Способ работы гибридного дизель-контактного маневрового локомотива с накопителями энергии и маневровый локомотив
METHOD OF HYBRID DIESEL-CONTACT SHUNTING LOCOMOTIVE OPERATION WITH ENERGY ACCUMULATORS AND SHUNTING LOCOMOTIVE

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к маневровым локомотивам с гибридной энергетической установкой, которая состоит из дизель-генератора и тяговых аккумуляторных батарей.
Известен способ работы маневрового локомотива, заключающийся в питании тяговых электродвигателей, компрессора, систем освещения, аккумуляторной батареи, системы обогрева дизеля и отопления локомотива от контактной сети через статический преобразователь, а при работе на не электрифицированных участках - от дизель-генераторной установки [1].
Недостатком данного способа работы маневрового локомотива являются малые пробеги локомотива из-за невозможности использования электроэнергии, которую вырабатывают электродвигатели в генераторном режиме в процессе электродинамического торможения при работе локомотива на не электрифицированных участках. Это объясняется тем, что конструкция данного локомотива не содержит вторичных источников для приема-передачи электроэнергии торможения. Поэтому при работе локомотива на не электрифицированных участках сокращаются пробеги между экипировкой топливом. В случае отказа дизель-генераторной установки на не электрифицированном участке для локомотива, из-за отсутствия на нем других тяговых энергоустановок, также наступает отказ.
Известен способ работы маневрового локомотива, заключающийся в питании тяговых электродвигателей маневрового локомотива тяговыми аккумуляторными батареями, при этом на электрифицированных участках пути от контактной сети отбирают электроэнергию, преобразовывают ее, выпрямляют в постоянное напряжение, сглаживают пульсации напряжения и питают тяговые электродвигатели, одновременно от контактной сети преобразованным и выпрямленным напряжением заряжают тяговые аккумуляторные батареи и электролизер, который вырабатывает кислород и водород, заполняя накопители, на не электрифицированных участках пути тяговые электродвигатели питают от тяговых аккумуляторных батарей и от электрохимического генератора, который в свою очередь питают от накопителей кислорода и водорода, причем при торможении маневрового локомотива тяговые электродвигатели переводят в генераторный режим, вырабатывая электроэнергию, и заряжают емкостные накопители, которые питают электролизер, а при выключенных тяговых электродвигателях электрохимический генератор переключают на заряд тяговых аккумуляторных батарей и при каждом отключении электролизера и электрохимического генератора трубопроводы водорода продувают «холодным» водяным паром [2].
Известен экологически чистый маневровый локомотив с энергетической установкой, содержащий кузов капотного типа, тяговые электродвигатели реверсивного типа, энергетическую установку, состоящую из первого источника электрической энергии в виде тяговой аккумуляторной батареи с двумя входами и двумя выходами и второго источника электрической энергии небольшой мощности. На локомотив дополнительно установлены емкостные накопители, источник «холодного» водяного пара с двумя входами и одним выходом, электрохимический генератор с двумя входами и двумя выходами, электролизер с двумя входами и двумя выходами, накопители водорода и кислорода, преобразователь напряжения с одним входом и тремя выходами, три выпрямительные установки, сглаживающий реактор и пантограф. Второй источник электрической энергии небольшой мощности выполнен в виде электрохимического генератора с электролизером, накопителями водорода и кислорода и источника «холодного» водяного пара. Пантограф соединен с входом преобразователя напряжения, который третьим своим выходом соединен с входом третьей выпрямительной установкой, которая через сглаживающий реактор соединена с тяговыми электродвигателями. Второй выход преобразователя напряжения соединен со второй выпрямительной установкой, которая соединена с первым входом тяговой аккумуляторной батареи, которая в свою очередь первым своим выходом соединена с тяговыми электродвигателями, вторым своим выходом - с первым входом источника «холодного» водяного пара и вторым своим входом - с первым выходом электрохимического генератора, второй выход которого соединен со вторым входом источника «холодного» водяного пара. Преобразователь напряжения соединен третьим выходом с третьей выпрямительной установкой, которая соединена с первым входом электролизера, второй вход электролизера соединен с емкостными накопителями, которые соединены с тяговыми электродвигателями. Выход электролизера по водороду соединен с накопителями водорода, по кислороду - с накопителями кислорода, а выходы накопителей кислорода и водорода соединены с входом в электрохимический генератор, причем источник «холодного» водяного пара соединен своим выходом с трубопроводом «водорода» до и после накопителя водорода [2].
