ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2003 года по МПК B60K17/00 

Изобретение относится к области гусеничных машин, оснащенных электроприводом с автономным источником питания (дизель-генераторной установкой).

В настоящее время все более широкое применение начинают получать электроприводы в качестве трансмиссий гусеничных и колесных машин. Самой перспективной на сегодняшний день можно считать электрическую трансмиссию с преобразованием переменного тока в постоянный и снова в переменный "AC-DC-AC". Впервые такая трансмиссия была разработана 30 лет назад в США фирмой "FMC" (позднее United Defense L. P.), а в 70-х годах установлена для испытаний на БТР "М-113" (см. Зарубежная военная техника. 12. 1976. А.В. Дмитриев, П.Н. Иванченко - Электрическая трансмиссия переменного тока, с. 9-17). Но в то же время выполненные по этой схеме образцы имеют два основных недостатка. Первым недостатком является инерционность электрических машин переменного тока, что влечет за собой низкую динамику переходных процессов. Вторым недостатком является необходимость рассеивания электрической энергии на тормозных сопротивлениях при торможении и повороте машины вследствие рекуперации энергии от электродвигателей. Эти недостатки могут быть устранены применением в составе электрической трансмиссии емкостных накопителей, основными достоинствами которых является высокая удельная мощность и быстрота подзаряда.

Доказано, что емкостные накопители способствуют решению проблем городского автотранспорта, став составной частью комбинированной силовой установки, объединяющей маломощный двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, емкостный накопитель и тяговый электродвигатель (см. Автомобильная промышленность. 9. 1999. В.П. Хортов - Новое направление в электрооборудовании АТС, с.13-15). Эксперименты, проведенные в MГТУ "МАМИ", показали, что комбинированная энергетическая установка обеспечивает надежное трогание с места и динамичный разгон. Установлено также, что при торможении электрическая энергия рекуперируется, т. е. возвращается в накопитель, т.к. тяговый электродвигатель в данный момент превращается во второй электрогенератор.

На сегодняшний день также разработаны тяговые электроприводы с емкостными накопителями для использования на электрокарах, индивидуальных колясках, в силовых установках трамваев и троллейбусов (см. Машиностроитель. 1. 1999. М.Н. Фесенко, Ю.П. Чижков, До Ван Зунг - Электроприводы с емкостными накопителями энергии, с. 11-13).

Возможность и эффективность применения емкостных накопителей в электроприводах определяется схемой коммутации и управления, а также режимами совместной работы емкостных накопителей с основными элементами электрической трансмиссии.

В качестве прототипа выбрана электрическая трансмиссия, разработанная во Франции для 27-тонной гусеничной машины и состоящая из дизельного двигателя, генератора переменного тока, левого и правого асинхронных электродвигателей, левой и правой коробок передач, ведущих колес левой и правой гусениц (см. R. М. OGORKIEWICZ. ELBOTRIC TRANSMISSION STUDIES IN FRANCE. INTERNATIONAL DEFENSE REVIEW. 1/1992, р. 53 - 54). Ей также присущи ранее названные недостатки электрических трансмиссий.

Задачей настоящего изобретения является повышение динамики переходных процессов и рациональное использование электрической энергии в электрической трансмиссии.

Эта задача решается за счет применения в электрической трансмиссии гусеничной машины емкостного накопителя и коммутирующего блока, обеспечивающего переключение емкостного накопителя на заряд и разряд в зависимости от условий и режимов работы электрической трансмиссии.

При этом электрическая трансмиссия гусеничной машины содержит дизельный двигатель, генератор переменного тока, левый и правый асинхронные электродвигатели, левую и правую коробки передач, ведущие колеса левой и правой гусениц, систему управления, выходы которой соединены с соответствующими входами блоков управления левым и правым выпрямителями, блоков управления левым и правым инверторами и блока управления дизельным двигателем, который имеет связь с дизельным двигателем; левый и правый задающие блоки, выходы которых соединены с соответствующими входами блоков управления левым и правым выпрямителями, блоков управления левым и правым инверторами и коммутирующего блока; блоки управления левым и правым выпрямителями, выходы которых соединены с соответствующими входами левого и правого управляемых выпрямителей; блоки управления левым и правым инверторами, выходы которых соединены с соответствующими входами левого и правого инверторов; левый и правый управляемые выпрямители, входы которых соединены с выходом генератора переменного тока, а выходы - с соответствующими входами левого и правого инверторов и коммутирующего блока, выходы которого соединены с емкостным накопителем и соответствующими входами левого и правого инверторов, а входы - с выходами датчиков скорости левого и правого асинхронных электродвигателей.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена функциональная схема электрической трансмиссии гусеничной машины, в состав которой входят следующие элементы:
1 - система управления;
2 - блок управления дизельным двигателем;
3 - дизельный двигатель;
4 - генератор переменного тока;
5 - левый управляемый выпрямитель;
6 - блок управления левым выпрямителем;
7 - правый управляемый выпрямитель;
8 - блок управления правым выпрямителем;
9 - левый инвертор;
10 - блок управления левым инвертором;
11 - правый инвертор;
12 - блок управления правым инвертором;
13 - левый асинхронный электродвигатель;
14 - правый асинхронный электродвигатель;
15 - левая коробка передач;
16 - правая коробка передач;
17 - ведущее колесо левой гусеницы;
18 - ведущее колесо правой гусеницы;
19 - левый задающий блок;
20 - правый задающий блок;
21 - датчик скорости левого асинхронного электродвигателя;
22 - датчик скорости правого асинхронного электродвигателя;
23 - коммутирующий блок;
24 - емкостный накопитель.

