Система электропитания транспортного средства
VEHICLE POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к областям электротехники, железнодорожного, автомобильного и водного транспорта, в частности - к преобразованию энергии для движения и функционирования транспортного средства.
Из уровня техники известен преобразователь тяговый локомотива из патента РФ 2732816 с датой публикации 22.09.2020. Преобразователь тяговый локомотива содержит источник электропитания, вход которого является входом преобразователя тягового от источника электрической энергии, при этом выход источника питания соединен внутренней токопроводящей шиной с единой промежуточной шиной питания постоянного тока, к которой подключены вход преобразователя частоты, выход которого соединен с обмотками тяговых электродвигателей, вход инвертора, выход которого соединен с обмотками вспомогательных машин либо с внешними нагрузками, кроме того, источник питания, преобразователь частоты, инвертор связаны между собой и с внешней системой управления транспортного средства линией связи.
Недостатком тягового преобразователя являются большие масса и габариты электрической машины, необходимые для поддержания требуемого для питания потребителей выходного напряжения генератора во всем диапазоне оборотов.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Система электропитания тепловоза», раскрытое в патенте РФ 2744068 с датой публикации 02.03.2021. Система электропитания тепловоза содержит неуправляемый выпрямитель, выполненный на выпрямительных диодах с низким уровнем падения напряжения, а также инверторы для питания электродвигателя переменного тока компрессорной установки и для питания электродвигателей переменного тока вентиляторов тепловоза. Кроме того, система электропитания тепловоза может содержать несколько инверторов, раздельно для питания вспомогательных машин тепловоза и раздельно для внешних потребителей. Система электропитания тепловоза может содержать преобразователь электродинамического торможения.
Недостатками прототипа является высокое удельное потребление топлива в режиме простоя (ожидания) тепловоза как следствие использования для питания всех нужд локомотива одной мощной дизель-генераторной установки, которая характеризуется высоким удельным расходом топлива на холостом ходу. Следует также отметить в качестве недостатка большие масса и габариты системы, необходимые для поддержания, требуемого для питания потребителей выходного напряжения генератора во всем диапазоне оборотов - как следствие использования неуправляемого выпрямителя.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются обеспечение возможности для дизельных двигателей транспортного средства при разных условиях эксплуатации (режим холостого хода, средней, повышенной мощности) работать в диапазоне оптимального удельного расхода топлива при одновременном снижении массы и габаритов генератора переменного тока при сохранении постоянного выходного напряжения, необходимого для питания всех потребителей транспортного средства с реализацией режима электрического торможения без использования механического или пневматического тормозов, а также движения транспортного средства за счет накопителя энергии при заглушенных дизельных двигателях. Техническими результатами изобретения являются: - снижение удельного расхода топлива дизельным двигателем транспортного средства;
- уменьшение массогабаритных параметров дизель-генераторной установки транспортного средства за счет уменьшения массогабаритных параметров генератора переменного тока за счет увеличения его числа пар полюсов;
- реализация режима компрессионного торможения дизельного двигателя;
- реализация режима рекуперативного торможения с накоплением энергии рекуперации в накопителе энергии;
- расширение диапазона скорости торможения транспортного средства до нулевого значения;
- реализация режима запуска дизельного двигателя с вращением от генератора переменного тока, работающего в режиме двигателя;
- реализация режима движения транспортного средства за счет накопителя энергии при заглушенных дизельных двигателях;
- реализация режима заряда накопителя энергии от внешней электрической сети;
- реализация режима питания внешних потребителей.
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что система электропитания транспортного средства содержит по меньшей мере два тяговых генератора, тяговый преобразователь, включающий в себя по меньшей мере два выпрямителя генератора переменного тока, которые преобразуют входное трехфазное напряжение в напряжение постоянного тока на промежуточной шине питания, по меньшей мере два инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания тяговых электродвигателей переменного тока, по меньшей мере два инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное для питания вспомогательных машин транспортного средства или системы микроклимата или внешних потребителей. По меньшей мере два выпрямителя выполнены активными с возможностью повышения напряжения, выходы которых соединены внутренней токопроводящей шиной, образующей сеть постоянного тока, к которой подключены входы инверторов, выход одного из которых соединен с обмотками тяговых электродвигателей переменного тока. Вход инвертора, выход которого соединен с обмотками электродвигателей переменного тока вспомогательных машин (компрессор, вентиляторы) либо с системой микроклимата кабины, либо с внешними потребителями транспортного средства. Кроме того, система содержит зарядно-разрядный преобразователь накопителя энергии и преобразователь электропитания бортовой сети транспортного средства и заряда аккумуляторной батареи, причем система управления выполнена с возможностью перераспределения нагрузки посредством управления выпрямителями активными.
