ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ ПЕРЕМЕННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА

Настоящая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к маневровым тепловозам. Полезная модель может быть использована для модернизации существующего парка железнодорожных транспортных средств (например тепловозов ТГМ4, ТГМ6) с заменой существующих трансмиссий (механической, гидравлической) на электромеханическую трансмиссию, а также при создании нового поколения маневровых тепловозов.
Известно, что эксплуатация железнодорожных транспортных средств (например, маневровых тепловозов) характеризуется значительным временем их работы на малых нагрузках, холостом ходу, переходных и частичных режимов (см. - Кузнецов И.А. К вопросу снижения расхода топлива при выполнении маневровой работы тепловозами//Вестник транспорта Поволжья. - 2015. - №6 с. 23-27). При таких условиях работы оснащение транспортного средства одним ДВС приводит к перерасходу топлива.
Известна конструкция тепловоза ТГМ4, в кузове машинного отделения которого расположен двигатель внутреннего сгорания, гидропередача, компрессор, двухмашинный агрегат, маслоохладитель гидропередачи, и ряд других вспомогательных элементов, (см.-Тепловозы ТГМ4 и ТГМ4А: Руководство по эксплуатации и обслуживанию/Людиновский ордена Трудового Красного Знамени тепловозостроительный завод - 3-е изд. перераб. и доп - М.: Транспорт, 1985 - 206 с). Недостатком данной конструкции является оснащение тепловоза одним ДВС и гидропередачей. Оснащение транспортного средства одним двигателем внутреннего сгорания, что сказывается на эффективности его работы с частичной нагрузкой или на холостом ходу, приводит к перерасходу топлива. Применение гидравлической трансмиссии приводит к недостаточной эффективности, повышенному расходу топлива тепловозом, а также в них используются специальные минеральные масла.
Из уровня техники известно транспортное средство тепловоз ТЭМ12, на котором используется электрическая передача с групповым приводом колесных пар. Тепловоз содержит генератор, который питает два тяговых электродвигателя, параллельно включенных. Валы электродвигателей соединены между собой и связаны с карданными валами, которые соединены с осевыми редукторами (Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1976-1985 гг). - М.:Транспорт, 1990. С. 159-162).
Недостатком конструкции данного транспортного средства является применение двигателей постоянного тока в качестве тяговых. КПД двигателей постоянного тока ниже, чем у электрических машин переменного тока. Асинхронные электродвигатели переменного тока проще по конструкции, легче электродвигателей постоянного тока такой же мощности. В них отсутствует коллектор и щеточный аппарат, которые ненадежны в эксплуатации, поэтому снижаются затраты на ремонт и обслуживание. Среди электрических машин переменного тока наибольшей надежностью, ремонтопригодностью, управляемостью и высокой эффективностью обладают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Из уровня техники известна электромеханическая трансмиссия самоходной машины, содержащая тяговый генератор, соединенный с ДВС и выполненный с возможностью преобразования механической энергии ДВС в электрическую энергию, тяговые вентильно-индукторные электродвигатели (ВИД) с независимым возбуждением, приспособленные для преобразования электрической энергии в механическую, а также бортовые редукторы, связанные с тяговыми ВИД и приспособленные для привода ведущих колес самоходной машины (Лашкевич М.М. Разработка системы управления для электротрансмиссии с тяговыми вентильно-индукторными двигателями: дис. канд. техн. Наук: 09.09.03. - Москва: ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», 2013. - 155 с).
В ВИД реализуются многопакетные конструкции с обмоткой возбуждения, расположенной между соседними пакетами двигателя. Применение в трансмиссиях ВИД с независимым возбуждением усложняет конструкцию и снижает надежность трансмиссии.
Известна путевая машина - транспортное средство (мотовоз), содержащая несущую раму, опирающуюся на ходовые части, установленную на раме кабину машиниста, силовое оборудование и вспомогательное оборудование, расположенное в подрамном пространстве, причем машина оборудована электромеханической трансмиссией с асинхронным генератором и асинхронными тяговыми двигателями. Управление асинхронным генератором осуществляется через блок силовой электроники асинхронного генератора. Управление тяговым оборудованием осуществляется через блок силовой электроники тяговых асинхронных двигателей. Крутящий момент передается с тяговых асинхронных двигателей на каждую колесную пару через осевой редуктор.
Недостатком данного технического решения, оптимального для путевой машины с одним двигателем внутреннего сгорания и одним асинхронным генератором, является увеличенный расход топлива при использовании в маневровом тепловозе одного мощного ДВС (RU 160327 14.10.2015; RU 168211 25.04.2016).
