ГИБРИДНЫЙ ЛОКОМОТИВ С НЕСКОЛЬКИМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
HYBRID LOCOMOTIVE WITH SEVERAL ENGINES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области локомотивов, а более конкретно к локомотивам, снабжаемым энергией посредством электрических тяговых двигателей, в которых электрическая энергия подается к двигателям через батареи, заряжаемые генератором, возбуждаемым топливным двигателем.
Уровень техники
Существующие железнодорожные локомотивы в типичном варианте снабжаются энергией дизельными электрическими системами, в которых дизельный двигатель запускает электрический генератор, чтобы произвести электрическую энергию, чтобы подавать питание к электродвигателям, которые приводят в движение ведущие колеса локомотива. Недавно возрос интерес к созданию модифицированного локомотива, в котором электрическая энергия подается через устройство накопления энергии, такое как батарея, которая соединена для зарядки с генератором, по необходимости использующим топливный двигатель, такой как дизельный двигатель, газовая турбина, двигатель на сжиженном природном газе (LNG), бензиновый двигатель или даже водородный двигатель внутреннего сгорания (ICE). Такой подход известен в автомобильной промышленности как “гибридное” транспортное средство. Эти гибридные транспортные средства имеют преимущество улучшенной эффективности использования топлива и пониженного загрязнения.
Одна попытка создать гибридный локомотив раскрыта в патенте США № 6308639 (патент '639). Патент '639 раскрывает локомотив, в котором генератор на газовой микротурбине обеспечивает ток перезаряда для батареи. Раскрытый локомотив имеет традиционный тяговый привод, использующий множество электрических тяговых двигателей, каждый из которых связан тяговой связью с соответствующей одной из приводимых в движение осей локомотива. Контроллер тяговой мощности управляет тяговыми двигателями, использующими энергию от бортовой батареи. Генератор, приводимый газовой микротурбиной, электрически связан с батареей для поддерживания батареи в заряженном состоянии. Генератор и связанная газовая турбина управляются в ответ на состояние заряда батареи. Фиг.1 иллюстрирует систему энергоснабжения патента '639, в которой колеса 12 локомотива приводятся в движение электрическими тяговыми двигателями 14. Электрическая мощность для тяговых двигателей подается аккумуляторной батареей 16 и управляется контроллером 18 тяговой мощности, который может использовать широтно-импульсную модуляцию, чтобы регулировать мощность, в ответ на информацию о дросселе и направлении от машиниста. Батарея 16 заряжается генератором 22 на микротурбине, который содержит газовую микротурбину 24, связанную с генератором 26 переменного тока. Управление микротурбинным генератором осуществляется бортовым PLC 30 (контроллером на программируемой логике), который наблюдает за состоянием заряда батареи, окружающей температурой и имеет часы/календарь для компенсации заряда батареи. Когда батарея достигает своего напряжения газообразования, которое представляет высокое состояние заряда, микротурбинный генератор прекращает работу. Наоборот, когда заряд батареи 16 падает ниже определенного уровня, микротурбина запускается. Высокое состояние заряда будет происходить только для поддержания компенсации заряда батареи, когда все ячейки доведены до полного заряда. Таким образом, микротурбина 24 калибруется так, что она будет работать под постоянной нагрузкой при максимальной выходной мощности в течение длительного периода времени. Вспомогательные нагрузки выдаются из источника заряда батареи при номинальных 600 В постоянного тока, который преобразуется инвертором 32 в 480 В переменного тока, чтобы запустить воздушный компрессор 34 локомотива, нагнетательный вентилятор 36 тягового двигателя и устройство 38 заряда батареи до 75 В, который используется, чтобы зарядить 64 В батарею для органов управления электропитанием и освещения.
Система, раскрытая в патенте '639, создана для маневровых локомотивов, которые не требуют долгосрочной постоянной мощности, а скорее имеют кратковременные требования мощности, которые разрешают производить постоянный перезаряд батареи относительно небольшим генератором. Соотношение емкости накопления энергии аккумуляторной батареи 16 к источнику 22 энергии заряда важно, чтобы минимизировать стоимость, потребление топлива и выделение загрязнений микротурбины 24. Соотношение накопления энергии в кВтч с мощностью подзаряда в кВт может выражаться как количество часов. Оптимальная производительность раскрытой системы установлена такой, чтобы иметь 8-часовой период тока заряда или длиннее, представляющим максимум в 125 кВт мощности подзаряда на каждые 1000 кВтч накопления батареи. Идеально, микротурбина в этих ситуациях будет работать непрерывно в течение, по меньшей мере, 1/2 часа и предпочтительно без остановки, т.е. непрерывно в течение 100 часов или более.
