ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО (УКЛАДОЧНЫЙ КРАН)

Область техники
Настоящая полезная модель относится к транспортному средству, преимущественно рельсовому (например: кран укладочный или путеукладчик, передвижная лаборатория), 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 трансмиссии, наличие опасных факторов, таких как высокое давление масла (до 400 атм.).
Из уровня техники известно транспортное средство (см., RU 2550408 C1, 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, отличающегося тем, что вспомогательные приводные элементы включают в себя электроприводы рабочих механизмов, установленных посредством элементов крепления на борту транспортного средства, приводные элементы движителей 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 приводные элементы рабочих механизмов представляют собой асинхронные электрические машины переменного тока.
В другом варианте выполнения электрическая схема питания потребителей электроэнергии содержит накопитель электроэнергии.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена общая архитектура электромеханического привода транспортного средства в варианте с накопителем электроэнергии.
Осуществление полезной модели
В примере реализации заявленного транспортного средства (укладочный кран) 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);
- преобразователи напряжения постоянного тока в стабилизированное постоянное и переменное напряжение для питания бортовых и внешних потребителей (5);
- контроллер верхнего уровня (КВУ) (6) для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления и отображения информации, с КСП блоков 3 и 4, преобразователями напряжения 5 и с пультом управления краном (ПУКр) (7), предназначенным для управления приводами подъема (8) и перемещения (9) траверсы крана;
- комплект системы охлаждения БСЭ (10).
- буферный накопитель (БН) энергии на базе суперконденсаторов (11).
Вышеуказанные элементы установлены и закреплены относительно несущей части транспортного средства.
В указанном КТЭО использована жидкостная система охлаждения БСЭ.
Особенностью укладочного крана является наличие системы управления (СУ) рабочими органами (механизмами), установленными на транспортном средстве. СУ реализована на электроприводах крана на основе асинхронных двигателей, силовых преобразователей с векторным управлением.
СУ краном включает: силовые преобразователи, сетевые дроссели, систему контроля температуры двигателей и силовых преобразователей, коммутационную пускозащитную аппаратуру, тормозные резисторы, дистанционный пульт управления.
СУ крана исключает:
- самопроизвольный запуск электродвигателей после восстановления напряжения в питающей сети крана;
- запуск электродвигателей по нештатной схеме;
- запуск электродвигателей контактами предохранительных устройств (контактами концевых выключателей и блокировочных устройств).
Она обеспечивает следующие виды защит:
- защита от падения груза при обрыве любой из трех фаз питающей электрической сети;
- защита от перегрева двигателей и преобразователей.
Она обеспечивает:
- работу с асинхронными двигателями крана;
- обеспечение плавного разгона/торможения, подъема/спуска и перемещения тележки;
- настройку времени разгона/торможения;
- наложение тормоза при остановленном двигателе;
- аварийный останов (мгновенное наложение тормоза);
- автоматический останов грузозахватного органа в крайних положениях (при наличии концевых выключателей).
Привод транспортного средства при совместной работе с ДВС обеспечивает тяговые режимы работы (движение передним и задним ходом),
Привод транспортного средства 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 тягового привода крана;
- просмотра, анализа, контроля и программирования параметров привода в целом посредством работы с внешней ПЭВМ, программно-аппаратно сопряженной с КВУ и реализующей функции сервисной вычислительной системы (СВС).
Привод дополнительно обеспечивает следующие возможности:
- использование на тягу полной свободной мощности ДВС;
- стабилизация текущего значения скорости крана при тяге.
Особенностями предлагаемой полезной модели являются:
- возможность раздельного и совместного управления ДВС,
- 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 известными конструкциями специальных транспортных средств (например, известными укладочными кранами серии УК), применение предлагаемого привода позволило получить ряд преимуществ.
В известной модели укладочного крана (УК-25/25) с двумя ДВС и двумя синхронными генераторами, ДВС вынуждены работать на постоянной частоте (1500 об/мин), на которой с них снимается не полная мощность и на которой не минимизировано потребление топлива.
