RU2529306C1

RU2529306C1 - Electromechanical transmission

Info

Publication number: RU2529306C1
Application number: RU2013105359/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Киреев; Николай Вячеславович Гребенников; Геннадий Николаевич Кононов; Николай Михайлович Кожемяка; Александр Владимирович Лебедев
Original assignee: ЗАО "НТЦ "Привод-Н"
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-09-27
Also published as: RU2013105359A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical traction systems with AC machines. The electromechanical transmission comprises a heat engine, traction device two reactive inductor machines, electronic switch, power electrical buses, electrical energy accumulator, control unit. Each inductor machine contains a rotor, on the shaft of which the toothed magnetic circuit, stator with poles and phase windings are placed. The energy accumulator contains a film capacitor. The transmission is additionally equipped with the second energy accumulator, connected to the first energy accumulator and the second power bus. The first leads of phase windings of the second inductor machine are connected to the electronic switch, and the second leads of windings of the first and second of inductor machines are connected to the point of connection of the first and second energy accumulators. The electronic switch contains circuits, in each of which the controllable key is connected with the phase winding of the first inductor machine and cathode of the diode and with the first power bus.

EFFECT: improvement of transmission characteristics is achieved.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения и может быть использовано в тяговых трансмиссиях гусеничных машин.The invention relates to the field of electric traction systems with AC machines of vehicles powered by its own sources of energy supply and can be used in traction transmissions of tracked vehicles.

Известен автономный тяговый электропривод (Патент РФ на изобретение №2093378 С1 МПК⁶ B60L 11/08, 1995), содержащий генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем, трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока, преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены со входами обоих мостов соответствующей пары, фазные выводы включенных в звезду статорных обмоток электродвигателя подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы.A self-contained traction electric drive is known (RF Patent for the invention No. 2093378 C1 MPK ⁶ B60L 11/08, 1995), comprising an alternating current generator, the rotor of which carrying an excitation winding, is kinematically connected to the primary motor, a three-phase alternating current motor, the stator windings of which are connected through the frequency converter to the stator windings of the alternator, the frequency converter is made with three pairs of on-parallel connected single-phase thyristor bridges, the outputs of which are connected to a closed to ltsevuyu circuit, wherein the start and end points of each of the stator windings of the alternator are connected to the inputs of the two respective pair of bridges, phase star findings included in the motor stator windings are connected to terminals formed annular hub circuit.

Недостатком устройства является сложность силовой схемы, наличие обмоток на роторе синхронного генератора и двигателя, низкий кпд.The disadvantage of this device is the complexity of the power circuit, the presence of windings on the rotor of the synchronous generator and engine, low efficiency.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является электромеханическая трансмиссия (патент РФ №2376158 С2 МПК В60К 17/00 (2006.01), Н02Р 8/00 (2006.01), содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, кроме того, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам, введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.The closest in technical essence to the claimed technical solution adopted for the prototype is an electromechanical transmission (RF patent No. 2376158 C2 MPK BKK 17/00 (2006.01), Н02Р 8/00 (2006.01), containing at least one heat engine, at least one a traction device, at least two reactive induction machines, at least two electronic switches, power busbars, at least one electrical energy storage device, a control unit, and at least one reactive induction machine is kinematically connected to At least one heat engine, at least one reactive induction machine is kinematically connected to at least one traction device, the control unit is connected to electronic switches, the electric energy storage device is connected to power buses, in addition, each reactive induction machine contains a rotor, on the shaft of which is fixed toothed magnetic circuit, stator with poles and phase windings made in the form of lumped coils placed at the poles of the stator, at least one reactive inductance The rotary machine is designed so that the result of the product of the number of rotor teeth by the number of phases of the stator of the machine is equal to or more than 24, and the electric energy storage device contains at least one film capacitor, while the electronic switches connect the phase windings of the electric reactive induction machines to the power buses, sensors are introduced rotor position of reactive induction machines that are connected to the control unit.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии являются:The disadvantages of this electromechanical transmission are:

- относительно высокая стоимость, обусловленная тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два электронных коммутатора, каждый из которых содержит большое количество дорогостоящих управляемых ключей и диодов;- a relatively high cost, due to the fact that the electromechanical transmission contains two electronic switches, each of which contains a large number of expensive controlled keys and diodes;

- относительно низкий кпд, обусловленный тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, в каждом из которых образуются потери в электронных ключах и других силовых элементах, что снижает общий кпд трансмиссии;- relatively low efficiency, due to the fact that the electromechanical transmission contains two or more electronic switches, in each of which losses are generated in electronic keys and other power elements, which reduces the overall efficiency of the transmission;

высокие массо-габаритные показатели, обусловленные тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, каждый из которых занимает определенный объем и увеличивает массу трансмиссии.high overall dimensions, due to the fact that the electromechanical transmission contains two or more electronic switches, each of which occupies a certain volume and increases the mass of the transmission.