На фиг. 2 представлена функциональная схема коммутирующего блока, в состав которого входят следующие элементы: логическое устройство ЛУ, переключающее устройство ПУ и зарядное устройство ЗУ.

Входными сигналами коммутирующего блока являются задающие сигналы, поступающие от левого и правого задающих блоков 19 и 20 и определяющие частоту левого и правого инверторов 9 и 11 и напряжение левого и правого управляемых выпрямителей 5 и 7, и сигналы отрицательной обратной связи по угловой скорости левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14, снимаемые с датчиков скорости 21 и 22 левого и правого асинхронных электродвигателей.

Логическое устройство ЛУ оценивает сигналы скольжения левого и правого электродвигателей 13 и 14, равные разности задающих сигналов и сигналов, пропорциональных угловым скоростям роторов, и управляет работой переключающего устройства ПУ.

Переключающее устройство ПУ обеспечивает переключение и отключение емкостного накопителя 24 на заряд и разряд в различных режимах работы электрической трансмиссии.

Зарядное устройство ЗУ осуществляет заряд емкостного накопителя 24 после пуска дизельного двигателя машины и на установившихся режимах работы электрической трансмиссии.

Работа предлагаемого изобретения происходит следующим образом. Для запуска дизельного двигателя 3 машины механик-водитель (MB) воздействует на систему управления 1, которая дает команду блоку управления 2 дизельным двигателем на запуск последнего. Генератор переменного тока 4, имея привод от дизельного двигателя 3, вырабатывает напряжение переменного тока, которое поступает на входы управляемых выпрямителей 5 и 7. Коммутирующий блок 23 подключает емкостный накопитель 24 на заряд от зарядного устройства ЗУ.

Для осуществления движения MB воздействует на систему управления 1, которая дает команду блоку управления 2 дизельным двигателем на перевод дизельного двигателя 3 на номинальный эксплуатационный режим работы, а затем через блоки управления 10 и 12 левым и правым инверторами задает направление движения (вперед или назад). Далее система управления 1 дает управляющую команду левому и правому задающим блокам 19 и 20, которые осуществляют пуск левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14 и задают требуемую скорость движения, т. е. начинается разгон машины. Коммутирующий блок 23, регистрируя резкое увеличение сигналов скольжения, подключает емкостный накопитель 24 к левому и правому инверторам 9 и 10 для ускорения разгона. По достижении сигналами датчиков скорости 21 и 22 левого и правого асинхронных электродвигателей значений задающих сигналов угловые скорости левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14 устанавливаются в соответствии с заданной MB скоростью движения.

После разгона машины и выхода левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14 на установившийся режим коммутирующий блок 23 снова подключает емкостный накопитель 24 на заряд от зарядного устройства ЗУ.

При прямолинейном движении и увеличении внешней нагрузки одновременно на двух гусеницах падают угловые скорости левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14, что ведет к уменьшению сигналов обратной связи от датчиков скорости 21 и 22 левого и правого асинхронных электродвигателей. Коммутирующий блок 23, регистрируя увеличение сигналов скольжения, подключает емкостный накопитель 24 к левому и правому инверторам 9 и 11 для увеличения мощности питания левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14. Так достигается компенсация увеличения нагрузки.

При прямолинейном движении и увеличении внешней нагрузки на одной гусенице, например на правой, падает угловая скорость правого асинхронного электродвигателя 14 и пропорционально уменьшается сигнал обратной связи от датчика скорости 22 правого асинхронного электродвигателя. Коммутирующий блок 23, регистрируя увеличение сигнала скольжения правого асинхронного электродвигателя 14, подключает емкостный накопитель 24 к правому инвертору 11 для увеличения мощности питания правого асинхронного электродвигаля 14. Так достигается компенсация увеличения нагрузки на правой гусенице.

