ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ АВТОСАМОСВАЛА
ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION OF A TRUCK

Предлагаемое изобретение относится к горным транспортным машинам и предназначено для повышения эффективности работы автосамосвалов на предприятиях добывающей промышленности.
Известны электромеханические трансмиссии автосамосвалов, содержащие тяговый генератор, ротор которого механически соединен с двигателем внутреннего сгорания, обмотка ротора подключена через усилитель мощности к выходу регулятора тока, а статор содержит две трехфазные обмотки, каждая из которых подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель и трехфазный инвертор к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя мотор-колеса (левого и правого), два конденсаторных блока, подключенных к выходам соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два блока электрического торможения, каждый из которых содержит последовательно соединенные тормозной резистор и силовой ключ и подключен выходу соответствующего мостового диодного выпрямителя, два датчика тока и два датчика напряжения постоянного тока, установленных на выходах соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два датчика угловой скорости, соединенных с роторами соответствующих асинхронных двигателей, две соединенные между собой шины CAN, к каждой из которых подключены соответствующие датчик угловой скорости, инвертор, датчик напряжения постоянного тока и датчик тока, блок управления, соединенный с обеими шинами CAN и контроллером верхнего уровня, который соединен с контроллером двигателя внутреннего сгорания, регулятор напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу блока управления, два вычитающих входа соединены с выходами соответствующих датчиков напряжения, а выход соединен с суммирующим входом регулятор тока, два вычитающих входа которого соединены с выходами соответствующих датчиков тока (А.с. СССР №861130. МПК B60L 7/06. - Опубл. 07.09.1981; Патент РФ №2648652. МПК B60L 11/00; В60К 17/354. Опубл. 27.03.2018; Бюлл. №9; Патент РФ №2653945. МПК B60L 11/08; Н02М 5/458; B60W 10/105. Опубл. 15.05.2018, Бюлл. №14; Козярук А.Е. Повышение энергетической эффективности электромеханической трансмиссии карьерного автосамосвала / А.Е. Козярук, A.M. Камышьян // Записки Горного института. 2019. Т. 239. С. 576-582. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.576).
В известных технических решениях ротор тягового генератора - синхронной электрической машины, приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания. Трехфазные переменные напряжения с двух обмоток статора тягового генератора преобразуются в постоянные напряжения с помощью диодных выпрямителей. К выходу каждого выпрямителя подключены блок конденсаторов, тормозной резистор с последовательно соединенным силовым ключом и трехфазный инвертор. Два трехфазных инвертора обеспечивают электропитание асинхронных двигателей левого и правого ведущих мотор-колес. Стабилизация выходных напряжений выпрямителей осуществляется путем регулирования тока в обмотке возбуждения с помощью регулятора напряжения постоянного тока с подчиненным контуром регулирования выходного тока выпрямителя. Датчиками обратных связей служат датчики напряжения и тока, установленные на выходах выпрямителей. Основными возмущающими воздействиями системы регулирования постоянного напряжения являются изменение частоты вращения ротора тягового генератора и ток рекуперации при торможении мотор-колес. При механоэлектрическом преобразовании энергии в режиме торможения происходит заряд конденсаторов и повышение напряжений на выходах выпрямителей. Система регулирования напряжения в этом случае действует на снижение тока возбуждения тягового генератора. При коммутации силового ключа происходит сброс энергии конденсаторного блока и преобразовании ее в теплоту на тормозном резисторе. В результате снижается напряжение на выходе выпрямителя. Это приводит к увеличению тока возбуждения тягового генератора. В результате происходят колебания напряжения на выходе выпрямителя. Колебания напряжения питания инверторов вызывают колебания амплитуды напряжений на их выходах.
Следовательно, недостатками известных технических решений являются низкое качество процессов регулирования и увеличение потерь энергии при колебаниях напряжений.
