B60L11/08 с генераторами и двигателями переменного тока A01B67/00 Устройства для регулирования тракторного двигателя в зависимости от сопротивления рабочих органов B60K17/12 с электрической передачей
Общество с ограниченной ответственностью Завод мощных тракторов
Приоритеты:
Изобретение относится к тяговым и транспортным средствам и может быть использовано в гусеничных машинах. Электромеханическая однопоточная трансмиссия содержит первичный тепловой двигатель, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор, подключенный к генератору через преобразователь частоты тока тяговый асинхронный двигатель. Выходной вал электрического двигателя через зубчатую муфту связан посредством конической передачи с осевым валом, который соединен с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа. Последние через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов выходного вала асинхронного двигателя, датчик и задатчик потока намагничивания асинхронного двигателя, подключенные к выходному блоку управления электромашинами, который соединен с блоком возбуждения синхронного генератора и преобразователем частоты тока. Генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока. Трансмиссия характеризуется повышенной надежностью работы, сниженными эксплуатационными затратами и расходом меди на ее изготовление. Обеспечивается возможность автоматического регулирования тягового усилия и скоростей в широком диапазоне, а также возможность работы в режиме электростанции. 1 з. п. ф-лы. 1 ил.
Формула изобретения
1. Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, содержащая кинематически соединенные первичный тепловой двигатель и электрический генератор, а также тяговый электрический двигатель, выходной вал которого кинематически связан с осевым валом, соединенным с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа, бортовые редукторы, установленные между выходными валами упомянутых механизмов поворота и ведущими колесами трактора, систему управления с выходным блоком управления электромашинами, отличающаяся тем, что она снабжена преобразователем частоты тока, электрический генератор выполнен синхронным, тяговый электрический двигатель — асинхронным, а в систему управления введены датчик оборотов выходного вала, датчик и задатчик потока намагничивания электрического двигателя, при этом генератор соединен с электрическим двигателем через преобразователь частоты тока, выходы датчика оборотов выходного вала, датчика и задатчика потока намагничивания электрического двигателя подключены к соответствующим входам блока управления электромашинами, один из выходов последнего подключен к входу блока возбуждения синхронного генератора, а другой выход — к входу преобразователя частоты.
2. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что синхронный генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к тяговым и транспортным средствам и может быть использовано в тяговых трансмиссиях гусеничных машин.
Известна силовая установка газотурбовоза, содержащая установленный на валу газотурбинного двигателя синхронный генератор с блоком возбуждения, асинхронный тяговый электродвигатель, подключенный к генератору через преобразователь частоты, и систему управления, включающую в себя датчик числа оборотов выходного вала асинхронного двигателя и выходной блок управления электромашинами, вход которого подключен к выходу датчика числа оборотов, один из выходов — к входу блока возбуждения генератора, а другой выход — к входу преобразователя частоты. В систему управления силовой установкой входят также блок коммутации, блок сравнения оборотов тягового электродвигателя и газовой турбины, дифференцирующий блок, датчик частоты вращения газотурбинного двигателя, задатчик мощности генератора, задатчик направления движения газотурбовоза и регулятор частоты вращения турбины (SU 1013315 A, B 60 L 11/08, 23.04.1983).
В известной силовой установке система управления служит для разгона локомотива в зоне трогания. При этом гиперболическая внешняя характеристика синхронного генератора формируется за счет характеристики газотурбинного двигателя, обеспечивая определенный диапазон автоматического регулирования тягового усилия и скорости локомотива.
Герметичное исполнение электромашин переменного тока исключает возможность попадания атмосферной влаги и пыли в электрические машины, что значительно повышает надежность работы. Отсутствие коллекторно-щеточного аппарата способствует повышению надежности, снижает эксплуатационные затраты на обслуживание, обеспечивает длительный срок службы и возможность работы во взрывоопасных и агрессивных средах.
