the charge-discharge device is equipped with a charging contactor of the energy storage device, a charging resistor of the energy storage device and a linear contactor of the energy storage device, characterized in that the charging - the discharge device contains at least two primary transistor converters connected in series to the traction channel with charging capacitors at the input, each of which is connected to the primary winding of single-phase isolation transformers, the secondary windings of which are connected to secondary transistor converters containing a storage capacitor at the output contacts, and the outputs The secondary transistor converters are connected in parallel and are connected to the energy storage device through the charging contactor of the energy storage device, the charging resistor of the energy storage device and the linear contactor of the energy storage device.

2. The traction electrical system according to claim 1, characterized in that it additionally contains, between the positive and negative contacts of the DC link of the traction channel, a permanently switched on long-discharge resistor of the filter capacitor of the DC link and storage capacitors of the primary transistor converters of the charge-discharge device.

3. Traction electrical system according to claim 1 or 2, characterized in that the traction motor is a DC traction motor.

4. Traction electrical system according to claim 1 or 2, characterized in that the traction motor is an asynchronous traction motor, which is connected to the DC link of the traction channel through a three-phase voltage inverter.

5. Traction electrical system according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that it additionally contains a power supply channel for auxiliary consumers with the ability to convert the output voltage of the charger-discharge device and the DC voltage of the energy storage device into three-phase voltage for powering auxiliary equipment.

6. Traction electrical system according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the traction channel additionally contains an input reactor, a transistor switch with a back-to-back diode and a protective resistor.