САМОХОДНАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ И СИСТЕМОЙ ОТБОРА МОЩНОСТИ
SELF-PROPELLED MACHINE WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION AND POWER TAKEOFF SYSTEM

Изобретение относится к тяговым и транспортным средствам с колесным, гусеничным, железнодорожным или комбинированным ходом, предназначенным для перемещения и обеспечения электрической энергией прицепных и навесных машин различного назначения, использующих при выполнении землеройных, строительных, сельскохозяйственных, транспортных и других работ, а также для обеспечения электрической энергией различных стационарных и передвижных объектов (мобильная электростанция). В частности, для транспортировки и укладки в траншею секций труб и сварки их стыков при строительстве трубопроводов, для перемещения и укладки секций железнодорожного пути при его строительстве или демонтаже, выполнения сельскохозяйственных работ в составе тракторного агрегата с электрифицированными активными рабочими органами и т.д.
Известен трактор, содержащий раму, колесную ходовую часть, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), механическую трансмиссию и сварочный генератор, смонтированный на раме трактора. Привод сварочного генератора выполнен в виде ускоряющей клиноременной передачи, присоединяемой с помощью карданного вала к валу отбора мощности ДВС трактора (CN 2386916 Y, B23K 9/06, 12.07.2000; RU 2208 U1, B23K 9/00, 16.06.1996).
Недостатком этой машины является повышенная сложность ее конструкции, обусловленная применением механической трансмиссии и ременной передачи с карданным валом, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью подключения к ней других потребителей электрической энергии кроме сварочного агрегата.
Известна также землеройно-транспортная машина с дополнительным рабочим оборудованием, включающая базовую машину, сменное рабочее оборудование, установленное на ее раме, гидросистему для подключения дополнительного оборудования, гидромотор и сварочный генератор. Гидромотор подключен к гидросистеме машины и связан с генератором через муфту (RU 2059767 C1, E02F 9/22, E02F 5/10, 10.05.1996).
Эта машина имеет аналогичные недостатки.
Кроме того известно транспортное средство (укладочный кран) с электромеханической трансмиссией. Оно содержит несущую часть с железнодорожным ходом и 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 контроллером ДВС и системой управления транспортным средством и устройством отображения информации. Приводы рабочего оборудования реализованы на основе асинхронных электродвигателей, получающих энергию от отдельного ДВС с асинхронным генератором. Элементы силовой и управляющей электроники представляют собой отдельные тяговые преобразователи на основе IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение, а также контроллеры для векторного управления асинхронными электрическими машинами и бортовыми потребителями (RU 165779 U1, Е01В 29/00, B60L 11/08, B60L 15/20, 10.11.2016).
Недостатком этого транспортного средства является повышенная сложность, обусловленная применением двух ДВС, двух генераторов и отдельных преобразователей для управления движением и рабочим оборудованием транспортного средства (крана), а также ограниченные функциональные возможности ввиду невозможности передачи внешним потребителям электрической энергии постоянного тока.
Наиболее близкой к предложенной является машина для строительства трубопроводов, содержащая базовый трактор с несущей рамой, гусеничную ходовую часть, ДВС, электромеханическую трансмиссиею, трубоукладочное оборудование, сварочный фрегат, состоящий из сварочного поста и блока управления сварочным током, и блоки системы управления трактором, установленные на раме. Трансмиссия включает в себя тяговый двигатель и силовой генератор, обладающий способностью переключения его характеристик с тяговой на сварочную (RU 2112667 C1, B60L 1/00, E02F 5/10, 10.06.1998).
Недостатком этой машины также является повышенная сложность, обусловленная необходимостью реализации сложного по конструкции силового генератора с переключаемыми характеристиками. Эта сложность обусловлена тем, что величина тока, необходимого для сварки, многократно превышает величину номинального тока силового генератора в его тяговом режиме. Эта машина имеет также ограниченные функциональные возможности из-за невозможности передачи электрической энергии другим внешним потребителям кроме сварочного оборудования.
Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания самоходной машины с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности, отличающейся простотой конструкции и расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения отбора мощности для питания внешних потребителей как однофазным и трехфазным напряжением переменного тока, так и напряжением постоянного тока. Задачей изобретения является создание такой машины.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является упрощение конструкции при одновременном расширении функциональных возможностей самоходной машины с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности.
В самоходной машине с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности, содержащей гусеничную, колесную, железнодорожную или комбинированную ходовую часть, ДВС, генератор, который непосредственно или через согласующее устройство механически соединен с ДВС и преобразует по меньшей часть его механической энергии в электрическую энергию, один или несколько тяговых электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую энергию, передаваемую на ведущие звездочки или колеса ходовой части машины, и систему управления, поставленная задача решается благодаря тому, что система управления содержит один или несколько контроллеров, преобразующих электрическую энергию и/или управляющих ее потоками и выполненных с возможностью передачи этой энергии внутренним потребителям, а также с возможностью отбора и передачи мощности по меньшей мере от одного контроллера к внешнему потребителю электрической энергии переменного или постоянного тока.