Однако электрические машины на переменном токе в силу особенностей выходной характеристики электрического двигателя не используются в трансмиссиях тракторов, поскольку диапазон автоматического регулирования тягового усилия и скорости движения трактора в этом случае определяется только возможностями первичного теплового двигателя и в несколько раз ниже, чем у механических, гидромеханических и гидрообъемных трансмиссий. При достижении максимальной мощности теплового двигателя дальнейшее увеличение сопротивлению движения трактора снижает скорость вращения ведущих колес и соответственно выходного вала электрического двигателя, мощность которого при этом падает. В результате рабочий диапазон скоростей трактора определяется только возможностями первичного двигателя.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой в качестве прототипа, является электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, содержащая кинематически соединенный с первичным тепловым двигателем электрический генератор на постоянном токе, подключенный к нему тяговый электрический двигатель на постоянном токе, выходной вал которого кинематически связан с осевым валом, соединенным с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа, выходные валы которых, в свою очередь, через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. (Трактор ДЭТ-250 М2, Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Трактороэкспорт, СССР/. — М. : Внешторгиздат, Изд. N 4792 СО, 1991, с. 192, рис. 1).
Известная трансмиссия обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скоростей трактора в широком диапазоне за счет сохранения постоянства мощности при изменении тягового усилия трактора, что обусловлено выходной характеристикой системы генератор — двигатель на постоянном токе.
Однако наличие коллекторно-щеточного аппарата в электромашинах данной трансмиссии приводит к снижению надежности работы из-за износа, зависания, примораживания щеток. Наличие коллектора и контакторной системы управления снижает срок службы агрегата и не позволяет использовать его во взрывоопасных и агрессивных средах. Наличие релейно-контакторного управления приводит к повышенному износу теплового двигателя и механической части из-за неизбежных резких толчков тока.
Недостатком указанной трансмиссии является также повышенный расход меди на изготовление электромашин, негерметичное исполнение электромашин постоянного тока, не исключающее возможность попадания атмосферной влаги и пыли в электрические машины, что значительно снижает надежность работы.
Кроме того, электромашины постоянного тока из-за большой чувствительности к увлажнению обмоток требуют частой проверки сопротивления изоляции. В результате снижается надежность трансмиссии и повышаются эксплуатационные затраты.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии гусеничного трактора, обеспечивающей повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат, снижение расхода меди на ее изготовление, при сохранении возможности автоматического регулирования тягового усилия и скоростей в широком диапазоне.
Технической задачей, решаемой изобретением, является также обеспечение возможности работы электромеханической трансмиссии в режиме электростанции.
Для решения поставленных задач известная электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, содержащая кинематически соединенные первичный тепловой двигатель и электрический генератор, а также тяговый электрический двигатель, выходной вал которого кинематически связан с осевым валом, соединенным с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа, бортовые редукторы, установленные между выходными валами упомянутых механизмов поворота и ведущими колесами трактора, система управления с выходным блоком управления электромашинами, снабжена преобразователем частоты тока, электрический генератор выполнен синхронным, тяговый электрический двигатель — асинхронным, а в систему управления введены датчики и задатчики оборотов выходного вала и потока намагничивания электрического двигателя, при этом генератор соединен с электрическим двигателем через преобразователь частоты тока, выходы датчиков оборотов выходного вала и потока намагничивания электрического двигателя подключены к соответствующим входам блока управления электромашинами, один из выходов последнего подключен к входу блока возбуждения синхронного генератора, а другой выход — к входу преобразователя частоты.
В частном случае исполнения согласно изобретению синхронный генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока.
Как уже указывалось, применение электрического синхронного генератора и тягового электрического асинхронного двигателя на переменном токе в силу герметичности исполнения исключает попадание атмосферной влаги и пыли в электрические машины, что значительно повышает надежность работы. Повышению надежности способствует также отсутствие коллекторно-щеточного аппарата и релейно-контакторного управления. Одновременно снижаются эксплуатационные затраты и расход меди на изготовление электрических машин.
