ЭНЕРГОБЛОК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ МОЩНОЙ АВТОНОМНОЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
POWER UNIT OF THE ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION OF A POWERFUL AUTONOMOUS ROAD-BUILDING MACHINE

1. Предлагаемое устройство предназначено для применения в качестве энергоблока электромеханической трансмиссии (тягового электропривода) мощной автономной дорожно-строительной машины. Это может быть бульдозер, фронтальный погрузчик или тому подобные машины с первичным источником энергии в виде газотурбинного двигателя.
Известны электромеханические трансмиссии, выполненные, как правило, таким образом: дизель-генератор - силовой полупроводниковый преобразователь (один или несколько) - тяговый электродвигатель, (один или несколько), бортовые редукторы, связывающие тяговые электродвигатели с движителями (колесными или гусеничными). От дизель-генератора могут также получать питание электродвигатели, используемые для привода рабочих органов машины [1].
Известны также электромеханические трансмиссии гибридного типа, в которых наряду с дизель-генератором - основным источником электроэнергии для электродвигателей, применяется накопитель электроэнергии (аккумуляторная батарея и/или суперконденсатор), способный принимать, запасать и хранить как избыточную электроэнергию от основного источника электроэнергии при его недогрузке со стороны движителя и/или рабочих органов, так и электроэнергию рекуперации при торможении движителя и/или рабочих органов, используемый также как дополнительный источник электроэнергии при нехватке мощности основного источника электроэнергии [2]. Основным недостатком силовых установок с использованием дизеля являются его значительные габариты и масса и сравнительно низкие частоты вращения, не позволяющие использовать высокооборотные электрические машины.
Известны также электромеханические трансмиссии, использующие газотурбинные установки (турбокомпрессор) в качестве первичного двигателя, приводящего во вращение электрогенератор (турбокомпрессор + электрогенератор = турбогенератор) [3]. Применение высокооборотной турбины и высокооборотного генератора позволяет создать малогабаритную силовую установку, пригодную для установки на автомобиль. Часто это гибридный электромобиль [4, 5]. Недостатком этих технических решений является то, что энергия электрического торможения, как правило, передается в накопитель энергии (например, аккумуляторная батарея или суперконденсатор, реже маховик). В случае полного заряда накопителя энергии (например, при подтормаживании на длинном спуске) приходится рассеивать оставшуюся энергию в тормозном резисторе, что снижает эффективность силовой установки и транспортного средства в целом. Известно также техническое решение [6], в котором турбогенератор снабжен электрическим торможением на тормозной резистор.
Общим недостатком упомянутых технических решений является необходимость наличия тормозного резистора в составе электротрансмиссии и необходимость его охлаждения. В транспортных средствах небольшой мощности (единицы и десятки киловатт) охлаждение может быть воздушным, однако при мощностях в сотни киловатт приходится применять жидкостное охлаждение, что создает дополнительные проблемы.
В то же время наличие турбогенератора, в состав которого входит компрессор, позволяет решить задачу поглощения избыточной тормозной мощности следующим образом. В режиме торможения генератор переводится в двигательный режим, получая электрическую рекуперативную мощность от тяговых электродвигателей, работающих в генераторном режиме, подача топлива в турбину устанавливается на минимальном уровне (режим «малого газа»). Управляя работой соответствующих клапанов и заслонок переводят компрессор в тормозной режим, когда он направляет основной поток воздуха не в камеру сгорания, а во внешнюю среду (лишь около 10% объема воздуха поступает в камеру сгорания). Генератор, работая электродвигателем, вращает вал компрессора и передает ему мощность, которая может составлять 50…90% всей тормозной мощности.
2. Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в том, чтобы реализовать режим электрического торможения (поглощение мощности торможения) без использования дополнительного оборудования, т.е. тормозных резисторов и системы их охлаждения.
При использовании предложенного устройства в режиме электрического торможения работает только основное силовое оборудование транспортного средства.
