Электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока с поосным регулированием для маневрового тепловоза

Настоящая полезная модель относится к транспорту, преимущественно рельсовому. Полезная модель может быть использована для модернизации существующего парка рельсовых транспортных средств с заменой гидравлической, механической трансмиссии на электромеханическую.
Многие рельсовые транспортные средства оснащаются механической, гидромеханической трансмиссией. Такие трансмиссии имеют ряд недостатков, таких как недостаточная надежность, невысокая ремонтопригодность, большие затраты на обслуживание и ремонт, тогда как электромеханическая трансмиссия имеет хорошую управляемость, высокую ремонтопригодность, удобство эксплуатации, высокий КПД.
Из уровня техники известен опытный тепловоз ТЭМ12 (Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорого Советского Союза (1976-1985 гг). - М.: Транспорт, 1990 г.), содержащий электрическую передачу с групповым приводом колесных пар. Тепловоз содержит генератор, питающий два тяговых двигателя постоянного тока, подвешенных к главной раме. Валы электродвигателей соединены между собой и связаны с карданными валами, которые соединены с осевыми редукторами. Недостатками данного транспортного средства являются использование одного генератора, групповое регулирование тяговых двигателей и использование двигателей постоянного тока, отличающихся более низким КПД, по сравнению с двигателями переменного тока, что приводит к меньшей эффективности привода, невысокой ремонтопригодности.
Из уровня техники известна путевая машина (RU 160327 от 14.10.2015) и транспортное средство (мотовоз) (RU 168211 от 25.04.2016), содержащая несущую раму, опирающуюся на ходовые части, установленные на раме кабину, силовое и вспомогательное оборудование, расположенное в подрамной части, и оборудованная электромеханической трансмиссией с асинхронным генератором и асинхронными тяговыми двигателями, крутящий момент с которых передается на каждую колесную пару через осевой редуктор. Управление тяговым электрооборудованием осуществляется через блок силовой электроники тяговых электродвигателей. Недостатками данного технического решения является использование одного двигателя внутреннего сгорания и одного асинхронного генератора, что оптимально для путевой машины, но при использовании в маневровом тепловозе приводит к увеличенному расходу топлива.
Из уровня техники известна электромеханическая трансмиссия переменного-переменного тока маневрового тепловоза (RU 201827 от 19.08.2020 г.), содержащая два асинхронных мотора-генератора, каждый из которых соединен со своим двигателем внутреннего сгорания, два тяговых асинхронных двигателя, системы охлаждения тяговых асинхронных двигателей и генераторов, систему управления, включающую в себя модули силовой электроники тяговых двигателей и генераторов, содержащие силовые преобразователи, выполненные на основе интеллектуальных интегральных IGBT-модулей, контроллеры преобразователей, реализующих алгоритмы цифрового управления тяговыми асинхронными двигателя и генераторами, и системы их охлаждения, контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, который связан с органами управления и отображения информации в кабине тепловоза, контроллерами силовых преобразователей и двигателей внутреннего сгорания, электрическую схему питания потребителей электроэнергии. Тяговые асинхронные двигатели соединены с движителями непосредственно и управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты, а асинхронные моторы-генераторы управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты.
Выбираем данное техническое решение за прототип, как наиболее близкое в предлагаемой полезной модели по технической сущности.
Недостатком данного технического решения является потележечное регулирование, при котором тяговое усилие от одного электродвигателя передается на две колесные пары. При разных сцеплениях колесных пар на одной тележке возможны проскальзывания при тяге и торможении. При применении индивидуального управления колесными парами (поосное регулирование) достигается оптимальное перераспределение нагрузок между колесно-моторными блоками, обеспечивается максимально возможное реализуемое тяговое усилие транспортного средства на заданном уровне, снижается расход песка на подсыпку, исключается буксование (юз), уменьшается износ бандажей колесных пар, улучшается использование тяговой мощности для эффективного использования сцепного веса.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности (КПД) привода маневрового тепловоза, улучшение управляемости привода, экономия топлива, снижение эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что электромеханическая трансмиссия переменного-переменного тока с поосным регулированием для маневрового тепловозасодержит четыре тяговых асинхронных двигателя, соединенных с колесными парами непосредственно, элементы силовой и управляющей электроники, два двигателя внутреннего сгорания и соединенные с ними через муфту гашения крутильных колебаний два асинхронных мотора-генератора, каждый из которых управляется от индивидуального силового преобразователя, системы охлаждения элементов силовой и управляющей электроники и элементов тягового привода,контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления маневровым тепловозом и отображения информации и элементами управляющей электроники, электрическую схему питания потребителей электроэнергии. Контроллер верхнего уровня выполнен с возможностью управления включением в работу двигателей внутреннего сгорания в зависимости от условий движения и задания водителя посредством системы управления маневровым тепловозом. Тяговые асинхронные двигатели, представляющие собой высокомоментные, многополюсные низкооборотные электрические машины, передают крутящий момент на каждую колесную пару транспортного и управляются, каждый, от индивидуального силового преобразователя. Цифровые системы управления, тяговые асинхронные генераторы и тяговые асинхронные двигатели, силовые преобразователи, выполненные на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение взаимосвязаны с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов. В качестве дополнительной опции возможно подключение накопителя энергии, подключаемого непосредственно на шину постоянного тока.
