Область и уровень техники
Изобретение в общем относится к системам электрической тяги, и в частности - к использованию сочетания энергетических батарей и силовых батарей для создания тягового усилия и для целей помимо тяговых. Это описание направлено на использование систем электрической тяги в локомотивах и вездеходах, но специалисту в данной области техники будет ясно, что данное изобретение также целесообразно и в других транспортных и нетранспортных устройствах.
В разнообразных устройствах системы электрической тяги содержат электрические батареи для повышения кпд системы. Эти батареи обычно классифицируются либо как «энергетические батареи», либо как «силовые батареи» в зависимости от оптимизации их конструкции в отношении плотности энергии или удельной мощности, соответственно. Для некоторых тяговых устройств предпочтителен один класс батарей перед другим; и иным устройствам предпочтительно сочетание и энергетических, и силовых батарей. В движении батареи разряжаются через электродвигатели для создания тягового усилия. При торможении электродвигатели действуют как генераторы для подзарядки батарей.
В системах, имеющих и энергетические, и силовые батареи (двойные системы батарей), первоначальная и дополняющая подзарядка энергетических батарей обычно осуществляется либо механически, заменой частей батареи, или электрически путем подключения к энергосистеме общего пользования. Имеется возможность обеспечения альтернативного средства подзарядки энергетических батарей в двойных системах батарей.
Помимо обеспечения энергии для тяги способность вырабатывать электроэнергию тяговой системой можно использовать для других целей помимо тяговых. Поэтому имеются дополнительные возможности использования способности систем электротяги вырабатывать электроэнергию для нетяговых устройств.
Сущность изобретения
Упоминаемые выше возможности реализуются в одном из осуществлений изобретения при помощи устройства создания тягового усилия, содержащего: источник энергии, генерирующий высокое постоянное напряжение; электродвигательный привод, генерирующий электродвигательное напряжение из высокого постоянного напряжения; и электродвигатель, создающий тяговое усилие из электродвигательного напряжения; причем источник энергии содержит: тепловой двигатель, генерирующий механическую энергию за счет сгорания топлива; генератор переменного тока, генерирующий переменное напряжение из механической энергии; выпрямитель, выпрямляющий переменное напряжение и выдающий низкое постоянное напряжение; энергетическую батарею, аккумулирующую и подающую энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения; и тяговый промежуточный преобразователь, повышающий низкое постоянное напряжение и выдающий высокое постоянное напряжение; при этом электродвигательный привод содержит: силовую батарею, аккумулирующую и подающую мощность с высоким постоянным напряжением; и тяговый преобразователь, генерирующий электродвигательное напряжение из высокого постоянного напряжения во время движения и генерирующий высокое постоянное напряжение из электродвигательного напряжения во время торможения.
Настоящее изобретение также относится к способу, согласно которому генерируют высокое постоянное напряжение; генерируют электродвигательное напряжение из высокого постоянного напряжения; и создают тяговое усилие из электродвигательного напряжения; причем этап генерирования высокого постоянного напряжения включает в себя следующие этапы: сжигание топлива для генерирования механической энергии; генерирование переменного напряжения из механической энергии при помощи генератора переменного тока; выпрямление переменного напряжения для получения низкого постоянного напряжения при помощи выпрямителя; посредством энергетической батареи - аккумулирование и подача энергии, выводимой из низкого постоянного напряжения; и повышение низкого постоянного напряжения для получения высокого постоянного напряжения; при этом этап генерирования электродвигательного напряжения включает в себя этап аккумулирования и подачи мощности с высоким постоянным напряжением при помощи силовой батареи; и генерирование электродвигательного напряжения из высокого постоянного напряжения во время движения и генерирование высокого постоянного напряжения из электродвигательного напряжения во время торможения.
Краткое описание чертежей
Эти и прочие признаки, особенности и преимущества изобретения поясняются в приводимом ниже подробном описании в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых аналогичные ссылочные обозначения представляют аналогичные компоненты на всех чертежах, на которых:
Фиг.1 показывает блок-схему устройства для создания тягового усилия в соответствии с одним из осуществлений настоящего изобретения.