В целях достижения указанного технического результата в частных вариантах реализации изобретения:
- система управления содержит контроллер (контроллеры) тягового электродвигателя (электродвигателей), силовая часть которого (которых) выполнена в виде инвертора на основе силовых электронных ключей и диодов, причем выходы инвертора непосредственно, через коммутационное устройство и/или через фильтр подключены к обмоткам тягового электродвигателя, а управляющая часть контроллера обеспечивает переключение управления силовыми электронными ключами инвертора с режима работы с тяговым электродвигателем на режим управления формированием напряжения постоянного или переменного тока для питания внешнего потребителя, подключенного к одному или нескольким выходам инвертора или однофазного или трехфазного синусного фильтра переменного тока или сглаживающего фильтра постоянного или переменного тока;
- в состав контроллера входит коммутационное устройство, включенное последовательно между выходами его инвертора и обмотками тягового электродвигателя или последовательно с этими обмотками и обеспечивающее возможность отключения тягового электродвигателя в режиме передачи электрической энергии внешнему потребителю;
- силовая часть контроллера выполнена в виде двухуровневого инвертора по схеме симметричного или несимметричного многофазного моста или в виде трехуровневого инвертора по схеме многофазного симметричного Т-моста или моста со связанной нейтралью через диоды (Neutral Point Clamping, 3L NPC);
- обмотки тягового электродвигателя соединены в «звезду», причем общая точка этих обмоток соединена с внешним потребителем электрической энергии постоянного или переменного тока, а управляющая часть контроллера обеспечивает формирование трехфазного напряжения при передаче энергии тяговому электродвигателю, а также синхронное управления теми силовыми ключами инвертора, которые используются для реализации понижающего импульсного регулятора постоянного или переменного напряжения с использованием обмоток тягового электродвигателя в качестве дросселя;
- силовая часть контроллера содержит силовые электронные ключи и диоды, соединенные по схеме многофазного несимметричного моста, соединенного с обмотками вентильно-индукторного тягового электродвигателя, причем предусмотрена возможность подключения внешнего потребителя последовательно между объединенными выводами диодов и выводом питания силовой части контроллера, при этом в контроллере предусмотрено замыкание выходов для подключения внешнего потребителя при работе контроллера с тяговым электродвигателем, а также синхронное управление всеми силовыми электронными ключами при реализации понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения с использованием всех обмоток тягового электродвигателя в качестве дросселя в режиме передачи электрической энергии постоянного тока внешнему потребителю;
- система управления содержит два или три контроллера, все выходы инверторов которых непосредственно, через коммутационное устройство или через фильтр подключены к соответствующим внутренним потребителям электрической энергии, а один выход каждого инвертора непосредственно, через коммутационное устройство или через фильтр подключен к внешнему потребителю электрической энергии соответственно однофазного или трехфазного напряжения переменного тока, причем управляющие части контроллеров обеспечивают управления всеми ключами инверторов в режиме их работы с внутренними потребителями, а также синхронизированное управления только теми силовыми ключами инверторов, которые используются в режиме передачи электрической энергии внешнему потребителю;
- система управления содержит два или три контроллера, подключенные к тяговым электродвигателям, их обмотки соединены по схеме «звезда», общие точки соединений этих обмоток подключены к внешнему потребителю электрической энергии соответственно однофазного или трехфазного переменного тока, причем управляющие части контроллеров обеспечивают управления ключами инверторов из условия формирования и передачи трехфазного напряжения переменного тока на обмотки тяговых электродвигателей в режиме работы контроллеров с внутренними потребителями, а также с возможностью синхронизированного управления силовыми ключами инверторов и формирования однофазного напряжения переменного тока в каждой общей точке обмоток в режиме передачи электрической энергии однофазного или трехфазного напряжения переменного тока внешнему потребителю;
- система управления содержит контроллер генератора, осуществляющий преобразование переменного выходного напряжения генератора в постоянное напряжение, передаваемое на шины постоянного тока, а также передачу энергии с этих шин по меньшей мере одному тяговому электродвигателю или контроллеру тягового электродвигателя, а также внешнему потребителю напряжения постоянного тока, например, сварочному агрегату;
- контроллер генератора содержит силовые электронные или электромеханические ключи, обеспечивающие возможность переключения обмоток генератора при переходе его работы от режима передачи электрической энергии тяговым электродвигателям в режим передачи энергии внешнему потребителю, в частности, через однофазный или трехфазный синусный фильтр переменного тока и/или сглаживающий фильтр постоянного тока;
- система управления содержит контроллер генератора, к шинам постоянного тока которого непосредственно или через электрический соединитель подключен по меньшей мере один конденсатор, входящий в состав оборудования для трансформаторной или бестрансформаторной конденсаторной сварки и размещенный на машине и/или вне машины в сварочном оборудовании, а контроллер генератора приспособлен для регулирования напряжения и/или тока заряда этого конденсатора.
Указанные отличительные, в том числе альтернативные, признаки независимого и зависимых пунктов формулы изобретения отражают единый изобретательский замысел - реализацию машины, в которой контроллеры осуществляют такое преобразование электрической энергии и/или управление ее потоками, при которых обеспечивается возможность передачи этой энергии как внутренним, так и внешним потребителям. Указанное совмещение функций контроллеров обеспечивает достижение одного и того же технического результата - упрощение конструкции машины. Одновременно реализация контроллеров на основе силовых электронных ключей и конструктивные особенности их соединений с тяговыми электродвигателями и другими компонентами машины, изложенные в формуле изобретения, обеспечивают возможность формирования однофазного и многофазного напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока для питания внешних потребителей, что расширяет функциональные возможности самоходной машины.
