ТЕПЛОВОЗ
LOCOMOTIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструктивным элементам и вспомогательным устройствам для локомотивов.
Уровень техники
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, (см. Абрамов Е.Р. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав с двигателями внутреннего сгорания отечественных железных дорог. - М., 2015. - 433 с.).
Недостатком маневрового тепловоза является пиковый характер нагрузки, которой в первую очередь является трогание поезда с места. Большую часть времени силовая установка тепловоза работает в недогруженном режиме, что приводит к ее неэффективному использованию. Кроме того, тепловоз не может рекуперировать энергию при торможении.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении энергоэффективности тепловоза.
Технический результат заключается в накоплении энергии, использовании накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперации энергии при торможении, сглаживании нагрузки на двигатель и снижении его массогабаритов.
Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков:
Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, отличающийся тем, что он оснащен накопителем энергии.
Дополнительно к этому:
- накопитель энергии выполнен в виде батареи конденсаторов;
- накопитель энергии выполнен в виде батареи суперконденсаторов;
- накопитель энергии выполнен в виде батареи аккумуляторов;
- тепловоз оснащен инертно-емкостным накопителем энергии, включающем электрическую машину и супермаховик.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и технический результат взаимосвязаны следующим образом.
Накопление энергии, использование накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперация энергии при торможении, сглаживание нагрузки на двигатель и снижение его массогабаритов, приводит к повышению энергоэффективности тепловоза.
На фиг. 1 изображена электрическая схема инертно-емкостного накопителя, на фиг. 2 - характер тока при его зарядке и разрядке.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено следующим образом.
Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, оснащен накопителем энергии.
Таким образом, назначение изобретения - применение его в качестве тепловоза - реализуется.
Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении изобретения технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.
Оснащение тепловоза накопителем энергии приводит к накоплению энергии, использованию накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперации энергии при торможении, сглаживанию нагрузки на двигатель и снижению его массогабаритов.
Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Описание тепловоза
Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, оснащен накопителем энергии.
Тепловоз работает следующим образом
Относительно частая смена режима работы маневрового тепловоза обусловливает эффективность и целесообразность оснащения его накопителем энергии.
Помимо сглаживания нагрузки на силовую установку накопитель позволит рекуперировать энергию при торможении, за счет чего возрастет энергоэффективность маневрового тепловоза.
В качестве накопителя энергии можно рассматривать машину постоянного тока с супермаховиком.
Подача на якорную обмотку постоянного напряжения U инициирует следующие механический и электрический процессы:
где J - суммарный момент инерции; к - коэффициент трения; В - магнитная индукция;  - активная длина проводника; w - количество витков; D - эффективный диаметр ротора; R - электрическое сопротивление.
Можно ввести параметрический коэффициент
Пусть начальные условия
0
ϕ(0)=ϕ,
Из уравнения электрического равновесия следует
Подстановка в первое уравнение системы дает
Пусть
Тогда
Общим решением является
1
1
-At
i=Ce.
Частным -
2
2
i=C.
Подстановка его в формулу (4) дает
2
0+АС=В,
Искомый ток равен
С учетом (2) и (3)
С учетом (5)
0
0
где Е=Yω.
k
При k=0 R=∞ и
Формулы (8) и (9) неотличимы от формул, описывающих заряд конденсатора.
При замыкании накоротко клемм якорной обмотки
Эта формула неотличима от формулы, описывающей разряд конденсатора.
Выражения (6)-(9) свидетельствуют о емкостном характере рассматриваемого накопителя мощности.
Емкость накопителя равна
Электромеханическое сопротивление
Запасаемая накопителем энергия равна
В настоящее время созданы высокоэффективные супермаховики, и даже рассматривается возможность применение их на автомобилях. Очевидно, что использование маховиков на маневровых тепловозах значительно менее проблематично в силу существенно менее жестких требований к общему весу. Еще более выгодным преимуществом тепловоза является наличие электромеханической трансмиссии, что минимизирует разработку для него рассмотренного инертно-емкостного накопителя.
Маневровый тепловоз может содержать два накопителя энергии: оперативный (кратковременный) и долговременный. В качестве оперативного накопителя может использоваться батарея конденсаторов, батарея суперконденсаторов (ионисторов) или инертно-емкостной накопитель. В качестве долговременного накопителя может использоваться аккумуляторная батарея, например, литиевая. Это связано с тем, что скорость запасания и отдачи энергии у аккумулятора значительно ниже, чем у конденсатора, суперкондесатора и у инертно-емкостного накопителя. Поэтому аккумуляторная батарея не может забрать всю энергию, рекуперируемую при торможении. В случае высокой скорости энергопреобразования энергия изначально запасается в оперативном накопителе. После этого с меньшей скоростью энергопередачи энергия из оперативного накопителя передается долговременному накопителю. Для передачи энергии от оперативного накопителя долговременному используются преобразователи постоянного тока в переменный, трансформаторы, регулирующие устройства и выпрямитель. Для этой же цели может использоваться управляемая от процессора система широтно-импульсной зарядки аккумулятора, которая за счет энергии оперативного накопителя формирует импульсы, приемлемые для зарядки аккумуляторов по форме, уровню напряжения и тока.
Для преодоления пиковой нагрузки при трогании поезда любая из описанных систем преобразования постоянного тока в постоянный используется для зарядки оперативного накопителя за счет энергии долговременного накопителя. Энергия оперативного накопителя в этом случае используется для развития мощности, которую не в состоянии развить долговременный накопитель.
Для утилизации остаточной энергии оперативного накопителя перед длительной стоянкой используются резисторы, которые могут быть установлены в кабине для ее обогрева или энергия может передаваться внешним потребителям через разъем и электрический кабель.
Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает повышении энергоэффективности тепловоза.
Эффективность предлагаемого устройства обусловливается возможностью сглаживании нагрузки на двигатель тепловоза.