Способ движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии и устройство для его осуществления
Изобретение относится к способу и устройству эффективного использования рекуперированной электроэнергии. Способ заключается в подключении тягового электродвигателя к источнику постоянного напряжения, отключении транспортного средства от источника постоянного напряжения, осуществлении электродинамического торможения путем перевода тягового электродвигателя в режим генератора, накоплении рекуперированной энергии и ее возврате на тягу электродвигателя. Накопление и возврат энергии осуществляют с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора. Сверхэнергоемкий импульсный конденсатор обеспечивает поглощение всей энергии рекуперации и заданное безопасное низковольтное напряжения на борту транспортного средства. После завершения электродинамического рекуперативного торможения тяговый электродвигатель подключают к источнику постоянного напряжения питающей сети. Движение начинают при одновременно включенных двух источниках питания тягового электродвигателя. Устройство содержит тяговый электродвигатель, блок управления тяговым двигателем, средство для накопления энергии рекуперативного торможения и ее возврата на тягу электродвигателя. Сверхэнергоемкий импульсный конденсатор подключен последовательно с источником постоянного напряжения питающей сети через тяговый электродвигатель. Отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединен с плюсовым проводом контактной питающей сети через обратный диод. Положительный вывод электродвигателя соединен с положительным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора через блокирующий диод. Технический результат заключается в эффективном использовании рекуперированной электроэнергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Заявляемое изобретение относится к способам и устройствам эффективного использования электроэнергии, рекуперированной на борту электрического транспортного средства (трамвая, троллейбуса, электровоза, электромобиля) в процессе его электродинамического торможения (торможения двигателем) для возврата на собственную тягу.
Из уровня техники известна проблема эффективного применения рекуперированной электроэнергии, образовавшейся при электродинамическом торможении транспортного средства, и ее возврата на собственную тягу при отсутствии на линии движения других аналогичных потребителей электроэнергии. Рекуперированная электроэнергия, которая не находит потребителей на борту транспортного средства или на линии электропитания, носит название «избыточной энергии рекуперации». Избыточная энергия рекуперации является отрицательным явлением как на борту транспортного средства, так и на питающей линии тяговой подстанции, которое приводит к различным негативным последствиям для других потребителей, находящихся на линии, так и для самой подстанции.
Для поглощения такой избыточной энергии рекуперации на борту электрического транспортного средства предусматривается реостатная нагрузка или тяговые подстанции должны быть оборудованы специальными приемниками избыточной рекуперированной энергии, а именно поглотителями или накопителями энергии различного вида, например, маховичными, емкостными или индукционными (Д.П.Долаберидзе «Проблемы электроснабжения на электротранспорте», Москва, издательство МЭИ, 2002 г., стр.8).
Поглощение избыточной энергии рекуперации с помощью реостатной нагрузки, находящейся на борту транспортного средства, не является эффективным использованием рекуперированной энергии, поскольку такая избыточная рекуперированная энергия не используется для возврата на собственную тягу, а переводится в тепловую энергию и бесполезно рассеивается в окружающую среду.
В качестве прототипа для заявляемых способа и устройства выбран способ и устройство для движения вагона метрополитена на электроэнергии, рекуперированной с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора в процессе его электродинамического торможения (патент РФ на изобретение №2216457, дата подачи заявки 12.02.2002).
В прототипе при начале движения транспортного средства после ночного отстоя происходит небольшой предварительный заряд от питающей сети 30 накопителей энергии, выполненных в виде параллельно подключенных к электродвигателю 1-3, 2-4 соответствующих сверхэнергоемких импульсных конденсаторов 37 и 38 до уровня напряжения, соответствующего падению напряжения на ступенях 21 и 22 тормозного резистора в режиме торможения, после чего тиристоры 41 и 42 закрываются и предварительный подзаряд накопительных сверхэнергоемких импульсных конденсаторов 37 и 38 прекращается.
В начале рекуперативного электродинамического торможения транспортное средство отключается от питающей сети 30, электродвигатели 1-3, 2-4 переводятся в режим генератора и происходит процесс зарядки предварительно подзаряженных сверхэнергоемких импульсных конденсаторов 37 и 38 до напряжения, равного напряжению питающей сети 30.