В частности, реализация отличительных признаков зависимых пунктов формулы, предусматривающих изменение в контроллере порядка коммутации силовых электронных ключей инвертора при переходе от передачи энергии внутреннему потребителю к передаче внешнему потребителю обеспечивает упрощение машины и одновременно позволяет сформировать как постоянное, так и однофазное и трехфазное напряжение переменного тока для питания внешних потребителей, что позволяет расширить функциональные возможности машины.
При этом напряжения на отдельных фазах или на отдельных выводах электрического соединителя, к которому подключаются однофазные или трехфазные внешние потребители напряжения переменного тока, могут формироваться различными контроллерами, что также обеспечивает достижение указанного технического результата.
В случае реализации отличительных признаков, предусматривающих использование единого фильтра как для внутренних, так и для внешних потребителей электрической энергии, причем как постоянного, так и переменного тока, обеспечивает упрощение устройства за счет совмещения функций этого фильтра в различных режимах работы контроллера, а также расширение функциональных возможностей машины за счет формирования напряжений постоянного и переменного тока для питания внешних потребителей.
К аналогичному результату и по тем же причинам приводит реализация отличительных признаков изобретения, предусматривающих подключение внешнего потребителя электрической энергии постоянного или переменного тока к средней точке или к средним точкам обмоток тяговых электродвигателей, соединенных в «звезду» и соответствующее использование обмоток тягового электродвигателя в качестве элементов синусного или сглаживающего фильтра при передаче электрической энергии потребителю переменного тока, либо в качестве дросселя при реализации понижающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока, передаваемого внешнему потребителю.
Реализация коммутационного устройства, позволяющего отключить инвертор от тягового электродвигателя, предусмотренная следующим отличительным признаком, обеспечивает упрощение устройства за счет использования инвертора для питания как тягового электродвигателя, так и внешнего потребителя, т.е. за счет того, что вместо установки второго инвертора для питания внешнего потребителя используется уже установленный инвертор и простое коммутационное устройство, а также за счет снижения установленной мощности инвертора. Расширение функциональных возможностей машины в этом случае достигается за счет использования широких возможностей контроллера тягового электродвигателя для питания внешних потребителей постоянного и переменного тока.
Реализация силовой части контроллера в виде двухуровневого инвертора по схеме симметричного или несимметричного многофазного моста или в виде трехуровневого инвертора по схеме многофазного симметричного Т-моста или моста со связанной нейтралью через диоды, обеспечивает упрощение устройства в случае повышенных требований к несинусоидальности напряжения питания внешних потребителей за счет совмещения функций питания внутренних и внешних потребителей, а также расширение функциональных возможностей машины за счет возможности подключения внешних потребителей, требующих повышенного качества питающего напряжения.
Реализация контроллера генератора, обеспечивающего возможность передачи на шины постоянного тока электрической энергии генератора для питания тяговых электродвигателей и внешнего потребителя напряжения постоянного тока, обеспечивает упрощение машины за счет совмещения функций генератора и его контроллера, а также расширение функциональных возможностей машины за счет использования возможностей контроллера генератора для раздельного регулирования напряжения на этой шине в режиме работы генератора с тяговыми электродвигателями и с внешней нагрузкой.
К достижению этого же технического результата приводит реализация отличительных признаков, согласно которым контроллер генератора содержит силовые электронные или электромеханические ключи, обеспечивающие переключение обмоток генератора при переходе его работы от режима передачи электрической энергии тяговым электродвигателям в режим передачи энергии внешнему потребителю, в частности, через трехфазный синусный фильтр переменного тока и/или сглаживающий фильтр постоянного тока. При этом в режиме параллельного соединения обмоток генератора обеспечивается повышение максимального выходного постоянного тока, передаваемого внешнему потребителю, например, увеличение максимальной величины сварочного тока, что приводит к дополнительному расширению функциональных возможностей машины.
Реализация контроллера генератора, позволяющего использовать конденсатор, подключенный к шинам постоянного тока, предусмотренная последним отличительным признаком формулы изобретения, обеспечивает упрощение устройства за счет использования конденсатора как для фильтрации напряжения на силовых шинах при передаче энергии тяговым электродвигателям, так и для конденсаторной сварки. Расширение функциональных возможностей машины при этом происходит за счет возможности передачи внешнему потребителю импульсов тока большой величины.
В предложенной самоходной машине с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности может быть реализован как один из указанных альтернативных отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения, так и одновременно несколько отличительных признаков в их любом сочетании. При этом реализация каждого из этих отличительных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом - с упрощением конструкции при одновременном расширении функциональных возможностей самоходной машины с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности.
Для пояснения технической сущности, принципа действия и возможности осуществления предложенного устройства на фиг. 1 в качестве примера показана упрощенная структурная схема самоходной машины с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности, а на фиг. 2 - пример реализации контроллера тягового электродвигателя на основе трехуровневого инвертора с трехфазным Т-мостом. На фиг. 3, 4 и 5 показаны схемы одной фазы силовой части инвертора, представляющие собой, соответственно, симметричный полумост, симметричный Т-полумост и полумост со связанной нейтралью через диоды. На фиг. 6 приведена схема трехфазного несимметричного моста, соединенная к обмотками вентильно-индукторного электродвигателя и реализованная с возможностью передачи энергии постоянного тока внешнему потребителю.
Самоходная машина с электромеханической трансмиссией может быть выполнена в виде колесного или гусеничного трактора или машинно-тракторного агрегата на его базе, самоходной сельскохозяйственной машины, автомобиля, тягача, транспортера, строительно-дорожной или подъемно-транспортной машины, боевой машины, путеукладчика, мобильной электростанции и т.д.
