ДВУХОСНАЯ АВТОМОТРИСА С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ

Настоящая полезная модель относится к транспортным средствам, преимущественно рельсовым (например: дрезина, автомотриса грузовая, пассажирская, инспекционная и пр.).
Многие транспортные средства такого типа, в частности рельсовые, оснащаются механической, гидромеханической и реже - электромеханической трансмиссией с приводом постоянного тока. Такие трансмиссии, наряду с достоинствами, имеют ряд существенных недостатков, таких как недостаточная надежность, невысокая ремонтопригодность, относительно низкая эффективность (КПД), большие затраты на обслуживание и ремонт.
Из уровня техники известен локомотив (RU 2529245 26.02.2013), содержащий несущую главную раму, опирающуюся на две колесные пары. Силовое оборудование расположено под рамой, где расположен энергетический модуль, регулирующая аппаратура, холодильник, выхлопная и воздушная системы, а в торцевых частях под несущей главной рамой находятся системы жизнеобеспечения локомотива. Силовое оборудование состоит из углеводородного двигателя внутреннего сгорания, соединенного с гидромеханической передачей, и системы карданных валов, передающих крутящий момент через реверсивную коробку и раздаточный редуктор к осевым редукторам колесных пар. Система жизнеобеспечения локомотива состоит из пневматической системы, системы автоматики, электрооборудования, системы управления, контроля и диагностики.
Недостатком данной конструкции является использование гидромеханической трансмиссии, имеющей меньшую надежность и долговечность в сравнении с электромеханической, относительно высокий расход топлива, а наличие жесткой кинематической связи с ходовой частью, что уменьшает ресурс дизельного двигателя.
Из уровня техники известно транспортное средство (RU 2550408 12.03.2014), 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 всех из них для путевой техники тяговых 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 вследствие наличия быстроизнашеваемого и конструктивно низко отказоустойчивого щеточно-коллекторного узла. Данная проблема приводит к тому, что во многих применениях, подобные электромашины стремятся заменить на более надежные бесколлекторные машины переменного тока, наиболее надежной из которой является асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. Современный уровень развития электромашиностроения, силовой, частотной и управляющей электроники позволяет создавать тяговые и вспомогательные электроприводы транспортных средств на основе асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, обладающие высоким КПД (эффективностью), надежностью, ремонтопригодностью, ресурсом и управляемостью. Второй недостаток - применение синхронного генератора, который работает на фиксированной частоте вращения ДВС. Известно, что эксплуатация путевой железнодорожной техники характеризуется работой в широком диапазоне скоростей движения, тяговых усилий и мощностей, для которых работа ДВС на фиксированной частоте вращения приводит к существенному увеличению расхода топлива и повышенному выбросу токчисных отработавших газов в окружающую среду.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении надежности и ресурса автомотрисы и, соответственно, увеличении межремонтных интервалов.
Заявленный технический результат достигается путем создания двухосной автомотрисы с электромеханической трансмиссией, содержащей несущую часть относительно которой установлены органы управления автомотрисой и ее оборудованием, вспомогательные приводные элементы, силовая установка в составе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и соединенного с ним асинхронного мотор-генератора (АМГ), два тяговых асинхронных двигателя (ТАД), блок силовой электроники (БСЭ), включающий силовые преобразователи, выполненные на основе интеллектуальных интегральных IGBT-модулей, электронные контроллеры преобразователей, реализующие адаптивные согласующие алгоритмы управления асинхронным мотор-генератором и тяговыми асинхронными двигателями, системы жидкостного охлаждения асинхронного мотор-генератора и блока силовой электроники, контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления тягой, торможением и потоками мощности, связанный с органами управления и отображения в кабине автомотрисы, с контроллерами силовых преобразователей в блоке силовой электроники и контроллером ДВС, вспомогательная электрическая система питания потребителей автомотрисы, а также содержащая каналы для передачи и получения управляющих и информационных электрических сигналов между КВУ, ДВС, АМГ, ТАД, БСЭ и элементами управляющей электроники, причем тяговые асинхронные двигатели установлены на раме автомотрисы так, что вращение валов этих электрических машин при движении автомотрисы разнонаправлено, при этом каждый тяговый асинхронный двигатель управляется от индивидуального силового преобразователя и соединен посредством карданного вала с соответствующим ему редуктором колесной пары.
Интеллектуальные интегральные силовые преобразователи выполнены на базе SiC (карбид кремния) модулей.
