УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Предлагаемая полезная модель относится к области электрического транспорта и может быть использована для бесконтактного питания электрической энергией электроходов, электромобилей, погрузчиков, летательных аппаратов и других электроприводных транспортных средств.
Известно устройство управления движения электроприводных транспортных средств, выполненное в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-100 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-500 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между электроизолированной от земли однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или земле в непосредственной близости от поверхности, и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства (Патент RU №2297928 МПК B60L 9/00 опубл. 27.04.2007). Недостатком устройства является привязка электротранспорта к месту установки питающей линии. Другими недостатками являются значительные потери электромагнитного излучения на рассеяние, в т.ч. в звуковом частотном диапазоне, и большая материалоемкость.
КПД подобных устройств питания может быть повышено при выполнении приемных обмоток в виде спиральных катушек, размещаемых по окружности двух резиновых колес, и использования третьей прямоугольной обмотки под днищем кузова транспортного средства (Патент RU №2505427 МПК B60L 9/00, опубл. 28.12.2011). Существенными недостатками приведенного аналога остаются ограниченность маневрирования транспортного средства из-за привязки к направлению передающей обмотки в дорожном покрытии, а также сложность реализации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство управления движением электроприводных транспортных средств (ЭТС) по патенту RU №87122 МПК B60L 11/00, опубл. 27.09.2009. Устройство осуществляет управление через обмотки статора многофазных вентильных магнитоэлектрических машин, встраиваемых непосредственно в колеса электрического транспортного средства, и состоит из преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего преобразование постоянного напряжения аккумуляторных батарей в переменное и управление коммутацией фаз многофазной статорной обмотки каждой многофазной электрической машины в необходимой последовательности по сигналам с датчика положения ротора. С целью достижения наилучшей управляемости и устойчивости ЭТС устройство получает информацию об угле поворота рулевого колеса с датчика угла поворота рулевого колеса и о частоте вращения одной электрической машины, встроенной в колесо электромобиля, с датчика положения ротора, и с помощью записанного в устройство программного обеспечения, задает ток каждой электрической машины, встроенной в колесо электромобиля, в зависимости от угла поворота рулевого колеса и частоты вращения одной машины.
Недостатком известного устройства является ограниченная маневренность и надежность транспортного средства, поскольку цепь обратной связи определяет ток каждой многофазной вентильной магнитоэлектрической машины в зависимости только от двух факторов: угла поворота рулевого колеса и частоты вращения одной многофазной вентильной магнитоэлектрической машины, встроенной в колесо автомобиля.
Заявляемое техническое решение позволяет получить новый по сравнению с прототипом результат, заключающийся в повышении маневренности и надежности устройства управления ЭТС. Кроме того, устройство более экономично и практически бесшумно.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в устройстве управления движением электроприводных транспортных средств, (содержащем, так же как и прототип, аккумуляторную батарею, обеспечивающую питание всех элементов устройства, преобразователь, бесколлекторные электродвигатели, встроенные в движители ЭТС, датчики положения ротора и блок управления с программным обеспечением), в отличие от прототипа, преобразователь выполнен в виде электрооптического преобразователя (с преобразованием постоянного напряжения в оптическое излучение) и соединен с оптическими входами бесколлекторных двигателей по оптическим каналам связи, в свою очередь бесколлекторные электродвигатели выполнены в виде оптоэлектрических двигателей (с преобразованием оптического излучения в электрический ток ротора и статора), при этом устройство дополнительно снабжено оптическими модуляторами, установленными на оптических входах бесколлекторных оптоэлектрических двигателей, и пропорциональными интегро-дифференциальными регуляторами (ПИД-регуляторами), установленными на оптических выходах бесколлекторных оптоэлектрических двигателей, при этом ПИД-регуляторы подключены к блоку управления с программным обеспечением, выполненным в виде компьютерно-измерительной системы (КИС), при этом каждый ПИД-регулятор соединен электрически с соответствующим оптическим модулятором.
