ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО (МОТОВОЗ)

Область техники
Настоящая полезная модель относится к транспортному средству, преимущественно рельсовому (например: мотовоз, дрезина, рельсоочистительная машина), а также может относиться и к колесным, гусеничным транспортным средствам (например: фронтальные погрузчики, многоосные тягачи, автокраны, бурильно-крановые машины и многие другие).
Уровень техники
Многие транспортные средства такого типа, в частности рельсовые, оснащаются механической или гидромеханической трансмиссией. Такие трансмиссии наряду с достоинствами имеют ряд существенных недостатков, такие как высокая сложность, сопряженная с недостаточной надежностью, невысокая ремонтопригодность, недостаточная эффективность (КПД), особенно для механических трансмиссий, наличие опасных факторов, таких как высокое давление масла (до 400 атм).
Из уровня техники известно транспортное средство (см. RU 2550408 С1, 10.05.2015), содержащее электромеханическую трансмиссию, генераторный мехатронный модуль, соединенный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) для преобразования механической энергии двигателя в электрическую энергию. Также трансмиссия содержит тяговые мехатронные модули, число которых равно числу ведущих колес или гусениц самоходной машины, соединенные силовыми шинами с генераторным мехатронным модулем и приспособленные для преобразования электрической энергии в механическую с возможностью привода колес или гусениц левого и правого борта самоходной машины. Тяговые мехатронные модули, панель оператора и орган управления трансмиссией соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных.
Известные транспортные средства с электромеханической трансмиссией имеют ряд преимуществ, таких как хорошая управляемость, удобство эксплуатации, ремонтопригодность и др. Однако на многих из них в качестве тяговых и вспомогательных электродвигателей используются электрические машины постоянного тока. Известно (см., например, Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины: Учебник для электротехн. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1990, стр. 399-400 или Романов А.В. Электрический привод: Курс лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006, стр. 28-29), что такие электромашины относительно ненадежны и наименее надежным их элементом является щеточно-коллекторный узел. Данная проблема приводит к тому, что во многих применениях такие электромашины стремятся заменить на более надежные машины переменного тока, наиболее надежной из которой является асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. Современный уровень развития электромашиностроения, силовой и управляющей электроники позволяет создавать тяговые и вспомогательные электроприводы транспортных средств на основе асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, обладающие высоким КПД (эффективностью), надежностью, ремонтопригодностью, управляемостью.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении эффективности (КПД) электромеханического привода транспортного средства с одновременным повышением его надежности.
Заявленный технический результат достигается путем создания транспортного средства, содержащего несущую часть с установленными на ней посредством элементов крепления органами управления транспортным средством и его оборудованием, приводными элементами движителей, вспомогательными приводными элементами и элементами силовой и управляющей электроники, контроллером верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанным с системой управления транспортным средством и отображения информации и контроллером двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, а также узлами системы принудительного охлаждения вышеперечисленных элементов, электрической схемой питания потребителей электроэнергии, причем приводные элементы представляют собой тяговые асинхронные электрические машины переменного тока, а элементы силовой и управляющей электроники представляют собой соответственно электрически соединенные тяговые преобразователи на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение и цифровые системы управления на основе контроллеров для векторного управления асинхронными электрическими машинами и управления бортовыми потребителями, причем элементы силовой электроники выполнены с возможностью электрического соединения с приводными элементами движителей, вспомогательными приводными элементами и бортовыми потребителями электроэнергии и с возможностью передачи управляющих и информационных электрических сигналов между ними.
В одном из вариантов выполнения электрическая схема питания потребителей электроэнергии содержит накопитель электроэнергии.
Краткое описание чертежа
На фиг. 1 представлена общая архитектура электромеханического привода транспортного средства.
Осуществление полезной модели
В примере реализации заявленного транспортного средства (мотовоз) применен комплект тягово-энергетического оборудования (КТЭО) электромеханической трансмиссии переменно-переменного тока, который включает в себя:
- тяговый асинхронный генератор (ТАГ) переменного тока (1);
- четыре тяговых асинхронных электродвигателя (ТАД) (2);
- блоки силовой электроники (БСЭ) с силовыми преобразователями (СП) для питания ТАГ (3) и ТАДов (4) и контроллерами силовых преобразователей (КСП);
- преобразователь напряжения для питания внешних потребителей (ПНВП) (5);
- контроллер верхнего уровня (КВУ) (6) для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления и отображения информации и контроллером двигателя внутреннего сгорания (ДВС) мотовоза;
- пульт аварийного управления (ПАУ) (7) для обеспечения управления и контроля движением мотовоза через КТЭО при отказах отдельных компонентов КТЭО или автоматизированной системы управления и контроля мотовоза (АСКУМ) (8);
- комплект системы охлаждения БСЭ (9).
Вышеуказанные элементы установлены и закреплены относительно несущей части транспортного средства.
В указанном КТЭО использована жидкостная система охлаждения БСЭ. Для связи и передачи сигналов между элементами КТЭО использована стандартная шина CAN, которая широко применяется в транспортных средствах.
Привод транспортного средства при совместной работе с ДВС обеспечивает следующие режимы работы мотовоза:
- тяговые (движение передним и задним ходом; режим рабочего (тихого) хода со скоростью до 5 км/ч),
- буксировки внешним транспортным средством с питанием привода мотовоза от аккумуляторной батареи транспортного средства (АКБ);
- буксировки внешним транспортным средством без питания привода мотовоза от АКБ.