Краткое описание чертежей
Для более лучшего понимания настоящего изобретения ссылка может быть сделана к последующему подробному описанию, взятому вместе с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг.1 иллюстрирует систему энергоснабжения гибридного локомотива предшествующего уровня техники;
Фиг.2 является блок-схемой системы энергоснабжения гибридного локомотива в одной форме настоящего изобретения;
Фиг.3 является блок-схемой системы энергоснабжения гибридного локомотива во второй форме настоящего изобретения;
Фиг.4 иллюстрирует сравнение коэффициента полезного действия (КПД) для осуществления гибридного локомотива, использующего большой один APU, двойные APU, - каждый рассчитан при 50% общей расчетной мощности, и три APU, - каждый рассчитан при 33% общей расчетной мощности;
Фиг.5 иллюстрирует обычную работу гибридного локомотива;
Фиг.6 иллюстрирует работу гибридного локомотива с отказом APU;
Фиг.7 иллюстрирует работу гибридного локомотива с увеличенной расчетной емкостью APU;
Фиг.8 является блок-схемой сигналов датчика системы управления энергией гибридного локомотива и управления мощностью;
Фиг.9 является блок-схемой управления мощностью APU гибридного локомотива.
Подробное описание изобретения
Обращаясь к фиг.2 (показана упрощенная иллюстрация в формате блок-схемы одной формы настоящего изобретения), будет оценено, что все элементы на фиг.2, за исключением блока 12, указывающего внешний источник энергии, являются частями локомотива. Локомотив (не показан) может быть маневровым или другим коротким ведущим железнодорожным локомотивом, имеющим множество приводимых в движение осей, связанных с колесами локомотива.
В типичном варианте локомотив включает в себя тележки, на которых установлены пара или более осей. Кроме того, является общепринятым иметь отдельный электрический тяговый двигатель для каждой приводимой в движение оси локомотива, хотя известны другие размещения, такие как один двигатель на каждую тележку или один двигатель на каждый элемент управления. На фиг.2 локомотив показан, как имеющий четыре электрических тяговых двигателя 14, хотя другие количества также являются общепринятыми. Каждый двигатель 14 управляется отдельным соответствующим устройством 16 управления тягового двигателя. Устройства 16 управления могут быть PWM, прерывателем или регулятором фазы, все из которых хорошо известны в технике. Электрическая мощность подается двигателям 14 через устройства 16 управления из устройства 18 накопления энергии, которое может быть батареей или другой подходящей системой накопления энергии. Тяговое устройство 16 управления может быть размещено в соотношении один к одному с соответствующим тяговым двигателем или каждое размещено, чтобы предоставлять энергию определенным группам двигателей, например, всем двигателям на одной тележке.
Устройство 18 заряжается и перезаряжается из системы генераторов энергии, показанной как множество модулей 20 генераторов переменного тока/выпрямителей/регуляторов напряжения. Каждый из модулей 20 приводится в движение соответствующим топливным двигателем 22 внутреннего сгорания, таким как небольшой дизельный двигатель или газовая турбина. Как указано, существует множество таких модулей двигатель/генератор, и число таких модулей может быть выбрано в зависимости от определенного диапазона применений, которые должны быть обеспечены локомотивом. Отметим, что каждый двигатель 22 может также быть соединен управляющей связью с соответствующим воздушным компрессором 24 для поддержания давления воздуха в баллоне 26 сжатого воздуха, общем для всех компрессоров. Двигатель 22 может также быть соединен с другими вспомогательными нагрузками. Выход электрической мощности каждого модуля 20 генератора переменного тока присоединен к блоку 28 выбора источника мощности и управления потоком мощности. Блок 28 управления суммирует мощность из всех источников и/или выбирает источник мощности, включающий в себя мощность от внешнего источника 12, и подает мощность устройству 18 накопления энергии. Блок 28 управления также определяет потребность в мощности от тяговых двигателей и состояние заряда устройства 18, чтобы определить, когда и сколько двигателей 22 должно быть активировано, чтобы зарядить устройство 18.
