УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ТРАНСПОРТА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
POWER RECUPERATOR FOR ELECTRICALLY DRIVEN VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области рекуперации энергии торможения грузоподъемных и транспортных машин с электрическим приводом постоянного тока, а также к устройствам для осуществления указанной технологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство рекуперации энергии торможения транспорта с электрическим приводом [1] (Гулиа Н.В. "Инерция" - М.: Наука, 1982. - 152 с.). Профессор Н.В. Гулиа в своей книге [1] пишет, что «самый большой расточитель энергии - это метропоезд. Каждый его вагон при торможении теряет энергию 20-и автобусов. … Американские специалисты подсчитали, что потери электроэнергии в метро достигают в сутки 300 триллионов Джоулей, что сопоставимо с суточными потребностями всего штата. … Американские инженеры создали и испытали систему рекуперации энергии метровагона с маховиками, приводящимися от обратимой электрической машины постоянного тока. Экспериментальный метровагон метро снабжался двумя устройствами рекуперации энергии торможения массой более 2 тонн каждое и длиной около 3 м, причем масса самих маховиков составляла около 1/10 общей массы, а более значительная часть приходилась на долю управляющих обратимых электромашин».
4
На фиг.1 представлена принципиальная схема известного транспортного средства [1], оснащенного электроприводом постоянного тока и устройством рекуперации энергии торможения, состоящего из следующих частей: 1 - вал; 2 - маховик; 3 - обратимая электромашина постоянного тока. Транспортное устройство 10 с электрическим приводом приводится в движение от тягового электродвигателя 5 постоянного тока, соединенного с движущими колесами. Внутренняя цепь электропитания 9 тягового электродвигателя 5 транспортного средства 10 соединена токосъемником 6 с внешней цепью электропитания 7 и с блоком электропитания постоянным током 8, находящимся на неподвижном основании 11. Тяговый электродвигатель 5 постоянного тока, включенный во внутреннюю цепь электропитания 9, управляется с помощью управляющего устройства 4, которое осуществляет питание его как от внешней цепи электропитания 7 через токосъемник 6, так и от обратимой электромашины 3, осуществляющей в режиме электрогенератора преобразование кинетической энергии маховика 2 в электроэнергию. При торможении управляющее устройства 4 может отключать внешнюю цепь электропитания 7 и переключать тяговый электродвигатель 5 в режим электрогенератора, а обратимую электромашину 3 - в режим электродвигателя, что приводит к увеличению скорости вращения маховика 2 и накоплению кинетической энергии. Таким образом управляющее устройство 4, на которое воздействует сигнал ψ водителя, переводит машину в режим торможения с рекуперацией кинетической энергии торможения в маховик или в режим движения с постоянной скоростью или разгона с использованием ранее запасенной энергии маховика, преобразуемой в электроэнергию обратимой электромашиной 3. Экономия электроэнергии устройства рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом в эксплуатации достигала около 30%.
Однако известное устройство рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом имеет следующие недостатки:
а) значительное увеличение стоимости, габаритных размеров и массы транспортного устройства;
б) снижение полезной нагрузки транспортного устройства и КПД рекуперации, так как возникает необходимость рекуперировать энергию торможения дополнительной значительной массы устройства рекуперации.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков устройств рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом и увеличение КПД рекуперации энергии за счет снижения подвижной массы электрического транспорта. Поставленная цель достигается тем, что рекуператор энергии торможения ставится не на транспортном средстве, а на неподвижном основании и связывается через дополнительное управляющее устройство с внешней цепью электропитания и блоком электропитания постоянным током. Тем самым установка рекуператора энергии торможения не приводит к увеличению подвижной массы транспорта с электрическим приводом.
Известно устройство рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом, включающее неподвижное основание с установленными на нем внешней цепью электропитания и блоком электропитания постоянным током, соединенными между собой, а также транспортное средство с установленными в нем управляющим устройством, соединенным внутренней цепью электропитания с тяговым электродвигателем постоянного тока и устройством рекуперации энергии торможения, состоящим из обратимой электромашины постоянного тока, соединенной валом с маховиком; причем управляющее устройство соединено токосъемником с внешней цепью электропитания.
Предлагается устройство рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом, отличающееся тем, что в нем дополнительно установлено на неподвижном основании управляющее устройство, связанное с одной стороны с устройством рекуперации энергии торможения, а с другой стороны с внешней цепью электропитания и с блоком электропитания постоянным током.