Недостатком способа работы маневрового локомотива являются малые пробеги локомотива при работе на не электрифицированных участках. Это объясняется тем, что тяговая аккумуляторная батарея питает электродвигатели, вспомогательную энергетическую подсистему электрохимического генератора
- источник «холодного» водяного пара и вспомогательные системы локомотива
- компрессор, освещение, отопление, цепи управления, т.е. принимает энергетическую нагрузку всего локомотива, а работа электрохимического генератора требует наличия кислорода и водорода, которые вырабатывает электролизер, питание которого возможно в случае заряда емкостного накопителя, т.е. работа электрохимического генератора носит непостоянный характер и зависит от уровня заряда вторичных источников энергии.
Недостатком данного маневрового локомотива являются его сложная конструкция и низкая надежность преобразователя напряжения, совмещающего в себе функции тягового трансформатора и импульсного регулятора напряжения, отсутствие дополнительного пантографа на локомотиве, взрывоопасное, в случае возникновения механических повреждений при столкновении, размещение в задней части локомотива водородной аппаратуры, дополнительные потери энергии рекуперации при передачи от электродвигателей к тяговой аккумуляторной батареи в результате неоднократного преобразования в цепи емкостной накопитель - электролизер - накопители кислорода/водорода - электрохимический генератор, сложность управления электродвигателями при питании непосредственно от электрохимического генератора из-за отсутствия на его выходе выпрямительной установки, отсутствие преобразовательной установки между электрохимическим генератором и тяговой аккумуляторной батареей.
Известен маневровый локомотив, содержащий раму, кузов капотного типа, энергетическую установку, состоящую из тяговой аккумуляторной батареи и двигателя-генератора небольшой мощности, размещенного в капоте кузова, топливный бак, две тележки с приводом от тяговых электрических двигателей, вспомогательное оборудование, кабину управления с размещенным в ней рабочим местом машиниста, состоящим из пульта управления и кресла. Топливный бак выполнен в виде блоков, которые размещены в раме локомотива и свободном пространстве кузова. Тяговые аккумуляторные батареи размещены в секциях, установленных не менее чем в два яруса в капоте кузова и под рамой локомотива в межтележечном пространстве по обеим сторонам локомотива. Кабина управления установлена над рамой локомотива с максимальным заполнением верхнего габарита строительного очертания для обеспечения кругового обзора из нее и размещения в подкабинном пространстве части вспомогательного оборудования. Рабочее место машиниста выполнено в виде модуля, включающего два пульта управления и поворотное кресло, имеющее возможность продольного перемещения от одного пульта к другому. Блоки топливного бака соединены между собой топливопроводом в общую систему [3].
Недостатком маневрового локомотива являются малые пробеги локомотива между экипировкой топливом и зарядкой тяговых аккумуляторных батарей, невозможность использовать электрическую энергию от контактной сети для питания тяговых аккумуляторных батарей и вспомогательных систем локомотива при работе локомотива на электрифицированных участках, невозможность перемещения пульта управления вместе с креслом, сокращая тем самым количество элементов кабины управления.
Данные технические решения выбраны автором в качестве прототипа.
Техническим результатом изобретения является увеличение пробега локомотива и возможность его эксплуатации как на не электрифицированных участках, так и на электрифицированных участках постоянного и переменного тока.