3. Желаемый эффект (решение поставленной задачи) - реализация электрического торможения при использовании только основного силового оборудования транспортного средства - достигается тем, что в энергоблок электромеханической трансмиссии автономной дорожно-строительной машины, содержащий: турбокомпрессор, электрогенератор и систему управления турбокомпрессором и электрогенератором, причем ротор турбокомпрессора механически соединен с ротором электрогенератора, а система управления турбокомпрессором и электрогенератором информационно соединена с системой управления электромеханической трансмиссией автономной дорожно-строительной машины; электрогенератор включает в себя электромеханический преобразователь, имеющий ротор и статор с трехфазной (многофазной) обмоткой и преобразователь (converter), электрически соединенный с упомянутой обмоткой и имеющий два силовых вывода - «плюс» и «минус» для подключения к звену постоянного тока электромеханической трансмиссии, к которому также подключены тяговые электродвигатели; упомянутый преобразователь выполнен на базе полностью управляемых полупроводниковых вентилей и обладает способностью передавать энергию как от упомянутого электрогенератора к тяговым электродвигателям при реализации режима тяги, так и энергию рекуперации от тяговых электродвигателей в генераторном режиме их работы при реализации режима электрического торможения, согласно предложенному техническому решению в систему управления турбокомпрессором и электрогенератором введен блок управления торможением, который при получении от упомянутой выше системы управления электромеханической трансмиссией сигнала перехода к режиму торможения и сигнала уставки торможения, выполняет следующие функции:
- вырабатывает сигнал для перевода турбины в режим малого газа,
- подает сигнал управления клапанами компрессора для его перевода в тормозной режим,
- вырабатывает для упомянутого преобразователя управляющие сигналы, обеспечивающие перевод электрогенератора в режим электродвигателя и реализацию момента на валу ротора упомянутого электромеханического преобразователя в соответствии с сигналом уставки торможения.
При этом в качестве электрогенератора применена вентильно-индукторная электрическая машина (Switched Reluctance Motor), объединяющая в себе силовой полупроводниковый преобразователь и электромеханический преобразователь.
4. Ниже представлены следующие иллюстрации, характеризующие сущность предлагаемого технического решения - энергоблока электромеханической трансмиссии мощной автономной дорожно-строительной машины.
На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема электромеханической трансмиссии.
На фиг. 2 представлена упрощенная структурная схема электромеханической трансмиссии с накопителем энергии.
На фиг. 3 представлен блок управления торможением.
На фиг. 4 приведены зависимости моментов компрессора и генератора в режиме электродвигателя от частоты вращения их общего вала.
5. Устройство предлагаемого технического решения представлено на фиг. 1, фиг. 2.
На фиг. 1 компрессор 1, и турбина 2, имеющие общий вал, образуют турбокомпрессор 3. С упомянутым валом соединена электрическая машина (электромеханический преобразователь) 4, к фазным выводам которой подключен силовой полупроводниковый преобразователь 5, обладающий способностью двусторонней передачи энергии. Устройства 4 и 5 в совокупности образуют электрогенератор 6. Турбокомпрессор 3 и электрогенератор 6 вместе образуют турбогенератор 7. К выводам «+» и «-» турбогенератора 7, образующим звено постоянного тока электротрансмиссии, подключен обладающий способностью двусторонней передачи энергии преобразователь 8, образующий в совокупности с электрической машиной 9 тяговый электродвигатель 10, вал которого через редуктор 11 соединен с колесом (движителем) 12.
Следует отметить, что на фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема электротрансмиссии (в частности, один электродвигатель, одно колесо). В реальных мощных электротрансмиссиях число тяговых электродвигателей (соответственно редукторов и приводных колес), как правило, не меньше двух. При этом движитель может быть не только колесным, но и гусеничным. Аппараты коммутации и защиты и вспомогательное оборудование на фиг. 1 (и на фиг. 2) не представлены.