Из известных электромеханических трансмиссий автосамосвалов, наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является электромеханическая трансмиссия автосамосвала, содержащая тяговый генератор, ротор которого механически соединен с двигателем внутреннего сгорания, обмотка ротора подключена через усилитель мощности к выходу регулятора тока, а статор содержит две трехфазные обмотки, каждая из которых подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель и трехфазный инвертор к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя мотор-колеса (левого и правого), два конденсаторных блока, подключенных к выходам соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два блока электрического торможения, каждый из которых содержит последовательно соединенные тормозной резистор и силовой ключ и подключен выходу соответствующего мостового диодного выпрямителя, два датчика тока и два датчика напряжения постоянного тока, установленных на выходах соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два датчика угловой скорости, соединенных с роторами соответствующих асинхронных двигателей, две соединенные между собой шины CAN, к каждой из которых подключены соответствующие датчик угловой скорости, инвертор, датчик напряжения постоянного тока и датчик тока, блок управления, соединенный с обеими шинами CAN и контроллером верхнего уровня, который соединен с контроллером двигателя внутреннего сгорания, регулятор напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу блока управления, два вычитающих входа соединены с выходами соответствующих датчиков напряжения, а выход соединен с суммирующим входом регулятор тока, два вычитающих входа которого соединены с выходами соответствующих датчиков тока (Комплект тягового электрооборудования для карьерных самосвалов БЕЛАЗ. - М., Концерн Русэлпром, 2020. - с. 12).
В известном техническом решении ротор тягового генератора - синхронной электрической машины, приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания. Трехфазные переменные напряжения с двух обмоток статора тягового генератора преобразуются в постоянные напряжения с помощью диодных выпрямителей. К выходу каждого выпрямителя подключены блок конденсаторов, тормозной резистор с последовательно соединенным силовым ключом и трехфазный инвертор. Два трехфазных инвертора обеспечивают электропитание асинхронных двигателей левого и правого ведущих мотор-колес. Стабилизация выходных напряжений выпрямителей осуществляется путем регулирования тока в обмотке возбуждения с помощью регулятора напряжения постоянного тока с подчиненным контуром регулирования выходного тока выпрямителя. Датчиками обратных связей служат датчики напряжения и тока, установленные на выходах выпрямителей. Основными возмущающими воздействиями системы регулирования постоянного напряжения являются изменение частоты вращения ротора тягового генератора и ток рекуперации при торможении мотор-колес. При механоэлектрическом преобразовании энергии в режиме торможения происходит заряд конденсаторов и повышение напряжений на выходах выпрямителей. Система регулирования напряжения в этом случае действует на снижение тока возбуждения тягового генератора. При коммутации силового ключа происходит сброс энергии конденсаторного блока и преобразовании ее в теплоту на тормозном резисторе. В результате снижается напряжение на выходе выпрямителя. Это приводит к увеличению тока возбуждения тягового генератора. В результате происходят колебания напряжения на выходе выпрямителя. Колебания напряжения питания инверторов вызывают колебания амплитуды напряжений на их выходах. Это приводит к увеличению потерь энергии в компонентах системы электропривода мотор-колес.
Следовательно, недостатком известного технического решения является низкое качество процессов регулирования в системе электропривода мотор-колес.
Цель предлагаемого изобретения - повышение качества процессов регулирования в системе электропривода мотор-колес.
Поставленная цель достигается тем, что в известную электромеханическую трансмиссию автосамосвала, содержащую тяговый генератор, ротор которого механически соединен с двигателем внутреннего сгорания, обмотка ротора подключена через усилитель мощности к выходу регулятора тока, а статор содержит две трехфазные обмотки, каждая из которых подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель и трехфазный инвертор к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя мотор-колеса (левого и правого), два конденсаторных блока, подключенных к выходам соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два блока электрического торможения, каждый из которых содержит последовательно соединенные тормозной резистор и силовой ключ и подключен к выходу соответствующего мостового диодного выпрямителя, два датчика тока и два датчика напряжения постоянного тока, установленных на выходах соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два датчика угловой скорости, соединенных с роторами соответствующих асинхронных двигателей, две соединенные между собой шины CAN, к каждой из которых подключены соответствующие датчик угловой скорости, инвертор, датчик напряжения постоянного тока и датчик тока, блок управления, соединенный с обеими шинами CAN и контроллером верхнего уровня, который соединен с контроллером двигателя внутреннего сгорания, регулятор постоянного напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу блока управления, а два вычитающих входа соединены с выходами соответствующих датчиков напряжения, два вычитающих входа регулятора тока соединены с выходами соответствующих датчиков тока, дополнительно введены управляемый блок ограничения, второй регулятор напряжения и два измерительных преобразователя амплитудного значения переменного напряжения, подключенные входами к соответствующим обмоткам генератора, а выходами к вычитающим входам второго регулятора напряжения, суммирующий вход которого через блок ограничения соединен с выходом первого регулятора напряжения, а выход подключен к суммирующему входу регулятора тока, управляющий вход блока ограничения соединен с выходом блока управления.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (элементы):
- управляемый блок ограничения,
- второй регулятор напряжения;
- два измерительных преобразователя амплитудного значения переменного напряжения.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышается повышение качества процессов регулирования в системе электропривода мотор-колес. Это достигается использованием в системе регулирования напряжения постоянного тока на выходах выпрямителей дополнительно подчиненного контура регулирования напряжения тягового генератора. При этом сигнал задания подчиненного контура регулирования напряжения тягового генератора ограничивается по уровню и обеспечивает стабилизацию напряжения тягового генератора при повышении напряжения звена постоянного тока при рекуперации энергии. Таким образом, повышение напряжения звена постоянного тока при рекуперативном торможении не вызывает изменения выходного напряжения генератора. Рекуперированная энергия преобразуется в теплоту на тормозных резисторах.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области горной техники, гибридного транспорта и электроприводов.