Альтернативный вариант осуществления системы на фиг.2 показан на фиг.3. В этом альтернативном варианте осуществления изобретения тяговые двигатели 14 и ассоциативно связанные устройства 16 управления сгруппированы в отдельных модулях 30, 32. Модулями могут быть все двигатели на одной тележке локомотива или некоторое другое выбранное размещение. В этом варианте осуществления изобретения каждый модуль 30, 32 имеет свое собственное устройство 18a, 18b накопления энергии, и каждое устройство 18a, 18b заряжается от отдельного одного из двигателей 22 через отдельный один из блоков 28 управления потоком мощности. Внешний источник 12 мощности связан с каждым из блоков 28 управления. Также предполагается, что может быть предусмотрена взаимная связь 34 между устройствами 18a, 18b накопления энергии, чтобы позволить передачу энергии в случае отказа системы в одном силовом агрегате. Также предполагается, что система может быть размещена так, что ось имеет отдельное перезаряжаемое устройство накопления энергии, и что каждое устройство накопления энергии может быть перезаряжаемым от независимого двигателя/модуля генератора переменного тока, или группы устройств могут перезаряжаться от одного общего модуля.
Переходя теперь к фиг.4, показан график КПД двигателя/генератора переменного тока как функция процента полной нагрузки. Предполагая, что полная нагрузка равна 100 киловатт (100 кВт), одна комбинация двигателя/генератора переменного тока создает кривую КПД, указанную ссылкой с номером 40. Может быть видно, что КПД не достигает максимума, пока нагрузка не достигнет более 60 процентов. Если один двигатель/генератор переменного тока заменяется двумя модулями, производящими по 50 кВт, кривая КПД появляется, как показано в ссылке с номером 42, где максимальный КПД достигается при менее чем 40 процентов полной нагрузки. Добавление дополнительного модуля двигателя/генератора переменного тока, где каждый имеет производительность полной нагрузки в 33 кВт, имеет, в результате, кривую КПД, приближающуюся к кривой 44, где максимальный КПД достигается при нагрузке приблизительно в 20 процентов полной нагрузки. Более того, этот более высокий КПД сохраняется по более широкому диапазону нагрузок. Преимущество наличия нескольких двигателей более низкой мощности превышает КПД и также имеет, в результате, более низкие выбросы. Кроме того, в цикле заряда батареи выбросы могут быть дополнительно уменьшены за счет уменьшения во времени заряда батареи.
Фиг.5 иллюстрирует идеальный график заряда/разряда батареи гибридного локомотива. Заряд батареи указан по Y или вертикальной оси, в то время как время представлено вдоль X или горизонтальной оси. В каждом цикле заряда/разряда, указанном позицией 46, батарея разряжается приблизительно до 40 процентов полного заряда и затем перезаряжается в течение некоторого периода времени до состояния полного заряда. Другими словами, каждая из задач локомотива является короткой по продолжительности, приблизительно 40 минут в иллюстративном примере, и скорость заряда батареи является постоянной, чтобы перезарядить батарею приблизительно в течение 60 минут. В этом примере одной комбинации двигателя/генератора переменного тока достаточно, чтобы поддерживать производительность локомотива.
К несчастью, все задачи локомотива неидеальны. Фиг.6 иллюстрирует результаты повторяющихся задач, не позволяющих полностью перезарядить батарею. Это может происходить из-за отказа в источнике энергии (следовательно, уменьшенной мощности для заряда) или из-за большой нагрузки. Как показано графиком, позиция 48, первая задача разряжает батарею приблизительно до 30 процентов, и батарея достигает только приблизительно 80 процентов заряда перед тем, как начинается новая задача, позиция 50. Батарея разряжается приблизительно до 15 процентов заряда, позиция 52, перед началом цикла перезаряда. Хотя существует длительный период времени между окончанием задачи, позиция 52, и началом следующей задачи, позиция 54, батарея все еще не достигает состояния полного заряда перед тем, как начинается следующая задача. Эта задача разряжает батарею приблизительно до 20 процентов, позиция 58, но существует только короткий цикл заряда, пока не начнется следующая задача, позиция 60. Эта последняя задача истощает заряд батареи до нуля, заканчиваясь неудачей задачи, позиция 62. В этот момент локомотив выходит из строя и нуждается в длительном времени для восстановления батареи с помощью одной комбинации двигателя/генератора переменного тока.
Фиг.7 иллюстрирует одно из преимуществ системы с несколькими двигателями/генераторами переменного тока для гибридного локомотива. В этом примере скорость разряда батареи, позиция 64, показана как более высокая, чем на фиг.6, а скорость перезаряда, позиция 66, является гораздо более высокой из-за добавленной производительности нескольких заряжающих модулей двигателя/генератора переменного тока. Соответственно, даже если циклы разряда являются более высокими, чем на фиг.6, скорость перезаряда является большой, достаточной, чтобы позволить батарее полностью зарядиться между каждым событием разряда или задачей. Если скорость перезаряда не была увеличена, все задачи могут быть не выполнены.
