ТЕПЛОВОЗ Российский патент 2023 года по МПК B61C5/00 B61C17/06 B60L50/15 B60K6/28 B60K6/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к конструктивным элементам и вспомогательным устройствам для локомотивов.

Уровень техники

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, (см. Абрамов Е.Р. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав с двигателями внутреннего сгорания отечественных железных дорог. - М., 2015. - 433 с.).

Недостатком маневрового тепловоза является пиковый характер нагрузки, которой в первую очередь является трогание поезда с места. Большую часть времени силовая установка тепловоза работает в недогруженном режиме, что приводит к ее неэффективному использованию. Кроме того, тепловоз не может рекуперировать энергию при торможении.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении энергоэффективности тепловоза.

Технический результат заключается в накоплении энергии, использовании накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперации энергии при торможении, сглаживании нагрузки на двигатель и снижении его массогабаритов.

Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков:

Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, отличающийся тем, что он оснащен накопителем энергии.

Дополнительно к этому:

- накопитель энергии выполнен в виде батареи конденсаторов;

- накопитель энергии выполнен в виде батареи суперконденсаторов;

- накопитель энергии выполнен в виде батареи аккумуляторов;

- тепловоз оснащен инертно-емкостным накопителем энергии, включающем электрическую машину и супермаховик.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и технический результат взаимосвязаны следующим образом.

Накопление энергии, использование накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперация энергии при торможении, сглаживание нагрузки на двигатель и снижение его массогабаритов, приводит к повышению энергоэффективности тепловоза.

На фиг. 1 изображена электрическая схема инертно-емкостного накопителя, на фиг. 2 - характер тока при его зарядке и разрядке.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, оснащен накопителем энергии.

Таким образом, назначение изобретения - применение его в качестве тепловоза - реализуется.

Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении изобретения технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.

Оснащение тепловоза накопителем энергии приводит к накоплению энергии, использованию накопленной энергии для преодоления пиковых нагрузок, рекуперации энергии при торможении, сглаживанию нагрузки на двигатель и снижению его массогабаритов.

Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Описание тепловоза

Тепловоз, содержащий двигатель и электромеханическую трансмиссию, оснащен накопителем энергии.

Тепловоз работает следующим образом

Относительно частая смена режима работы маневрового тепловоза обусловливает эффективность и целесообразность оснащения его накопителем энергии.

Помимо сглаживания нагрузки на силовую установку накопитель позволит рекуперировать энергию при торможении, за счет чего возрастет энергоэффективность маневрового тепловоза.

В качестве накопителя энергии можно рассматривать машину постоянного тока с супермаховиком.

Подача на якорную обмотку постоянного напряжения U инициирует следующие механический и электрический процессы:

где J - суммарный момент инерции; к - коэффициент трения; В - магнитная индукция; - активная длина проводника; w - количество витков; D - эффективный диаметр ротора; R - электрическое сопротивление.

Можно ввести параметрический коэффициент

Пусть начальные условия

ϕ(0)=ϕ₀,

Из уравнения электрического равновесия следует

Подстановка в первое уравнение системы дает

Пусть

Тогда

Общим решением является

i₁=C₁e^-At.

Частным -

i₂=C₂.

Подстановка его в формулу (4) дает

0+АС₂=В,

Искомый ток равен

С учетом (2) и (3)

С учетом (5)

где Е₀=Yω₀.

При k=0 R_k=∞ и

Формулы (8) и (9) неотличимы от формул, описывающих заряд конденсатора.

При замыкании накоротко клемм якорной обмотки

Эта формула неотличима от формулы, описывающей разряд конденсатора.

Выражения (6)-(9) свидетельствуют о емкостном характере рассматриваемого накопителя мощности.

Емкость накопителя равна

Электромеханическое сопротивление

Запасаемая накопителем энергия равна

В настоящее время созданы высокоэффективные супермаховики, и даже рассматривается возможность применение их на автомобилях. Очевидно, что использование маховиков на маневровых тепловозах значительно менее проблематично в силу существенно менее жестких требований к общему весу. Еще более выгодным преимуществом тепловоза является наличие электромеханической трансмиссии, что минимизирует разработку для него рассмотренного инертно-емкостного накопителя.

Маневровый тепловоз может содержать два накопителя энергии: оперативный (кратковременный) и долговременный. В качестве оперативного накопителя может использоваться батарея конденсаторов, батарея суперконденсаторов (ионисторов) или инертно-емкостной накопитель. В качестве долговременного накопителя может использоваться аккумуляторная батарея, например, литиевая. Это связано с тем, что скорость запасания и отдачи энергии у аккумулятора значительно ниже, чем у конденсатора, суперкондесатора и у инертно-емкостного накопителя. Поэтому аккумуляторная батарея не может забрать всю энергию, рекуперируемую при торможении. В случае высокой скорости энергопреобразования энергия изначально запасается в оперативном накопителе. После этого с меньшей скоростью энергопередачи энергия из оперативного накопителя передается долговременному накопителю. Для передачи энергии от оперативного накопителя долговременному используются преобразователи постоянного тока в переменный, трансформаторы, регулирующие устройства и выпрямитель. Для этой же цели может использоваться управляемая от процессора система широтно-импульсной зарядки аккумулятора, которая за счет энергии оперативного накопителя формирует импульсы, приемлемые для зарядки аккумуляторов по форме, уровню напряжения и тока.

Для преодоления пиковой нагрузки при трогании поезда любая из описанных систем преобразования постоянного тока в постоянный используется для зарядки оперативного накопителя за счет энергии долговременного накопителя. Энергия оперативного накопителя в этом случае используется для развития мощности, которую не в состоянии развить долговременный накопитель.

Для утилизации остаточной энергии оперативного накопителя перед длительной стоянкой используются резисторы, которые могут быть установлены в кабине для ее обогрева или энергия может передаваться внешним потребителям через разъем и электрический кабель.

Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает повышении энергоэффективности тепловоза.

Эффективность предлагаемого устройства обусловливается возможностью сглаживании нагрузки на двигатель тепловоза.

Изобретение относится к тепловозам. Тепловоз содержит двигатель, электромеханическую трансмиссию, накопитель энергии. При этом накопитель энергии включает в себя машину постоянного тока и супермаховик. При этом накопитель энергии является инертно-емкостным с характером тока, подобным току зарядки и разрядки конденсатора. Технический результат заключается в возможности использовать накопленную энергию для преодоления пиковых нагрузок, рекуперации энергии при торможении и сглаживания нагрузки на двигатель. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловоз, содержащий двигатель, электромеханическую трансмиссию, накопитель энергии, включающий электрическую машину и супермаховик, отличающийся тем, что в качестве электрической машины используется машина постоянного тока.

2. Тепловоз по п.1, отличающийся тем, что накопитель энергии является инертно-емкостным с характером тока, неотличимым от тока зарядки и разрядки конденсатора.