Вспомогательная электрическая система питания потребителей выполнена с возможностью подключения к ней внешнего накопителя энергии.
Накопитель энергии представляет собой химический источник тока на основе суперконденсаторов.
Накопитель энергии представляет собой накопитель на батареях.
ДВС представляет собой дизельный двигатель или двигатель на газомоторном топливе.
Совокупность указанных выше признаков направлена на повышение надежности работы автомотрисы и, соответственно, увеличение межремонтных интервалов и общего ресурса.
На фиг. 1 представлен общий вид компоновки электромеханической трансмиссии автомотрисы.
На фиг. 2 представлена общая архитектура электромеханической трансмиссии автомотрисы.
В примере реализации (см. фиг. 1 и 2) заявленного транспортного средства (автомотриса) применен комплект тягово-энергетического оборудования (КТЭО) электромеханической трансмиссии переменно-переменного тока, который включает в себя:
асинхронный мотор-генератор (АМГ) (1);
два тяговых асинхронных электродвигателя (ТАД) (2.1 и 2.2);
блок силовой электроники (БСЭ) (3) с силовыми преобразователями (СП) (4.1, 4.2 и 4.3) для питания АМГ и двух ТАД, с контроллерами силовых преобразователей (КСП), платой предзаряда (ППЗ) и датчиком тока утечки (ДТУ);
преобразователь напряжения для питания внешних потребителей (DC/АС) (5);
преобразователь напряжения для подзаряда аккумуляторной батареи автомотрисы (DC/DC) (6);
контроллер верхнего уровня (КВУ) (7) для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления и отображения информации (10) и контроллером (9) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (8) автомотрисы;
пульт аварийного управления (ПАУ) (11) для обеспечения управления и контроля движением автомотрисы через КТЭО при отказах отдельных компонентов КТЭО или автоматизированной системы управления и контроля (АСКУ) (12);
блоков систем охлаждения (СОх) АМГ и БСЭ АМГ (13.1 и 13.2);
сервисная вычислительная система (СВС) (14).
карданные валы (16.1 и 16.2).
Для связи и передачи сигналов между элементами КТЭО использована стандартная мультиплексная шина информационного обмена по протоколу CAN, которая широко применяется в транспортных средствах.
Электромеханическая трансмиссия транспортного средства при совместной работе с ДВС обеспечивает следующие режимы работы автомотрисы:
тяговые (движение передним и задним ходом; режим рабочего (тихого) хода со скоростью до 5 км/ч);
буксировки внешним транспортным средством с питанием привода автомотрисы от аккумуляторной батареи транспортного средства (АБ);
буксировки внешним транспортным средством без питания привода мотовоза от АБ;
движение со скоростью до 100 км/час (бесступенчато);
стабилизацию текущего значения скорости при тяге, в том числе и на малых скоростях.
КТЭО ЭМТ обеспечивает:
защиту в аварийных режимах (перегрев СП (4.1-4.3), обмоток и подшипников АМГ и ТАД; ухудшение изоляции токоведущих частей; перегрузки по току и напряжению);
диагностику составных частей трансмиссии и мотовоза;
просмотр оператором, анализ, контроль и программирование параметров КТЭО посредством работы с внешней ЭВМ (компьютером), программно - аппаратно сопряженной с КВУ и реализующей функции сервисной вычислительной системы (СВС) (14).
Особенностями предлагаемой полезной модели являются:
применение многодвигательного тягового электропривода на основе высокоэффективных асинхронных электрических машин с индивидуальным (поосным) управлением;
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 электроприводом с применением современных комплексных векторных алгоритмов управления электроприводом.
Применение предлагаемого привода позволило получить ряд преимуществ.
Асинхронный электропривод характеризуется эффективным преобразованием электрической энергии в механическую, что в свою очередь позволило увеличить эффективность передачи энергии от первичного источника (ДВС) до движителей при одновременном достижении высокого параметра надежности привода в целом, так как именно асинхронные электрические машины в сравнении с иными конструкциями электрических машин (например: синхронных) имеют более надежную конструкцию.
Ввиду отсутствия механической связи между двигателем внутреннего сгорания и движителями, а также за счет более эффективного и бесступенчатого регулирования скорости тяговых асинхронных электрических машин автомотрисы удалось снизить нагрузку на ДВС (одновременно снизился показатель расхода топлива на единицу выполненной работы), что повысило надежность привода в целом и, соответственно, увеличило межремонтный интервал.