Система электропитания транспортного средства может содержать инвертор электродвигателей переменного тока вспомогательных машин, выполненный двунаправленным, при этом вход инвертора подключен к внешней сети, а выход к сети постоянного тока, что позволяет реализовать режим заряда накопителя энергии от внешней сети.
Система электропитания транспортного средства может содержать активные выпрямители, инверторы, преобразователь питания бортовой сети выполнены с возможностью управления и защиты собственного канала питания, самодиагностирования и обмена диагностическими сообщениями между собой.
Кроме того, активные выпрямители выполнены с возможностью взаимодействия с по меньшей мере двумя генераторами переменного тока, связанными между собой, так как находятся под общей нагрузкой.
В качестве входного преобразователя при питании от внешней сети, для питания сети постоянного тока используется инвертор вспомогательных машин, системы микроклимата, внешних потребителей, который может работать в обратном направлении, т.е. в режиме выпрямителя, при этом вход выпрямителя подключен к внешней сети, а выход к сети постоянного тока.
Активные выпрямители, инверторы, преобразователь питания бортовой сети могут быть выполнены с возможностью управления и защиты собственного канала питания, самодиагностирования и способностью обмена диагностическими сообщениями.
Использование по меньшей мере двух генераторов переменного тока и системы управления транспортного средства позволяет, в зависимости от условий эксплуатации транспортного средства (холостой ход, режим средней, повышенной мощности) и текущей нагрузки задействовать то количество генераторов переменного тока, которое необходимо для обеспечения требующейся на данный момент мощности, а также перераспределять нагрузку между задействованными генераторами переменного тока таким образом, чтобы дизельные двигатели, вращающие роторы генераторов, работали в диапазоне своих оптимальных режимов - это приводит к снижению удельного расхода и экономии топлива.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы электропитания транспортного средства.
Источником энергии для системы электропитания транспортного средства может быть дизельный двигатель или дизельные двигатели. Также система электропитания транспортного средства способна получать электропитание от накопителя электрической энергии (аккумуляторная батарея, конденсатор или суперконденсатор) или от внешней электросети. Возможно совместное использование источников энергии, либо раздельное.
Система 1 электропитания транспортного средства содержит по меньшей мере два генератора переменного тока 2, входы которых являются входами системы электропитания транспортного средства при получении энергии от дизельного двигателя, зарядно-разрядный преобразователь 3, вход которого является входом системы электропитания транспортного средства при получении электропитания от накопителя электрической энергии, инвертор 4, который работает в режиме выпрямителя и вход которого является входом системы электропитания транспортного средства при получении электропитания от электросети. При этом выходы генераторов переменного тока соединены с входами выпрямителей активных 5. При этом выходы выпрямителей активных 5, инверторов 4 и заря дно-разрядного преобразователя 3 соединены внутренними токопроводящими шинами в единую промежуточную шину питания постоянного тока 6, к которой подключены инверторы 7, выходы которых соединены с обмотками тяговых электродвигателей переменного тока, инверторы 4, выходы которых соединены с обмотками электродвигателей вспомогательных машин или с системой микроклимата или с внешними потребителями, преобразователь электропитания 8, выход которого соединен с потребителями бортовой сети транспортного средства и/или бортовой аккумуляторной батареей.
Зарядно-разрядный преобразователь 3, инверторы 4, выпрямители активные 5, инверторы 7, преобразователь электропитания 8, модуль охлаждения 9 связаны между собой и с внешней системой управления транспортного средства линией связи 10.
Активные выпрямители 5 и инверторы 7 образуют тяговый преобразователь 11. Активные выпрямители 5, инверторы 4, 7, преобразователь электропитания 8 и модуль охлаждения 9 содержат систему внутренней диагностики и систему автоматического регулирования выходных параметров и передают результаты диагностики в систему управления транспортного средства по линии связи 10 за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль.
Система электропитания транспортного средства содержит модуль охлаждения 9, который выполнен с воздушным охлаждением или с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.
Система электропитания транспортного средства работает следующим образом.
При использовании в качестве источника энергии дизельного двигателя система 1 управления транспортного средства подает команду на запуск одного или нескольких дизельных двигателей вращающих валы генераторов переменного тока 2. Необходимое количество задействованных генераторов переменного тока 2 определяется с помощью программного обеспечения исходя из текущих условий работы транспортного средства. Дизельный двигатель может запускаться со своего стартера, либо, посредством активного выпрямителя 5, в качестве стартера может выступать генератор переменного тока (выполняет функцию стартер-генератора), при этом энергия берется от бортовой аккумуляторной батареи, напряжение аккумуляторной батареи поступает на вход управляемого выпрямителя, который в режиме инвертора преобразует его в трехфазное напряжение питания генератора, генератор в режиме двигателя вращает коленчатый вал дизельного двигателя, дизельный двигатель при этом запускается. Дизельный двигатель вращает вал (ротор) генератора переменного тока, генератор переменного тока вырабатывает трехфазное переменное напряжение, поступающее на вход активного выпрямителя 5, который преобразует его в напряжение постоянного тока и подает на внутреннюю токопроводящую шину 6. Активные выпрямители 5, выполненные с возможностью повышения напряжения, обеспечивают постоянство выходного напряжения в токопроводящей шине 6 вне зависимости от частоты вращения вала (ротора) генератора переменного тока 2.