Технический результат достигается тем, что способ работы маневрового локомотива с энергетической установкой заключается в питании тяговых асинхронных электродвигателей тяговыми аккумуляторными батареями и дизель-генератором, на электрифицированных участках пути постоянного тока от контактной сети отбирают электроэнергию через токоприемник системы преобразования постоянного напряжения, пропускают через входной фильтр, преобразователь напряжения, фильтр промежуточного звена постоянного напряжения, преобразуют в автономном инверторе напряжения и питают тяговые асинхронные электродвигатели, одновременно от преобразователя напряжения через вспомогательный преобразователь заряжают тяговые аккумуляторные батареи, на электрифицированных участках пути переменного тока от контактной сети отбирают электроэнергию через токоприемник системы преобразования переменного напряжения, преобразуют в тяговом трансформаторе, выпрямляют в управляемом выпрямителе, сглаживают в фильтре промежуточного звена постоянного напряжения, преобразуют в автономном инверторе и питают тяговые асинхронные электродвигатели, одновременно от управляемого выпрямителя через вспомогательный преобразователь заряжают тяговые аккумуляторные батареи, на не электрифицированных участках пути тяговые асинхронные электродвигатели питают от тяговых аккумуляторных батарей через вспомогательный преобразователь, автономный инвертор и от дизель-генераторной установки через выпрямитель, автономный инвертор напряжения, одновременно заряжая тяговые аккумуляторные батареи, причем при торможении локомотива тяговые асинхронные электродвигатели переводят в генераторный режим, вырабатывая энергию и заряжая через автономный инвертор и вспомогательный преобразователь тяговые аккумуляторные батареи, а при выключенных тяговых асинхронных электродвигателях дизель-генераторная установка заряжает тяговые аккумуляторные батареи через выпрямительную установку.
Маневровый локомотив с энергетической установкой содержит раму, кузов капотного типа, преобразовательную систему для работы на участках постоянного тока, состоящую из токоприемника, входного фильтра, преобразователя напряжения, фильтра звена постоянного напряжения, преобразовательную систему для работы на участках переменного тока, состоящую из токоприемника, тягового трансформатора, управляемого выпрямителя, фильтра звена постоянного напряжения, преобразователя частоты в виде автономного инвертора напряжения, энергетическую установку, состоящую из первого источника электрической энергии в виде дизель-генератора небольшой мощности, состоящего из дизельного двигателя внутреннего сгорания и синхронного генератора, и второго источника электрической энергии в виде тяговых аккумуляторных батарей, выпрямительную установку на выходе синхронного генератора, вспомогательный преобразователь напряжения с четырьмя входами и двумя выходами, первый выход вспомогательного преобразователя соединен с тяговой аккумуляторной батареей, второй выход вспомогательного преобразователя соединен с автономным инвертором, топливный бак, две тележки с индивидуальным приводом каждой оси колесной пары от тяговых асинхронных электродвигателей, вспомогательное оборудование, кабину управления с размещенным в ней рабочим местом машиниста в виде модуля, включающего поворотно-передвижной пульт управления и кресло.
Постановка на маневровый локомотив преобразовательных систем переменного и постоянного тока позволяет питать тяговые электродвигатели от контактной сети постоянного и переменного тока, производить зарядку тяговых аккумуляторных батарей непосредственно при эксплуатации маневрового локомотива на электрифицированных участках. Токоприемники двух преобразовательных систем взаимозаменяемы, что обеспечивает работоспособность локомотива на электрифицированном участке при выходе из строя одного из них.
Постановка на маневровый локомотив дизель-генераторной установки небольшой мощности позволяет питать тяговые электродвигатели на не электрифицированных участках, при аварийном состоянии контактной сети тягового энергоснабжения и/или собственных преобразовательных систем маневрового локомотива, заряжать тяговые аккумуляторные батареи и питать вспомогательное оборудование.
Постановка на маневровый локомотив энергетической установки из дизель-генератора и тяговых аккумуляторных батарей позволяет получить два независимых источника энергии, что повышает надежность маневрового локомотива и увеличивает его пробег.