Фиг.2-9 показывают блок-схемы других осуществлений в соответствии с осуществлением, показываемым на Фиг.1.
Фиг.10 показывает блок-схему локомотива в соответствии с еще одним осуществлением изобретения.
Фиг.11 показывает блок-схему вездехода в соответствии с еще одним осуществлением изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Согласно одному из осуществлений настоящего изобретения Фиг.1 показывает блок-схему устройства 100 для создания тягового усилия. Устройство 100 содержит источник 110 энергии, электродвигательный привод 130 и электродвигатель 150. В работе: источник 110 энергии генерирует высокое постоянное напряжение 120. Электродвигательный привод 130 генерирует электродвигательное напряжение 140 из высокого постоянного напряжения 120, и электродвигатель 150 создает тяговое усилие из электродвигательного напряжения 140. Здесь электродвигатель 150 означает любое электрическое устройство, выполненное с возможностью генерирования механической энергии из электрической энергии, включая, помимо прочего, одно- или многофазные электродвигатели переменного или постоянного тока.
В осуществлении согласно Фиг.1 источник 110 энергии содержит тепловой двигатель 160, генератор 180 переменного тока, выпрямитель 200, энергетическую батарею 220 и тяговый промежуточный преобразователь 230. В работе: тепловой двигатель 160 генерирует механическую энергию 170 за счет сгорания топлива. Генератор 180 переменного тока генерирует переменное напряжение 190 из механической энергии 170. Выпрямитель 200 затем выпрямляет переменное напряжение 190 и выдает низкое постоянное напряжение 210. Энергетическая батарея 220 аккумулирует и подает энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения 210; и тяговый промежуточный преобразователь 230 повышает низкое постоянное напряжение 210 и выдает высокое постоянное напряжение 120. Здесь в отношении постоянных напряжений термины «низкое» и «высокое» являются лишь относительными и не подразумевают определенные уровни напряжения.
Электродвигательный привод 130 содержит силовую батарею 240 и тяговый преобразователь 250. В работе: силовая батарея 240 аккумулирует энергию и подает мощность с высоким постоянным напряжением 120. Тяговый преобразователь 250 генерирует электродвигательное напряжение 140 из высокого постоянного напряжения 120 при движении и генерирует высокое постоянное напряжение 120 из электродвигательного напряжения 140 во время торможения.
В частности, согласно осуществлению по Фиг.1: соотношение емкости аккумулированной энергии электродвигательного привода 130 и мощности, выдаваемой источником 110 энергии, с высоким постоянным напряжением 120, приблизительно составляет от 0,001 до 60 часов.
В соответствии с еще одним частным осуществлением согласно Фиг.1: соотношение емкости аккумулированной по энергии электродвигательного привода 130 и мощности, выдаваемой источником 110 энергии, с высоким постоянным напряжением 120, приблизительно составляет от 0,5 до 20 часов.
Согласно еще одному осуществлению изобретения: Фиг.2 показывает блок-схему, на которой устройство 100 также содержит поворачивающий инвертор 260. В работе: поворачивающий инвертор 260 генерирует необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение 265 из низкого постоянного напряжения 210 во время поворачивающего действия генератора 180 переменного тока. Термин «поворачивающее действие» на практике означает использование генератора 180 переменного тока в качестве электродвигателя для приложения крутящего момента для пуска теплового двигателя 160.
В соответствии с осуществлением по Фиг.2: поворачивающий инвертор 260 является двунаправленным и также имеет промежуточный преобразователь 270 подзарядки. В работе: промежуточный преобразователь 270 подзарядки повышает переменное напряжение 190 до более высокого напряжения, более соответствующего подзарядке энергетической батареи 220.
Согласно еще одному осуществлению изобретения: Фиг.3 показывает блок-схему, в которой устройство 100 также содержит преобразователь 280 для энергосистемы общего пользования. В работе: преобразователь 280 для энергосистемы общего пользования служит аварийным генератором для преобразования низкого постоянного напряжения 210 в напряжение 290 энергосистемы общего пользования, соответствующего для подключения к энергосистеме 300 общего пользования. В некоторых осуществлениях преобразователь 280 является двунаправленным устройством, избирательно позволяющим подзарядку энергетической батареи 220 непосредственно из энергосистемы 300 общего пользования.