Задачей, решаемой изобретением, является создание более простой электромеханической трансмиссии, обеспечивающей снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.The problem solved by the invention is the creation of a simpler electromechanical transmission, which provides a reduction in cost, an increase in efficiency, a decrease in weight and dimensions, while maintaining the ability to control traction in a wide range of values.

Для решения поставленной задачи электромеханическая трансмиссия содержит как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления.To solve this problem, an electromechanical transmission contains at least one heat engine, at least one traction device, at least two reactive induction machines, an electronic switch, power busbars, electrical energy storage, a control unit, and at least one reactive induction machine is kinematically connected to at least one heat engine, at least one reactive induction machine is kinematically connected to at least one traction device, control unit the circuit is connected to an electronic switch, the first output of the electric energy storage device is connected to the first power bus, and each reactive induction machine contains a rotor, on the shaft of which a toothed magnetic circuit is fixed, a stator with poles and phase windings made in the form of lumped coils placed at the poles of the stator, moreover, at least one reactive induction machine is designed so that the result of the product of the number of teeth of the rotor by the number of phases of the stator of the machine is equal to or more than 24, and the drive e ektricheskoy energy comprises at least one film capacitor, the rotor position sensors jet inductor machines connected to the control unit.

Электромеханическая трансмиссия имеет отличия от прототипа: она снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, причем первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машины и катодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также она содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.The electromechanical transmission has differences from the prototype: it is equipped with a second energy storage device, which is connected to the second output of the first energy storage device and the second power bus, the first terminals of the phase windings of the second reactive induction machine connected to the electronic switch, and the second terminals of the phase windings of the first and second reactive induction machines are connected to the connection point of the first and second energy storage devices, in addition, the electronic switch contains circuits, in each of which a controlled electronic the beam is connected to the phase winding of the first reactive induction machine and the cathode of the diode by one output, and the second terminal is connected to the power bus having a positive potential, and the diode anode is connected to the second power bus having a negative potential, and it also contains circuits, in each of which a controlled electronic key with one terminal connected to the phase winding of the second reactive induction machine and the anode of the diode, and the second terminal to the power bus having a negative potential, and the cathode of the diode is connected to the first power bus having a floor vital potential.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей.The technical result of the invention is to reduce cost, increase efficiency, reduce weight and size indicators.

Снижение стоимости электромеханической трансмиссии достигается тем, что в результате упрощения устройства за счет введения дополнительного накопителя энергии и изменения связей между элементами устройства, уменьшено количество электронных коммутаторов, а следовательно, и количество дорогостоящих силовых элементов, значительно превышающих стоимость введенного в устройство накопителя энергии. Например, для тягового привода с реактивными индукторными машинами применяется полумостовая схема электронного коммутатора, содержащая в каждой фазе два управляемых ключа, соединенных последовательно с фазной обмоткой реактивной индукторной машины и подключенных к силовым шинам, два обратных диода, шунтирующих фазную обмотку и соответствующие управляемые ключи. (Тяговые двигатели электровозов. В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев и др. Под общей редакцией В.Г.Щербакова. Агентство Наутилус. Новочеркасск, 1998. с.667, на с.379). Предлагаемое устройство выгодно отличается от известного тем, что на одну фазу реактивной индукторной машины приходится один управляемый ключ и один диод.The reduction in the cost of an electromechanical transmission is achieved by simplifying the device by introducing an additional energy storage device and changing the connections between the device elements, reducing the number of electronic switches, and therefore the number of expensive power elements, significantly exceeding the cost of the energy storage device introduced into the device. For example, for a traction drive with reactive induction machines, a half-bridge circuit of an electronic switchboard is used, containing in each phase two controlled keys connected in series with the phase winding of the reactive induction machine and connected to power buses, two reverse diodes shunting the phase winding and the corresponding controlled keys. (Traction engines of electric locomotives. V.I. Bocharov, V.I. Zakharov, L.F. Kolemeytsev and others. Under the general editorship of V.G. Scherbakov. Agency Nautilus. Novocherkassk, 1998. p.667, on p.379) . The proposed device compares favorably with the known one in that for one phase of a reactive induction machine there is one controlled key and one diode.

