Энергоустановка локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии
Полезная модель направлена на уменьшение расхода топлива дизелем в переходных режимах за счет снижения их интенсивности.
Указанный технический результат достигается тем, что энергоустановка локомотива содержит асинхронные трехфазные тяговые электродвигатели, тяговый синхронный генератор, неуправляемые тяговые выпрямительные установки, редукторы, ведущие оси, ДВС, вал которого механически сопряжен с валом тягового синхронного генератора через передаточный элемент в виде муфты, суперконденсаторный накопитель электроэнергии, выполненный в виде модуля и введенный в звено постоянного напряжения, аккумуляторные накопители электроэнергии, соединенные со звеном постоянного напряжения через преобразователь накопителей электроэнергии. Кроме того, в звено постоянного напряжения введен повышающий преобразователь, выходы которого соединены с выводами модуля суперконденсаторов, входами тяговых трехфазных преобразователей, тормозных прерывателей и преобразователя накопителей электроэнергии, а входы - с выходами неуправляемых тяговых выпрямительных установок, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой. Энергоустановка содержит тормозные прерыватели и тормозные резисторы, при этом выходы тормозных прерывателей соединены с тормозными резисторами. Энергоустановка содержит микропроцессорную систему управления, вход которой связан с измерительными устройствами, в том числе с устройством измерения линейных токов тяговых асинхронных трехфазных двигателей, напряжения в звене постоянного напряжения, угловой скорости вращения роторов тяговых асинхронных трехфазных двигателей.
Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а именно к силовым установкам локомотивов с приводом переменно-переменного тока.
Известна комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии (RU 2182383 С1).
Согласно изобретению в состав энергоустановки входят приводной двигатель, механически сопряженный через редуктор или мультипликатор с генератором переменного тока, к выводам которого подключены стационарный потребитель переменного тока и управляемый выпрямитель, соединенный через управляемый размыкатель с обратимым инвертором, к выходу которого подключен импульсный потребитель переменного тока. К выходу управляемого выпрямителя подключены импульсный потребитель постоянного тока с управляемым выключателем и система накопления энергии, выполненная из последовательно соединенных молекулярного накопителя электроэнергии и зарядно-разрядного устройства, состоящего из обратного диода, параллельно которому подключены соединенные последовательно тиристор и первый токоограничивающий резистор, при этом управляющий электрод тиристора через конденсатор и второй токоограничивающий резистор подключен к вспомогательному потребителю постоянного тока.
Недостатком известной комбинированной энергоустановки является то, что в процессе зарядки/разрядки происходят потери энергии, обусловленные наличием зарядно-разрядного устройства.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство для управления силовой локомотивной установкой (RU 2419563 C1). Силовая локомотивная установка содержит ДВС, генератор, тяговый выпрямитель, тяговые электродвигатели, редукторы, ведущие оси. Имеется управляющее устройство, в которое дополнительно введены устройство накопления электрической энергии, преобразователь и регулятор тока и напряжения, измерительные устройства, предназначенные для обеспечения обратной связи по необходимым параметрам, и два запирающих устройства.
Недостатком известного технического решения является то, что процессы приема и отдачи энергии накопителем сопровождаются потерей части этой энергии в преобразователе.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является уменьшение расхода топлива дизелем в переходных режимах за счет снижения их интенсивности.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известной энергоустановке локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии, состоящей из тяговых электродвигателей, тягового синхронного генератора, тяговой выпрямительной установки, редукторов, ведущих осей, устройства накопления электроэнергии, микропроцессорной системы управления с устройствами измерения тока и напряжения, ДВС, вал которого механически сопряжен с валом тягового синхронного генератора через передаточный элемент в виде муфты, новым является то, что энергоустановка локомотива дополнительно содержит накопитель электроэнергии, который выполнен в виде суперконденсаторов и введен в звено постоянного напряжения, аккумуляторные накопители электроэнергии, тяговые трехфазные преобразователи, к которым подсоединены тяговые электродвигатели, выполненные асинхронными, трехфазными, тормозные прерыватели, тормозные резисторы, дополнительную тяговую выпрямительную установку, преобразователь аккумуляторных накопителей электроэнергии, а также повышающий преобразователь, который введен в звено постоянного напряжения; при этом предпочтительно: выполнение тяговых выпрямительных установок неуправляемыми, при этом их выходы соединены последовательно между собой и с входом повышающего преобразователя напряжения; соединение выходов тягового синхронного генератора с входами неуправляемых выпрямительных установок; объединение суперкондесаторов в модуль; объединение аккумуляторных накопителей электроэнергии в модуль; соединение выхода преобразователя накопителей электроэнергии с входом модуля аккумуляторных накопителей электроэнергии; соединение выхода повышающего преобразователя с выводами модуля суперконденсаторов, входами тяговых трехфазных преобразователей, тормозных прерывателей и преобразователя накопителей электроэнергии; соединение выходов тормозных прерывателей с тормозными резисторами; ввод в систему управления устройств измерения линейных токов асинхронных трехфазных тяговых электродвигателей, напряжения в звене постоянного напряжения, угловой скорости вращения роторов асинхронных трехфазных тяговых электродвигателей, при этом устройства измерения соединены выходами с микропроцессорной системой управления.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, обусловлен тем, что в звено постоянного напряжения введен модуль суперконденсаторов, связанный выходами с повышающим преобразователем с одной стороны, и с входами тяговых трехфазных преобразователей с другой стороны, без использования зарядно-разрядного преобразователя. Это позволяет при изменении мощности нагрузки, транслируемой через тяговые преобразователи к тяговым двигателям в относительно небольших пределах, не менять мощность на валу ДВС, обеспечивая большую временную долю работы ДВС в установившемся режиме, Это, с одной стороны, приводит к уменьшению расхода топлива, за счет снижения доли времени работы ДВС в переходных режимах, и, с другой стороны, исключает необходимость использования энергии аккумуляторного накопителя для этой цели, увеличивая его ресурс.