В свою очередь бесколлекторные оптоэлектрические двигатели (БОЭД) выполнены по патенту RU №2563974.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в устройстве управления движением ЭТС энергия аккумуляторной батареи преобразуется в излучение оптического диапазона спектра и в таком виде доставляется по оптическим каналам каждому бесколлекторному оптоэлектрическому двигателю индивидуально, где излучение фотодиодной схемой преобразуется в ток обмоток статора и ротора. Это в свою очередь обеспечивает возможность управления электропитанием и движением электроприводного ЭТС по информации, снимаемой с контура обратной связи, включающего не только ДПР, но и ПИД-регулятор с силовым ключом, оптическиий модулятор конкретного оптоэлектрического двигателя, а также блок управления с программным обеспечением всего устройства. Кроме того, наличие последнего в контуре управления при использовании дополнительных датчиков позволяет решать задачи оптимизации движения ЭТС с учетом меняющихся факторов окружающей обстановки.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение маневренности и надежности управления ЭТС - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где
на фиг. 1 - дана структурная схема устройства управления движением электроприводных транспортных средств
на фиг. 2 - дано схематическое изображение конструкции оптоэлектрического бесколлекторного двигателя.
Предлагаемое устройство состоит из двух блоков 1 и 2 (фиг. 1). Блок 1 (исполнительный) содержит: движители 3, 4, 8, 9; бесколлекторные оптоэлектрические двигатели (БОЭД) 5, 7, 10, 11, выполненные по патенту RU №2563974 (фиг. 2). Блок 2 (управляющий) содержит: электрооптический преобразователь (лазер) 12, обеспечивающий оптическое излучение, коммутатор 13, переключатели реверса 14, 15, 16, 17 каждого БОЭД; аккумуляторную батарею 18, ПИД-регуляторы 19, 20, 21, 22 каждого из четырех БОЭД с силовыми ключами (драйверами), оптические модуляторы 24, управляемые соответствующими ПИД-регуляторами 19-22, блок управления с программным обеспечением 23 в виде компьютерно-измерительной системы; пластины световодов зеркальной системы 6, 25 (либо элементы волоконных световодов). Блоки 1 и 2 оптически связаны между собой с помощью контактных соединений - коннекторов 26.
Электрические соединения на схеме обозначены одинарными линиями, оптические каналы (световоды) - двойными линиями со стрелкой. Пластины световодов 6, 25 зеркальной системы изображены в виде отрезков прямой, расположенных под углами ±45 град, к осям потоков излучения.
+
Схематическое изображение конструкции БОЭД представлено на фиг. 2, где позициями 27-41 обозначены: (электрическая часть) корпус двигателя 27, на внутренней стороне которого укреплен статор (магнитные полюсы с обмотками возбуждения (ос), символом В указано направление вектора магнитной индукции, 28 - ротор с обмоткой 29 (направление ЭДС в нижней ветви обмотки указано символом ), 30, 31, 32, 33 - фотодиоды, SA -переключатель «реверс»; (оптическая часть) 34 - зеркала датчика положения ротора (ДПР), 35, 36 - пластины оптической зеркальной системы доставки излучения двигателю от внешнего источника и вывода излучения ДПР к внешнему фотоэлектрическому частотомеру по световодам; (механическая часть) 37 - вал, 38 - подшипники, 39, 40, 41 - торцевые стенки корпуса БОЭД, соответственно.
Блок 1 размещают в непосредственной близости от БОЭД 5, 8, 9, 11, фотодиоды которых 30, 31 и 32, 33, включенные в обмотки статора и ротора двигателей, преобразуют подводимое оптическое излучение в ток, который создает крутящий момент на валу каждого двигателя и соответствующего движителя 3, 4, 8, 10. Блок 2 содержит органы управления электропитанием индивидуально каждого двигателя: источник 12 оптического излучения (лазер), к выходу которого подключены световоды доставки излучения токоприемникам - БОЭД; систему оптической обратной связи контура управления, охватывающего датчики положения ротора ДПР 34, пропорциональные интегро-дифференциальные регуляторы ПИД-регуляторы 19-22 с силовыми ключами - драйверами и оптические модуляторы 24; аккумуляторную батарею 18; переключатели реверса 14-17; компьютерно-измерительную систему КИС 23 выполненную на микро-ЭВМ.