Повышение кпд трансмиссии достигается за счет уменьшения потерь мощности в силовых элементах электронного коммутатора. В известном устройстве потери образуются в двух управляемых ключах и двух диодах каждой фазы. В предлагаемом устройстве - в одном управляемом ключе и одном диоде. Так как токовая загрузка силовых элементов в обоих устройствах примерно одинакова во всех режимах работы электрических машин, то потери мощности в силовых элементах в предлагаемом устройстве примерно в два раза меньше, чем в известном устройстве.Improving the transmission efficiency is achieved by reducing power losses in the power elements of the electronic switch. In the known device, losses are generated in two controlled keys and two diodes of each phase. In the proposed device, in one controlled key and one diode. Since the current load of the power elements in both devices is approximately the same in all modes of operation of electric machines, the power losses in the power elements in the proposed device are approximately two times less than in the known device.

Улучшение массо-габаритных показателей достигается созданием более компактной облегченной конструкции электронного коммутатора за счет уменьшения количества силовых элементов и снижения мощности потерь.Improving the mass and dimensional indicators is achieved by creating a more compact lightweight design of the electronic switch by reducing the number of power elements and reducing power losses.

На фигуре 1 показана схема электромеханической трансмиссии. Схема содержит тепловой двигатель 1, кинематически соединенный с первой многофазной реактивной индукторной машиной 2, снабженной датчиком положения ротора 3, тяговое устройство 4, кинематически соединенное со второй многофазной реактивной индукторной машиной 5, снабженной датчиком положения ротора 6, первые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к электронному коммутатору 7, а вторые выводы фазных обмоток подключены к точке соединения выводов накопителей энергии 8 и 9, вторые выводы которых подключены к электронному коммутатору 7 через силовые шины 10. Блок управления 11 соединен с датчиками положения ротора 3, 6 и подключен к электронному коммутатору 7.The figure 1 shows a diagram of an electromechanical transmission. The circuit includes a heat engine 1 kinematically connected to a first multiphase reactive induction machine 2 equipped with a rotor position sensor 3, a traction device 4 kinematically connected to a second multiphase reactive induction machine 5 equipped with a rotor position sensor 6, the first terminals of the phase windings of the reactive induction machines 2 and 5 are connected to the electronic switch 7, and the second terminals of the phase windings are connected to the connection point of the terminals of the energy storage devices 8 and 9, the second terminals of which are connected to the electric This switch 7 through the power bus 10. The control unit 11 is connected to the position sensors of the rotor 3, 6 and connected to the electronic switch 7.

На фигуре 2 показана схема подключения цепей электронного коммутатора 7 к силовым цепям схемы на примере применения трехфазных реактивных индукторных машин. Электронный коммутатор 7 содержит цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.1-7.3, соединенные с первыми выводами фазных обмоток реактивной индукторной машины 2 и катодами диодов 7.7-7.9, вторые выводы электронных ключей 7.1-7.3 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал, а аноды диодов 7.7-7.9 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а также цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.10-7.12, соединенные с первыми выводами фазных обмоток второй реактивной индукторной машины 5 и анодами диодов 7.4-7.6, причем, вторые выводы электронных ключей 7.10-7.12 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а катоды диодов 7.4-7.6 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал. К силовым шинам 10.1, 10.2 подключена цепь из последовательно включенных накопителей энергии 8 и 9, а вторые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к точке соединения накопителей энергии 8 и 9.The figure 2 shows the connection diagram of the circuits of the electronic switch 7 to the power circuits of the circuit for example, the use of three-phase reactive induction machines. The electronic switch 7 contains circuits, in each of which controlled electronic switches 7.1-7.3 connected to the first terminals of the phase windings of the reactive induction machine 2 and the cathodes of the diodes 7.7-7.9, the second terminals of the electronic switches 7.1-7.3 are connected to the power bus 10.1 having a positive potential and the anodes of diodes 7.7-7.9 are connected to the power bus 10.2, which has a negative potential, as well as circuits, each of which is controlled by electronic switches 7.10-7.12, connected to the first terminals of the phase windings of the second reactive induction machine 5 and the anodes and diodes 7.4-7.6, moreover, the second terminals of the electronic keys 7.10-7.12 are connected to the power bus 10.2 having a negative potential, and the cathodes of the diodes 7.4-7.6 are connected to the power bus 10.1 having a positive potential. A circuit from series-connected energy storage devices 8 and 9 is connected to the power buses 10.1, 10.2, and the second terminals of the phase windings of the reactive induction machines 2 and 5 are connected to the connection point of the energy storage devices 8 and 9.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.The proposed electromechanical transmission in traction mode works as follows.