Комбинированный гусеничный и железнодорожный ход машины может быть реализован путем применения универсальных тележек гусениц, отличающихся измененной конструкцией звеньев гусениц и дополнительными опорными катками. В этом случае машина передвигается по железнодорожному пути за счет взаимодействия гусениц с рельсами. Возможна также реализация железнодорожного и комбинированного хода с использованием приводных рельсовых колес и, при необходимости, дополнительных направляющих рельсовых колес.
Роль первичного источника энергии на машине выполняет ДВС 1, соединенный с генератором 2 непосредственно или через согласующее или передаточное устройство - механическую упругую, упруго-деформируемую или компенсирующую муфту, карданный вал, механический редуктор (мультипликатор), ременную или цепную передачу и т.п.
Генератор является источником электрической энергии для одного 3 (фиг. 2), двух 3, 4 (фиг. 1) или более тяговых электродвигателей. Он может быть вентильно-индукторным, синхронным с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на роторе (с вращающимся выпрямителем или с контактными кольцами), асинхронным, с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на статоре, с поперечным магнитным потоком и т.д.
Каждый из тяговых электродвигателей также может быть асинхронным, синхронным с постоянными магнитами на роторе (фиг. 2) или с обмоткой возбуждения, а также реактивным вентильно-индукторным. Предпочтительным является применение вентильно-индукторных электродвигателей, каждый из которых содержит статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах шихтованного магнитопровода статора, и ротор с зубчатым магнитопроводом. Такие электродвигатели без обмотки возбуждения в русскоязычной литературе называются вентильными индукторными реактивными двигателями (ВРД, ВИД, ВИРД), а в англоязычной литературе - электродвигателями с переменным магнитным сопротивлением: «Switched Reluctance Motor (SRM)».
На машине могут использоваться различные типы генератора и тяговых электродвигателей в их любом сочетании. Выбор их типов осуществляется из условия упрощения конструкции и расширении функциональных возможностей самоходной машины в части обеспечения электрической энергией внешних потребителей.
Электромеханическая трансмиссия может именоваться также электрической трансмиссией. В ее состав входят передаточные устройства - бортовые редукторы 5, 6, карданные валы, муфты и т.д., через которые выходные валы тяговых электродвигателей 3, 4 соединены с ведущими звездочками или ведущими колесами 7, 8 гусеничной, колесной, железнодорожной или комбинированной ходовой части самоходной машины.
Бортовые редукторы могут быть планетарными со встроенными гидравлически управляемыми нормально замкнутыми стояночными тормозами 9, 10. Они размещены у ведущих колес или звездочек машины, внутри них (в ступицах колес или в пределах обвода гусениц), либо в корпусе или раме машины.
Если электромеханическая трансмиссия реализована с одним тяговым электродвигателем 3 (фиг. 2) то для обеспечения возможности поворота машины передаточные устройства кроме бортовых редукторов 5, 6 дополнительно содержат главную передачу 11, в частности с дифференциалом, а также бортовые фрикционы и тормоза 9, 10, которые в этом случае являются рабочими.
Часть механической энергии ДВС передается вспомогательным агрегатам самоходной машины, например, вентилятору и насосу системы охлаждения ДВС, гидронасосу привода рабочих органов. Основная часть этой энергии генератором 2 преобразуется в электрическую энергию и используется для передвижения машины, электрического питания ее вспомогательных устройств (систем отопления и вентиляции кабины, рабочего освещения, систем контроля и управления машиной и т.д.), а также для питания внешних потребителей. Например, электродвигателей активных рабочих органов или грузоподъемных механизмов, сварочного агрегата, потребителей стационарных или мобильных установок и т.д.
Внешние потребители подключаются к электрическим цепям самоходной машины непосредственно (пайка, сварка, болтовые соединения и т.д.) или через электрические соединители (разъемы) 12-18, предназначенные для механического соединения и разъединения их электрических цепей.
Система управления самоходной машины, которая может именоваться также системой электрооборудования, системой контроля и управления и т.п., в общем случае включает в себя высоковольтную и низковольтную части и содержит один или несколько контроллеров. В частности, главный (ведущий) контроллер, контроллер ДВС 19, контроллер генератора 20, выполненный в виде силового выпрямителя или силового электронного коммутатора или инвертора с соответствующей схемой управления, один или несколько контроллеров тяговых электродвигателей 21, 22 и т.д. Контроллеры осуществляют управление потоками электрической энергии (коммутацию, подключение, отключение) и, в случае необходимости, ее преобразование. В частности, выпрямление переменного тока (его преобразование в постоянный ток), инвертирование тока (преобразование постоянного тока в переменный), преобразование частоты, преобразование числа фаз (преобразование трехфазного тока в однофазный или наоборот), преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения и т.д.
Контроллеры могут быть реализованы с использованием дискретных электронных компонентов, микросхем различной степени интеграции, а также микроконтроллеров (микропроцессоров, цифровых сигнальных процессоров). В зависимости от назначения и конструктивного исполнения контроллеры могут именоваться также блоками управления, управляющими устройствами, коммутаторами, силовыми электронными преобразователями, инверторами, блоками входов и нагрузок, информационно-управляющими блоками или устройствами и т.д.
Конструкция контроллера 20 генератора 2 зависит от конструкции генератора.
