Электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока для гибридного маневрового тепловоза

Настоящая полезная модель относится к транспорту, преимущественно рельсовому. Полезная модель может быть использована для модернизации существующего парка рельсовых транспортных средств с заменой гидравлической или механической трансмиссии на электромеханическую (ЭМТ), а также при создании нового поколения маневровых тепловозов.
В маневровых тепловозах с явно выраженным циклическим режимом работы при применении электромеханической трансмиссии и даже двух дизельной силовой установки не в полной мере используются возможности экономии топлива. Средняя мощность, потребляемая от ДВС у маневрового тепловоза, составляет треть от максимальной, требуемой для динамичного начала движения после остановок и для длительной вывозной работы при максимальной нагрузке. Для этих режимов требуется мощность в два-три раза превышающая среднюю. Но именно на такую мощность должны быть выбраны ДВС, что приводит к увеличению габаритов и стоимости, повышению расхода топлива.
Частично эта проблема решается применением двух дизельной установки. При этом большую часть времени работает более маломощный ДВС с меньшим потреблением топлива. Второй ДВС подключается при необходимости в дополнительной мощности.
Из уровня техники известна электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока маневрового тепловоза (RU201827 от 19.08.2020 г.), содержащая два асинхронных мотор-генератора, каждый из которых соединен со своим двигателем внутреннего сгорания, два тяговых асинхронных двигателя, системы охлаждения тяговых асинхронных двигателей и генераторов, систему управления, включающую в себя модули силовой электроники тяговых двигателей и генераторов, содержащие силовые преобразователи, выполненные на основе интеллектуальных интегральных IGBT-модулей, контроллеры преобразователей, реализующих алгоритмы цифрового управления тяговыми асинхронными двигателя и генераторами, и системы их охлаждения, контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, который связан с органами управления и отображения информации в кабине тепловоза, контроллерами силовых преобразователей и двигателей внутреннего сгорания, электрическую схему питания потребителей электроэнергии. Тяговые асинхронные двигатели соединены с движителями непосредственно и управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты, а асинхронные мотор-генераторы управляются каждый от индивидуального преобразователя частоты.
Из уровня техника также известна электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока маневрового тепловоза (RU209368 от 13.05.2021) электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока с поосным регулированием для маневрового тепловоза, содержащая четыре тяговых асинхронных двигателя, соединенных с колесными парами непосредственно, элементы силовой и управляющей электроники, два двигателя внутреннего сгорания и соединенные с ними через муфту гашения крутильных колебаний два асинхронных мотор-генератора, каждый из которых управляется от индивидуального силового преобразователя, системы охлаждения элементов силовой и управляющей электроники и элементов тягового привода, контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанный с системой управления маневровым тепловозом и отображения информации и элементами управляющей электроники, электрическую схему питания потребителей электроэнергии, причем контроллер верхнего уровня выполнен с возможностью управления включением в работу двигателей внутреннего сгорания в зависимости от условий движения и задания водителя посредством системы управления маневровым тепловозом, при этом тяговые асинхронные двигатели, представляют собой высокомоментные, низкооборотные электрические машины, передающие крутящий момент на каждую колесную пару транспортного средства и управляются каждый от индивидуального силового преобразователя, при этом цифровые системы управления, тяговые асинхронные генераторы и тяговые асинхронные двигатели, силовые преобразователи, выполненные на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение взаимосвязаны с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов.
Выбираем данные технические решения за прототипы, как наиболее близкие в предлагаемой полезной модели по технической сущности.
Недостатками прототипов являются сложность и избыточность монтажа между компонентами КТЭО ЭМТ, большая трудоемкость при обслуживании и ремонтах оборудования, сложность алгоритмов управления двухдизельной силовой установки в различных режимах работы, не оптимальность работы ДВС в старт-стопных режимах работы, невозможность использования энергии торможения маневрового тепловоза.