Кроме того, исключаются потери электроэнергии, связанные с работой зарядно-разрядного устройства при колебаниях мощности нагрузки в этих небольших пределах. Ввод в энергоустановку повышающего преобразователя напряжения позволяет снизить удельный расход топлива при работе тяговых двигателей с мощностью меньшей, чем предельная мощность при данной скорости вращения ротора, за счет использования возможности поддерживать частоту вращения ДВС на уровне, соответствующем минимальному удельному расходу топлива, и увеличения выпрямленного напряжения тягового синхронного генератора, подаваемого на входы тяговых преобразователей посредством повышающего преобразователя до уровня, необходимого для питания асинхронных тяговых двигателей.
Заявленная полезная модель поясняется графическими материалами.
На фиг.1 приведена блок-схема заявленной энергоустановки локомотива с комбинированным накопителем энергии;
На фиг.2 приведены электромеханические характеристики ТЭД (зависимости напряжения и момента от скорости вращения ротора, U(n) и М(n), соответственно);
На фиг.3 приведены характеристики тягового синхронного генератора (зависимость выпрямленного напряжения от скорости вращения вала генератора, U(n)) и тепловозная характеристика ДВС (зависимость мощности на валу ДВС от скорости вращения при минимальном удельном расходе топлива, Р(n))
На фиг.4 приведены зависимости суммарной мощности тяговых двигателей (РД), Мощности на валу ДВС (РДВС), напряжения в звене постоянного напряжения U от времени.
Энергоустановка содержит: двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1, механически сопряженный через муфту 2 с тяговым синхронным генератором 3, две соединенные последовательно неуправляемые тяговые выпрямительные установки 4.1, 4.2, входы которых соединены с выходами тягового синхронного генератора, повышающий преобразователь 5, введенный в звено постоянного напряжения 6, тяговые асинхронные трехфазные двигатели 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, соединенные с тяговыми трехфазными преобразователями 8.1, 8.2, введенные в звено постоянного напряжения суперконденсаторы, предпочтительно выполненные в виде модуля 9, аккумуляторные накопители электроэнергии, предпочтительно выполненные в виде модуля 10, вход которого соединен с выходом преобразователя 11, тормозные резисторы 12.1, 12.2, входы которых соединены с выходами тормозных прерывателей 13.1, 13.2., устройства измерения линейных токов тяговых асинхронных трехфазных двигателей 14.1, 14.2, устройство измерения напряжения в звене постоянного напряжения (15), устройства измерения угловой скорости вращения роторов тяговых асинхронных трехфазных электродвигателей 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, выходами соединенных с микропроцессорной системой управления (17). Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно выполнен в виде дизеля.
Энергоустановка (фиг.1) работает следующим образом.
При вращении вала ДВС 1 мощность, через устройство сопряжения в виде муфты 2 передается на вал тягового синхронного генератора 3. Напряжение, генерируемое в двух трехфазных обмотках генератора, выпрямляется двумя неуправляемыми выпрямительными установками, 4.1, 4.2, соединенными последовательно. Выпрямленное напряжение повышается преобразователем 5, введенным в звено постоянного напряжения, до величины, соответствующей номинальному напряжению асинхронных тяговых электродвигателей 6.1, 6.2, 6.3, 6.4. Напряжение повышается в зависимости от скорости вращения роторов асинхронных тяговых электродвигателей и величины мощности, потребной на тягу. При этом частота вращения вала ДВС и, соответственно, вала тягового синхронного генератора устанавливаются в соответствии с мощностью, потребной на тягу, что позволяет эксплуатировать ДВС в режиме с минимальным расходом топлива на единицу выработанной энергии.