Таким образом, на борту транспортного средства в результате рекуперации энергии, выделившейся при электродинамическом торможении, появляется собственный источник энергии в виде сверхэнергоемких импульсных конденсаторов 37 и 38, заряженных до напряжения, соизмеримого с напряжением контактной сети 30.
После полной зарядки сверхэнергоемких импульсных конденсаторов 37 и 38 до напряжения, соизмеримого с напряжением контактной сети 30, при продолжающемся электродинамическом торможении транспортного средства происходит снижение напряжения на выходных клеммах тяговых двигателей 1-3, 2-4, работающих в режиме генератора. В этот момент конденсаторы 37 и 38 отключаются от электродвигателей 1-3, 2-4, а вместо них подключаются тормозные резисторы 21 и 22. В результате избыточная энергия рекуперации преобразуется на тормозных резисторах 21 и 22 в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду и не используется на собственную тягу.
Новое движение транспортного средства после рекуперативного электродинамического торможения начинается с использованием только одного источника энергии, а именно энергии, накопленной в сверхэнергоемких импульсных конденсаторах 37 и 38 в процессе рекуперативного электродинамического торможения, при этом напряжение контактной питающей сети 30 отключено от электрического транспортного средства.
Для осуществления начала нового движения транспортного средства после рекуперативного электродинамического торможения электродвигатели 1-3, 2-4 снова возвращаются из режима генератора в режим двигателя, и начало нового движения транспортного средства первоначально осуществляется от рекуперированной в конденсаторных накопителях 37 и 38 энергии. По мере расходования энергии, запасенной во время торможения в накопительных конденсаторах 37 и 38, напряжение на них снижается. Как только напряжение снизится до значения, не обеспечивающего необходимый ток через тяговые электродвигатели 1-3, 2-4, последние отключают от накопительных конденсаторов 37 и 38 и снова переключают на тягу от электропитающей сети 30. При этом накопительные конденсаторы 37 и 38 окажутся разряженными не до конца. К моменту следующего торможения транспортного средства накопительные конденсаторы 37 и 38 могут принять рекуперированную энергию на величину, меньшую образовавшегося в накопительных конденсаторах 37 и 38 электрического балласта (см. Фиг.1).
Таким образом, при рекуперативном торможении в устройстве-прототипе меньшая часть энергии, выделяемой при электродинамическом торможении транспортного средства, рекуперируется в накопительных конденсаторах 37 и 38 и впоследствии при начале нового движения транспортного средства используется на собственную тягу не полностью из-за образовавшегося электрического балласта. Остальная большая часть избыточно рекуперируемой энергии бесполезно рассеивается в окружающую среду на тормозных резисторах 21 и 22.
Таким образом, рекуперированная энергия в процессе торможения транспортного средства расходуется неэффективно, поскольку не используется полностью повторно на собственную тягу транспортного средства.
Кроме того, недостатком прототипа является то, что при отключении транспортного средства от контактной питающей сети 30, в результате накопления энергии в конденсаторах 37 и 38 во время электродинамического торможения, на борту транспортного средства появляется собственный источник большой энергии и высокого напряжения, соизмеримого с напряжением контактной сети, который представляет опасность в аварийных ситуациях.
Упрощенная функциональная схема прототипа представлена на Фиг.2.
На этой схеме приведены основные блоки заявляемого устройства: тяговый электродвигатель 1 электрического транспортного средства, подключенный через контактную группу 2 и токосъемник 3 (пантограф) к плюсовому контактному проводу питающей сети 4. Контактная группа 2 имеет подвижный контакт «с» и неподвижные контакты «а» и «в». Тяговый электродвигатель 1 управляется посредством блока управления 5. Функцией блока управления 5 является регулирование величины тока, протекающего через электродвигатель 1 как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, а также регулирование величины тока заряда/разряда сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6.