Управление режимами работы электротрансмиссии осуществляет система управления 13 электромеханической трансмиссией, информационно двусторонне связанная:
- с системой управления 14 турбокомпрессором 3 и электрогенератором 6,
- с преобразователем 8 тягового электродвигателя 10,
а также получающая информацию от датчиков:
- напряжения 15 и тока 16 в звене постоянного тока,
- частоты вращения 17 вала электродвигателя 10 (9)
и органов управления трансмиссией («Акселератор», «Реверс», «Тормоз»).
Система управления 14 турбокомпрессором 3 и электрогенератором 6 информационно двусторонне связана с системой управления 13 электромеханической трансмиссией, а также с преобразователем 5 электрогенератора 6, получает информацию от датчика частоты вращения 18 вала турбогенератора 7 и управляет работой клапана подачи топлива 19, а также клапана 20 компрессора 1.
Реальные системы управления оперируют с более значительным числом сигналов (сигналы контроля и диагностики, защит, учет режимов и параметров основных и вспомогательных устройств и управление ими и т.д.). На фиг. 1 это не отражено.
Следует отметить также, что системы управления могут быть построены как на основе аналоговых устройств, так и на программной основе, предполагающей использование микропроцессоров. Возможны также гибридные варианты.
На фиг. 2 представлена структурная схема, аналогичная представленной на фиг. 1. Отличие заключается лишь в наличии накопителя энергии 21 (аккумуляторная батарея, суперконденсатор, маховик или иное) и согласующего полупроводникового, обладающего способностью двусторонней передачи энергии преобразователя 22, подключенного к звену постоянного тока («плюс» и «минус») электротрансмиссии. Управление режимами работы накопителя энергии 21 и преобразователя 22 осуществляет система управления электромеханической трансмиссией 13, информационно двусторонне связанная с ними.
По поводу фиг. 1 и фиг. 2 следует отметить следующее. На автономных транспортных средствах всегда имеется аккумуляторная батарея, которая, как правило, используется для запуска первичного теплового двигателя и электроснабжения вспомогательных устройств и аппаратов. Такая аккумуляторная батарея, вследствие малой энергоемкости, практически не может выполнять функцию накопителя электроэнергии.
Термин «накопитель энергии» подразумевает устройство, имеющее значительный запас энергии, позволяющий, например, транспортному средству (с отключенным тепловым двигателем) преодолеть расстояние по меньшей мере в несколько километров и, при этом/после этого, обеспечивать функционирование сравнительно мощного электрооборудования. До настоящего времени показатели существующих устройств накопления (кВт-час/кг) невысоки, поэтому энергоемкие накопители энергии, имеющие большие массу и габариты, применяются в относительно редких, специальных случаях и рассматриваются как перспективные в надежде на успехи в науке и технологии.
Поэтому, как правило, электромеханические трансмиссии мощных автономных строительных, дорожных и аналогичных машин, назначение которых выполнять энергоемкую работу (в отличие от автомобилей), строятся по структуре, показанной на фиг. 1, работа которой и описывается ниже.
На фиг. 3 раскрыта структура блока 23 управления торможением, входящего в состав системы управления 14 турбокомпрессором 3 и электрогенератором 6. Прочие устройства, входящие в систему управления 14, на фиг. 3 не представлены. В состав блока 23 входят: логическое устройство 24, устройство сравнения 25 и пропорционально-интегральный (PI) регулятор 26. При поступлении на вход логического устройства 24 сигнала «тормоз» из системы управления 13 электромеханической трансмиссией логическое устройство 24 вырабатывает сигналы:
- «на клапан 19» для значительного перекрытия подачи топлива и перевода турбины в режим «малый газ»;
- «на клапан 20», что приводит к выпуску основной части воздуха из компрессора во внешнюю среду (как отмечено выше, около 10% объема воздуха поступает в камеру сгорания турбины);
- сигнал 27, поступающий в преобразователь 5 генератора 6, в результате чего генератор переводится в режим электродвигателя.
На входы устройства сравнения 25 поступают:
ref
- сигнал ω  уставки частоты вращения генератора 6 из системы управления 13 электромеханической трансмиссией;
ген
- сигнал ω  от датчика 18 частоты вращения генератора.
ref
ген
Разность (ошибка) ω  - ω  поступает на вход PI - регулятора 26, с выхода которого сигнал 28 передается в преобразователь 5 генератора 6.