На фиг. 1 приведена структурная схема комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) для маневрового тепловоза с поосным асинхронным электроприводом:
два двигателя внутреннего сгорания ДВС1 и ДВС2 (1.1 и 1.2);
два асинхронных мотора-генератора АМГ1 и АМГ2 (2.1 и 2.2);
два блока силовой электроники асинхронных моторов-генераторов БСЭАМГ(3.1 и 3.2);
мотор-компрессор (4);
комплект систем жидкостного охлаждения СОх БСЭ и СОХ АМГ 1,2 (5.1 и 5.2);
четыре блока силовой электроники тяговых асинхронных двигателей БСЭ ТАД 1, БСЭ ТАД 2, БСЭ ТАД 3, БСЭ ТАД 4 (6.1, 6.2, 6.3, 6.4);
четыре тяговых асинхронных двигателя ТАД 1, ТАД 2, ТАД 3, ТАД 4 (7.1, 7.2, 7.3,7.4);
контроллер верхнего уровня КВУ (8),
два контроллера двигателей внутреннего сгорания, контроллер ДВС1 (9.1) и контроллер ДВС2 (9.2);
пульты управления (10);
сервисная вычислительная система (СВС), содержащая программное обеспечение для сопровождения, наладки и диагностики ошибок с возможностью сохранения и отображения аварийных логов, для последующего анализа причин неисправностей (11);
блок накопителей энергии (12).
Для связи и передачи сигналов между элементами тягового электрического оборудования использована стандартная шина CAN.
На фиг. 2 приведена тяговая характеристика маневрового тепловоза с поосным регулированием.
Для определения параметров всех компонентов КТЭО и ДВС были проведены тягово-динамические расчета для реализации технических требований к маневровому тепловозу. Из характеристик видно, что на скоростях ниже 10 км/ч тепловоз реализует большую силу тяги, при меньшей скорости ДВС. При трогании с места сила тяги составляет около 350 kN. Переход на длительный режим происходит при скорости около 10 км/ч (сила тяги около 230 kN), что считается нормой для маневровой машины. Асинхронный привод с поосным регулированием обеспечивает постоянство мощности во всем диапазоне значений скорости.
Двигатели внутреннего сгорания ДВС1 и ДВС2 (1.1 и 1.2) приводят в движение каждый свой асинхронный мотор-генератор АМГ1 и АМГ2 (2.1 и 2.2), которые вырабатывают переменный ток, поступающий затем на блоки силовой электроники АМП и АМГ2 (3.1 и 3.2), которые, в свою очередь, обеспечивают питание постоянным током мотора-компрессора (4), систем (5.1) охлаждения ТАД и БСЭ ТАД, а БСЭ ТАД (6.1, 6.2, 6.3, 6.4), преобразуя постоянный ток в переменный, передают его на ТАД (7.1, 7.2, 7.3, 7.4), которые, в свою очередь, приводят в движение колесные пары, причем ТАД1 (7.1) и ТАД2 (7.2) работают на каждую колесную пару передней тележки транспортного средства и управляются соответственно БСЭ ТАД1 (6.1) и БСЭ ТАД2 (6.2), а ТАД3 (7.3) и ТАД4 (7.4) работают на каждую колесную пару задней тележки и управляются соответственно БСЭ ТАД3 (6.3) и БСЭ ТАД4 (6.4). Контроллер (8) верхнего уровня (КВУ) предназначен для управления потоками мощности и тягой и осуществляет согласованное управление всеми устройствами, входящими в состав комплекта тягового электрооборудования. Так КВУ (8) передает в контроллер (9.1) ДВС1 и контроллер (9.2) ДВС2 задания требуемых скоростей вращения ДВС1 (1.1) и ДВС2 (1.2), ведет запись состояния всех органов управления, исполнительных устройств, считывает и записывает аварийные логии, которые, в свою очередь, могут быть переписаны в СВС (11) для дальнейшего анализа причин неисправности.
Асинхронный тяговый привод обеспечивает тяговый режим работы маневрового тепловоза и режим электрического торможения и выполнен с возможностью защиты в аварийных режимах от перегрева обмоток и подшипников АМГ (2.1 и 2.2) и ТАД (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) от перегрузок по току, напряжению, от ухудшения изоляции токоведущих частей, а также обеспечивают диагностику, анализ и контроль параметров работы тягового электрооборудования. В варианте реализации предполагаемой полезной модели с блоком накопителей энергии компрессионное торможение реализуется при полном заряде блока накопителей энергии (12).
Особенностями предлагаемой полезной модели являются применение многодвигательного тягового электропривода на основе высокомоментных, низкооборотных многополюсных тяговых асинхронных двигателей с поосным управлением, применение асинхронного электропривода вспомогательных систем транспортного средства, применение цифровых систем управления, современных электронных компонентов силовой и управляющей электроники.
Асинхронный электропривод характеризуется эффективным преобразованием электрической энергии в механическую, что позволяет увеличить эффективность передачи энергии от первичного источника до движителей, при этом достигается высокая надежность привода в целом, так как асинхронные электрические машины имеют более надежную конструкцию, по сравнению, например с синхронными электрическими машинами.
Применение асинхронных моторов-генераторов (2.1 и 2.2) имеет следующие преимущества: асинхронный мотор-генератор через муфту гашения крутильных колебаний присоединяется к двигателю внутреннего сгорания по SAE1, SAE2. Момент инерции ротора асинхронной машины меньше, чем у синхронных генераторов, за счет чего обеспечивается меньшее возмущение на вал ДВС и лучшая динамика управления ДВС. Асинхронная электрическая машина двунаправленная и может работать как генератор в режиме тяги и как электродвигатель в режиме запуска ДВС от тягового электрооборудования, обеспечивая режим старт-стоп для экономии топлива в транспортном средстве, работающем в циклическом режиме (маневровые тепловозы, гибридные автобусы, строительно-дорожная и лесная техника и пр.) и в режиме торможения через ДВС (компрессионное торможение). АМГ с двунаправленном преобразователем частоты позволяет получать любой уровень напряжения на выходе преобразователя частоты вне зависимости от частоты вращения ДВС, тогда как в синхронных генераторах напряжение пропорционально частоте вращения. Этим обеспечивается регулирование ДВС в режиме максимальной топливной эффективности во всем диапазоне мощностей и частот вращения ДВС. Внешняя характеристика АМГ с преобразователем частоты с векторным управлением жесткая, позволяющая регулировать и стабилизировать выходное напряжение преобразователя частоты с хорошей динамикой регулирования по заданию и возмущениям.
Поосное регулирование каждого ТАД (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) от своего силового преобразователя позволяе: получить оптимальное перераспределение нагрузок между колесно-моторными блоками; получить и поддерживать максимально возможно реализуемое тяговое усилие транспортного средства на заданном уровне; снизить расход песка на подспыку; практически исключить буксование (юз); уменьшить износ бандажей колесных пар; улучшить использование тяговой мощности для эффективного использования сцепного веса; повысить надежность работы ТАД и силовых преобразователей за счет исключения перетоков между ТАД, которые могут быть при групповом управлении.
При частичной или полной потере сцепления одной колесной пары (или нескольких колесных пар) индивидуальным силовым преобразователем снижается момент на ТАД буксующей колесной пары (или нескольких колесных пар), а на всех остальных момент сохраняется или может даже увеличиться (без буксования этой пары) для сохранения суммарной силы тяги маневрового тепловоза.
Использование многодвигательного асинхронного тягового привода увеличивает надежность всей системы в целом при отказе одного или нескольких тяговых двигателей.
Применение асинхронного электропривода вспомогательных систем увеличивает КПД и соответственно повышает эффективность преобразования энергии для вспомогательных систем.
Применение современных цифровых систем управления обеспечило реализацию комплексных эффективных адаптивных алгоритмов управления, что в свою очередь повысило КПД привода в целом, а также позволило реализовать режимы самодиагностики всех элементов привода с целью предотвращения аварийных ситуаций.
Применение современных модульных компонентов силовой и управляющей электроники в совокупности с современной системой управления позволило повысить надежность работы привода за счет повышения быстродействия системы управления тяговыми и вспомогательными приводами, которая максимально быстро адаптирует потребление ими мощности к требованиям нагрузки, тем самым снижая потери при регулировании, при переходе на холостой ход; уменьшения потерь в силовых ключах силовых преобразователей, повышения эффективности систем охлаждения и других вспомогательных систем; оптимизации всей системы по потреблению тока.
Применение этих компонентов и цифрового управления электроприводом позволило также повысить надежность, ресурс и ремонтопригодность всей системы привода в целом за счет модульного исполнения компонентов электропривода и системы управления, наличия в IGBT-модулях встроенных систем защиты, реализации функций анализа параметров тягового и вспомогательного электропривода в реальном времени с возможностью защиты.
Добавление в электрическую схему привода накопителя электроэнергии (12) (например, на основе суперконденсаторов или батарей) позволяет сгладить нагрузку на силовую установку, рекуперировать энергию при торможении, за счет чего возрастает энергоэффективность маневрового тепловоза.
Реализация совокупности указанных выше признаков направлена на повышение эффективности (КПД) привода маневрового тепловоза с одновременной экономией топлива, улучшение управляемости привода, снижение эксплуатационных затрат.
Все элементы управления маневровым тепловозом, привода и силовой электроники связаны между собой по шине CAN с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов и составляют единое устройство.