Согласно альтернативному осуществлению, показываемому на чертеже Фиг.4: преобразователь 280 для энергосистемы общего пользования запитывается от высокого постоянного напряжения 120 вместо низкого постоянного напряжения 210. В некоторых осуществлениях преобразователь 280 является двунаправленным устройством, избирательно позволяющим подзарядку силовой батареи 240 непосредственно из энергосистемы 300 общего пользования.
Согласно еще одному осуществлению изобретения: Фиг.5 показывает блок-схему, в которой устройство 100 также содержит поворачивающий инвертор 260 и переключатель 310 без разрыва тока. В работе: поворачивающий инвертор 260 избирательно генерирует необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение 265 или напряжение 290 энергосистемы общего пользования из низкого постоянного напряжения 210. Переключатель 310 без разрыва тока избирательно подключает необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение 265 к генератору 180 переменного тока, или напряжение 290 энергосистемы общего пользования - к энергосистеме 300 общего пользования.
Подробность осуществления согласно Фиг.5: поворачивающий инвертор 260 является двусторонним и содержит промежуточный преобразователь 270 подзарядки. В работе: промежуточный преобразователь 270 подзарядки повышает переменное напряжение 190 до более высокого напряжения, более соответствующего подзарядке энергетической батареи 220. В альтернативном осуществлении, согласно Фиг.6, поворачивающий инвертор 260 запитывается от высокого постоянного напряжения 120 вместо низкого постоянного напряжения 210, и его можно использовать для подзарядки силовой батареи 240.
В еще одном осуществлении согласно Фиг.1: Фиг.7 показывает блок-схему, в которой источник 110 энергии также содержит батарею 320 ультраконденсаторов. В работе: батарея 320 ультраконденсаторов аккумулирует и подает электроэнергию. В этом осуществлении тяговый промежуточный преобразователь 230 выполняет дополнительную функцию регулирования потоков энергии между выпрямителем 200, энергетической батареей 220 и батареей 320 ультраконденсаторов.
В еще одном осуществлении согласно Фиг.7 источник 110 энергии также содержит однонаправленный ответвитель 330. В работе: однонаправленный ответвитель 330 проводит электрический ток от энергетической батареи 220 в батарею 320 ультраконденсаторов, когда напряжение батареи 320 ультраконденсаторов снижается ниже напряжения энергетической батареи 220.
В еще одном осуществлении согласно Фиг.1: Фиг.8 показывает блок-схему, в которой электродвигательный привод 130 также содержит силовой ультраконденсатор 340. В работе: силовой ультраконденсатор 340 аккумулирует и подает энергию, выводимую из высокого постоянного напряжения 120.
Еще одна подробность осуществления согласно Фиг.1: электродвигательным напряжением 140 является постоянное напряжение, и электродвигатель 150 является двигателем постоянного тока.
В соответствии с еще одним частным осуществлением по Фиг.1: Фиг.9 показывает блок-схему, в которой генератор 180 переменного тока и выпрямитель 200 также обеспечивают электропитание вспомогательным нагрузкам 350 и таким образом действуют как вспомогательный блок питания.
Согласно еще одному осуществлению изобретения: Фиг.10 показывает блок-схему локомотива 400. Помимо компонентов устройства 100 локомотив 400 имеет колесо 420. В этом осуществлении электродвигатель 150 создает крутящий момент 410 электродвигателя от электродвигательного напряжения 140. Колесо 420 создает тяговое усилие 430 от крутящего момента 410 электродвигателя и прилагает тяговое усилие 430 к рельсу 440.
Согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения Фиг.11 показывает блок-схему вездехода 500. Помимо компонентов локомотива 400 вездеход 500 имеет шину 520. В этом осуществлении колесо 420 создает крутящий момент 510 колеса от крутящего момента 410 электродвигателя. Шина 520 создает тяговое усилие 430 от крутящего момента 510 колеса и прилагает тяговое усилие 430 к поверхности 540 грунта.
