Рекуператор энергии торможения

Изобретение относится к электрическим схемам для транспорта с электрической тягой и дополнительным источником энергоснабжения. Устройство содержит тяговый электродвигатель, инвертор со входом управляющих сигналов, блок переключения режимов со входом управляющих сигналов, конденсатор, выпрямитель. Технический результат заключается в повышении объема энергии, накапливаемой в конденсаторе при торможении. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к транспорту с электрической тягой, а конкретно к электрическим схемам для транспорта с электрической тягой и дополнительным источником энергоснабжения. Предлагаемое техническое решение может быть использовано и для других движущихся средств с тяговым электрическим приводом.

Известна схема рекуператора для тягового электропривода с дополнительным источником электроснабжения, выполненным на молекулярном конденсаторе (Пат. RU №2184660, B60K 6/00, B60L 11/00, 2002 на «Способ рекуперации кинетической энергии и транспортное средство с рекуператором»).

Недостатком этого технического решения является отсутствие конкретной проработки для обеспечения возможности использования рекуперации кинетической энергии торможения транспортного средства на молекулярном конденсаторе для практических целей.

Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности существенных признаков является рекуператор электрической энергии в приводе транспортного средства (Пат. US №7096985, В60К 1/00, 2002 на «Транспортное средство с супер-конденсатором для рекуперации энергии при торможении»), включающий, как и заявляемый объект, тяговый электродвигатель 231, входы которого через инвертор 221 подключены к шинам 121 питания, которые через управляющий прибор 141 (далее, схема переключения режимов) соединены с супер-конденсатором 41 (далее, конденсатор). Управление переходом из режима накопления в режим возвращения энергии осуществляется по входам управления работой инвертора 221 и управляющего устройства 141.

Недостатком этого рекуператора является то, что заряд конденсатора 41 осуществляется только в том случае, когда ЭДС двигателя 231 в режиме генератора (при торможении) превосходит напряжение конденсатора 41. Это условие будет выполняться только для транспортного средства, движущегося с достаточно высокой скоростью, и позволяет рекуперировать до 30% энергии торможения. В то же время 70% энергии торможения приходится на режим движения, когда ЭДС двигателя ниже напряжения на конденсаторе и не может быть использована для подзарядки конденсатора.

Целью изобретения является повышение объема энергии, накапливаемой в конденсаторе при торможении, достигаемое за счет расширения пределов значений ЭДС, вырабатываемых тяговым электродвигателем при торможении транспортного средства, при которых осуществляется заряд конденсатора.

Сущность изобретения заключается в том, что для достижения поставленной цели в известную совокупность признаков, содержащую тяговый электродвигатель 4, через инвертор 3 со входом 8 управляющих сигналов, подключенный к положительной 1 и отрицательной 2 шинам питания, к которым через блок 6 переключения режимов со входом 9 управляющих сигналов подключен конденсатор 7, введен выпрямитель 5, входы которого соединены с соответствующими входами тягового электродвигателя 4, один выход соединен с отрицательной шиной 2 питания, а другой выход подключен ко входу блока 6 переключения режимов.

Для обеспечения возможности достижения поставленной цели в предлагаемом изобретении блок 6 переключения режимов представляет собой управляемый преобразователь напряжения постоянного тока (преобразователь DC/DC) понижающего или повышающего типа в зависимости от поступающих на вход 9 сигналов управления. Управляемый преобразователь напряжения постоянного тока позволяет осуществлять заряд конденсатора 7 как при высокой, так и при низкой скорости торможения.

Вариант выполнения блока 6 переключения режимов содержит диод 14, анод которого и эмиттер второго транзистора 12 выведены на отрицательную обкладку конденсатора 7 и на отрицательную шину 2 питания, а катод соединен с эмиттером транзистора 13, коллектор которого является входом схемы 6 переключения режимов, и одним концом индуктивности 11, другой конец которой соединен с коллектором второго транзистора 12 и с анодом второго диода 15, катод которого является выходом блока на положительную обкладку конденсатора 7 и соединенен с анодом третьего диода 10, катод которого является выходом на положительную шину 1 питания, а затворы транзисторов 12 и 13 являются входами сигналов управления блока 6.

В качестве электродвигателя 4 в схеме может быть использован любой тип двигателей. Наиболее эффективно использование индукторных двигателей как с постоянными магнитами, так и с обмоткой возбуждения.

В качестве конденсатора 7 может быть использован молекулярный конденсатор.

В качестве транзисторов, используемых, например, в инверторе 3 и блоке 6 переключения режимов заявляемого объекта, могут быть применены биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Применение таких транзисторов известно, например, по Пат. RU №2221165, F03D 9/00, H02J 3/38, 1999 на «Ветроэлектрическую станцию».

Управление инвертором 3 и блоком 6 переключения режимов осуществляется путем подачи сигналов на управляющие входы транзисторов, входящих в состав этих блоков и показанное как управление со входов 8 и 9 управляющих сигналов.

Выпрямитель 5 может быть выполнен как пассивный диодный выпрямитель по Пат. RU №2221165, F03D 9/00, H02J 3/38, 1999 на «Ветроэлектрическую станцию».

На фиг.1 представлена блок-схема рекуператора энергии торможения, выполненная согласно предлагаемому изобретению. На фиг.2 приводится вариант выполнения блока 6 переключения режимов на уровне принципиальной схемы.