В случае применения асинхронного или синхронного генератора и использования выходного напряжения переменного тока генератора для передачи электрической энергии внешнему потребителю через электрический соединитель 12, этот контроллер выполнен в виде регулятора тока возбуждения генератора 2 и/или частоты вращения ДВС 1 из условия стабилизации величины выходного напряжения генератора и его частоты. Регулирование может осуществляться с помощью компонентов самого контроллера 20, а также путем передачи сигналов управления на контроллер ДВС 19 непосредственно или по шине CAN 23. В этом случае контроллер генератора содержит средства измерения величины и частоты выходного напряжения генератора 2, их сравнения с заданными величинами, а также формирования сигналов управления обмоткой возбуждения генератора 2 и сигналов управления частотой вращения ДВС, поступающий на контроллер ДВС 19 по шине CAN.
Контроллер генератора может содержать выпрямитель, передающий электрическую энергию генератора на силовые шины постоянного тока 24. В этом случае этот контроллер одновременно с передачей напряжения переменного тока внешнему потребителю, например, напряжения 380 В с частотой 50 Гц, по шинам 24 передает электрическую энергию внутренним потребителям - тяговым электродвигателям 3, 4 через контроллеры тяговых электродвигателей 21, 22. В дополнение к этому с силовой шины 24 через электрический соединитель 13 одновременно может осуществляться отбор мощности для внешнего потребителя постоянного тока, например, сварочного агрегата.
К силовым шинам постоянного тока 24 может быть подключен накопитель энергии, выполненный на основе аккумуляторов и/или конденсаторов, а также тормозной резистор с его контроллером, обеспечивающим подключение этого резистора к шине при наличии перенапряжения на ней.
Если для питания внешнего потребителя требуется пониженное напряжение и повышенный постоянный или переменный ток, то контроллер генератора дополнительно содержит силовые электронные или электромеханические ключи, обеспечивающие переключение обмоток генератора с последовательного соединения на параллельное при переходе его работы от режима передачи электрической энергии тяговым электродвигателям в режим передачи энергии внешнему потребителю. Передача энергии внешнему потребителю, подключенному к обмоткам генератора или к силовым шинам 24 может осуществляться, соответственно, через однофазный или трехфазный синусный фильтр (синус-фильтр) переменного тока и/или сглаживающий фильтр постоянного тока.
Контроллер генератора может также содержать силовой электронный коммутатор, обеспечивающий стабилизацию и выпрямление выходного напряжения генератора. Например, если генератор выполнен вентильно-индукторным, то силовой электронный коммутатор, выполненный на основе силовых IGBT ключей и диодов (интегрированных IGBT-модулей), соединенных по схеме асимметричного моста, осуществляет возбуждение генератора, а также выпрямление и стабилизацию его выходного напряжения, поступающего на шины постоянного тока 24. Аналогичным образом силовой электронный коммутатор, выполненный на основе силовых IGBT ключей и диодов, соединенных по схеме симметричного моста (фиг. 3), может осуществлять возбуждение асинхронного генератора, а также выпрямление и стабилизацию его выходного напряжения.
В этих случаях контроллер генератора 20 может осуществлять коммутацию обмоток генератора при его работе в режиме электродвигателя при запуске ДВС и при работе трансмиссии в режиме торможения машины двигателем.
К силовым шинам постоянного тока 24 может быть подключен конденсатор или батарея последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов 25, подключенных к электрическому соединителю 13 для передачи электрической энергии агрегату трансформаторной или бестрансформаторной конденсаторной сварки. Причем конденсатор, использующийся для работы сварочного агрегата, может быть установлен на машине, вне ее (в сварочном агрегате, подключенном к машине), а также может быть разделен на две конденсаторные батареи, соединяемые параллельно, одна из которых установлена на машине, а другая вне ее.
Конденсаторная сварка - разновидность контактной сварки, называемой еще импульсной. Она осуществляется за счет энергии короткого импульса тока при разряде батареи конденсаторов. Для ее реализации контроллер генератора 20 содержит электронный регулятор напряжения и/или тока заряда этого конденсатора (конденсаторов) и выполнен, например, в виде импульсного понижающего регулятора напряжения, содержащего силовые электронные ключи, дроссель и электронную схему, осуществляющую управление этими ключами с учетом требований к передаче энергии агрегату конденсаторной сварки и к защите генератора от перегрузки по току. Управляющая часть такого контроллера может быть реализована с возможностью управления его силовыми электронными ключами из условия реализации заряда конденсатора постоянным током до предварительно установленной величины с последующим отключением генератора.
Возможна также реализация контроллера генератора 20 в виде последовательно соединенного выпрямителя и инвертора. Причем инвертор может быть двухуровневым, силовые ключи которого соединены схеме симметричного или несимметричного многофазного моста (одно плечо такого моста показано на фиг. 3, фиг. 4) или трехуровневым по схеме многофазного симметричного Т-моста (фиг. 5, фиг. 2) или моста со связанной нейтралью через диоды (фиг. 6). В этом случае выходы выпрямителя соединяются с шинами постоянного тока 24, а выходы инвертора - с электрическим соединителем 12 для подключения внешнего потребителя напряжения переменного тока. При этом, с целью упрощения инвертора и машины в целом, выпрямитель может быть регулируемым.
По аналогичным схемам могут быть реализованы инверторы контроллеров тяговых электродвигателей.
На фиг. 2 показан контроллер, содержащий трехфазный трехуровневый инвертор с тремя Т-полумостами 26, 27, 28, управляющую часть контроллера 29, синусный фильтр (синус-фильтр) 30, коммутационное устройство 31, сглаживающий фильтр 32 и контроллер тормозов 33 (может быть реализован в виде отдельного контроллера).