Тяговый электродвигатель 1 имеет возможность работать в двух режимах: в режиме двигателя во время разгона и движения электрического транспортного средства и в режиме генератора во время электродинамического торможения электрического транспортного средства. Рекуперация электроэнергии, выделяемой в процессе электродинамического торможения электрического транспортного средства, осуществляется с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, который подключен параллельно к тяговому электродвигателю 1, при этом положительный вывод конденсатора 6 подключен через управляемый диод 7 к плюсовому выводу тягового электродвигателя 1, а отрицательный вывод конденсатора 6 подключен к минусовому выводу тягового электродвигателя 1 и к минусовому контактному проводу питающей сети 4 источника постоянного напряжения 8 питающей сети 4. Параллельно тяговому электродвигателю 1 и сверхэнергоемкому импульсному конденсатору 6 с управляемым диодом 7 подключен тормозной резистор 9 через последовательно соединенный с ним управляемый диод 10.
Упрощенная функциональная схема прототипа, приведенная на Фиг.2, работает следующим образом.
В начале рекуперативного электродинамического торможения транспортного средства, когда двигатель 1 работает в режиме генератора, подвижный контакт «с» контактной группы 2 подсоединен к неподвижному контакту «в», при этом через открытый управляемый диод 7 происходит заряд сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 до максимального напряжения, соизмеримого с напряжением контактной питающей сети 4. При такой схеме подключения сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 всегда происходит преобразование избыточно рекуперируемой энергии в тепловую на тормозном резисторе 9 и ее бесполезное рассеивание в окружающую среду.
При начале нового движения после рекуперативного электродинамического торможения подвижный контакт «с» контактной группы 2 продолжает быть подсоединенным к неподвижному контакту «в», тяговый двигатель 1 переводится из режима генератора в режим двигателя, и тяговый двигатель 1 начинает получать рекуперированную энергию из сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 через открытый управляемый диод 7, при этом управляемый диод 10 закрыт, то есть происходит возврат рекуперированной энергии на тягу.
В процессе возврата рекуперированной энергии на тягу происходит снижение напряжения на сверхэнергоемком импульсном конденсаторе 6. Как только напряжение на конденсаторе 6 снизится до значения, не обеспечивающего необходимый ток через тяговый электродвигатель 1, последний отключают от конденсатора 6 путем отключения подвижного контакта «с» контактной группы 2 от неподвижного контакта «в» и подключения его к неподвижному контакту «а».
Дальнейшее движение транспортного средства осуществляется от контактной сети 4 источника постоянного напряжения 8 питающей сети с высоким напряжением 500…3000 В.
Таким образом, при осуществлении нового движения электрического транспортного средства после завершения рекуперативного торможения сначала транспортное средство движется на рекуперированной энергии, запасенной в сверхэнергоемком импульсном конденсаторе 6 (возврат энергии на собственную тягу двигателя), а потом после израсходования этой рекуперированной энергии из конденсатора 6 транспортное средство переключается на питание от контактной питающей сети 4 источника постоянного напряжения 8 питающей сети с высоким напряжением порядка 500…3000 В.
При этом конденсатор 6 в процессе возврата рекуперированной энергии на тягу оказывается разряженным не полностью, образуя электрический балласт (см. Фиг.1), что снижает эффективность возврата рекуперированной энергии на тягу.
Кроме того, в прототипе имеется известная проблема, связанная с возникновением реактивной энергии, образующейся во всех элементах транспортного средства, имеющих индуктивную составляющую, при нарушении контакта токоприемника 3 с контактным проводом питающей сети 4. При нарушении контакта токоприемника 3 с контактным проводом питающей сети 4 происходит мощный выброс реактивной энергии, который приводит к возникновению электрической дуги между токоприемником 3 и контактным проводом питающей сети 4, к оплавлению контактных поверхностей токоприемника 3 и контактного провода питающей сети 4, а в некоторых случаях к пережиганию контактного провода питающей сети 4. В прототипе эта реактивная энергия не используется и не возвращается на тягу электродвигателя 1 транспортного средства.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства для осуществления движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии, накопленной в процессе электродинамического торможения с помощью, по крайней мере, одного сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, позволяющих эффективно использовать рекуперированную электроэнергию за счет ее полного возврата на собственную тягу транспортного средства.