Преимущества применения асинхронных мотор-генераторов в составе КТЭО ЭМТ:
АМГ через муфту гашения крутильных колебаний (15) присоединяется к ДВС. 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 машина двунаправленная, может работать как генератор в режиме тяги и как электродвигатель:
в режиме запуска ДВС от КТЭО, обеспечивая режим старт-стоп для экономии топлива при работе автомотрисы, особенно в циклических режимах ее работы:
в режиме компрессионного торможения ДВС.
АМГ с двунаправленным силовым преобразователем (СП) позволяет получать любой уровень напряжения на выходе СП вне зависимости от частоты вращения ДВС (в синхронных генераторах напряжение пропорционально частоте вращения). Этим обеспечивается регулирование ДВС в режиме максимальной топливной эффективности (минимум потребления топлива) во всем диапазоне мощностей и частот вращения ДВС, что снижает нагрузку на ДВС и повышает надежность привода в целом.
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.
Кроме того, преимущество в надежности 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 автомотрисы и ДВС за счет возможности плавного регулирования его момента.
Индивидуальное управление каждого ТАД (2.1 и 2.2) от своего преобразователя (4.2 и 4.3) (поосное регулирование) обеспечивает более эффективное распределение тягового момента по осям. Это позволяет исключить буксование, повысить эффективность расходования энергии в режимах, когда требуется перераспределение момента и/или его регулирование, например при поворотах, торможении, получить оптимальное распределение нагрузок между колесно-моторными блоками, получить и поддерживать максимально возможное реализуемое усилие автомотрисы на заданном уровне, снизить расход песка на подсыпку, уменьшить износ бандажей колесных пар, улучшить использование тяговой мощности для эффективного использования сцепного веса, повысить надежность работы ТАД и силовых преобразователей за счет оптимального распределения нагрузки между ТАД, которые могут иметь место при групповом управлении. В целом подобная схема трансмиссии позволяет обеспечить высокую надежность привода.
Использование многодвигательной (распределенной) системы тягового привода (индивидуальный привод на каждую ведущую ось транспортного средства) по сравнению с центральным приводом, применяемым на обычных мотовозах, также увеличивает надежность всей системы в целом при отказе одного или нескольких тяговых двигателей.
За счет применения электропривода вспомогательных систем 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, ресурс и надежность подобных систем.
Применение цифровых систем управления позволило реализовать комплексные эффективные адаптивные 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 и контроль за планово-предупредительными работами по всем системам.
Применение современных модульных электронных компонентов силовой (IGBT) и управляющей электроники электропривода в совокупности с современной комплексной векторной 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 (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 адаптивного векторного управления,
электроприводом также позволило повысить надежность, ресурс 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 схемотехнического подавления возможных опасных коротких замыканий (сквозных токов), перенапряжений, помех и т.п.,
реализации функций анализа параметров тягового и вспомогательного электропривода в реальном времени с возможностью быстродействующих защит (реакция систем адаптивного векторного управления выше, чем у традиционных систем частотного управления и других подобных).
В заявленном устройстве применены элементы силовой и управляющей электроники, включающие силовые преобразователи на интегральных интеллектуальных силовых модулях, имеющих жидкостное охлаждение. Указанные элементы обладают относительно высоким КПД, а узел жидкостного охлаждения эффективно обеспечивает стабильную температуру электронных компонентов модулей, что также способствует повышению КПД модулей при одновременном повышении их надежности за счет исключения перегрева, в том числе локального.
Применение жидкостного охлаждения на АМГ позволяет увеличить надежность и ресурс привода за счет более эффективного отвода тепла по сравнению с традиционным воздушным охлаждением, которое к тому же зависит от качества воздуха и требует дополнительного сервисного обслуживания по удалению пыли с охлаждаемых поверхностей.
Надежность привода также обеспечивается применяемой схемой установки ТАД на раме автомотрисы и схемой передачи крутящего момента колесным парам. Указанное конструктивное размещение ТАД на раме и передача от них крутящего момента через карданный вал значительно снижает воздействие на ТАД со стороны рельс (биение, сильная вибрация и т.д.). Кроме того, компоновка ТАД предполагает также и размещение узлов управляющей и силовой электроники так, чтобы подключения ТАД были максимально надежны за счет уменьшения протяженности электрических связей и, соответственно, оптимальным позиционированием ТАД на раме друг относительно друга. При выборе схемы с вращением валов электрических машин при движении автомотрисы разнонаправлено обеспечивается возможность размещения их на раме достаточно компактно, что позволяет минимизировать протяженность электрических связей между ТАД и БСЭ.
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.