Новые полезные свойства предлагаемого устройства рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом появляются в результате того, что электропитание рекуператора энергии торможения переносится из внутренней цепи электропитания транспортного средства во внешнюю цепь электропитания.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что предлагаемое устройство включает неподвижное основание, вал, маховик, тяговый двигатель и обратимую электромашину постоянного тока, внутреннюю и внешнюю цепи электропитания транспортного средства, связанные токосъемником и управляющим устройством.
Существенное отличие предлагаемого устройства от аналога заключаются в том, что включает дополнительное управляющее устройство, которое установлено на неподвижном основании и соединено с внешней цепью электропитания транспортного средства. Это является важным отличием предлагаемого устройства от аналога, так как позволяет установить дополнительное управляющее устройство на неподвижном основании.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что дополнительно управляющее устройство имеет независимый вход для коррекции и настройки характеристики.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые не совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что включает дополнительное управляющее устройство, которое соединено с внешней цепью электропитания транспортного средства и рекуператором энергии торможения.
Основная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяющая реализовать достижение заявленного технического результата, заключается в том, что в нем дополнительно установлено на неподвижном основании второе управляющее устройство, связанное с одной стороны с устройством рекуперации энергии торможения, а с другой стороны с внешней цепью электропитания и блоком электропитания постоянным током.
Известно устройство рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом, включающее неподвижное основание с установленными на нем внешней цепью электропитания и блоком электропитания постоянным током, соединенными между собой, а также транспортное средство с установленными в нем управляющим устройством, соединенным внутренней цепью электропитания с тяговым электродвигателем постоянного тока и устройством рекуперации энергии торможения, состоящим из обратимой электромашины постоянного тока, соединенной валом с маховиком; причем управляющее устройство соединено токосъемником с внешней цепью электропитания, отличающееся тем, что в нем дополнительно установлено на неподвижном основании второе управляющее устройство, связанное с одной стороны с устройством рекуперации энергии торможения, а с другой стороны с внешней цепью электропитания и блоком электропитания постоянным током.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что известное общее управляющее устройство тягового электродвигателя 5 и обратимой электромашины 3 рекуператора разделяется на два отдельных, стоящих во внутренней и внешней сетях электропитания, а дополнительно управляющее устройство имеет независимый вход для коррекции и настройки его характеристики в зависимости от числа работающих на линии транспортных средств. Управляющим импульсом управляющего устройства 12, служащего для организации процессом рекуперации энергии торможения, является сигнал управления в зависимости от величины и направления потока энергии в сети постоянного тока (внешней и внутренней), формирующийся путем сравнения напряжений электрической цепи переменного и постоянного тока. Этот сигнал связан с напряжениями во внешней и внутренней цепи электропитания, характеристикой блока электропитания 8 и с нагрузкой транспортной машины, пропорциональной току тягового двигателя.
Лучший вариант устройства заключается в том, что дополнительное управляющее устройство имеет независимый вход для оперативного вмешательства в работу его при превышении скорости вращения маховика допустимой скорости и других аварийных обстоятельствах.
Сравнение свойств заявляемого и известного решений показывает, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, и что заявляемое решение обладает существенными отличиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
12
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.2 изображена схема предлагаемого устройства рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом, которое включает неподвижное основание 11 с установленными на нем дополнительным управляющим устройством рекуперации энергии торможения 12, которое связано с внешней цепью электропитания 7, блоком электропитания 8 постоянным током и электромеханическим аккумулятором энергии, состоящим из соединенных между собой валом 1 обратимой электромашины 3 постоянного ток и маховика 2. Причем, дополнительное управляющее устройство 12 имеет независимый вход управления ψ для оперативного вмешательства в работу его при превышении скорости вращения маховика допустимой скорости и других аварийных обстоятельствах.
4
Транспортное устройство 10 с электрическим приводом приводится в движение от тягового электродвигателя 5 постоянного тока, соединенного с движущими колесами. Тяговый электродвигатель 5 постоянного тока, который включен во внутреннюю цепь электропитания 9 и управляется с помощью управляющего устройства 4, осуществляющее его питание его от внешней цепи электропитания 7 через токосъемник 6. Управление транспортным средством 10 осуществляется водителем при помощи управляющего устройства 4, воздействующим на вход ψ его. Причем, управляющее устройство 4 соединено с внешней цепью электропитания 7 токосъемником 6.
Управляющее устройство 12, соединенное с одной стороны с внешней цепью электропитания 7, а с другой стороны с блоком питания постоянным током и устройством рекуперации энергии торможения, служит для организации процесса рекуперации энергии торможения.