Поставленная задача решается тем, что в способе движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии, включающем подключение тягового электродвигателя транспортного средства к источнику постоянного напряжения питающей сети для осуществления начала движения, дальнейшее отключение транспортного средства от источника постоянного напряжения питающей сети и осуществление электродинамического торможения путем перевода тягового электродвигателя в режим генератора, осуществление накопления рекуперированной энергии, выделенной в процессе электродинамического торможения, в сверхэнергоемком импульсном конденсаторе и ее возврат на собственную тягу электродвигателя, новым является то, что накопление и возврат рекуперированной энергии на собственную тягу электродвигателя осуществляют с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, подключенного последовательно с источником постоянного напряжения питающей сети через тяговый электродвигатель и снабженного средством, препятствующим изменению его полярности после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу и подключенным в непроводящем состоянии параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору, при этом его отрицательный вывод соединен с отрицательным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора и отрицательным выводом электродвигателя, а положительный вывод средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, и положительный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединены с минусовым проводом контактной питающей сети, кроме того, отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединен с плюсовым проводом контактной питающей сети через обратный диод, подключенный к нему в непроводящем состоянии, а положительный вывод электродвигателя соединен с положительным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора через блокирующий диод, подключенный к нему в проводящем состоянии, при этом емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора выбирается исходя из возможности конденсатора поглотить всю энергию, выделившуюся в процессе рекуперативного торможения при одновременном обеспечении заданного безопасного низковольтного напряжения на борту транспортного средства, далее для начала нового движения после завершения электродинамического рекуперативного торможения тяговый электродвигатель двигатель подключают к источнику постоянного напряжения питающей сети и начинают новое движение при одновременно включенных двух источниках питания тягового электродвигателя двигателя, а именно высоковольтного источника постоянного напряжения питающей сети и низковольтного безопасного источника энергии с заданным напряжением, в виде сверхэнергоемкого импульсного конденсатора с запасенной в нем энергией, выделившейся в процессе рекуперативного электродинамического торможения.
Кроме того, в способе движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии в качестве средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу, используют силовой диод, или управляемый диод (тиристор), подключенный параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору с одинаковой с ним полярности, или управляемый силовой контактор.
Кроме того, в устройстве для реализации зявленного способа содержится тяговый электродвигатель электрического транспортного средства с возможностью его перевода в режим генератора при рекуперативном торможении, подключенный через контактную группу и токосъемник к контактному проводу питающей сети источника постоянного напряжения, блок управления тяговым двигателем и средство для накопления энергии рекуперативного торможения и ее возврата на собственную тягу электродвигателя, выполненное на основе сверхэнергоемкого импульсного конденсатора. Новым в заявляемом устройстве является то, что накопление и возврат рекуперированной энергии на собственную тягу электродвигателя осуществляют с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, подключенного последовательно с источником постоянного напряжения питающей сети через тяговый электродвигатель и снабженного средством, препятствующим изменению его полярности после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу и подключенным в непроводящем состоянии параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору, при этом его отрицательный вывод соединен с отрицательным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора и отрицательным выводом электродвигателя, а положительный вывод средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, и положительный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединены с минусовым проводом контактной питающей сети, кроме того, отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединен с плюсовым проводом контактной питающей сети через обратный диод, подключенный к нему в непроводящем состоянии, а положительный вывод электродвигателя соединен с положительным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора через блокирующий диод, подключенный к нему в проводящем состоянии, при этом емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора выбирается исходя из условия
где С конд - емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, фарады;
W конд - электрическая энергия, поглощенная сверхэнергоемким импульсным конденсатором в результате рекуперативного торможения транспортного средства, джоули;
U - заданное низковольтное напряжение сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, безопасно допустимое на борту транспортного средства, вольт.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 приведен график эффективности использования рекуперированной энергии, выделяемой при электродинамическом торможении электрического транспортного средства в устройстве-прототипе.
На Фиг.2 - приведена упрощенная функциональная схема устройства-прототипа.
На Фиг.3 - приведен график эффективности использования рекуперированной энергии, выделяемой при электродинамическом торможении электрического транспортного средства в заявляемом устройстве.