При этом система управления электромеханической трансмиссией, включающая преобразователь частоты тока, а также введенные в систему управления датчик оборотов выходного вала, датчик и задатчик потока намагничивания тягового электрического двигателя обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скоростей в широком диапазоне при постоянстве мощности тягового электрического двигателя.
Выходной блок управления электромашинами регулирует напряжение синхронного генератора, а также частоту вращения, ток и поток намагничивания асинхронного электрического двигателя. При изменении (например, увеличении) сопротивления движению трактора датчик оборотов передает электрический сигнал об изменении (падении) оборотов ведущего колеса, а датчик потока намагничивания — об изменении (падении) уровня потока намагничивания электрического двигателя на входы системы управления электромашинами. Задатчик потока намагничивания электрического двигателя выдает сигнал задания потока намагничивания двигателя в систему управления для формирования выходным блоком управления электромашинами необходимой выходной мощности тягового двигателя. Выходной блок управления на основании полученных сигналов выдает блоку возбуждения — электрический сигнал задания необходимого напряжения синхронного генератора, а преобразователю частоты тока — электрический сигнал задания требуемой частоты и амплитуды напряжения питания статора асинхронного двигателя для поддержания необходимого уровня тока нагрузки и потока намагничивания асинхронного двигателя.
Выход синхронного генератора для питания потребителей сети переменного тока обеспечивает возможность работы в режиме электростанции.
Электромеханическая однопоточная трансмиссия гусеничного трактора содержит первичный тепловой двигатель 1, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор 2, подключенный к генератору 2 через преобразователь частоты тока 3 тяговый электрический асинхронный двигатель 4. Выходной вал 5 двигателя 4 через зубчатую муфту 6 связан посредством конической передачи 7 с осевым валом 8. Вал 8 соединен с входными валами 9 левого и правого механизмов поворота планетарного типа 10, которые, в свою очередь, через бортовые редукторы 11 связаны с ведущими колесами 12 трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов 13 выходного вала 5 асинхронного двигателя 4, датчик 14 и задатчик 16 потока намагничивания асинхронного двигателя 4, подключенные к выходному блоку управления 15 электромашинами. Последний соединен с преобразователем частоты тока 3 асинхронного двигателя 4 и блоком возбуждения 17 синхронного генератора 2, имеющего выход 16 для питания потребителей сети переменного тока.
Электромеханическая однопоточная трансмиссия гусеничного трактора в тяговом режиме работает следующим образом.
При постоянной скорости вращения выходного вала первичного теплового двигателя 1 в случае увеличения сопротивления движению трактора вращение ведущих колес 12 замедляется, что приводит к падению оборотов выходного вала 5 асинхронного двигателя 4. Датчик оборотов 13 и датчик потока намагничивания 14 передают соответствующие сигналы блоку управления 15 электромашинами, где происходит сравнение потока намагничивания с заданным задатчиком потока намагничивания 16. Блок управления 15, в свою очередь, выдает задания блоку возбуждения 17 синхронного генератора 2 и преобразователю частоты тока 3 на снижение напряжения в синхронном генераторе 2 и на статоре асинхронного двигателя 4, а также на увеличение силы тока и потока намагничивания асинхронного двигателя. Это обеспечивает увеличение крутящего момента на выходном валу 5 асинхронного двигателя 4, в результате чего увеличивается тяговое усилие на крюке трактора.
При уменьшении сопротивления движению трактора система управления электромеханической трансмиссией обеспечивает увеличение скорости вращения выходного вала 5 асинхронного двигателя 4 и соответственно скорости движения трактора.
Таким образом, предложенная электромеханическая однопоточная трансмиссия гусеничного трактора обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скоростей трактора в широком диапазоне при постоянстве мощности тягового электрического двигателя, повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат и снижение расхода меди на ее изготовление, а также возможность работы в режиме электростанции.
