УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ К ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ К ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Полезная модель относится к электротехнике, а именно к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока с питанием от собственных источников энергоснабжения и может быть использована в электромеханической трансмиссии тракторов, маневровых тепловозов, электрической передаче мощности транспортных средств с реактивными индукторными двигателями.
Известна энергоустановка локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии (Патент на полезную модель RU №117119, МПК B60L 11/12 (2006.01)), содержащая двигатель внутреннего сгорания, вал которого механически сопряжен с валом тягового синхронного генератора через передаточный элемент в виде муфты, тяговую выпрямительную установку, тяговые трехфазные преобразователи, к которым подсоединены тяговые асинхронные электродвигатели, накопитель электроэнергии.
Недостатком данной энергоустановки является наличие обмоток на роторе синхронного генератора и на роторе асинхронных двигателей, на которые действуют большие силы, способствующие разрушению изоляции обмоток и выходу электрической передачи мощности из строя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятому за прототип, является устройство электрической передачи мощности (Патент на полезную модель RU №133059, МПК B60L 11/08), содержащее цепь из двух, последовательно включенных конденсаторов, соединенную с положительным и отрицательным зажимами источника питания, три мостовые схемы, в каждой из которых имеются два диода и два управляемых ключа, один из которых соединен с положительным зажимом источника питания и катодом первого диода, анод которого соединен с отрицательным зажимом источника питания, а второй ключ соединен с отрицательным зажимом источника питания и анодом второго диода, катод которого соединен с положительным зажимом источника питания, два трехфазных реактивных индукторных двигателя, причем фазные обмотки первого реактивного индукторного двигателя включены между точкой соединения конденсаторов и точками соединения вторых диодов с ключами, а фазные обмотки второго реактивного индукторного двигателя включены между точкой соединения конденсаторов и точками соединения первых диодов с ключами, тепловой двигатель, кинематически соединенный с первым трехфазным реактивным индукторным двигателем, функционирующим в генераторном режиме работы.
Недостатком данного устройства электрической передачи мощности является низкая энергетическая эффективность при длительной эксплуатации теплового двигателя на частичных нагрузках и в переходных режимах работы. Большую часть времени тепловой двигатель работает на частичных нагрузках и в переходных режимах работы, что приводит к неэффективному расходованию топлива из-за низкого коэффициента полезного действия.
Задачей полезной модели является повышение энергетической эффективности электрической передачи мощности за счет увеличения коэффициента полезного действия теплового двигателя при длительной эксплуатации на частичных нагрузках и в переходных режимах работы.
Поставленная задача решается тем, что устройство содержит цепь из двух последовательно включенных конденсаторов, соединенную с положительным и отрицательным зажимами источника питания, три мостовые схемы, каждая из которых включает в себя два диода и два управляемых ключа, два трехфазных реактивных индукторных двигателя и тепловой двигатель, кинематически связанный с первым из упомянутых индукторных двигателей, включенным для работы в генераторном режиме, причем одни из управляемых ключей каждой мостовой схемы соединены с положительным зажимом источника питания и катодами соответствующих первых диодов каждой мостовой схемы, аноды которых соединены с отрицательным зажимом источника питания, а вторые управляемые ключи каждой мостовой схемы соединены с отрицательным зажимом источника питания и анодами соответствующих вторых диодов каждой мостовой схемы, катоды которых соединены с положительным зажимом источника питания, при этом фазные обмотки первого упомянутого индукторного двигателя включены между точкой соединения конденсаторов и точками соединения упомянутых вторых диодов с управляемыми ключами, а фазные обмотки второго упомянутого индукторного двигателя включены между точкой соединения конденсаторов и точками соединения упомянутых первых диодов с управляемыми ключами.
Устройство для передачи электрической энергии к электромеханической трансмиссии транспортного средства, в отличие от прототипа, дополнительно снабжено накопителем электроэнергии, подключенным к положительному и отрицательному зажимам источника питания.
Технический результат - уменьшение расхода топлива при длительной эксплуатация теплового двигателя на частичных нагрузках и в переходных режимах работы.
Технический результат достигается за счет введения в устройство накопителя электроэнергии. Это позволяет осуществить перераспределение потоков энергии между тепловым двигателем, накопителем электроэнергии, реактивным индукторным двигателем, в зависимости от сложившейся ситуации. Рабочие процессы в электрической передаче мощности непрерывно сопровождаются колебаниями мощности нагрузки относительно среднего значения мощности теплового двигателя, при этом, тепловой двигатель работает в переходных режимах с низким коэффициентом полезного действия. Длительная эксплуатация теплового двигателя в переходных режимах работы приводит к неэффективному расходованию топлива. Этот недостаток устраняется тем, что при колебаниях мощности нагрузки мощность на валу теплового двигателя поддерживается постоянной. Когда мощность реактивного индукторного двигателя превышает мощность теплового двигателя, дополнительная энергия потребляется от накопителя электроэнергии. Когда мощность реактивного индукторного двигателя ниже мощности теплового двигателя, то избыток энергии поглощается накопителем электроэнергии. Таким образом, происходит сглаживание колебаний мощности нагрузки, что позволяет эксплуатировать тепловой двигатель с высоким значением коэффициента полезного действия.
Эксплуатация теплового двигателя в режиме частичной нагрузки также приводит к неэффективному расходованию топлива из-за низкого коэффициента полезного действия. Этот недостаток устраняется тем, что накопитель электроэнергии переводится в режим заряда и создает дополнительную нагрузку. Это позволяет при снижении мощности нагрузки не изменять мощность на валу теплового двигателя, обеспечивая его работу в установившемся режиме в окрестности точки минимального расхода топлива.