В случае, если от тягового преобразователя 11 поступает информация о необходимости увеличения мощности, система управления транспортного средства по линии связи 10 подает команду на запуск последующих дизельных двигателей или команду на использование накопителя энергии и, с помощью программного обеспечения, распределяет нагрузку между задействованными дизельными двигателями и накопителем энергии таким образом, чтобы дизельные двигатели находились в режимах работы с наилучшим удельным потреблением топлива. За счет перераспределения нагрузки, а также включения и отключения дизельных двигателей реализуется возможность регулировать удельный расход топлива, следствием чего является экономия топлива.
При использовании в качестве источника энергии внешней сети (внешняя промышленная сеть переменного тока 380 В) входное напряжение внешней сети поступает на вход инвертора 4, работающего в режиме выпрямителя, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на внутреннюю токопроводящую шину 6.
При использовании в качестве источника энергии накопителя энергии напряжение накопителя энергии поступает на вход зарядно-разрядного преобразователя 3, который преобразует его в напряжение постоянного тока требуемого уровня и выдает на внутреннюю токопроводящую шину 6. При этом возможен режим движения транспортного средства от накопителя энергии при заглушенных дизельных двигателях.
При заряде накопителя энергии зарядно-разрядный преобразователь 3 обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока внутренней токопроводящей шины 6 в необходимые напряжение и ток для заряда накопителя энергии. В этом случае энергия для питания токопроводящей шины 6 поступает от внешней электросети через инвертор 4, либо при режиме рекуперативного торможения от тяговых электродвигателей работающих в режиме генераторов через инверторы 7, либо от дизельных двигателей через генераторы переменного тока 2 и активные выпрямители 5.
Тяговый преобразователь 11, за счет использования активных выпрямителей 5, обеспечивает управление тяговыми электродвигателями переменного тока для обеспечения максимизации силы тяги и обеспечения тяговой характеристики транспортного средства во всем диапазоне скоростей (тем самым осуществляется расширение диапазона скорости торможения транспортного средства до нулевого значения), а также возможность рекуперации электрической энергии при торможении. В режиме рекуперативного торможения инверторы 7 направляют электроэнергию, вырабатываемую тяговыми электродвигателями при торможении, на внутреннюю токопроводящую шину 6, откуда энергия, преобразуемая инверторами 4 и преобразователями питания 8, расходуется на питание вспомогательных машин собственные нужды транспортного средства, либо, преобразуемая зарядно-разрядным преобразователем 3, направляется на заряд накопителя энергии, либо перенаправляется активными выпрямителями 5 на генераторы переменного тока 2, работающие в режиме электродвигателя, которые в свою очередь вращают валы дизельных двигателей, которые по команде системы управления транспортного средства работают в режиме компрессорного торможения, при этом топливо перестает подаваться в камеры сгорания дизельного двигателя и механическая энергия вращения коленчатого вала, поступающая от генераторов переменного тока, преобразуется в дизельном двигателе в тепловую. Тепловая энергия частично сдувается системой охлаждения дизельного двигателя, частично выпускается в окружающее пространство транспортного средства через выхлопную систему.
Инверторы 4 обеспечивают преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное для питания вспомогательных машин транспортного средства (электродвигателей переменного тока, компрессора и вентиляторов), питание системы микроклимата кабины, питание внешних потребителей и их защиту в процессе его работы.
Преобразователь электропитания 8 бортовой сети транспортного средства обеспечивает питание бортовой сети и заряда бортовой аккумуляторной батареи.
Использование нескольких инверторов 4 для питания вспомогательных машин, системы микроклимата кабины и внешних потребителей позволяет производить раздельное управление нагрузками. Также это позволяет использовать силовую установку транспортного средства как электростанцию для питания потребителей промышленной сети, например электроинструмента ремонтной бригады, либо отопления и освещения.
Система электропитания транспортного средства должна содержать модуль охлаждения 9, который обеспечивает необходимый тепловой режим составляющих элементов.
Система электропитания транспортного средства по линии связи 10 производит взаимодействие с системой управления транспортного средства, получает из нее, в зависимости от режима работы транспортного средства, уставки величин токов и напряжений, которые необходимо подать на подключенные нагрузки или уставки величины силы тяги, по которым производит управление тяговыми электродвигателями, а также передает в систему управления транспортного средства диагностическую информацию, полученную в результате самодиагностики и диагностики подключенного оборудования.