Выше поясняются и излагаются только некоторые признаки изобретения, и специалисту в данной области техники будут ясны многие модификации и варианты этого изобретения. Поэтому подразумевается, что прилагаемая формула изобретения включает в себя все эти модификации и варианты в рамках идеи изобретения.
Устройство (100) для создания тягового усилия содержит источник (110) энергии, генерирующий высокое постоянное напряжение (120); электромашинный привод (130), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120); и электродвигатель (150), создающий тяговое усилие. Источник (110) энергии содержит: тепловой двигатель (160), генерирующий механическую энергию (170) за счет сгорания топлива; генератор (180) переменного тока, выпрямитель (200), выпрямляющий переменное напряжение (190) и выдающий низкое постоянное напряжение (210); энергетическую батарею (220), аккумулирующую и подающую энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения (210); и тяговый промежуточный преобразователь (230), повышающий низкое постоянное напряжение (210) и выдающий высокое постоянное напряжение (120). Электромашинный привод (130) содержит: силовую батарею (240), аккумулирующую энергию и подающую мощность с высоким постоянным напряжением (120); и тяговый преобразователь (250), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120) во время движения и генерирующий высокое постоянное напряжение (120) из электродвигательного напряжения (140) во время торможения. Технический результат заключается в повшении КПД и расширении области применения системы электрической тяги. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 11 ил.
источник (110) энергии, генерирующий высокое постоянное напряжение (120); электромашинный привод (130), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120); и электродвигатель (150), создающий тяговое усилие от электродвигательного напряжения (140);
причем источник (110) энергии содержит:
тепловой двигатель (160), генерирующий механическую энергию (170) за счет сгорания топлива;
генератор (180) переменного тока, генерирующий переменное напряжение (190) из механической энергии (170);
выпрямитель (200), выпрямляющий переменное напряжение (190) и выдающий низкое постоянное напряжение (210);
энергетическую батарею (220), аккумулирующую и подающую энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения (210); и
тяговый промежуточный преобразователь (230), повышающий низкое постоянное напряжение (210) и выдающий высокое постоянное напряжение (120); причем электромашинный привод (130) содержит:
силовую батарею (240), аккумулирующую энергию и подающую мощность с высоким постоянным напряжением (120); и
тяговый преобразователь (250), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120) во время движения и генерирующий высокое постоянное напряжение (120) из электродвигательного напряжения (140) во время торможения.
пусковой инвертор (260), избирательно генерирующий необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) или напряжение (290) энергосистемы общего пользования из низкого постоянного напряжения (210); и переключатель (310) без разрыва тока, избирательно подключающий необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) к генератору (180) переменного тока, или напряжение (290) энергосистемы общего пользования - к энергосистеме (300) общего пользования.
пусковой инвертор (260), избирательно генерирующий необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) или напряжение (290) энергосистемы общего пользования из высокого постоянного напряжения (210); и
переключатель (310) без разрыва тока, избирательно подключающий необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) к генератору (180) переменного тока, или напряжение (290) энергосистемы общего пользования - к энергосистеме (300) общего пользования.
генерируют высокое постоянное напряжение (120);
генерируют электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120); и
создают тяговое усилие из электродвигательного напряжения (140);
причем этап генерирования высокого постоянного напряжения (120) включает в себя следующие этапы:
сжигание топлива для генерирования механической энергии (170);
генерирование переменного напряжения (190) из механической энергии (170) при помощи генератора переменного тока (180);
выпрямление переменного напряжения (190) для получения низкого постоянного напряжения (210) при помощи выпрямителя (200);
посредством энергетической батареи (220) - аккумулирование и подачу энергии, выводимой из низкого постоянного напряжения (210); и
повышение низкого постоянного напряжения (210) для получения высокого постоянного напряжения (120);
при этом этап генерирования электродвигательного напряжения (140) включает в себя этапы:
аккумулирования энергии и подачи мощности с высоким постоянным напряжением (120) при помощи силовой батареи (240); и
генерирование электродвигательного напряжения (140) из высокого постоянного напряжения (120) во время движения, и генерирование высокого постоянного напряжения (120) из электродвигательного напряжения (140) во время торможения.