Контроллеры тяговых электродвигателей (силовые электронные преобразователи) 21, 22, если они подключены к шине постоянного тока 24, предназначены для преобразования постоянного напряжения на этих шинах в многофазное переменное напряжение или однополярные импульсы, поступающие на фазные обмотки тяговых электродвигателей 3, 4, а также для их обратного преобразования в постоянное напряжение при работе этих электродвигателй в генераторном режиме при торможении машины.
Для каждого тягового электродвигателя может используется отдельный контроллер (силовой электронный преобразователь, инвертор, коммутатор). Возможна также установка нескольких контроллеров, работающих на один тяговый электродвигатель, например, при дроблении мощности по секциям статора электродвигателя, либо установка общего контроллера на несколько электродвигателей.
В зависимости от выполняемых функций и требований к компоновке машины возможно раздельное исполнение контроллеров, а также их объединение в несколько блоков или в единый блок (контроллер, модуль). Возможно также размещение в одном корпусе контроллера генератора (силового выпрямителя) 20 с генератором 2, а также размещение контроллеров тяговых электродвигателй 21, 22 в корпусах электродвигателей 3, 4.
Питание контроллеров может также осуществляться как от шин постоянного тока 24, так от однофазного или трехфазного напряжения переменного тока. В последнем случае случае генератор либо формирует напряжение переменного тока, например с напряжением 380 В и частотой 50 Гц, либо для формирования такого напряжения в его состав входит инвертор, а контроллеры имеют встроенные силовые выпрямители.
Аппаратные и программные ресурсы контроллеров системы управления (производительность их микропроцессоров, объем оперативной памяти и памяти программ, количество входных и выходных аналоговых и дискретных входов/выходов и т.д.) выбраны из условия реализации не только управления внутренними потребителями и переключения потоков энергии на машине, в том числе векторного управления тяговыми электродвигателями, но и реализации дополнительных функций, необходимых для обеспечения соответствия машины установленным к ней требованиям. В том числе функций защиты от перегрева тяговых электродвигателей и элементов силовой электроники контроллеров, плавного разгона/торможения, подъема/опускания и перемещения рабочих органов, включения тормозов 9, 10 (с помощью контроллера 33), диагностики и регистрации режимов работы составных частей машины, дистанционного управления и т.д.
При работе контроллера тягового электродвигателя в режиме передачи энергии внешнему потребителю трехфазного напряжения переменного тока этот потребитель через электрический соединитель 18 подключен к синусному фильтру 30, а в режиме передачи энергии внешнему потребителю напряжения постоянного тока - через электрический соединитель 17 к выходу фильтра 32 (если он установлен), либо к средней точке обмоток тяговых электродвигателей, соединенных в «звезду».
Синусный фильтр 30 и коммутационное устройство 31 могут отсутствовать. В этом случае выходы инвертора непосредственно соединяются с электрическим соединителем 18 и с обмотками тягового электродвигателя 3.
Если силовая часть контроллера содержит силовые электронные ключи и диоды, соединенные по схеме многофазного несимметричного моста, соединенного с обмотками вентильно-индукторного тягового электродвигателя (фиг. 6), то внешний потребитель электрической энергии постоянного тока через электрический соединитель 34 включается последовательно между объединенными выводами анодов первой группы диодов D1, D3, D5 и минусовым выводом питания силовой части контроллера (шиной 24), либо между объединенными выводами катодов второй группы диодов D2, D4, D6 и плюсовым выводом питания силовой части контроллера (шиной 24). Такой контроллер дополнительно содержит управляемый ключ 35, осуществляющий замыкание цепей внешнего потребителя с целью исключения его влияния на работу тягового электродвигателя. В такой схеме синхронное управление всеми силовыми электронными ключами обеспечивает реализацию понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения для питания внешнего потребителя с использованием всех обмоток тягового электродвигателя в качестве дросселя.
Отдельные выводы (фазы) внешнего потребителя постоянного или переменного тока непосредственно, через коммутационное устройство и/или через фильтры могут быть подключены к выходам инверторов различных контроллеров или к средним точкам обмоток различных электродвигателей. Например, если на машине установлено два контроллера тяговых электродвигателей 21, 22, то однофазное напряжение 220 В может быть получено путем присоединения выводов электрического соединителя 14 к средним точкам соединения тяговых электродвигателей 3, 4, как это показано на фиг. 1, либо к одним из выходов полумостов инверторов, входящих в состав различных контроллеров тяговых электродвигателей 21, 22.
Составные части системы управления (системы электрооборудования), в том числе ее контроллеры, связаны между собой мультиплексной линией передачи информационных сигналов 23, выполненной, предпочтительно, с использованием стандарта промышленной сети CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров), ориентированной на объединение в единую сеть различных устройств с использованием последовательного, широковещательного и пакетного режимов передачи. Возможно также применение интерфейсов LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д., а также беспроводных интерфейсов типа ZigBee, Wi-Fi и т.п.
Для формирования сигналов управления движением машины, ее рабочим оборудованием и управления потоками энергии, в том числе передачей электрической энергии внешним потребителям, в состав системы управления входят органы управления. Они включают в себя аппарат управления движением машины (джойстик, рулевое колесо и т.п.), ключ запуска ДВС 1, джойстики или рычаги управления рабочим оборудованием, клавишные и кнопочные переключатели, рукоятку управления подачей топлива, педали тормоза и акселератора и/или десселератора, органы управления микроклиматом в кабине машины и т.д. Сигналы управления передаются в системе непосредственно на другие составные части системы управления (по отдельным проводам), по шине CAN или через главный (ведущий) контроллер.