Измерительные преобразователи переменного напряжения известны в электромеханических трансмиссиях автосамосвалов (А.с. СССР №861130. МПК B60L 7/06. - Опубл. 07.09.1981). В известных устройствах эти преобразователи используются в качестве датчиков напряжения тяговых генераторов, т.е. выполняют аналогичные функции соответствующих элементов в предлагаемом техническом решении.
Управляемые блоки ограничения в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 показана схема электромеханической трансмиссии автосамосвала, где обозначено: 1 - контроллер верхнего уровня; 2 и 3 - шины CAN систем управления мотор-колесами (левым и правым); 4 и 5 - датчики угловой скорости асинхронных двигателей мотор-колес (левого и правого), 6 - блок управления; 7 и 8 - асинхронные двигатели мотор-колес; 9 - первый регулятор напряжения; 10 и 11 - инверторы; 12 - управляемый блок ограничения; 13 и 14 - датчики напряжения постоянного тока; 15 и 16 - тормозные резисторы; 17 - второй регулятор напряжения; 18 и 19 - силовые ключи; 20 и 21 - конденсаторные блоки; 22 - регулятор тока; 23 и 24 - датчики тока; 25 и 26 - измерительные преобразователи амплитудного значения тягового генератора; 27 - усилитель мощности; 28 и 29 - диодные выпрямители; 30 - тяговый генератор; 31 - двигатель внутреннего сгорания; 32 - контроллер двигателя внутреннего сгорания.
Электромеханическая трансмиссия автосамосвала содержит тяговый генератор 30, ротор которого механически соединен с двигателем внутреннего сгорания 31, обмотка ротора подключена через усилитель мощности 27 к выходу регулятора тока 22, а статор содержит две трехфазные обмотки, первая из которых подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель 28 и трехфазный инвертор 10 к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя 7 мотор-колеса (левого), а вторая подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель 29 и трехфазный инвертор 11 к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя 8 мотор-колеса (правого), два конденсаторных блока 20 и 21, подключенных к выходам соответствующих мостовых диодных выпрямителей 28 и 29, два блока электрического торможения, каждый из которых содержит последовательно соединенные тормозной резистор 15 (16) и силовой ключ 18 (19) и подключен к выходу соответствующего мостового диодного выпрямителя 20 и 29, два датчика тока 23 и 24 и два датчика напряжения постоянного тока 13 и 14, установленных на выходах соответствующих мостовых диодных выпрямителей 28 и 29, два датчика угловой скорости 4 и 5, соединенных с роторами соответствующих асинхронных двигателей 7 и 8, две соединенные между собой шины CAN 2 и 3, к каждой из которых подключены соответствующие датчик угловой скорости 4 (5), инвертор 10 (11), датчик напряжения постоянного тока 13 (14) и датчик тока 23 (24), блок управления 6, соединенный с обеими шинами CAN 2 и 3 и контроллером верхнего уровня 1, который соединен с контроллером двигателя внутреннего сгорания 32, первый регулятор напряжения 9, суммирующий вход которого подключен к выходу блока управления 6, а два вычитающих входа соединены с выходами соответствующих датчиков напряжения 13 и 14, а выход через управляемый блок ограничения 12 соединен с суммирующим входом второго регулятора напряжения 17, вычитающие входы которого подключены к выходам измерительных преобразователей амплитудного значения переменного напряжения 25 и 26, подключенных входами к обмоткам статора тягового генератора 30, выход второго регулятора напряжения 17 соединен с суммирующим входом регулятора тока 22, два вычитающих входа которого соединены с выходами соответствующих датчиков тока 23 и 24, управляющий вход блока ограничения соединен с выходом блока управления 6.