В отличие от этого, в предлагаемой модели используются два ДВС, которые могут работать как отдельно, так и вместе. При применении ТАГ обеспечивается оптимальное управление ДВС в режиме максимальной топливной эффективности во всех режимах работы крана и на 20% повышается отдаваемая ДВС мощность.
Особенности полезной модели в данном случае по сравнению с обычным вариантом такого крана обеспечивают повышение эффективности (экономичности работы) ДВС с повышением их КПД за счет возможности работы крана на остановке только от одного ДВС, функционирующего в режиме максимальной топливной эффективности при управлении КВУ всеми контроллерами (ДВС и СП электромашин).
Асинхронный электропривод характеризуется эффективным преобразованием электрической энергии в механическую, что в свою очередь позволило увеличить эффективность передачи энергии от первичного источника (ДВС) до движителей.
Электропривод обеспечил снижение расхода топлива на единицу выполненной работы, за счет более эффективного и бесступенчатого регулирования скорости тяговых асинхронных электрических машин транспортного средства (в отличие от ступенчатого регулирования скорости у обычных транспортных средств, 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.
Преимущество в эффективности (КПД) работы приводов подъема и перемещения крана достигнуто реализацией векторного управления электроприводами, которое существенно экономичнее простого контакторного управления и позволяет точно адаптировать мощность, потребляемую приводами крана к потребностям (тогда как при контакторном управлении мощность приводов не регулируется и определена только параметрами двигателей и бортовой силовой сети).
Особенности предлагаемого крана также обеспечивают повышение эффективности работы тягового оборудования за счет компрессионного торможения ДВС, которое реализовано посредством СП ТАГ.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение надежности работы как тягового электрооборудования, так и рабочего механизма (крана) благодаря наличию нескольких первичных источников электроэнергии (ДВС) и возможностей реализации быстродействующих защит приводов крана на основе СУ.
Применение в качестве приводов крана асинхронных электромашин позволило исключить в несколько раз превышающие номинальные токи пусковые токи рабочих электроприводов крана, которые отрицательно влияют как на сами приводы, так и на остальное электрооборудование, в частности на ДВС, что благоприятно сказывается на надежности системы в целом и повышении ее КПД.
Достигается повышение надежности и высокого КПД рабочих электроприводов за счет улучшения механического режима (плавное изменение потребляемых токов обеспечивает плавные пуски-остановки, изменения моментов на валу, исключение резких перепадов момента, которые отрицательно влияют на подшипники, валы, уплотнения, механические приводы лебедок и т.д.) и за счет улучшения теплового режима (исключение пусковых токов приводит к меньшему перегреву электрооборудования, повышению ресурса изоляции и т.п.).
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 крана в целом и ДВС в частности 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), также увеличивает надежность всей системы в целом при отказе одного или нескольких тяговых двигателей.
За счет применения электропривода вспомогательных систем (электропривод рабочих механизмов) 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 КЗ (сквозных токов), перенапряжений, помех и т.п.,
- реализации функций анализа параметров тягового и вспомогательного привода в реальном времени с возможностью быстродействующих зашит (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.
Указанный накопитель позволяет сохранить рекуперированную энергию, для ее последующего использования для другой полезной работы. Таким образом, повышается эффективность привода в целом, обеспечивается до 30% экономия топлива при работе ДВС.
Наличие накопителя энергии позволяет запасать в нем энергию торможения транспортного средства при движении, для последующего ее использования на следующих циклах трогания и разгона, что обеспечивает дополнительную экономию топлива и повышение КПД привода.
Ввиду циклического режима работы крана, указанный накопитель позволяет также сохранить рекуперированную энергию опускания траверса с грузом, для ее последующего использования при подъеме груза или для другой полезной работы. При этом возможно выполнение части операций при полностью отключенных ДВС и ТАГ, например, если траверса поднимается без груза. Таким образом, повышается эффективность всего крана в целом, обеспечивается до 30% экономия топлива при работе крана по сравнению с существующим краном.
Наличие накопителя энергии позволяет при помощи него сглаживать перенапряжения, которые могут возникать в бортовой сети транспортного средства в том числе и при опускании груза (переходе всех электромашин в режим генерирования мощности), что позволяет повысить надежность всех СП, связанных со звеном постоянного тока и электродвигателей привода крана.
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.