В состав системы управления входят также панель оператора (машиниста, тракториста, водителя), именуемая также панелью приборов, блоком индикации, устройством отображения информации и т.д. Она обеспечивает отображение параметров работы машины, ее рабочего оборудования и внешних потребителей (напряжения и частоты генератора, частоты вращения ДВС, нагрузки на рабочие органы, напряжение и ток внешних потребителей и т.д.) а также формирование аварийных и предупредительных звуковых и/или световых сигналов для оператора (машиниста, тракториста).
На панели оператора быть размещена часть указанных органов управления. Эта панель может быть выполнена в виде отдельного блока или совмещена с одним из контроллеров.
В состав системы управления входят также датчики параметров работы электромеханической трансмиссии, ДВС и рабочего оборудования, приборы низковольтного оборудования (электроснабжения, освещения, звуковой сигнализации и т.д.) и также другие устройства, условно не показанные на чертежах.
Предложенная самоходная машина с электромеханической трансмиссией работает следующим образом.
Оператор (тракторист, машинист, водитель) при помощи органов управления осуществляет запуск ДВС и задает рабочую скорость и направление движения машины.
ДВС непосредственно или через согласующее устройство (муфту, согласующий редуктор/мультипликатор и т.п.) приводит во вращение ротор тягового генератора 2.
Контроллер генератора 20 осуществляет выпрямление и стабилизацию напряжения на силовых шинах 24, осуществляя управление генератором, контроллером ДВС 19 и, в случае необходимости, преобразование выходного напряжения генератора. Напряжение с силовых шин 24 поступает на контроллеры 21, 22 тяговых электродвигателей 3,4.
Главный контроллер (ведущий контроллер, контроллер верхнего уровня) в зависимости от сигналов с органов управления и датчиков параметров работы отдельных агрегатов машины и ее рабочего оборудования осуществляет координацию работы всех составных частей системы управления машины, в том числе ее контроллеров.
Контроллеры получают сигналы управления от главного (ведущего, системного) контроллера по сети CAN, а также, в случае необходимости (например, в аварийных режимах работы машины), непосредственно от органов управления или от других составных частей системы управления.
Алгоритмы взаимосвязанного и автоматизированного управления составными частями системы управления машины, включая их взаимодействие, предварительно определяются расчетным или экспериментальным путем, записываются в память контроллеров и далее программно реализуются микроконтроллерами, входящим в их состав.
Контроллеры тяговых электродвигателей 21, 22 преобразуют напряжение постоянного тока на силовых шинах 24 в переменное напряжение или в однополярные импульсы регулируемой частоты и скважности, поступающие на фазные обмотки тяговых электродвигателей 3, 4. Крутящий момент, создаваемый тяговыми электродвигателями, непосредственно или через дополнительные передаточные устройства (муфты, торсионы, бортовые редукторы 5, 6, главную передачу или дифференциал 11 и т.п.) предается на ведущие колеса или звездочки 7, 8 ходовой части машины, в результате чего осуществляется движение машины в соответствии с направлением и скоростью, заданными оператором.
Движение машины с железнодорожным или универсальным ходом по железной дороге осуществляется аналогичным образом. Если машина имеет приводные рельсовые колеса, то перед началом движения по железной дороге оператор дает команду на их опускание, после чего контроллеры электродвигателей формирует переменное напряжение или однополярные импульсы, поступающие на обмотки тяговых электродвигателей 3, 4 или дополнительных электродвигателей железнодорожного хода, приводя машину в движение.
При торможении машины тяговые электродвигатели работают в генераторном режиме. Энергия торможения с этих электродвигателей через контроллеры 21 или 22 передается на силовые шины 24 и в накопитель энергии (если он установлен на тракторе-тягаче), в ДВС через генератор 2, а также, в случае необходимости, рассеивается в тормозном резисторе.
Контроллеры системы управления обеспечивают формирование переменного напряжения нужной частоты, формы и амплитуды и его передачу на обмотки тяговых электродвигателей и на другие внутренние потребители электрической энергии, а также также управление потоками этой энергии на машине и передачу ее внешним потребителям.
Для формирования ШИМ-сигналов управления силовыми электронными ключами двухуровневых или трехуровневых инверторов этих контроллеров, с целью минимизации гармонических искажений, может использоваться опорное напряжение треугольной формы, Количество опорных сигналов несущей частоты должно быть равно L-1, где L - количество уровней инвертора. В частности, для управления каждой фазой (полумостом) 3L-инвертора используются два треугольных высокочастотных сигнала и один синусоидальный сигнал основной частоты.
Возможна реализация одной из трех альтернативных концепций формирования ШИМ-сигнала, отличающихся фазовыми соотношениями между опорными напряжениями: APOD (Alternative Phase Opposition Disposition): соседние опорные треугольные сигналы отличаются по фазе на 180°, POD (Phase Opposition Disposition): опорные треугольные сигналы, расположенные в положительной и отрицательной области относительно нулевого потенциала, отличаются по фазе на 180° или PD (Phase Disposition): синфазные опорные треугольные сигналы расположены в положительной и отрицательной области относительно нулевого потенциала.