Техническим результатом заявленной полезной модели является существенное снижение расхода топлива в маневровых режимах работы тепловоза, увеличение производительности, снижение времени и затрат при установке оборудования электромеханической трансмиссии (ЭМТ) на тепловоз, снижение эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока гибридного маневрового тепловоза строится по модульному принципу из двух тяговых модулей, различными комбинациями которых создаются четыре различных структуры гибридных силовых установок, в которых используются два-источника энергии, один на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего в квазистационарном режиме с минимальными расходом топлива и выбросами вредных веществ, второй - на базе накопителей энергии, используемой в качестве добавочной при троганиях и ускорениях маневрового тепловоза и при движении с максимальными тяговыми усилиями и скоростью, в который рекуперируется энергия торможения тепловоза, используемая на следующих циклах движения.
Электромеханическая трансмиссия переменно-переменного тока гибридного маневрового тепловоза содержит два тяговых модуля, один из которых содержит двигатель внутреннего сгорания ДВС, сочлененный через муфту гашения крутильных колебаний с асинхронным мотор-генератором, который управляется от двухквадрантного преобразователя частоты, при этом выходное постоянное напряжение, независимое от частоты вращения и мощности ДВС, подается на четырехквадрантные преобразователи частоты для управления тяговыми асинхронными двигателями; второй тяговый модуль содержит накопитель энергии на базе суперконденсаторов, напряжение с которого объединяется с выходным постоянным напряжением первого тягового модуля и подается на преобразователи частоты тяговых асинхронных двигателей, механическая энергия на валах которых в режиме торможения тепловоза преобразуется в электрическую и рекуперируется в накопитель энергии, причем управление режимами работы ДВС, преобразователями генератора и тяговых двигателей, потоками мощности в системе осуществляет контроллер верхнего уровня, обеспечивающий оптимальное по топливной эффективности управление ДВС, необходимые тягово-динамические тепловоза от органов управления, рекуперацию энергии торможения для запасания ее в накопителе и последующее использование этой энергии для дяги в дополнение к энергии от ДВС при троганиях и ускорениях тепловоза; при этом цифровые системы управления взаимосвязаны с возможностью передачи управляющих и информационных сигналов.
На фиг. 1 приведена структурная схема комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) для гибридного маневрового тепловоза с ЭМТ переменно-переменного тока с по тележечным управлением:
- двигатель внутреннего сгорания (ДВС);
- асинхронный мотор-генератор (АМГ);
- два тяговых асинхронных двигателя (ТАД1, ТАД2);
- блок силовой электроники асинхронного мотор-генератора (БСЭ АМГ);
- два блока силовой электроники тяговых асинхронных двигателей (БСЭ ТАД1, БСЭТАД2);
- комплект систем жидкостного охлаждения БСЭ и АМГ (СОх БСЭ АМГ, СОх БСЭ ТАД и СОх АМГ);
- контроллер верхнего уровня (КВУ), для управления потоками мощности и тягой, осуществляющий согласованное управление всеми устройствами, входящими в состав комплекта тягового электрооборудования;
- пульты управления (ПУ и ПУЦ);
- сервисная вычислительная система (СВС), программное обеспечение для сопровождения, наладки и диагностики ошибок, с возможностью сохранения и отображения аварийных логов, для последующего анализа причин неисправностей;
- блок накопителей энергии;
- мотор-компрессор;
- система воздушного охлаждения (СВО) ТАД;
Для варианта КТЭО ЭМТ гибридного маневрового тепловоза с поосным управлением (как в RU209368) БСЭ ТАД в каждом тяговом модуле является двухканальным и управляет по каждому каналу двумя ТАД, сочлененных каждый со своей колесной парой на тележке.
На фиг. 2 приведена структурная схема комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) второго тягового модуля для гибридного маневрового тепловоза с ЭМТ переменно-переменного тока с поосным управлением.
Для связи и передачи сигналов между элементами КТЭО, ДВС и тепловоза использована шина CAN.
Гибридный маневровый тепловоз с данным КТЭО ЭМТ строится по модульному принципу.