Тепловой двигатель 1 приводит во вращение вал реактивной индукторной машины 2. Блок управления 11, в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 3 и 6 реактивных индукторных машин 2 и 5, вырабатывает сигналы управления и подает их на управляемые ключи электронного коммутатора 7 таким образом, что при замыкании ключей 7.1-7.3 фазные обмотки реактивной индукторной машины 2 подключаются через силовую шину 10.1 к накопителю энергии 8 и потребляют от него энергию, необходимую для возбуждения реактивной индукторной машины 2. При размыкании ключей 7.1-7.3 в фазных обмотках реактивной индукторной машины 2 генерируется электрическая энергия, которая передается через диоды 7.7-7.9 и шину 10.2 в накопитель энергии 9, а при замыкании ключей 7.10-7.12 фазные обмотки реактивной индукторной машины 5, кинематически соединенной с тяговым устройством 4, подключаются к накопителю энергии 9 и потребляют от него электрическую энергию, преобразуя ее в механическую энергию, которая передается на тяговое устройство 4. При размыкании ключей 7.10-7.12 энергия, запасенная в фазных контурах реактивной индукторной машины 5, передается в накопитель энергии 8 через диоды 7.4-7.6 и силовую шину 10.1 и в следующем цикле работы устройства она снова используется для возбуждения реактивной индукторной машины 2.The heat engine 1 drives the shaft of the reactive induction machine 2. The control unit 11, in accordance with the signals from the position sensors of the rotor 3 and 6 of the reactive induction machines 2 and 5, generates control signals and provides them to the controlled keys of the electronic switch 7 in this way that when the keys are closed 7.1-7.3, the phase windings of the reactive induction machine 2 are connected through the power bus 10.1 to the energy storage 8 and consume from it the energy necessary to excite the reactive induction machine 2. When p Closing the keys 7.1-7.3 in the phase windings of the reactive induction machine 2 generates electric energy, which is transmitted through diodes 7.7-7.9 and the bus 10.2 to the energy storage 9, and when the keys are closed, 7.10-7.12 phase windings of the reactive induction machine 5, kinematically connected to the traction device 4, they are connected to the energy storage device 9 and consume electric energy from it, converting it into mechanical energy, which is transmitted to the traction device 4. When the keys are opened, 7.10-7.12 the energy stored in the phase circuits of the reactive and fountain machine 5 is transmitted to the energy storage device 8 via diodes 7.4-7.6 and 10.1 busbar in the next cycle of operation of the device is again used to excite the inductor reactive machine 2.

Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что создана более простая электромеханическая трансмиссия, обеспечивающая снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.The positive effect of the use of the present invention lies in the fact that a simpler electromechanical transmission has been created, which provides a reduction in cost, an increase in efficiency, a decrease in weight and dimensions, while maintaining the ability to control traction in a wide range of values.

Claims

An electromechanical transmission containing at least one heat engine, at least one traction device, at least two reactive induction machines, an electronic switch, power busbars, an electric energy storage device, a control unit, and at least one reactive induction machine is kinematically connected to at least one heat engine, at least one reactive induction machine is kinematically connected to at least one traction device, the control unit is connected to an electronic to the first switch, the first output of the electric energy storage device is connected to the first power bus, and each reactive induction machine contains a rotor, on the shaft of which a toothed magnetic circuit is fixed, a stator with poles and phase windings made in the form of lumped coils placed on the poles of the stator, and how at least one reactive induction machine is designed in such a way that the result of the product of the number of teeth of the rotor and the number of phases of the stator of the machine is equal to or more than 24, and the energy storage device contains at least one film capacitor, rotor position sensors of reactive induction machines are connected to a control unit, characterized in that the electromechanical transmission is additionally equipped with a second energy storage device, which is connected to the second output of the first energy storage device and the second power bus, the first terminals of the phase windings of the second reactive induction machine connected to the electronic switch, and the second terminals of the phase windings of the first and second reactive induction machines are connected to the connection point of the first of the second energy storage device, in addition, the electronic switchboard contains circuits, in each of which the controlled key is connected to the phase winding of the first reactive induction machine and the cathode of the diode by one terminal, and the second terminal is connected to the first power bus having a positive potential, and the anode of the diode is connected to the second power bus having a negative potential, and also contains circuits, in each of which a controlled electronic key is connected to the phase winding of the second reactive induction machine and the anode of the diode by one output, and the second the conclusion is with the second power bus having a negative potential, and the cathode of the diode is connected to the first power bus having a positive potential.