Электромеханическая трансмиссия автосамосвала работает следующим образом. Ротор тягового генератора 30 - синхронной электрической машины, приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания 31. Трехфазные переменные напряжения с двух обмоток статора тягового генератора 30 преобразуются в постоянные напряжения с помощью диодных выпрямителей 28 и 29. К выходам выпрямителей 28 и 29 подключены датчики токов 23 и 24, блоки конденсаторов 20 и 21, тормозные резисторы 15 и 16 с последовательно соединенными силовыми ключами 18 и 19 и трехфазные инверторы 10 и 11. Два трехфазных инвертора 10 и 11 обеспечивают электропитание асинхронных двигателей 7 и 8 левого и правого ведущих мотор-колес автосамосвала. Для измерения угловых скоростей асинхронных двигателей 7 и 8 используются датчики угловой скорости 4 и 5. Стабилизация выходных напряжений выпрямителей 28 и 29 осуществляется путем регулирования тока в обмотке возбуждения тягового генератора 30 с помощью усилителя 27, вход которого подключен к выходу регулятора тока 22.
Управление электромеханической трансмиссией осуществляется контроллером верхнего уровня 1, который в зависимости от действий водителя, выполняемых с помощью органов управления автосамосвалом, формирует сигналы для контроллера 32 двигателя внутреннего сгорания 31 и блока управления 6. Блок управления 6 по шинам CAN 2 и 3 получает данные от датчиков угловых скоростей 4 и 6, датчиков напряжений постоянного тока 13 и 14, измерительных преобразователей напряжений генератора 25 и 26, обменивается данными с инверторами 10 и 11 и формирует сигналы управления для инверторов 10 и 11 и сигнал задания для первого регулятора напряжения 9. На вычитающих входах первого регулятора напряжения 9 действуют сигналы с выходов датчиков напряжений 13 и 14. Эти сигналы обычно равны, т.к. равны напряжения обеих трехфазных обмоток тягового генератора 30. Первый регулятор напряжения 9 вычисляет ошибку регулирования напряжений постоянного тока на выходах диодных выпрямителей 20 и 21 и преобразует ее в соответствии с выбранным законом регулирования, например, пропорционально-интегральным законом. Основная функция первого регулятора напряжения 9 - это стабилизация напряжений постоянного тока на выходах диодных выпрямителей 10 и 11. Выходной сигнал первого регулятора напряжения 9 через управляемый блок ограничения 12 поступает на суммирующий вход второго регулятора напряжения 17. На вычитающих входах второго регулятора напряжения действуют сигналы с выходов измерительных преобразователей амплитудного значения напряжений 25 и 26 тягового генератора 30. Т.к. напряжения обеих трехфазных обмоток тягового генератора 30 обычно равны, то равны и выходные сигналы измерительных преобразователей амплитудного значения напряжений 25 и 26. Выходной сигнал управляемого блока ограничения 12 представляет собой задание для второго регулятора напряжения 17, который обеспечивает стабилизацию выходного напряжения тягового генератора 30. Нижний уровень ограничения сигнала устанавливается пропорциональным выходному сигналу блока управления 6 и регулируется в соответствии с сигналом задания для первого регулятора напряжения 9. Верхний уровень ограничения определяет максимально допустимое значение напряжения тягового генератора 30 и не регулируется. Второй регулятор напряжения 17 вычисляет ошибку регулирования напряжений статорных обмоток тягового генератора 30 и преобразует ее в соответствии с выбранным законом регулирования, например, пропорционально-интегральным законом. Основная функция второго регулятора напряжения 17 - это стабилизация напряжения тягового генератора 30. Выходной сигнал второго регулятора напряжения 22 действует на суммирующем входе регулятора тока 27, на вычитающие входы которого поступают выходные сигналы датчиков тока 23 и 24. Регулятор тока 22 вычисляет ошибку регулирования выходных токов диодных выпрямителей 28 и 29 и преобразует ее в соответствии с выбранным законом регулирования, например, пропорционально-интегральным законом. Выходной сигнал регулятора тока 22 поступает на вход усилителя мощности 27, который подключен к обмотке возбуждения тягового генератора 30.