Например (Фиг 2), при работе тяговых двигателей в точке А с суммарной мощностью 585 кВт, с частотой вращения роторов 700 об/мин и моментами на их валах 1,0 кНм, составляющем 50% от момента 2 кНм в точке В, потребная для тяги мощность на валу ДВС, (с учетом общего КПД генератора, повышающего преобразователя, тяговых преобразователей и тяговых двигателей 0,85) составляет 690 кВт (Фиг 3). При этом частота вращения вала ДВС, при которой обеспечивается минимальный удельный расход топлива для этой мощности, составляет 940 об/мин. Поскольку выпрямленное напряжение генератора при оборотах 940 об/мин составляет 690 В, что меньше, чем необходимо для формирования тяговыми преобразователями достаточного для работы тяговых двигателей напряжения 860 В, производится увеличение напряжения в звене постоянного напряжения посредством повышающего преобразователя до уровня 1100 В, который достаточен для формирования, посредством тяговых преобразователей, необходимого по величине напряжения питания тяговых двигателей. При этом частота вращения вала ДВС поддерживается на уровне 940 об/мин, обеспечивающем минимальный удельный расход топлива для данной, потребной на тягу, мощности 690 кВт. Управление повышающим преобразователем осуществляется микропроцессорной системой управления (МПСУ), оценивающей по показаниям измерительных устройств в цепях тяговых двигателей токи, напряжения, а также, угловые скорости вращения роторов тяговых двигателей. По измеренным показателям МПСУ оценивает мощность, затрачиваемую на тягу и величину напряжения в звене постоянного напряжения, необходимую для формирования трехфазных напряжений питания тяговых двигателей. В случае, если величина вырабатываемого генератором напряжения при требуемом уровне мощности не достаточна для формирования трехфазных напряжений для питания тяговых двигателей, МПСУ управляет работой повышающего преобразователя таким образом, что напряжение в звене постоянного напряжения достигает необходимого уровня.
Выходное напряжение повышающего преобразователя конвертируется тяговыми трехфазными преобразователями в систему трехфазных напряжений переменной частоты для питания тяговых асинхронных трехфазных двигателей.
При относительно кратковременных и не больших колебаниях мощности тяговых электродвигателей, которые непрерывно сопровождают процесс реализации силы тяги, благодаря непосредственно введенному в звено постоянного напряжения модулю суперконденсаторов, обеспечивается неизменность мощности на валу ДВС и снижение, в связи с этим, расхода топлива, вызванное уменьшением времени работы ДВС в переходных режимах.
Например (Фиг 4),
при колебаниях суммарной мощности тяговых двигателей в пределах от плюс 10 до минус 10 кВт относительно среднего уровня 300 кВт за время около 1,5 с., обеспечивается неизменность мощности на валу ДВС (352 кВт) за счет использования энергии суперконденсаторного накопителя. При этом, напряжение в звене постоянного напряжения поддерживается на среднем уровне, достаточном для формирования, посредством тяговых преобразователей, напряжения питания тяговых двигателей 550 В,
При торможении локомотива тяговые двигатели переводятся в генераторный режим. Энергия, вырабатываемая тяговыми асинхронными электродвигателями, транслируется в звено постоянного напряжения и накапливается в модуле аккумуляторных накопителей энергии посредством преобразователя. В случае, если аккумуляторный накопитель полностью заряжен, излишек генерируемой энергии выделяется в виде тепла в тормозных резисторах посредством тормозных прерывателей. При относительно более длительных и существенных колебаниях тяговой мощности компенсация дефицита энергии или ее избыток компенсируется аккумуляторным накопителем энергии посредством преобразователя накопителей энергии.
1. Энергоустановка локомотива с комбинированным накопителем электроэнергии, состоящая из тяговых электродвигателей, тягового синхронного генератора, тяговой выпрямительной установки, редукторов, ведущих осей, устройства накопления электроэнергии, микропроцессорной системы управления с устройствами измерения тока и напряжения, причем устройства измерения соединены выходами с микропроцессорной системой управления, ДВС, вал которого механически сопряжен с валом тягового синхронного генератора через передаточный элемент в виде муфты, отличающаяся тем, что дополнительно содержит накопитель электроэнергии, при этом накопитель электроэнергии выполнен в виде суперконденсаторов и введен в звено постоянного напряжения, аккумуляторные накопители электроэнергии, соединенные со звеном постоянного напряжения через преобразователь накопителей электроэнергии, дополнительную тяговую выпрямительную установку, тяговые трехфазные преобразователи, к которым подсоединены тяговые электродвигатели, выполненные асинхронными трехфазными, тормозные прерыватели, тормозные резисторы, преобразователь аккумуляторных накопителей электроэнергии, а также введенный в звено постоянного напряжения повышающий преобразователь, выходы которого соединены с выводами суперконденсаторов, входами тяговых трехфазных преобразователей, тормозных прерывателей и преобразователя накопителей электроэнергии, а входы - с выходами тяговых выпрямительных установок, которые, в свою очередь, соединены последовательно между собой.
2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что тяговые выпрямительные установки выполнены неуправляемыми.
3. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что суперконденсаторы объединены в модуль.
4. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что аккумуляторные накопители электроэнергии объединены в модуль.
5. Энергоустановка по п.4, отличающаяся тем, что выход преобразователя накопителей электроэнергии соединен с входом модуля аккумуляторных накопителей электроэнергии.
6. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что выходы тормозных прерывателей соединены с тормозными резисторами.
7. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройства измерения линейных токов тяговых асинхронных трехфазных электродвигателей, напряжения в звене постоянного напряжения, угловой скорости вращения роторов асинхронных трехфазных тяговых электродвигателей.