Лучший вариант устройства заключается в том, что дополнительное управляющее устройство 12 имеет независимый вход для оперативного вмешательства в работу его при превышении скорости вращения маховика 2 допустимой скорости и других аварийных обстоятельствах.
Работа устройства
4
Движение транспортного средства 10 управляется водителем воздействием на вход ψ управляющего устройства 4, которое, в свою очередь, воздействует на тяговый электродвигатель 5 (фиг.2). Скорость транспортного устройства 10 определяется развиваемой мощностью тягового электродвигателя 5 и мощностью сил сопротивления движению. При равенстве их происходит установившееся движение с постоянной скоростью. Таким образом при установившемся движении транспортного устройства наблюдается баланс сил движущих и сопротивления.
4
Остановка движения транспортного устройства вызывается воздействием водителя на вход ψ управляющего устройства 4 на снижение мощности тягового двигателя 8, т.е. нарушением баланса сил движущих и сопротивления, которое сопровождается увеличением напряжения во внешней цепи электропитания 7. Рекуперативное торможение, вызываемое переключением тягового электродвигателя 5 в режим электрогенератора, сопровождается еще большим ростом напряжения во внешней цепи электропитания 7, так как вызывается изменением направления потока энергии от транспортного средства 10 во внешнюю цепь электропитания 7.
Диаграмма изменения напряжения U во внешней цепи электропитания 7, служащее управляющим импульсом для организации процессом рекуперации энергии торможения, представлена на фиг.3. Статистическая характеристика напряжения U во внешней цепи электропитания 7 связана характеристикой блока электропитания 8 с нагрузкой W (ток или мощность) во внутренней цепи электропитания 9. Эту характеристику условно можно разделить на три зоны: 1 - зона рекуперативного торможения при переводе водителем транспортного средства тягового электродвигателя в генераторный режим; 2 - зона равномерного установившегося движения транспортного средства с постоянной скоростью; 3 - зона разгона транспортного средства с повышенной водителем мощностью тягового электродвигателя.
12
При снижении мощности W и тока тягового двигателя 5 напряжение U во внешней цепи электропитания 7, определяемое характеристикой блока электропитания 8, растет. При росте мощности W и тока тягового двигателя 5 напряжение U во внешней цепи электропитания 7, определяемое характеристикой блока электропитания 8, падает. Эту характеристику можно рассчитать или определить экспериментальным образом. Она должна учитывать статистическую характеристику режимов движения электрического транспорта. Естественно, она будет иметь отличия от динамической характеристики и должна учитывать параметры электромаховичного рекуператора энергии торможения, поэтому в управляющее устройство 12 необходимо вводить ограничение по скорости вращения вала 1, чтобы избежать разрыва маховика 2. Для этого система управления 10 должна иметь дополнительный вход управления ψ для коррекции характеристик, и с этой задачей лучше всего справится ЭВМ.
холостого хода
4
Работа предлагаемой системы рекуперации происходит следующим образом. При торможении с рекуперацией энергии напряжение во внешней сети 7 (зона 1 на фиг.3) в виду изменения направления потока энергии резко возрастает и система управления 12 переключает обратимую электромашину 3 в режим двигателя, что приводит к увеличению скорости вращения и запаса кинетической энергии маховика 2. При остановке транспортного средства 10 и в зоне движения 2 с постоянной скоростью напряжение U внешней сети 7 снижается до U и управляющее устройство 12 отключает обратимую электромашину 3 от внешней сети электропитания 7. При разгоне воздействием водителя ψ на управляющее устройство 4 для увеличения скорости движения транспортного средства (зона 3 фиг.3) возрастает мощность W, потребляемая тяговым электродвигателем 5 от внешней сети 7, и напряжение падает U ниже значения его на холостом ходу и стоянке, поэтому система управления 12 переключает обратимую электромашину 3 в режим электрогенератора, который отдает электрическую энергию во внешнюю сеть 7, снижая скорость вращения маховика 2. Таким образом при разгоне дисбаланс сил движущих и сопротивления нарушается и дополнительная энергия передается от маховика 2 транспортному средству 10.
При торможении машины дисбаланс сил движущих и сопротивления нарушается в обратную сторону, что вызывает изменение направления движения энергии от тягового электродвигателя 5, работающего в режиме электрогенератора, к обратимой электромашине 3, работающей в режим электродвигателя и раскручивающей маховик 2.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Заявляемое устройство рекуперации энергии транспорта с электрическим приводом позволяет повысить эффективность расхода электроэнергии по сравнению с известными устройствами. Применение его позволяет снизить потери энергии и повысить экономичность на любых неустановившихся режимах работы путем рекуперации энергии торможения.