Таким образом, система стабилизации напряжений постоянного тока на выходах диодных выпрямителей 28 и 29 представляет собой трехконтурную систему автоматического регулирования. Главный контур замкнут по напряжению на выходах диодных выпрямителей 28 и 29 и поддерживает это напряжение пропорциональным напряжению задания, поступающему с выхода блока управления 6 на суммирующий вход первого регулятора напряжения 9. Внутренний подчиненный контур замкнут по выходным токам диодных выпрямителей 28 и 29. Второй подчиненный контур замкнут по выходному напряжению тягового генератора 30. Сигналом задания для этого контура служит выходной сигнал первого регулятора напряжения 9, преобразованный блоком ограничения 12. Уровень ограничения сигнала снизу пропорционален выходному напряжению блока управления 6, т.е. заданному значению напряжения на выходах диодных выпрямителей 28 и 29. Это означает, что при изменении сигнала задания на выходе блока управления 6 происходит соответствующее изменение сигнала на выходе блока ограничения 12, вызывающее изменение выходного напряжения тягового генератора 30. В результате происходит стабилизация напряжения постоянного тока путем изменения тока возбуждения тягового генератора 30. В случае увеличения напряжения постоянного тока на выходах диодных выпрямителей 28 и 29 при постоянном сигнале задания, например, при торможении автосамосвала и рекуперации энергии, происходит уменьшение выходного напряжения первого регулятора напряжения 9, но выходной сигнал блока ограничения 12 сохраняется на уровне, пропорциональном сигналу задания с выхода блока управления 6. В результате этого выходное напряжение тягового генератора стабилизируется на заданном уровне, а коррекция напряжения постоянного тока на выходах диодных выпрямителей 28 и 29 происходит за счет разряда конденсаторов 20 и 21 на тормозные резисторы соответственно 15 и 16. Благодаря этому колебания в подсистеме регулирования напряжения тягового генератора 30 отсутствуют.
Основными возмущающими воздействиями системы регулирования постоянного напряжения являются изменение частоты вращения ротора тягового генератора 30 и ток рекуперации при торможении мотор-колес. При механоэлектрическом преобразовании энергии происходит заряд конденсаторов 18 и 19 и повышение напряжений на выходах выпрямителей. При повышении напряжения на конденсаторах 20 и 21 выше заданного порогового уровня открываются силовые ключи 18 и 19 и происходит разряд конденсаторов 20 и 21 на тормозные резисторы 15 и 16.
Таким образом, использование в системе регулирования напряжения постоянного тока на выходах выпрямителей дополнительного подчиненного контура регулирования напряжения тягового генератора 30 с ограничением сигнала задания подчиненного контура регулирования напряжения тягового генератора по нижнему уровню обеспечивает стабилизацию напряжения тягового генератора при повышении напряжения звена постоянного тока в случае рекуперации энергии. Благодаря этому повышение напряжения звена постоянного тока при рекуперативном торможении не вызывает изменения выходного напряжения генератора. Рекуперированная энергия преобразуется в теплоту на тормозных резисторах. В результате этого повышается качество процессов регулирования в системе электропривода мотор-колес.
Следовательно, использование в предлагаемой электромеханической трансмиссии автосамосвала содержащей тяговый генератор, ротор которого механически соединен с двигателем внутреннего сгорания, обмотка ротора подключена через усилитель мощности к выходу регулятора тока, а статор содержит две трехфазные обмотки, каждая из которых подключена через последовательно соединенные мостовой диодный выпрямитель и трехфазный инвертор к статорным обмоткам соответствующего асинхронного двигателя мотор-колеса (левого и правого), два конденсаторных блока, подключенных к выходам соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два блока электрического торможения, каждый из которых содержит последовательно соединенные тормозной резистор и силовой ключ и подключен к выходу соответствующего мостового диодного выпрямителя, два датчика тока и два датчика напряжения постоянного тока, установленных на выходах соответствующих мостовых диодных выпрямителей, два датчика угловой скорости, соединенных с роторами соответствующих асинхронных двигателей, две соединенные между собой шины CAN, к каждой из которых подключены соответствующие датчик угловой скорости, инвертор, датчик напряжения постоянного тока и датчик тока, блок управления, соединенный с обеими шинами CAN и контроллером верхнего уровня, который соединен с контроллером двигателя внутреннего сгорания, регулятор постоянного напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу блока управления, а два вычитающих входа соединены с выходами соответствующих датчиков напряжения, два вычитающих входа регулятора тока соединены с выходами соответствующих датчиков тока, дополнительно управляемого блока ограничения, второго регулятора напряжения и двух измерительных преобразователей амплитудного значения переменного напряжения, подключенных входами к соответствующим обмоткам генератора, а выходами к вычитающим входам второго регулятора напряжения, суммирующий вход которого через блок ограничения соединен с выходом первого регулятора напряжения, а выход подключен к суммирующему входу регулятора тока, управляющий вход блока ограничения соединен с выходом блока управления, повышает качество процессов регулирования в системе электропривода мотор-колес.
Использование предлагаемого технического решения на карьерных автосамосвалах позволит повысить качество процессов управления электроприводами мотор-колес.