Из уровня техники известно транспортное средство, содержащее несущую часть с установленными на ней посредством элементов крепления системой управления транспортным средством и его оборудованием, тяговым асинхронным электродвигателем, вспомогательными приводными элементами, элементами силовой и управляющей электроники, двумя двигателями внутреннего сгорания, системами охлаждения элементов силовой и управляющей электроники и элементов тягового привода, контроллером верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанным с системой управления транспортным средством и отображения информации и элементами управляющей электроники, электрической схемой питания потребителей электроэнергии. Каждый из двух двигателей внутреннего сгорания механически соединен со своим тяговым асинхронным генератором. Тяговый асинхронный электродвигатель соединен через редукторы с движителями. Контроллер верхнего уровня выполнен с возможностью управления включением в работу двигателей внутреннего сгорания в зависимости от условий движения и задания водителя посредством системы управления транспортным средством. Цифровые системы управления, тяговые асинхронные генераторы и тяговый асинхронный двигатель, вспомогательные приводные элементы, тяговые преобразователи на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение взаимосвязаны с возможность передачи управляющих и информационных сигналов. (RU 181537, 20.07.2017 г.).
Недостатком этого решения является применение одного тягового двигателя, при выходе из строя которого тепловоз не сможет освободить путь и продолжить самостоятельное движение до места ремонта. Также наличие редуктора между тяговым электродвигателем и движителями уменьшает КПД трансмиссии, снижает надежность ее работы, увеличивает затраты на обслуживание и ремонт.
Частично этот недостаток устранен в тяговом приводе маневровых тепловозов (RU 2720229 04.04.2019), в котором применены два тяговых реактивных индукторных двигателя (ТРИД), которые без промежуточного редуктора подключены карданными валами к редукторам движителей. ТРИД обеспечивает на малых оборотах требуемые пусковые и длительные моменты.
Недостатком данного решения является большой уровень пульсаций потребляемого тока и момента на валу ТРИД, пульсации которого передаются не только на движители (колесные пары), но и воздействуют на вал ДВС, снижая ресурс его работы. Кроме того, увеличивается требуемая установленная мощность преобразователей, питающих ТРИД, что приводит к удорожанию трансмиссии. Из-за большой массы и габаритов ТРИД увеличивается и цена тяговых двигателей, что также приводит к увеличению стоимости трансмиссии.
Выбираем данное транспортное средство (RU 181537, 20.07.2017 г.) и техническое решение (RU 2720229 04.04.2019) в качестве прототипов, как наиболее близких к предлагаемой полезной модели по технической сущности.
Недостатком прототипа является применение только одного тягового двигателя, при выходе из строя которого, тепловоз останавливается и не может продолжить движение до места ремонта, наличие редуктора между тяговым двигателем и движителями приводит к эксплуатационным расходам, снижению надежности привода.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности (КПД) привода, экономия топлива, повышение надежности транспортного средства, уменьшение межремонтного интервала, снижение эксплуатационных расходов.
Заявленный технический результат достигается тем, что электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока маневрового тепловоза содержит два асинхронных мотор-генератора, каждый из которых соединен со своим двигателем внутреннего сгорания, по меньшей мере, два тяговых асинхронных двигателя, системы охлаждения тяговых асинхронных электрических машин, систему управления, включающую в себя модули силовой электроники тяговых электрических машин, содержащие силовые преобразователи, выполненные на основе интеллектуальных интегральных IGBT-модулей, контроллеры преобразователей, реализующих алгоритмы цифрового управления тяговыми асинхронными электрическими машинами, и системы их охлаждения, контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанный с органами управления и отображения информации в кабине тепловоза, контроллерами силовых преобразователей и двигателей внутреннего сгорания, электрическую схему питания потребителей электроэнергии. В электрическую схему питания потребителей электроэнергии, возможно, включить накопитель энергии. Тяговые асинхронные двигатели соединены с движителями непосредственно, и представляют собой многополюсные, высокомоментные электрические машины переменного тока, и управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты. Асинхронные мотор-генераторы переменного тока управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты. Все элементы системы управления, привода и силовой электроники связаны между собой с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов.
На фиг. 1 приведена структурная схема электромеханической трансмиссии (ЭМТ) маневрового тепловоза с двумя тяговыми асинхронными двигателями:
два асинхронных мотор-генератора (АМГ) переменного тока;
два тяговых асинхронных двигателя (ТАД);
два блока силовой электроники (БСЭ) с силовыми преобразователями (СП) (для питания АМГ) и контроллерами силовых преобразователей (КСП);
два блока силовой электроники (БСЭ) с силовыми преобразователями (СП) (для питания ТАД) и контроллерами силовых преобразователей (КСП);
комплект систем жидкостного охлаждения БСЭ и АМГ (СОх);
комплект системы воздушного охлаждения (СВО) ТАД;
преобразователь напряжения постоянно-постоянного тока для зарядки аккумуляторных батарей и питания потребителей тока по цепи 24 В;
контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления и отображения информации маневрового тепловоза;
сервисная вычислительная система (СВС);
блок управления питанием 24 В (БУП);
панель управления и отображения информации тепловоза (панель управления и дисплей);
блок мотор-компрессор.
Управление каждым блоком осуществляется собственным контроллером, которые объединены между собой по шине CAN.
В заявленной полезной модели использована жидкостная система охлаждения БСЭ и АМГ и воздушная система охлаждения ТАД. Для связи и передачи сигналов между элементами тягового электрического оборудования использована стандартная шина CAN.
Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение каждый свой асинхронный мотор-генератор, которые вырабатывают переменный ток, поступающий затем на блоки силовой электроники АМГ. БСЭ АМГ обеспечивает питание постоянным током блок мотор-компрессора, системы охлаждения ТАД, блоки силовой электроники ТАД. В БСЭ ТАД постоянный ток преобразуется в переменный и подается на тяговые асинхронные двигатели, которые передают крутящий момент на движители.
Привод транспортного средства обеспечивает тяговый режим работы маневрового тепловоза и режим электрического торможения. В заявленной полезной модели может быть реализовано компрессионное торможение через ДВС, при этом асинхронный мотор-генератор работает в режиме двигателя. В варианте реализации предложенной полезной модели с блоком накопления энергии компрессионное торможение реализуется при полном заряде блока накопления энергии (БНЭ).
Привод транспортного средства выполнен с возможностью защиты в аварийных режимах от перегрева обмоток и подшипников АМГ и ТАД, от ухудшения уровня изоляции токоведущих частей, от перегрузок по току, напряжению, нессиметрии фазных напряжений; диагностики составных частей тягового электрического оборудования, с определением неисправности функционального блока, с контролем и визуализацией параметров электрооборудования, записью и хранением статистических и аварийных данных работы тягового электрического оборудования; просмотра, анализа параметров тягового электрического оборудования, статистической информации работы тягового электрического оборудования, контроля и программирования конфигурации систем тягового электрического оборудования посредством работы с внешней ПЭВМ, связанной с контроллером верхнего уровня (КВУ).
КВУ осуществляет согласованное управление всеми устройствами, входящими в состав комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) по CAN-шине, так он управляет ДВС посредством передачи в контроллеры ДВС задания требуемых скоростей их вращения, также КВУ управляет всеми АМГ и ТАД посредством передачи в контроллер силовых преобразователей, размещенных в БСЭ АМГ и ТАД, заданий создаваемых каждым АМГ и ТАД электромагнитных моментов. В КВУ посредством ПЭВМ предварительно введено программное обеспечение, содержащее алгоритмы определения и распределения электромагнитных моментов, реализуемых АМГ и ТАД. КВУ ведет запись состояния всех органов управления, исполнительных устройств через определенные моменты времени. По каналу CAN считывается и записывается в КВУ с контроллеров АМГ и ТАД информация об аварийной ситуации с кодом этой ситуации. Аварийные логи могут быть переписаны в сервисную вычислительную систему (СВС) для сохранения их на внешнем носителе.
Сервисная вычислительная система (СВС) представляет собой программное обеспечение для сопровождения, наладки и диагностики ошибок, предназначенная для отображения параметров рабочих характеристик системы тягового электрооборудования, загрузки, сохранения и отображения аварийных логов, для последующего анализа причин неисправностей, позволяет упростить процесс наладки и контроля тягового электрооборудования.
Применение предлагаемой полезной модели позволило получить следующие преимущества: существенное повышение эффективности привода, экономию горючесмазочных материалов, уменьшение межремонтного интервала и уменьшение расходов на ремонты.
Применение безредукторного привода с многополюсными высокомоментными электрическими машинами переменного тока позволило упростить конструкцию, что привело к облегчению обслуживания системы тягового привода и повышению его надежности, снижению эксплуатационных расходов, за счет исключения неизбежных потерь масла, снижению общих затрат на тяговый привод.
Применение двух двигателей внутреннего сгорания, соединенных каждый со своим асинхронным мотор-генератором, позволяет производить остановку одного ДВС на частичных нагрузках, обеспечивая экономию топлива, увеличить ресурс работы ДВС.
Применение электромеханической трансмиссии позволило увеличить тягу, повысить КПД, снизить расход топлива, обеспечить бесступенчатое регулирование скорости маневрового тепловоза, увеличить производительность работы, снизить динамические нагрузки на узлы тепловоза и ДВС, снизить эксплуатационные затраты на техническое обслуживание, ремонт и расходные материалы, повысить надежность работы маневрового тепловоза.
Применение современных цифровых систем управления обеспечило возможность повышения КПД привода и возможность экономии топлива.
Добавление в электрическую схему привода накопителя электроэнергии (например, на основе суперконденсаторов или батарей) позволяет сгладить нагрузку на силовую установку, рекуперировать энергию при торможении, за счет чего возрастает энергоэффективность маневрового тепловоза.
Модульная компоновка составляющих частей трансмиссии позволяет добиться ее компактности и оптимального распределения составляющих частей.
Реализация любой совокупности указанных выше признаков направлена на повышение надежности и эффективности привода транспортного средства, экономию топлива, уменьшение межремонтного интервала транспортного средства, снижение эксплуатационных расходов на техническое обслуживание, ремонт и расходные материалы, повышение надежность работы маневрового тепловоза в целом.
Все элементы управления маневровым тепловозом, привода и силовой электроники связаны между собой с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов и составляют единое устройство.