Заявляемый рекуператор работает следующим образом. При запуске и движении транспортного средства на шины 1 и 2 поступает напряжение постоянного тока от внешнего источника питания. Инвертор 3 преобразует напряжение постоянного тока от внешнего источника питания в напряжение, которое поступает на тяговый электродвигатель 4. При этом внешнее управление инвертором 3 осуществляется по входу 8 управляющих сигналов водителем транспортного средства путем изменения частоты (при условии, что используется тяговый электродвигатель переменного тока) и величины напряжения, подаваемого на тяговый электродвигатель 4, для обеспечения необходимого пускового момента и скоростных характеристик движения транспортного средства. Блок 6 переключения режимов в этом положении не управляется. Напряжение от конденсатора 7, если оно выше напряжения источника питания, поступает на шины 1 и 2 питания.

При торможении транспортного средства подача управляющих сигналов по входу 8 на инвертор 3 прекращается, ток через инвертор 3 на тяговый электродвигатель 4 не поступает. Тяговый электродвигатель 4 переходит в генераторный режим. При этом осуществляется управление блоком 6 переключения режимов по входу 9 управляющих сигналов. Если напряжение холостого хода тягового электродвигателя 4 после прохождения через выпрямитель 5 превосходит напряжение на конденсаторе 7, то блок 6 переключения режимов работает как регулируемый преобразователь напряжения (схема преобразования DC/DC) понижающего типа. В процессе торможения происходит уменьшение напряжения на выходе электродвигателя 4. После того, как это напряжение сравняется с напряжением на конденсаторе 7, блок 6 переключения режимов по сигналам управления, поступающим на вход 9, начинает работать как регулируемый преобразователь напряжения постоянного тока повышающего типа. В этом режиме заряд конденсатора может осуществляться при любой скорости торможения вплоть до остановки транспортного средства.

После остановки транспортного средства, энергия, накопленная в конденсаторе 7, может быть использована для трогания и разгона. В этом случае напряжение с конденсатора 7 поступает на шины 1 и 2 питания, а инвертором 3 энергия, накопленная в конденсаторе 7, преобразуется в напряжение для питания тягового электродвигателя 4.

В процессе управления транспортным средством элементы блока 6 переключения режимов (фиг.2) работают следующим образом.

При движении транспортного средства транзистор 13 управляется путем подачи управляющих сигналов широтно-импульсной модуляции на затвор транзистора. При этом транзистор 13, диод 14 и индуктивность 11 блока 6 переключения режимов работают как регулируемый преобразователь напряжения понижающего типа. Выходное напряжение этого преобразователя через диод 15 поступает на конденсатор 7, осуществляя его заряд. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе выпрямителя 5 из-за снижения скорости движения транспортного средства не сравняется с напряжением на конденсаторе 7. После этого блок 6 переключения режимов начинает работать как регулируемый преобразователь постоянного тока повышающего типа. При этом транзистор 13 сигналом управления переводится в режим постоянного включения, а транзистор 12 также через затвор управляется внешними сигналами в режиме широтно-импульсной модуляции. При этом индуктивность 11, транзистор 12 и диод 15 работают как регулируемый преобразователь постоянного тока повышающего типа, а заряд конденсатора 7 через блок 6 управления режимами может осуществляться при любой скорости торможения вплоть до остановки транспортного средства.

После остановки транспортного средства, энергия, накопленная в конденсаторе 7, может быть использована для трогания и разгона. В этом случае напряжение с конденсатора 7 поступает на шину 2 питания и через диод 10 на шину 1 питания, а инвертором 3 энергия, накопленная в конденсаторе 7, преобразуется в напряжение для питания тягового электродвигателя 4. Транзисторы 13 и 12 управляющими сигналами со входа 9 выключаются до следующего торможения.

С началом очередного торможения процесс рекуперации энергии торможения повторяется.

1. Рекуператор энергии торможения, содержащий тяговый электродвигатель 4, через инвертор 3 со входом 8 управляющих сигналов подключенный к положительной 1 и отрицательной 2 шинам питания, к которым через блок 6 переключения режимов со входом 9 управляющих сигналов подключен конденсатор 7, отличающийся тем, что введен выпрямитель 5, входы которого соединены с соответствующими входами тягового электродвигателя 4, один выход соединен с отрицательной шиной 2 питания, а другой выход подключен ко входу блока 6 переключения режимов.

2. Рекуператор энергии торможения по п.1, отличающийся тем, что блок 6 переключения режимов выполнен как управляемый преобразователь напряжения постоянного тока понижающего или повышающего типа в зависимости от поступающих на вход 9 сигналов управления.

3. Рекуператор энергии торможения по п.1, отличающийся тем, что блок 6 переключения режимов содержит диод 14, анод которого и эмиттер второго транзистора 12 выведены на отрицательную обкладку конденсатора 7 и на отрицательную шину 2 питания, а катод соединен с эмиттером транзистора 13, коллектор которого является входом блока 6 переключения режимов, и одним концом индуктивности 11, другой конец которой соединен с коллектором второго транзистора 12 и с анодом второго диода 15, катод которого является выходом блока 6 переключения режимов на положительную обкладку конденсатора 7 и соединенен с анодом третьего диода 10, катод которого является выходом на положительную шину 1 питания, а затворы транзисторов 12 и 13 являются входами сигналов управления блока 6 переключения режимов.