- ДВС с АГМ, БСЭ АМГ и БСЭ ТАД образуют тяговый модуль 1.
- Блок накопителей, БСЭ ТАД образуют тяговый модуль 2.
На фиг. 3 приведена компоновка размещения тяговых модулей 1 и 2. Компоновка тяговых асинхронных двигателей приведена для варианта с потележечным управлением.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в тяговом модуле 1 приводит в движение асинхронный мотор-генератор (АМГ), который вырабатывает переменный ток, поступающий затем на БСЭ АМГ, который в свою очередь обеспечивает питание постоянным током блок мотор-компрессора, системы воздушного охлаждения ТАД и БСЭ ТАД, а БСЭ ТАД, преобразует постоянный ток в переменный, передают его на ТАД 1, который в свою очередь приводит в движение колесные пары одной тележки.
Напряжение от блока накопителей в тяговом модуле 2 через двунаправленный DC/DC преобразователь подается на объединенную с тяговым модулем 1 шину постоянного тока и используется для питания всех потребителей КТЭО, увеличивая мощность тепловоза на тягу. В режиме торможения в накопитель энергии с шины постоянного тока рекуперируется энергия и запасается в накопителе для последующего использования в дальнейших циклах работы тепловоза.
Покажем эффективность использования накопителя энергии в составе электромеханической трансмиссии фиг. 1 в типичном цикле работы маневрового тепловоза в сравнении с работой в таком же цикле маневрового тепловоза такого же тягового класса ТГМ-6.
Тяговый модуль 1 с ДВС мощностью 350 кВт при КПД трансмиссии 0,82 обеспечит тяговую мощность 300 кВт.
Тяговый модуль 2 с энергией 7,44 МДж (параллельное соединение трех ветвей, каждая из которых содержит последовательное соединение шести модулей 125 В, 62Ф), позволяющий отдать 314 кВт в течение 23,7 секунд при КПД тягового модуля 2 0,707 позволит добавить тепловозу 222 кВт тяговой мощности. Итого: тяговая мощность гибридного тепловоза составит 522 кВт (в течение 23,7 секунд).
Маневровый тепловоз ТГМ-6 с ДВС мощностью 700 кВт при КПД гидромеханической трансмиссии 0,62 имеет тяговую мощность 434 кВт.
Цикл для маневровых тепловозов:
На пути длиной 3500 м перемещается груз 1200 т (плюс 90 т - масса тепловоза). На этом участке находятся восемь стрелочных переходов, на которых тепловоз вынужден останавливаться, затем трогаться и разгоняться до скорости 10 км/час и через 140 секунд (390 м пути) снова останавливаться, стоять на время перевода стрелок, затем трогаться, разгоняться и т.д.
Преодолев путь 3500 м тепловоз 10 минут стоит на выгрузке перемещаемого груза с работой ДВС на холостом ходу.
После этого от по тому же пути возвращается в исходную точку (масса состава 740 т) с остановками на восьми стрелочных переходах под погрузку, которая длится 1 час с работой ДВС на холостом ходу.
Общее время цикла: движение с грузом (общая масса 1290 т) с восемью остановками на участке длиной 3500 м, 10 минутная стоянка под разгрузку, движение порожняком (общая масса 740 т) обратно с восемью остановками и часовая стоянка под погрузку занимает в среднем три часа.
Сила трогания тепловоза ТГМ-6 и гибридного маневрового тепловоза составляет 352,8 кН, длительная сила тяги - 232,4 кН. Тяговая мощность ТГМ-6 составляет 434 кВт, гибридного - 522 кВт кратковременно 23,7 с, длительно - 300 кВт.
Графики зависимостей скорости тепловоза, силы тяги и тяговой мощности в описанном выше цикле движения, полученные в результате тягово-динамических расчетов, приведены на Фиг. 4.
Проанализируем затраты энергии у обоих тепловозов в этом цикле.
Тепловоз с грузом может стартовать и разогнаться до 10 км/час за 15 секунд. При этом должна быть затрачена энергия:
500 кВт × 15 с / 2 / 3600=1 кВтч.