Для осуществления торможения MB воздействует на систему управления 1, которая дает команду левому и правому задающим блокам 19 и 20 на снижение скорости машины. Они дают команду блокам управления 10 и 12 левым и правым инверторами на снижение частоты тока питания левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14, которые переходят в генераторный режим работы. Коммутирующий блок 23, регистрируя изменение знаков сигналов скольжения, подключает емкостный накопитель 24 к левому и правому инверторам 9 и 11 для заряда вследствие рекуперации энергии от левого и правого асинхронных электродвигателей 13 и 14. В результате отпадает необходимость использования при торможении тормозных сопротивлений.

Для осуществления поворота, например правого, MB воздействует на систему управления 1 и задает радиус поворота.

Правый задающий блок 20 дает команду блоку управления 12 правым инвертором на снижение частоты тока питания правого асинхронного электродвигателя 14, в результате чего правая гусеница тормозится, а правый асинхронный электродвигатель 14 переходит в генераторный режим работы. Коммутирующий блок 23, регистрируя изменение знака сигнала скольжения правого асинхронного электродвигателя 14, подключает емкостный накопитель 24 к правому инвертору 11 для заряда вследствие рекуперации энергии от правого асинхронного электродвигателя 14.

На время продолжительной остановки MB, воздействуя на систему управления 1, переводит дизельный двигатель 3 на режим холостого хода. Коммутирующий блок 23 подключает емкостный накопитель 24 на заряд от зарядного устройства ЗУ.

Таким образом, предлагаемая электрическая трансмиссия имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:
улучшение динамических характеристик машины в процессах пуска, разгона, торможения и реверсирования электропривода трансмиссии;
эффективное накопление в емкостном накопителе электрической энергии, поступающей от асинхронных электродвигателей, работающих в генераторном режиме;
устранение больших обратных токов в процессах рекуперации энергии, которую необходимо рассеивать на крупногабаритных сопротивлениях;
повышение за счет фильтрующих свойств емкостного накопителя качества электрической энергии и надежности работы потребителей путем существенного снижения уровня пульсаций, провалов и бросков напряжений и токов.

Изобретение относится к гусеничным машинам, оснащенным электроприводом с автономным источником питания - дизель-генераторной установкой, питающей через выпрямители и инверторы левый и правый асинхронные двигатели, связанные с соответствующими ведущими колесами гусениц. В электрической трансмиссии гусеничной машины применены емкостной накопитель и коммутирующий блок, обеспечивающий переключение емкостного накопителя на заряд и разряд в зависимости от условий и режимов работы электрической трансмиссии. Изобретение позволит повысить динамику переходных процессов и обеспечить рациональное использование электрической энергии в электрической трансмиссии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая трансмиссия гусеничной машины, содержащая дизельный двигатель, генератор переменного тока, левый и правый асинхронные электродвигатели, левую и правую коробки передач, ведущие колеса левой и правой гусениц, отличающаяся тем, что дополнительно введены: система управления, выходы которой соединены с соответствующими входами блоков управления левым и правым выпрямителями, блоков управления левым и правым инверторами и блока управления дизельным двигателем, который имеет связь с дизельным двигателем; левый и правый задающие блоки, выходы которых соединены с соответствующими входами блоков управления левым и правым выпрямителями, блоков управления левым и правым инверторами и коммутирующего блока; блоки управления левым и правым выпрямителями, выходы которых соединены с соответствующими входами левого и правого управляемых выпрямителей; блоки управления левым и правым инверторами, выходы которых соединены с соответствующими входами левого и правого инверторов; левый и правый управляемые выпрямители, входы которых соединены с выходом генератора переменного тока, а выходы - с соответствующими входами левого и правого инверторов и коммутирующего блока, выходы которого соединены с емкостным накопителем и соответствующими входами левого и правого инверторов, а входы - с выходами датчиков скорости левого и правого асинхронных электродвигателей. 2. Электрическая трансмиссия гусеничной машины по п. 1, отличающаяся тем, что коммутирующий блок содержит логическое устройство, переключающее устройство и зарядное устройство, при этом выход логического устройства соединен со входом переключающего устройства, выходы которого соединены с емкостным накопителем и с соответствующими входами левого и правого инверторов и зарядного устройства, выход которого также соединен с емкостным накопителем, а входы логического устройства соединены с соответствующими выходами левого и правого задающих блоков и датчиков скорости левого и правого асинхронных электродвигателей.