избирательно генерируют необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) или напряжение (290) энергосистемы общего пользования из низкого постоянного напряжения (210); и
избирательно подключают необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) к генератору (180) переменного тока, или напряжение (290) энергосистемы общего пользования - к энергосистеме (300) общего пользования.
избирательно генерируют необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) или напряжение (290) энергосистемы общего пользования из высокого постоянного напряжения (120); и
избирательно подключают необходимое для поворачивания коленчатого вала напряжение (265) к генератору (180) переменного тока, или напряжение (290) энергосистемы общего пользования - к энергосистеме (300) общего пользования.
аккумулируют и подают электроэнергию, выводимую из низкого постоянного напряжения (210), при помощи батареи (320) ультраконденсаторов; и регулируют потоки энергии между выпрямителем (200), энергетической батареей (220) и батареей (320) ультраконденсаторов.
источник (110) энергии, генерирующий высокое постоянное напряжение (120), электромашинный привод (130), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120), электродвигатель (150), создающий вращающий момент (410) электродвигателя из электродвигательного напряжения (140); и
колесо (420), создающее тяговое усилие (430) от вращающего момента (410) электродвигателя, и прилагающее тяговое усилие (430) к рельсу (440), причем источник (110) энергии содержит:
тепловой двигатель (160), генерирующий механическую энергию (170) за счет сгорания топлива, генератор (180) переменного тока, генерирующий переменное напряжение (190) из механической энергии (170);
выпрямитель (200), выпрямляющий переменное напряжение (190) и выдающий низкое постоянное напряжение (210);
энергетическую батарею (220), аккумулирующую и подающую энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения (210); и
тяговый промежуточный преобразователь (230), повышающий низкое постоянное напряжение (210) и выдающий высокое постоянное напряжение (120);
причем электромашинный привод (130) содержит:
силовую батарею (240), аккумулирующую энергию и подающую мощность с высоким постоянным напряжением (120); и
тяговый преобразователь (250), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120) во время движения, и генерирующий высокое постоянное напряжение (120) из электродвигательного напряжения (140) во время торможения.
источник (110) энергии, генерирующий высокое постоянное напряжение (120), электромашинный привод (130), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120); и
электродвигатель (150), создающий вращающий момент (410) электродвигателя от электродвигательного напряжения (140);
колесо (420), создающее вращающий момент (510) колеса от вращающего момента (410) электродвигателя, и шину (520), создающую тяговое усилие (430) от вращающего момента (510) колеса, и прилагающее тяговое усилие (430) к поверхности (540) грунта, причем источник (110) энергии содержит:
тепловой двигатель (160), генерирующий механическую энергию (170) за счет сгорания топлива, генератор (180) переменного тока, генерирующий переменное напряжение (190) из механической энергии (170);
выпрямитель (200), выпрямляющий переменное напряжение (190) и выдающий низкое постоянное напряжение (210);
энергетическую батарею (220), аккумулирующую и подающую энергию, выводимую из низкого постоянного напряжения (210); и
тяговый промежуточный преобразователь (230), повышающий низкое постоянное напряжение (210) и выдающий высокое постоянное напряжение (120); причем электромашинный привод (130) содержит:
силовую батарею (240), аккумулирующую энергию и подающую мощность с высоким постоянным напряжением (120); и тяговый преобразователь (250), генерирующий электродвигательное напряжение (140) из высокого постоянного напряжения (120) во время движения, и генерирующий высокое постоянное напряжение (120) из электродвигательного напряжения (140) во время торможения.
| Тяговый электрический привод | 1972 |
|
SU564792A3 |
| АВТОНОМНЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД | 1995 |
|
RU2093378C1 |
| US 5345154, 06.09.1994 | |||
| US 5589743, 31.12.1996. | |||