Реализация первых двух вариантов в сочетании с применением синусного фильтра 30 позволяет получить минимальный уровень пульсаций тока нагрузки, что уменьшает потери энергии в тяговых электродвигателях и позволяет обеспечить высокое качество напряжения переменного тока при передаче энергии внешнему потребителю. Если к качеству этого напряжения не предъявляется повышенных требований, то может использоваться более простая в реализации концепция PD.
К машине в качестве внешнего потребителя может быть подключен сварочный аппарат постоянного тока (СС) (например, при дуговой сварке с металлическим электродом и газовой вольфрамовой дуговой сварке) или постоянного напряжения (CV) (например, при газовой дуговой сварке металлическим электродом или дуговой сварке порошковой проволокой). В соответствии с этим контроллер, инвертор которого подключен к этому внешнему потребителю, изменяет выходное напряжение, поддерживая при этом постоянный ток, или наоборот. Для реализации такой возможности используются датчики тока и напряжения, подключенные к входам программируемого микроконтроллера, на основе которого реализована управляющая часть этого контроллера.
При работе контроллера в режиме формирования напряжения постоянного тока, поступающего на внешний потребитель через электрический соединитель 17, управляющая часть контроллера 29 после получения сигналов с органов управления по шине CAN 23, осуществляет формирование синхронных широтно-модулированных (ШИМ) сигналов управления, поступающих одновременно на входы всех силовых электронных ключей Т1 всех полумостовых схем 26, 27 и 28 (фиг. 2). Обмотки тягового электродвигателя 3, дроссели синусного фильтра 30 и фильтра 32 (при их наличии) при этом выполняют роль дросселя понижающего импульсного регулятора напряжения, а диоды D2 во всех полумостовых схемах обеспечивают протекание его тока при выключенных транзисторах Т1.
В этом случае силовые электронные ключи Т3, Т4 и диоды D1, D3 и D4 не участвуют в работе инвертора. Силовой электронный ключ Т2 при этом может либо не участвовать в работе, либо включаться в те интервалы времени, когда заперт транзистор Т1, уменьшая падение напряжения на диоде D2 (фиг. 2).
Аналогичным образом импульсный регулятор напряжения может быть реализован путем одновременного управления силовыми электронными ключами (транзисторами) Т1 всех полумостовых схем инвертора, показанных на фиг. 3 и фиг. 4, а также транзисторами Т1 и Т2 в схеме показанной на фиг. 5. В работе такого импульсного регулятора также участвуют диоды D2 (фиг. 3), D4 (фиг. 4) и D3, D4 (фиг. 5). При этом транзисторы Т2, Т3 и диоды Dl, D2 и D3 (фиг. 4), а также транзисторы Т3, Т4 и диоды Dl, D2, D3 и D4 (фиг. 5) в работе не участвуют. Транзисторы Т4 (фиг. 4) и Т3, Т4 (фиг. 5) при этом могут либо не участвовать в работе контроллера, либо, с целью повышения КПД контроллера, включаться в те интервалы времени, когда верхние ключи Т1 (фиг. 3, фиг. 4) или T1, Т2 (фиг. 5) заперты.
При использовании инвертора в режиме понижающего импульсного регулятора схема многофазного симметричного Т-моста (фиг. 2, фиг. 4), предпочтительнее схемы многофазного моста со связанной нейтралью через диоды (фиг. 5) ввиду более низких потерь проводимости.
В инверторе, реализованном по схеме трехфазного несимметричного моста (фиг. 6), в режиме передачи энергии вентильно-индукторному электродвигателю управление силовыми электронными ключами (транзисторами) осуществляется со сдвигом фаз 120° (для трехфазной схемы). Управляемый ключ 35 при этом замкнут, а внешний потребитель отключен.
При работе в режиме передачи электрической энергии внешнему потребителю ключ 35 разомкнут, а на все силовые электронные ключи (транзисторы) Т1-Т6 одновременно поступает управляющий ШИМ сигнал. В интервалы времени, когда они открыты, происходит накопление энергии в дросселях, функции которых выполняют обмотки тягового электродвигателя. Затем, когда все транзисторы Т1-Т6 одновременно закрыты, эта энергия через диоды D1, D3, D5 (либо через диоды D2, D4, D6, если внешняя нагрузка включена последовательно между ними и плюсовой шиной 24) поступает на внешний потребитель напряжения постоянного тока.
В случае необходимости, для сглаживания пульсаций питающего напряжения параллельно каждому электрическому соединителю 12-17, 34 (параллельно внешнему потребителю электрической энергии), либо между их выводами и корпусом («массой») машины могут быть включены конденсаторы.
При использовании обмоток тяговых электродвигателей в качестве дросселей фильтров крутящий момент у этих электродвигателей не возникает, поскольку силовые электронные ключи всех фаз включаются одновременно, по обмоткам электродвигателей протекают синфазные токи и вращающееся магнитное поле статоров отсутствует. Дополнительно, с целью повышения безопасности работы машины, в этих режимах с помощью контроллера 33 включаются тормоза машины 9, 10.
Если напряжение переменного тока для питания внешних устройств формируется инвертором контроллера тягового электродвигателя, то обмотки тягового электродвигателя могут быть отключены с помощью коммутационного устройства 31. Возможна также передача электрической энергии переменного тока без отключения этих обмоток. В последнем случае дополнительно включаются тормоза 9,10, предотвращающие движение машины.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов самоходной машины с электромеханической трансмиссией и системой отбора мощности возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.