Следует принимать во внимание, что модули двигателя/генератора переменного тока, такие как модули 20 на фиг.2, будут запускаться всякий раз, когда уровень накопленной энергии падает ниже некоторого предустановленного уровня. Это гарантирует, что, по меньшей мере, некоторая часть энергии, используемой локомотивом, пополнится модулями 20 в течение цикла перезаряда. Альтернативно, можно рассмотреть систему на фиг.2 как созданную для доступной мощности от модулей двигателя/генератора переменного тока. Например, если локомотив требует 2000 л.с. и предполагается конструкция из трех двигателей/генераторов переменного тока, доступная тяговая мощность от модулей 20 равна только 400 л.с. на модуль при общей мощности в 1200 л.с., дефицит мощности может быть восполнен системой накопления энергии, либо перезаряжаемыми батареями, либо маховым колесом, либо емкостным накопителем энергии. Если существует только два модуля двигателя/генератора переменного тока, дефицит мощности является более большим (несмотря на то, что литраж двигателя увеличен с принесением в жертву КПД), и локомотив способен произвести такую же мощность в течение более короткого периода времени и может требовать более продолжительного периода времени, чтобы перезарядить устройство накопления энергии.
Фиг.8 и 9 иллюстрируют одну схему управления для системы с несколькими двигателями/генераторами переменного тока на фиг.2. Обращаясь сначала к фиг.8, показан традиционный контроллер 70 по отклонению к интегралу (PI), реагирующий на сигнал от контрольно-измерительного устройства 72 напряжения тяговой батареи и опорное напряжение от блока 74, чтобы создать сигнал ошибки для применения к блоку 76 усиления по напряжению/погрешности напряжения типа хорошо известного в технике. Усиленный сигнал ошибки из блока 76 затем подается блоку 78 ограничения напряжения, и результирующее значение ограниченного сигнала из блока 78 затем передается суммирующему объединению 80. Сигнал напряжения батареи из блока 72 также подается схеме 82 умножения, где он умножается на значение тока тягового двигателя из блока 84 контрольно-измерительного устройства. Результат является мощностью, подаваемой к тяговым двигателям. После обработки через соответствующую схему усиления, блок 86, и схему ограничения мощности, блок 88, сигнал мощности подается к суммирующему объединению 80 для суммирования с сигналом ошибки из блока 78. В то же время напряжение батареи, блок 72a, сравнивается с опорным напряжением из блока 90 и затем обрабатывается через соответствующую схему усиления, блок 92, и схему ограничения мощности, блок 94, и также передается суммирующему объединению 80. Блоки 72a, 90, 92 и 94 составляют схему защиты от перенапряжения тяговой батареи, чтобы предотвратить перезаряд батареи. Выходной сигнал из суммирующего объединения 80 проходит через блок 96 ограничения мощности и становится командным сигналом мощности, именуемым как командный сигнал мощности EMS, для управления приведением в действие модулей 20 двигателя/генератора переменного тока и подается системе на фиг.9.
Фиг.9 иллюстрирует одну форму системы управления для гибридного локомотива с несколькими двигателями/генераторами переменного тока. EMS-сигнал из фиг.8 суммируется в точке объединения 98 со вспомогательным командным сигналом мощности (сформированным традиционным образом, чтобы представить запрос мощности для собственных нужд, чтобы запустить системы, связанные с локомотивом, отличной от тяговой мощности для приводных двигателей), чтобы создать общую потребность в мощности. Этот сигнал передается микропроцессорному контроллеру 100, который запрограммирован, чтобы оптимизировать работу систем локомотива, выборочно приводя в действие модули 20 двигателей/генераторов переменного тока. Процессор может использовать справочную таблицу или другой алгоритм, чтобы определить, когда и как долго каждый модуль двигателя/генератора переменного тока будет активен. Каждый модуль 20 включает в себя контроллер 102, который преобразует командный сигнал мощности от контроллера 100 в соответствующие команды скорости двигателя и команды выходной мощности для генератора переменного тока. Соответствующие команды скорости и мощности подаются соответствующим блокам 104 управления скоростью и блокам 106 регулятора генератора переменного тока. Выходная мощность из каждого генератора переменного тока суммируется в тяговой батарее 18 и подается к силовой шине 108 тяговой мощности локомотива.