На фигуре 1 показано устройство для передачи электрической энергии к электромеханической трансмиссии транспортного средства.
Устройство содержит цепь из двух, последовательно включенных, конденсаторов 1, 2, соединенных с положительным 3 и отрицательным 4 зажимами источника питания, три мостовые схемы, каждая из которых содержит два управляемых ключа и два диода (первая схема - ключи 5, 6, диоды 7, 8, вторая схема - ключи 9, 10, диоды 11, 12, третья схема - ключи 13, 14, диоды 15, 16), причем ключи 5, 9, 13 одними выводами соединены с зажимом 3 источника питания, а вторыми выводами - с катодами диодов 7, 11, 15, аноды которых соединены с зажимом 4 источника питания, ключи 6, 10, 17 одними выводами соединены с зажимом 4 источника питания, вторыми выводами - с анодами диодов 8, 12, 16, катоды которых соединены с зажимом 3 источника питания и два реактивных индукторных двигателя 17, 18. Фазные обмотки 19, 20, 21 реактивного индукторного двигателя 17 включены между точкой 22 соединения конденсаторов 1,2 и точками 23, 24, 25 соединения диодов 16, 12, 8 с ключами 14, 10, 6, а фазные обмотки 26, 27, 28 реактивного индукторного двигателя 18 включены между точкой 22 соединения конденсаторов 1, 2 и точками 29, 30, 31 соединения диодов 7, 11, 15 с ключами 5, 9, 13. Тепловой двигатель 32 кинематически соединен с реактивным индукторным двигателем 18, функционирующим в генераторном режиме работы. Накопитель электроэнергии 33 подключен к положительному 3 и отрицательному 4 зажимам источника питания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: производится заряд конденсаторов 1, 2 от накопителя электроэнергии 33, подключенного к зажимам источника питания 3, 4. При вращении вала теплового двигателя 32, кинематически соединенного с валом реактивного индукторного двигателя 18, работающего в генераторном режиме, производится замыкание одного из управляемых ключей 5, 9 или 13. При этом фазные обмотки 26, 27 или 28 реактивного индукторного двигателя 18 подключаются к конденсатору 2 и потребляют от него энергию, необходимую для возбуждения реактивного индукторного двигателя 18, а при размыкании одного из управляемых ключей 5, 9 или 13 в фазных обмотках 26, 27 или 28 реактивного индукторного двигателя 18 генерируется электрическая энергия, которая передается через диоды 7, 11 или 15 в конденсатор 1 и накопитель электроэнергии 33 через конденсатор 2. При замыкании одного из управляемых ключей 6, 10 или 14 соответствующие фазные обмотки 19, 20 или 21 реактивного индукторного двигателя 17 подключаются к конденсатору 1 и потребляют от него электрическую энергию, преобразуя ее в механическую энергию. При размыкании одного из управляемых ключей 6, 10 или 14 энергия, запасенная в фазных обмотках реактивного индукторного двигателя 17, передается через диоды 8, 12 или 16 в конденсатор 2 и накопитель электроэнергии 33 через конденсатор 1 и в следующем цикле работы устройства используется для возбуждения реактивного индукторного двигателя 18. Таким образом, механическая энергия от вала реактивного индукторного двигателя 18, приводимого во вращение тепловым двигателем 32, передается по электрическим цепям на вал реактивного индукторного двигателя 17.
Перераспределение энергии между тепловым двигателем, накопителем электроэнергии и реактивным индукторным двигателем достигается за счет регулирования напряжения на зажимах источника питания 3, 4, генерируемого реактивным индукторным двигателем 18, функционирующим в генераторном режиме работы.
Если мощность, потребляемая реактивным индукторным двигателем 17 при колебаниях мощности нагрузки, превысит мощность, генерируемую двигателем 18, работающим в генераторном режиме, то величина напряжения на зажимах 3, 4 устанавливается меньшей, чем напряжение, выдаваемое накопителем энергии 33. Это создает условие, позволяющее компенсировать дефицит энергии в схеме за счет энергии, запасенной ранее в накопителе электроэнергии 33.
Если мощность, потребляемая реактивным индукторным двигателем 17 при колебаниях мощности нагрузки, станет меньше мощности, генерируемой двигателем 18, работающим в генераторном режиме, то напряжение на зажимах 3, 4 устанавливается большим по величине, чем напряжение, выдаваемое накопителем электроэнергии 33. Это позволяет поглотить избыток энергии накопителем электроэнергии 33.
Таким образом, происходит сглаживание колебаний мощности нагрузки, что позволяет эксплуатировать тепловой двигатель в установившемся режиме с высоким значением коэффициента полезного действия.
Если мощность, потребляемая двигателем 17, лишь частично загружает тепловой двигатель 32, то напряжение на зажимах 3, 4 регулируется таким образом, чтобы его значение превышало напряжение, выдаваемое накопителем электроэнергии 33. Это создает дополнительную нагрузку для теплового двигателя 32, за счет перевода накопителя электроэнергии 33 в режим заряда. При этом регулирование напряжения должно осуществляться таким образом, чтобы суммарная мощность нагрузки теплового двигателя 32 обеспечивала его работу в окрестности точки минимального расхода топлива.
Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения проявляется в экономии топливных ресурсов при длительной эксплуатация теплового двигателя на частичных нагрузках и в переходных режимах работы.