Привод мотовоза выполнен с возможностью обеспечения:
- защиты в аварийных режимах (перегрев СП, обмоток и подшипников ТАГ и ТАДов; ухудшение изоляции токоведущих частей; перегрузки по току, напряжению),
- диагностики составных частей привода мотовоза;
- просмотра, анализа, контроля и программирования параметров КТЭО посредством работы с внешней ПЭВМ, программно-аппаратно сопряженной с КВУ и реализующей функции сервисной вычислительной системы (СВС).
Привод мотовоза дополнительно обеспечивает следующие возможности:
- использование на тягу полной свободной мощности ДВС;
- стабилизация текущего значения скорости мотовоза при тяге (в том числе на рабочем (тихом) ходе).
Особенностями предлагаемой полезной модели являются:
- применение многодвигательного тягового электропривода на основе высокоэффективных асинхронных электрических машин,
- применение асинхронного электропривода вспомогательных систем транспортного средства,
- применение цифровых систем управления тяговым и вспомогательным оборудованием,
- применение современных модульных электронных компонентов силовой (интегрированные интеллектуальные IGBT-модули) и управляющей электроники электропривода в совокупности с современной векторной системой управления электроприводом.
По сравнению с обычной конструкцией мотовоза (например, советские и российские модели мотовозов МПТ) применение предлагаемого привода позволило получить ряд преимуществ.
Асинхронный электропривод характеризуется эффективным преобразованием электрической энергии в механическую, что в свою очередь позволило увеличить эффективность передачи энергии от первичного источника (ДВС) до движителей.
Ввиду отсутствия механической связи между двигателем внутреннего сгорания и движителями удалось обеспечить оптимальный режим работы ДВС со снижением расхода топлива на единицу выполненной работы за счет более эффективного и бесступенчатого регулирования скорости тяговых асинхронных электрических машин мотовоза (в отличие от ступенчатого регулирования скорости у обычных мотовозов, при котором ДВС часто работает в неоптимальном по расходу топлива режиме).
Применение асинхронного электропривода позволило исключить сложные узлы и агрегаты из трансмиссии транспортного средства (механические и гидравлические передачи и органы управления ими), что в разы увеличило надежность тягового привода.
Кроме того, преимущество в надежности и КПД получено за счет того, что асинхронные электрические машины имеют больший ресурс по сравнению с механическими передачами и электрическими машинами постоянного тока, а также просты в обслуживании. Электропривод позволил снизить динамические нагрузки на узлы мотовоза и ДВС за счет возможности плавного регулирования его момента.
Многодвигательная система обеспечивает более эффективное распределение тягового момента по осям. Она позволяет исключить буксование, повысить эффективность расходования энергии в режимах, когда требуется перераспределение момента и/или его регулирование, например при поворотах, торможении.
Использование многодвигательной (распределенной) системы тягового привода (индивидуальный привод на каждую ведущую ось транспортного средства) по сравнению с центральным приводом, применяемым на обычных мотовозах, также увеличивает надежность всей системы в целом при отказе одного или нескольких тяговых двигателей.
За счет применения электропривода вспомогательных систем удалось получить более высокий КПД, чем при механической (гидромеханической) передаче, а соответственно повысить эффективность преобразования энергии для вспомогательных систем.
Электропривод вспомогательных систем транспортного средства позволяет исключить менее надежные механические (гидромеханические) передачи (например, ременные, цепные передачи, а также гидромуфты и др.), что повышает КПД и надежность данных систем.
Применение цифровых систем управления позволило реализовать эффективные алгоритмы управления, что в свою очередь увеличило КПД привода в целом, а также позволило реализовать режимы самодиагностики всех элементов привода с целью упреждения выхода их из строя, а также контроль за планово-предупредительными работами по всем системам.
Применение современных модульных электронных компонентов силовой (IGBT) и управляющей электроники электропривода в совокупности с современной векторной системой управления позволило повысить эффективность (КПД) работы привода за счет:
- повышения быстродействия системы управления тяговыми и вспомогательными приводами, которая максимально быстро адаптирует потребление ими мощности к требованиям нагрузки (командам оператора), тем самым снижая потери при регулировании, при переходе на холостой ход и т.п.,
- уменьшения потерь в силовых ключах СП, повышения эффективности системы охлаждения и других вспомогательных систем,
- оптимизации всей системы по потреблению тока (мощности).
Применение этих компонентов и векторного управления приводом также позволило повысить надежность и ремонтопригодность всей системы привода в целом за счет:
- модульности исполнения компонентов электропривода и системы управления,
- наличия в интегрированных интеллектуальных IGBT-модулях встроенных систем защиты и подавления опасных коротких замыканий (сквозных токов), перенапряжений, помех и т.п.,
- реализации функций анализа параметров тягового и вспомогательного привода в реальном времени с возможностью быстродействующих защит (реакция систем векторного управления выше, чем у традиционных систем частотного управления и других).
В варианте исполнения транспортного средства с КТЭО в электрическую схему питания привода может быть включен накопитель электроэнергии. Этот накопитель может быть выполнен, например, на основе суперконденсаторов.
Наличие накопителя энергии позволяет запасать в нем рекуперированную энергию торможения транспортного средства при движении для последующего ее использования на следующих циклах трогания и разгона, а также другой полезной работы, что обеспечивает дополнительную экономию топлива (до 20%) и повышение КПД привода.
Достаточно большая емкость накопителя энергии позволяет сглаживать перенапряжения в звене постоянного тока, что позволяет повысить надежность всех СП и электродвигателей привода.
Следует отметить, что все перечисленные элементы управления транспортным средством, а также элементы привода и силовой электроники закреплены на несущей части транспортного средства, что в совокупности составляет единое изделие, элементы которого находятся в конструктивной и функциональной взаимосвязи.