У ТГМ-6 с КПД гидромеханической трансмиссии 0,62 от ДВС должно быть получено 1,68 кВтч. Т.е. при каждом разгоне расход топлива у ДВС составит:
1,68 кВтч × 210 г/кВтч=353 грамм.
У гибридного тепловоза на этом участке будет израсходовано от ДВС:
300 × 5 / 3600 / 2+300 × 10 / 3600=0,208+0,83=1,04 кВтч
или: 1,04 кВтч × 190 г/кВтч = 241 грамм.
Дополнительную энергию, обеспечивающую этот разгон обеспечит накопитель энергии:
(500 - 300) × 10/3600 / 2=0,27 кВтч
или 1МДж. С учетом КПД 0,707 накопитель должен отдать 1,414 МДж.
На участке движения со скоростью 10 км/час:
Ртяги = 50 кВт. Энергия 50 кВт × 140 с/3600=1,94 кВтч.
У ТГМ-7 при КПД трансмиссии 0,62 ДВС израсходует:
1,94 / 0,62 × 210=657 грамм.
У гибридного тепловоза с КПД трансмиссии 0,82 ДВС израсходует:
1,94 / 0,82 × 190=449 грамм.
На этапе торможения гибридный тепловоз сможет рекуперировать в накопитель энергию:
640 × 16/2 × 0,707=3,62 МДж
которая используется на следующем цикле на этапе разгона (расходуется только 1,414 МДж. Остающаяся энергия может быть использована на стоянке с выключенным ДВС (ожидание перевода стрелки, разгрузка).
У ТГМ-6 на этапе торможения ДВС работает на холостом ходу, расходуя:
50 / 0,62 × 240 × 16 / 3600=86 грамм дизтоплива.
Таким образом на каждом цикле
ТГМ-6 израсходует 353+657+86=1096 грамм.
Гибридный израсходует 241+449=690 грамм.
Т.е. экономия топлива на каждом цикле составит 58,84%.
На всем участке пути 3500 м на восьми циклах движения с грузом (общая масса 1290 т):
ТГМ-6 израсходует 1096 × 8=8,768 кг
Гибридный - 690 × 8=5,52 кг.
На стоянке под разгрузкой 10 мин
ТГМ-6 израсходует 50 / 0,62 × 240 × 600/3600=3 кг.
Гибридный - 50 / 0,82 × 190 × 600/3600=1,93 кг
На обратном пути (по данным тягово-динамических расчетов фиг. 4) тепловозы (общая масса 740 т) израсходуют (разгон, движение, торможение)
ТГМ-6: 210=657+657+86=953 грамм.
Гибридный: 32+449=481 грамм
На всем пути в восемью остановками
ТГМ-6: 953 × 8=7,624 кг
Гибридный: 481 × 8=3,848 кг
На стоянке под погрузкой 1 час
ТГМ-6: 50 / 0,62 × 240=19 кг
Гибридный: 50 / 0,82 × 190=11,6 кг.
Всего, за полный цикл Тепловозы израсходуют ТГМ-6:
8,768+3+7,624+19=38,392 кг
Гибридный:
5,52+1,93+3,848+11,6=22,898 кг
Т.е. экономия топлива составила 67,7%.
Кроме того:
ТГМ-6 затрачивает 110 минут на доставку груза и обратно плюс 10 мин разгрузка +60 мин погрузка = 180 минут = 3 часа.
Гибридный тепловоз затрачивает 30+30+10+60=130 минут, т.е. он на 38% более производителен.
Таким образом, применение тягового модуля 2 на базе накопителя энергии в маневровых режимах работы тепловоза (старт-стоп, ускорения, торможения, стоянки на х/х около 80% времени) позволяет получить более чем 50% экономию топлива по сравнению с тепловозами такого же класса с гидромеханической передачей, получить тепловоз с большей производительностью, сгладить нагрузки на ДВС, значительно в разы повысив ресурс его работы, улучшить управляемость, снизить эксплуатационные затраты.