Источник статьи: http://www.freepatent.ru/patents/2179119
Схемы трансмиссий колесных и гусеничных машин
В зависимости от способа передачи, изменения и распределения вращающего момента трансмиссии могут быть механическими, гидромеханическими, гидрообъемными и электромеханическими со ступенчатым, бесступенчатым или автоматическим изменением вращающего момента.
На многих изучаемых транспортных машинах используются механические ступенчатые трансмиссии, состоящие только из механических агрегатов.
Рассмотрим механическую трансмиссию трехосной полноприводной колесной машины. От двигателя 1 вращающий момент подводится к сцеплению 2, затем к коробке передач 3 и через промежуточную карданную передачу 4 к раздаточной коробке 5, в которой происходит распределение вращающего момента через карданные передачи 6, 13 и 14 на главные передачи 9, 12 и 16 соответственно заднего, среднего и переднего мостов. Через дифференциалы 15, 11 и 8 и полуоси 17, 7 и 10 соответственно переднего, среднего и заднего мостов вращающий момент подводится к ведущем колесам. Так как передние колеса являются одновременно и управляемыми, для их привода применяются карданные шарниры 18 равных угловых скоростей.
Рис. Схема механической трансмиссии трехосной полноприводной колесной машины
Рис. Схема механической трансмиссии быстроходной гусеничной машины
На рисунке изображена схема механической трансмиссии быстроходной гусеничной машины с передним расположением ведущих колес 6. Она включает в себя главный фрикцион 3, главную передачу, размещенную в одном корпусе с коробкой передач 2, два механизма 1 поворота, две бортовые передачи 7 и карданные передачи 5. Трансмиссия расположена в передней части быстроходной гусеничной машины перед двигателем 4. Такое размещение агрегатов позволяет увеличить размеры грузового отделение (грузовой платформы).
Механические трансмиссии обладают рядом достоинств:
высоким КПД, простотой конструкции
относительно малыми габаритами и массой
надежностью в эксплуатации
ремонтопригодностью
Недостатками механических трансмиссий являются сложность и трудоемкость управления, значительный объем технического обслуживания, а также наличие повышенных динамических нагрузок на агрегаты и механизмы. Существующие коробки передач механических трансмиссий позволяют при постоянном вращающем моменте двигателя изменять вращающий момент, подводимый к ведущим колесам, не плавно, а ступенчато, что приводит к неполному использованию мощности двигателя, снижает среднюю скорость движения ТС и ухудшает его проходимость.
Ступенчатость изменения вращающего момента — основной недостаток механических трансмиссий. Для обеспечения лучшей приспособляемости ТС к движению в различных условиях желательно иметь в коробке передач возможно большее число ступеней. Однако значительное число ступеней усложняет устройство коробки передач и управление ТС.
Несмотря на ряд недостатков, механические ступенчатые трансмиссии получили широкое распространение на изучаемых ТС.
Из других типов трансмиссий на изучаемых ТС чаще всего применяется гидромеханическая трансмиссия, состоящая из гидродинамического агрегата (обычно это комплексная гидропередача) и механических агрегатов. Гидродинамический агрегат обеспечивает в определенных пределах плавное автоматическое изменение момента, передаваемого на ведущие колеса, и частоты их вращения в зависимости от сопротивления движению. Кроме того, он выполняет функции сцепления (главного фрикциона), поэтому сцепление (главный фрикцион) в гидромеханической трансмиссии отсутствует,
К достоинствам гидромеханической трансмиссии относятся легкость и простота управления, что способствует повышению безопасности движения, снижение динамических нагрузок в трансмиссии, наличие автоматического диапазона регулирования и обеспечение оптимального режима работы двигателя. Недостатками гидромеханической трансмиссии являются более низкий КПД по сравнению с механической трансмиссией, сложность и высокая стоимость агрегатов.
С увеличением грузоподъемности изучаемых ТС применение гидромеханической трансмиссии становится более предпочтительным по сравнению с механической трансмиссией.