1
2
3
На фиг. 4 приведены зависимости моментов компрессора 1 и генератора 6 в режиме электродвигателя от частоты вращения их общего вала. Зависимости момента генератора приведены для трех значений частоты вращения, задаваемых системой управления 13 (ω<ω<ω);); на фиг. 4 индекс «ген» при обозначении частоты вращения генератора опущен.
6. Ниже представлены пояснения работы электромеханической трансмиссии и предлагаемого энергоблока.
Управление изменяющимися под воздействием органов управления и внешних воздействий режимами турбогенератора 7 и электродвигателя 10 осуществляет система управления 13 электромеханической трансмиссией и подчиненная ей система управления 14 турбокомпрессором 3 и электрогенератором 6.
В режиме тяги турбогенератор 7 снабжает электроэнергией тяговый электродвигатель 10, который через редуктор 11 передает вращающий (движущий) момент на колесо 12.
При переходе к режиму торможения (нажата педаль тормоза) система управления 13 электромеханической трансмиссией:
- вырабатывает управляющие сигналы для преобразователя 8, в результате чего тяговый электродвигатель 10 переходит в генераторный режим, отдавая энергию в звено постоянного тока «+» и «-»;
ref
- передает в систему управления 14 (в блок 23 управления торможением) сигнал «тормоз» и уставку частоты вращения генератора ω , значение которой зависит от положения педали тормоза.
ген
ref
Управляющие сигналы «на клапан 19» и «на клапан 20» (см. фиг. 3) обеспечивают перевод турбины в режим «малый газ» и перевод компрессора в тормозной режим. Сигнал 27, поступающий в преобразователь 5 генератора 6 переводит генератор в режим электродвигателя. Сигнал 28, поступающий в преобразователь 5 управляет величиной момента (тока) генератора 6 таким образом, чтобы частота вращения (ω ) генератора 6 (и компрессора 1) была равна (приблизительно) сигналу уставки (ω ) частоты вращения генератора 6. Величина частоты вращения генератора 6 (компрессора 1) определяет величину мощности, поглощаемой компрессором (см. фиг. 4).
7. Таким образом, при вышеуказанном исполнении заявляемого устройства решаются поставленные задачи:
- реализовать режим электрического торможения (поглощение мощности торможения) без использования дополнительного оборудования, т.е. тормозных резисторов и системы их охлаждения.
- в режиме электрического торможения использовать только основное силовое оборудование транспортного средства.
8. Исходя из вышеизложенного задача достижения заявленного технического результата, заключающегося в том, что поглощение значительной части тормозной мощности (50…90% всей тормозной мощности) осуществляется в компрессоре турбогенератора, что позволяет отказаться от применения тормозных резисторов и системы их охлаждения, эффективно решена.
Источники информации
1. Вергелис Н.И., Бартош В.В., и др. Система управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока. Патент РФ, RU 2653062 C1. Опубл. 07.05.2018. Бюл. №13.
2. Kimmo RAUMA, Ville NAUMANEN. Electromechanical Drive for a Working Mashine. Pat. Appl. Pub. US 2016/0244948 A1. Pub. Date: Aug. 25, 2016.
3. Болотин Н.Б. Силовая установка газотурбовоза. Патент РФ, RU 2334114. Опубл. 20.09.2008. Бюл. №26.
4. Harold A. Rosen, Jeffrey W. Willis. Vehicle Powered by a Fuel Cell/Gas Turbine Combination. Pat. US 6 213 234 B1. Date of Patent: Apr. 10, 2001.
5. Everett R. Geis. Hybrid Electric Vehicle DC Power Generation System. Pat. Appl. Pub. US 2002/0070557 A1. Pub. Date: Jun. 13, 2002.
6. Simon Wall, Brian Dickey, Guillermo Pont. Turbogenerator with Electrical Brake. Pat. Appl. Pub. US 2002/0190695 A1. Pub. Date: Dec. 19, 2002.