Постановка на маневровый локомотив автономного инвертора напряжения с вентилями двухсторонней проводимости позволяет проводить электрическую энергию к тяговым асинхронным электродвигателям при работе их в двигательном режиме и забирать от них энергию с последующей отдачей тяговым аккумуляторным батареям при работе в генераторном режиме.
Постановка на маневровый локомотив тяговых аккумуляторных батарей блочной конструкции позволяет изменять количество секций батарей с максимальным заполнением подкапотного пространства кузова маневрового локомотива, что, в свою очередь, также позволяет изменять соответствующие характеристики маневрового локомотива и адаптировать его для эксплуатационной работы различного характера.
Вспомогательное оборудование маневрового локомотива, которое состоит из цепей управления локомотивом, систем охлаждения, освещения, отопления, тормозной системы, аккумуляторной батареи, систем локомотивной безопасности, радиостанции, преобразователя напряжения, двух внешних розеток для подключения путевого электроинструмента, получает питание через три входа: первый - от преобразователя напряжения системы постоянного тока, второй - от управляемого выпрямителя преобразовательной системы переменного тока, третий - от выпрямительной установки.
Постановка на маневровый локомотив кабины управления с размещенным в ней рабочим местом машиниста в виде модуля, включающего поворотно-передвижной пульт управления, за исключением крана машиниста, и кресло, позволяет сократить количество органов управления в кабине и, тем самым, увеличить пространство для размещения энергетического оборудования на локомотиве.
На фиг. 1 изображен маневровый локомотив, вид сбоку; на фиг. 2 изображен этот локомотив, вид сверху; на фиг. 3 показана схема соединения энергетического оборудования маневрового локомотива.
Маневровый локомотив (фиг. 1, фиг. 2) содержит раму 1, кузов капотного типа 2, токоприемник 3, входной фильтр 4, импульсный преобразователь напряжения 5, фильтр звена постоянного напряжения 6, токоприемник 7, тяговый трансформатор 8, управляемый выпрямитель 9, фильтр звена постоянного напряжения 10, автономный инвертор напряжения 11, дизельный двигатель внутреннего сгорания 12, синхронный генератор 13, тяговые аккумуляторные батареи 14, выпрямительную установку 15, фильтр звена постоянного напряжения 16, вспомогательный преобразователь напряжения 17, топливный бак 18, тяговые асинхронные электродвигатели 19, вспомогательное оборудование 20 и кабину управления 21.
Способ работы маневрового локомотива реализуется следующим образом.
При работе маневрового локомотива на электрифицированных участках пути постоянного тока от контактной сети токоприемником 3 отбирают электроэнергию, которую пропускают через входной фильтр 4 и направляют в преобразователь напряжения 5. Преобразователь напряжения 5 преобразует постоянное напряжение электроэнергии до нужного значения и направляет ее в фильтр промежуточного звена постоянного напряжения 6. Электроэнергию с выпрямленным и сглаженным напряжением на выходе фильтра звена постоянного напряжения 6 подают на вход в автономный инвертор напряжения 11, где напряжение преобразуется до нужной амплитуды и частоты и подается на тяговые асинхронные электродвигатели 19, которые приводят маневровый локомотив в движение.
При работе маневрового локомотива на участках пути переменного тока от контактной сети токоприемником 7 отбирают электроэнергию, преобразуют ее в тяговом трансформаторе 8, выпрямляют в управляемом выпрямителе 9, сглаживают в фильтре промежуточного звена постоянного напряжения 10. Электроэнергию с выпрямленным и сглаженным напряжением на выходе фильтра 10 подают на вход в автономный инвертор напряжения 11, где напряжение преобразуется до нужной амплитуды и частоты и подается на тяговые асинхронные электродвигатели 19, которые приводят маневровый локомотив в движение.