В гидрообъемной (гидростатической) трансмиссии используется не гидродинамический (скоростной), а гидростатический напор рабочей жидкости. Гидрообъемная трансмиссия состоит из гидронасоса, связанного с двигателем ТС, одного или нескольких (в зависимости от схемы гидрообъемной трансмиссии) гидродвигателей, соединенных с ведущими колесами движителя, а также ряда гидравлических и механических элементов, обеспечивающих работу трансмиссии и передачу вращающего момента от двигателя к ведущим колесам движителя ТС. Гидроагрегаты соединены друг с другом трубопроводами и заполнены рабочей жидкостью.
При работе двигателя механическая энергия его вращательного движения преобразуется в гидронасосе в гидростатический напор, под действием которого рабочая жидкость по трубопроводам высокого давления поступает в гидродвигатели. Здесь этот напор преобразуется, в механическую работу вращательного движения, а жидкость по трубопроводам низкого давления возвращается в гидронасос. Для пополнения гидроагрегатов рабочей жидкостью из-за возможной ее утечки через зазоры имеется система подпитки.
Гидрообъемная трансмиссия не получила широкого применения на изучаемых ТС, так как наряду с достоинствами она обладает существенными недостатками.
К достоинствам гидрообъемной трансмиссии следует отнести:
возможность плавного бесступенчатого изменения передаточного отношения в достаточно широком диапазоне, что повышает проходимость ТС, упрощает и облегчает управление им
свойство дистанционности, позволяющее устанавливать гидродвигатели на любом расстоянии от гидронасосу, что ооойенно важно для многоосных полноприводных ТС, в том числе автопоездов с активными прицепными звеньями
отсутствие ряда механических агрегатов (сцепление, карданная передача и др.)
возможность осуществлять торможение ТС
Основными недостатками гидрообъемной трансмиссии являются меньший КПД по сравнению с механической трансмиссией, сравнительно большие габаритные размеры и масса, высокая стоимость, недостаточная износостойкость и малая надежность трубопроводов.
Можно предположить, что по мере совершенствования гидроагрегатов гидрообъемная трансмиссия получит более широкое распространение на ТС большой грузоподъемности, как одиночных, так и составных (в автопоездах).
Указанное предположение в полной мере относится и к электромеханической трансмиссии, которая также пока недостаточно широко применяется на ТС.
В электромеханической трансмиссии механическая энергия двигателя преобразуется в связанном с ним генераторе в электричес кую, которая затем в одном или нескольких тяговых электродвигателях, соединенных с ведущими колесами ТС, снова преобразуется в механическую энергию.
При одном тяговом электродвигателе мощность передается от него к ведущим колесам через механические агрегаты (карданная, главная передачи и др.). В электромеханической трансмиссии многоприводных ТС механические агрегаты почти полностью отсутствуют. Тяговые электродвигатели соединены с колесами через колесные редукторы, а с генератором — электропроводами. Расположение генератора в обоих случаях зависит от расположения двигателя ТС.
Электромеханическая трансмиссия обладает достоинствами, характерными для гидрообъемной трансмиссии. Кроме того, можно еще отметить повышение долговечности двигателя и трансмиссии вследствие уменьшения динамических нагрузок.
Недостатками электромеханической трансмиссии являются более низкий КПД по сравнению с механической трансмиссией, что ухудшает топливную экономичность двигателя ТС, сравнительно большие размеры и масса, высокая стоимость и необходимость использования дефицитных материалов, чаще всего цветных металлов.
Наиболее целесообразно применение электротрансмиссии на многозвенных большегрузных ТС с активизацией колес всех звеньев, т.е. там, где преимущества других типов трансмиссий не могут быть использованы в полной мере, а их недостатки проявляются в большей степени.
Источник статьи: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/transmissiya/shemy-transmissij-kolesny-h-i-gusenichny-h-mashin/