1
2
3
4
В соответствии с решаемой задачей по заранее подготовленной программе, либо в режиме on-line, включают источник излучения оптического диапазона спектра (электрооптический преобразователь) 12. К источнику 12 присоединяют систему оптических каналов распределения излучения, состоящих из пластин, оптических модуляторов и коннекторов, причем, суммарную величину коэффициента отражения Ri пластин в канале выбирают из расчета равенства потоков излучения Si, поступающих при открытых модуляторах 25 (пропускание Тм) и коннекторах 26 (пропускание Тк) на входы оптических систем ос БОЭД 5, 7, 10, 11. Для рассматриваемого примера четырех двигателей Si=Ri·Tм·Tк·S=0.25S, где S - поток излучения на выходе источника, R=0.25, R=0.33(3), R=0.6, R=1 при Тм=Тк=1.
Как показано на чертеже (фиг. 2), поток излучения Si оптической системой (ОС) двигателя доставляется к фотодиодам 30-31, 32-33, преобразующим оптическое излучение в фототок в обмотках, соответственно, статора и ротора, что приводит к возникновению момента вращения вала БОЭД и связанного с ним движителя.
заданное
ДПР
и
Малую часть потока излучения (~0.02 Si) отводят оптической системой датчика положения ротора ДПР (фиг. 2) на фоточувствительный вход пропорционального интегро-дифференциального регулятора, управляющего через силовой ключ (драйвер) и оптический модулятор силовым потоком Si, выводя двигатель на заданное число оборотов n=n, что повышает надежность управления движением транспортного средства при частоте следования импульсов излучения f~10 кГц и средней мощности Si=10-100 кВт.
Предлагаемое устройство работает следующим образом
2
Включают с помощью выключателя SA электропитание. В источнике 12 постоянное напряжение аккумуляторной батареи преобразуется в излучение оптического диапазона спектра. В качестве источника 12 применяют лазер со средней мощностью оптического излучения порядка 100 Вт из наиболее технологичных типов: СO - лазеры, волоконные, диодные и др. В источнике 12 благодаря стимулированному испусканию квантов рабочей средой происходит генерация когерентного излучения, которое доставляется по оптическим каналам (световодам) на входы оптических систем БОЭД. Поток излучения Si оптической системой доставляется к фотодиодам 30-33 БОЭД, преобразующим излучение в фототок обмоток, соответственно, статора и ротора, что приводит к возникновению момента вращения вала двигателя и связанного с ним движителя.
Управление движением ЭТС осуществляют заданием на клавиатуре микро-ЭВМ КИС (блок 23) числа оборотов и переключением реверса индивидуально каждого двигателя. Контур управления выводит каждый двигатель на заданное число оборотов, что повышает надежность управления движением ЭТС.
Предлагаемое устройство позволяет управлять каждым двигателем (движителем) индивидуально в зависимости от условий на трассе движения при использовании дополнительных датчиков (крена, дифферента и др). Технический результат заключается в повышении надежности управления, маневренности, экономичности и в снижении уровня шума питания ЭТС.
Предлагаемая полезная модель разработана специалистами кафедры «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования изобретения в энергосберегающих автоматизированных комплексах.
Благодаря повышенной надежности, маневренности, точности позиционирования, низкому уровню электрических и механических помех предлагаемое изобретение может быть использовано для управления электромобилей и других транспортных средств. Вместе с тем, более простая схема устройства электропитания значительно сокращает стоимость, повышает надежность и расширяет область применения устройства.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость»