ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО (МАНЕВРОВЫЙ ТЕПЛОВОЗ)

Область техники
Настоящая полезная модель относится к транспортному средству, преимущественно рельсовому (например: маневровый тепловоз, мотовоз, автомотриса и т.п.), а также может относиться и к колесным, гусеничным транспортным средствам (например: фронтальные погрузчики, многоосные тягачи, автокраны, бурильно-крановые машины и многие другие). Полезная модель может также быть использована для модернизации указанных транспортных средств с заменой механической или гидравлической трансмиссии на электромеханическую.
Уровень техники
Многие транспортные средства такого типа, в частности рельсовые, оснащаются механической или гидравлической 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.), высокий расход горюче-смазочных материалов (дизельное топливо, трансмиссионное и моторное масла).
Многие из известных транспортных средств (например, маневрово-вывозные локомотивы ТГМ-4, ТГМ-6, ТГМ-23 и т.п.) оснащаются гидравлическими трансмиссиями, которые в целом менее эффективны, чем электромеханические (см. например Теория и конструкция локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / под ред. Г.С. Михальченко. - М.: Маршрут, 2006, стр. 39, 44).
Преобразование энергии в гидропередачах приводит к повышенному расходу топлива тепловозом - примерно на 5% в среднем (см. например Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб. для техникумов / Под ред. В.Д. Кузьмича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1991, стр. 183). Кроме того, гидравлическим трансмиссиям присущ ряд недостатков: эффективность их сильно меняется при изменении скорости движения тепловоза, в них используют дорогие минеральные масла, которые должны отвечать целому ряду специальных требований (устойчивость к вспениванию и т.п.) (см. там же - стр. 182-191).
Указанные локомотивы с гидравлической трансмиссией оснащаются одним ДВС, рассчитанным на максимальную мощность, потребляемую лишь при работе локомотива с максимальной нагрузкой (см. там же - стр. 182-191).
Однако известно, что для условий эксплуатации например маневровых тепловозов характерна продолжительная работа силовой установки при небольшой нагрузке и на холостом ходу. Работа дизелей таких локомотивов на неустановившихся режимах и холостом ходу составляет 45-75% всего времени работы. По некоторым данным, маневровые тепловозы 67% работают на холостом ходу и до 30% времени - на переходных и частичных режимах (см. Щуров Н.И., Гурова Е.Г., Макаров С.В., Стрельникова Д.М. Анализ режимов работы силовых установок маневровых тепловозов // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №3). Более того, время работы маневровых локомотивов на холостом ходу достигает в среднем 78% на вывозной работе (с грузовыми составами), 96% на хозяйственной работе, 70% на маневровой работе (вытяжке) (см. там же).
В таких условиях оснащение локомотива одним ДВС делает его работу крайне неэффективной, приводя к большому перерасходу топлива. Отключение ДВС, рассматриваемое как мера экономии топлива, не всегда возможно. Например, оно может быть невозможно при отрицательных температурах и при малых, но ненулевых нагрузках.
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, что такие электромашины относительно ненадежны, а их КПД ниже, чем у машин переменного тока. Сейчас во многих применениях такие электромашины стремятся заменить на более надежные и эффективные машины переменного тока, наиболее надежной и эффективной 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.
Известное транспортное средство с электромеханической трансмиссией оснащается одним ДВС, что связано с описанными выше проблемами неэффективности на типичных режимах работы с частичной нагрузкой или на холостом ходу, с перерасходом топлива.
Из уровня техники также известен гибридный электровоз (см. US 2013152815 А1, 20.06.2013), включающий электродвигатели, несколько двигателей внутреннего сгорания, блоки управления силовым приводом и компонентами силового привода, цепь передачи данных, силовые цепи для передачи электроэнергии.
Однако, привод известного гибридного электровоза не позволяет обеспечить значительное повышение эффективности (КПД) привода, поскольку отсутствуют элементы и электрическая схема, обеспечивающие оптимальное распределение потоков мощности.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении эффективности (КПД) привода транспортного средства с одновременной экономией топлива.
Заявленный технический результат достигается путем создания транспортного средства, содержащего несущую часть с установленными на ней посредством элементов крепления системой управления транспортным средством и его оборудованием, тяговым асинхронным электродвигателем, вспомогательными приводными элементами, элементами силовой и управляющей электроники, двумя двигателями внутреннего сгорания, системами охлаждения элементов силовой и управляющей электроники и элементов тягового привода, контроллером верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанным с системой управления транспортным средством и отображения информации и элементами управляющей электроники, электрической схемой питания потребителей электроэнергии, причем каждый из двух двигателей внутреннего сгорания механически соединен со своим тяговым асинхронным генератором, а тяговый асинхронный электродвигатель соединен через редукторы с движителями, причем контроллер верхнего уровня выполнен с возможностью управления включением в работу двигателей внутреннего сгорания в зависимости от условий движения и задания водителя посредством системы управления транспортным средством, 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, которые выполнены на основе контроллеров для цифрового алгоритмического управления тяговыми асинхронными генераторами и двигателями, и для управления бортовыми потребителями, причем цифровые системы управления, тяговые асинхронные генераторы и тяговый асинхронный двигатель, вспомогательные приводные элементы, тяговые преобразователи на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение взаимосвязаны с возможность передачи управляющих и информационных сигналов.
В одном из вариантов выполнения управляющая электроника выполнена с возможностью реализации функции длительного поддержания режима работы транспортного средства на заданной фиксированной скорости движения с автоматическим обеспечением минимальных потоков мощности и минимального расхода топлива каждого ДВС, требуемых для поддержания заданного тягового усилия движителей, исходя из фактических условий движения транспортного средства.
Цифровое алгоритмическое управление тяговыми асинхронными генераторами и двигателями может быть реализовано посредством частотного регулирования или векторного управления.
В другом варианте выполнения электрическая схема питания потребителей электроэнергии содержит накопитель электроэнергии.
Накопитель может быть выполнен на суперконденсаторах или аккумуляторных батареях.
Совокупность указанных выше признаков направлена на повышение эффективности (КПД) привода транспортного средства с одновременной экономией топлива.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена общая архитектура электромеханического привода транспортного средства.
Осуществление полезной модели
В примере реализации заявленного транспортного средства (маневровый тепловоз) применен комплект тягово-энергетического оборудования (КТЭО) электромеханической трансмиссии переменно-переменного тока, который включает в себя:
- два тяговых асинхронных генератора (ТАГ) переменного тока (1);
- тяговый асинхронный электродвигатель (ТАД) (2);
- блоки силовой электроники (БСЭ) с двумя силовыми преобразователями (СП) для питания ТАГ (3) и одним для питания ТАД (4), каждый из которых управляется своим контроллером (m-cont);
- контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой (5), связанный с системой управления и отображения информации маневрового тепловоза;
- преобразователь напряжения (6) постоянно-постоянного тока для зарядки аккумуляторных батарей;
- преобразователь напряжения (7) для питания внешних потребителей (ПНВП);
- комплекты систем жидкостного охлаждения БСЭ и ТАГ (8) - 3 шт.;
- комплект системы воздушного охлаждения ТАД (9).
Вышеуказанные элементы установлены и закреплены относительно несущей части транспортного средства. Тяговые электромашины соединены электрически с соответствующими силовыми преобразователями через клеммные коробки (КК).
В указанном КТЭО использована жидкостная система охлаждения БСЭ и ТАГ и воздушная система охлаждения ТАД. 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 маневрового тепловоза:
- тяговые (движение передним и задним ходом),
- электрическое торможение.
Электрическое торможение может быть выполнено за счет передачи энергии на тормозной реостат. Вместо электрического или вместе с ним может быть реализовано компрессионное торможение с передачей энергии в ДВС (при этом ТАГ работают в двигательном режиме).
Привод маневрового тепловоза выполнен с возможностью обеспечения:
- защиты в аварийных режимах (перегрев СП, обмоток и подшипников ТАГ и ТАД; ухудшение изоляции токоведущих частей; перегрузки по току, напряжению, несимметрии фазных напряжений),
- диагностики составных частей привода тепловоза;
- 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 маневрового тепловоза дополнительно обеспечивает следующие возможности:
- использование на тягу полной свободной мощности ДВС;
- стабилизация текущего значения скорости тепловоза при тяге;
- инверторный пуск ДВС за счет энергии аккумуляторной батареи (ТАГ при этом выполняют функцию стартера, работая в двигательном режиме).
Особенностями предлагаемой полезной модели являются:
- применение двух ДВС с генераторами с возможностью отключения одного из них на частичных нагрузках тепловоза,
- применение в качестве тяговых генераторов и электропривода высокоэффективных асинхронных электрических машин,
- применение 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 системой цифрового алгоритмического управления электропривода.
По сравнению с обычной конструкцией маневровых тепловозов, применяемых на горнодобывающих, металлургических и т.п. предприятиях (например, модели ТМГ-4, ТМГ-6), применение предлагаемого привода позволило получить ряд преимуществ. В частности, обеспечено существенное повышение эффективности привода (КПД привода) с одновременной экономией горюче-смазочных материалов.
Применение двух ДВС меньшей мощности вместо традиционно применяемого одного большей мощности позволяет повысить эффективность (КПД) электромеханического привода транспортного средства с одновременной экономией топлива на частичных режимах работы, которые занимают значительную часть времени работы подобных транспортных средств. На частичных нагрузках возможна остановка одного ДВС, что обеспечивает экономию топлива и, соответственно, эффективность (КПД) электромеханического привода. Кроме того, оставшийся в работе ДВС будет иметь нагрузку ближе к номинальной, что также обеспечивает его работу с большим КПД и меньшим расходом топлива.
Применение электромеханической трансмиссии взамен гидравлической (как на ТГМ-4, ТГМ-6, ТГМ-23 и т.п. маневрово-вывозных тепловозах) обеспечивает меньший расход топлива за счет более высокого КПД и лучшей регулируемости первой. Также электромеханическая трансмиссия исключает потребность в большом количестве трансмиссионного масла.
Асинхронные электрические машины в совокупности с современными силовыми преобразователями с цифровым алгоритмическим управлением характеризуются эффективным преобразованием энергии (электрической в механическую и наоборот), что в свою очередь позволило увеличить эффективность передачи энергии от первичных источников энергии (ДВС) до движителей и таким образом повысить КПД привода и снизить расход топлива.
Ввиду отсутствия механической связи между ДВС и движителями, удалось обеспечить оптимальный режим работы ДВС с максимально возможной эффективностью и со снижением расхода топлива на единицу выполненной работы. Повышению КПД и снижению расхода топлива способствует и более эффективное и бесступенчатое регулирование скорости тяговой асинхронной электрической машины (в отличие от ступенчатого регулирования скорости у обычных тепловозов, при котором ДВС часто работает в неоптимальном по расходу топлива режиме).
За счет применения электропривода вспомогательных систем удалось получить более высокий КПД привода, чем при механической (гидромеханической) передаче. Соответственно удается повысить эффективность преобразования энергии для вспомогательных систем, благодаря чему дополнительно снижен расход топлива.
Применение цифровых систем управления позволило реализовать эффективные алгоритмы цифрового управления (частотного, векторного), обеспечивающие возможность повышения КПД привода и существенную экономию топлива, особенно в режимах холостого хода и частичных нагрузок.
Применение современных модульных электронных компонентов силовой (IGBT) и управляющей электроники электропривода в совокупности с современной системой цифрового алгоритмического управления позволило повысить эффективность (КПД) привода и соответственно - снизить расход топлива. Это достигается 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).
В варианте исполнения транспортного средства с КТЭО система его управления может быть выполнена с возможностью реализации функции длительного поддержания режима работы (движения) ТС на заданной (фиксированной) скорости движения с автоматическим обеспечением минимальных потоков мощности и минимального расхода топлива ДВС, требуемых для поддержания заданного тягового усилия движителей, исходя из фактических условий движения ТС (функция «автопилота»). Поскольку ограничения скоростей движения рельсовых транспортных средств для различных видов маневровой работы на промышленных предприятиях (ГОК, металлургических комбинатов и т.п.) достаточно четко фиксированы руководящими документами, то функция «автопилота» позволит упростить работу оператора транспортного средства, исключая при этом лишние изменения режимов работы ТС (переходные процессы ДВС и электромашин), за счет чего достигается дополнительный рост эффективности привода и экономия топлива.
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 или аккумуляторных батарей.
Наличие накопителя энергии позволяет запасать в нем рекуперированную энергию торможения транспортного средства при движении (режим электрического торможения). Эта энергия в последующем используется на следующих циклах трогания и разгона, а также для другой полезной работы (например, инверторного пуска ДВС, работы с выключенным ДВС в цехах, тоннелях и т.п.), что обеспечивает рост эффективности привода и дополнительную экономию топлива (до 20%).
Следует отметить, что все перечисленные элементы управления транспортным средством, а также элементы привода и силовой электроники закреплены на несущей части транспортного средства, составляя в совокупности единое устройство (изделие), элементы которого находятся в конструктивной и функциональной взаимосвязи для обеспечения работоспособности всех узлов транспортного средства и достижения заявленного технического результата.