На не электрифицированных участках пути тяговые асинхронные электродвигатели 19 питают от тяговых аккумуляторных батарей 14, через вспомогательный преобразователь напряжения 17 и автономный инвертор напряжения 11. При сокращении общего уровня заряда аккумуляторных батарей 14 менее чем на 40% от полного заряда запускается дизельный двигатель внутреннего сгорания 12, который приводит во вращение вал синхронного генератора 13. Синхронный генератор 13 вырабатывает электроэнергию переменного напряжения, которая выпрямляется в выпрямительной установке 15. Выпрямленное напряжение сглаживается в фильтре звена постоянного напряжения 16 и подается в автономный инвертор напряжения 11, где преобразуется до необходимой амплитуды и частоты и подается на тяговые асинхронные электродвигатели 19.
Зарядка тяговых аккумуляторных батарей 14 осуществляется от трех источников: от контактной сети, от синхронного генератора 13 при работе дизельного двигателя внутреннего сгорания 12 и от тяговых асинхронных электродвигателей 19. Для этого электроэнергия от контактной сети постоянного напряжения проходит через токоприемник 3, входной фильтр 4, импульсный преобразователь напряжения 5, вспомогательный преобразователь напряжения 17. Электроэнергия от контактной сети переменного тока проходит через токоприемник 7, тяговый трансформатор 8, управляемый выпрямитель 9, вспомогательный преобразователь напряжения 17. Механическая энергия вращения вала дизельного двигателя внутреннего сгорания 12 приводит во вращение вал синхронного генератора 13, где вырабатывается электрическая энергия, которая выпрямляется в выпрямительной установке 15 и подается через вспомогательный преобразователь 17 на заряд тяговых аккумуляторных батарей 14. В процессе торможения локомотива тяговые асинхронные электродвигатели 19 переводят в генераторный режим работы, вырабатываемая электроэнергия преобразовывается в автономном инверторе напряжения 11 в обратном режиме и подается через вспомогательный преобразователь 17 на заряд тяговых аккумуляторных батарей 14. Зарядка тяговых аккумуляторных батарей 14 осуществляется одновременно или последовательно от каждого отдельного источника энергии как в процессе движения локомотива, так и при его стоянке.
Токоприемники 3 и 7 взаимозаменяемы и способны к приему электроэнергии от контактной сети как на участках постоянного напряжения, так и переменного. Это обеспечивает надежность работы маневрового локомотива на электрифицированных участках в случае выхода из строя одного из токоприемников.
В кабине управления 21 установлено рабочее место машиниста, которое выполнено в виде модуля, включающего совмещенный пульт управления 22 и кресло 23. Пульт управления 22, за исключением крана машиниста 24, и кресло 23 имеют возможность кругового вращения и поперечного перемещения от одной стороны кабины 21 к другой относительно продольной оси пути, что обеспечивает круговой обзор машинисту и сокращает количество элементов кабины управления 21, увеличивая тем самым пространство для размещения секций тяговых аккумуляторных батарей 14.
По обеим сторонам локомотива относительно продольной оси пути диаметрально противоположно размещены розетки 25 для подключения электроинструмента.
Эксплуатация предлагаемого маневрового локомотива позволит увеличить пробеги между экипировкой локомотива и, как следствие, сократить топливные расходы и расходы электроэнергии, выполнять маневровую работу на всей сети железных дорог и вспомогательную работу при проведении ремонтно-восстановительных работ с использованием электроинструмента.
Источники информации
1. Яцков Д.Н. Журнал «Локомотив», статья «Для маневрово-вывозной работы нужен дизель-электровоз», 2012 г., №4.
2. Патент РФ №2445219 от 17.11.2010, МПК B61C 9/00, опубл. 20.03.2012, БИ №8, авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. «Способ работы маневрового локомотива и маневровый локомотив».
3. Патент РФ №2344954 от 12.12.2007, МПК B61C 17/00, B60K 6/08, B60L 11/00, опубл. 27.01.2009, БИ №3, авторы Бондаренко Л.М. и др. «Маневровый локомотив».