На Фиг.4 - функциональная схема заявляемого устройства.
Пример реализации заявляемого устройства приведен на примере реализации трамвая серии ЛВС с тягой на двигателе постоянного тока. Однако заявляемые способ и устройство могут быть реализованы на транспортном средстве с любым типом электрических приводов, например асинхронным.
Заявляемое устройство, реализующее заявленный способ, приведенное на Фиг.4, содержит тяговый электродвигатель 1 электрического транспортного средства, подключенный через контактную группу 2 и токосъемник 3 (пантограф) к плюсовому контактному проводу питающей сети 4. Контактная группа 2 имеет подвижный контакт «с» и неподвижные контакты «а» и «в». Тяговый электродвигатель 1 управляется посредством блока управления 5. В качестве блока управления 5 тяговым электродвигателем 1 может использоваться любая известная в настоящее время стандартная схема блока управления (тиристорная, контакторная, транзисторная, комбинированная), например контакторная схема блока управления, которая широко используется сейчас в трамваях серии ЛМ, ЛВС, КТМ или троллейбусах серии ЗИУ. Функцией блока управления 5 является регулирование величины тока, протекающего через электродвигатель 1 как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, а также регулирование величины тока заряда/разряда сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6.
Тяговый электродвигатель 1 имеет возможность работать в двух режимах: в режиме двигателя во время разгона и движения электрического транспортного средства и в режиме генератора во время электродинамического торможения электрического транспортного средства.
Рекуперация электроэнергии, выделяемой в процессе электродинамического торможения электрического транспортного средства, и ее возврат на тягу электродвигателя 1 осуществляются с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, снабженного средством, препятствующим изменению его полярности 7 после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу, и подключенного последовательно через электродвигатель 1 к источнику постоянного напряжения 8 питающей сети 4. При этом отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 соединен через электродвигатель 1 с плюсовым проводом постоянного напряжения питающей сети 4, а плюсовой вывод конденсатора 6 подключен к минусовому проводу источника постоянного напряжения 8 питающей сети 4.
При этом на транспортном средстве должен быть установлен, по крайней мере, один сверхэнергоемкий импульсный конденсатор 6, емкость которого выбирается исходя из возможности конденсатора поглотить всю энергию, выделившуюся в процессе рекуперативного торможения при одновременном обеспечении заданного напряжения на его выводах, соответствующего 24 вольтам, являющимся приемлемым безопасным напряжением на борту транспортного средства.
При этом для организации полного возврата на собственную тягу энергии, накопленной в конденсаторе 6 в процессе электродинамического торможения, кинетическая энергия (W кин) транспортного средства, приобретенная при его разгоне до начала рекуперативного торможения, должна быть преобразована в электрическую энергию, поглощенную сверхэнергоемким импульсным конденсатором 6 (Wконд), исходя из условия
где КПД рекуп - КПД возврата рекуперированной энергии на собственную тягу транспортного средства;
W кин - кинетическая энергия транспортного средства, приобретенная им при разгоне до начала рекуперативного торможения, джоули;
W конд - электрическая энергия, поглощенная сверхэнергоемким импульсным конденсатором 6 в результате рекуперативного торможения транспортного средства, джоули.
Известен тот факт, который также подтвержден эмпирическими исследованиями заявителя, что из кинетической энергии транспортного средства, полученной при его разгоне до начала рекуперативного торможения, для возврата на собственную тягу транспортного средства при его рекуперативном электродинамическом торможении используется около 41% энергии, так как остальная часть кинетической энергии составляет потери на трение колес, на сопротивление воздуху и так далее, то есть
При этом расчет необходимой емкости сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 для выполнения описанного условия (I) производят следующим образом:
откуда
где С конд - емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, фарады;
W кин - кинетическая энергия транспортного средства, приобретенная им при разгоне до начала рекуперативного торможения, джоули;
W конд - электрическая энергия, поглощенная сверхэнергоемким импульсным конденсатором 6 в результате рекуперативного торможения транспортного средства, джоули;
U - заданное напряжение сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, безопасно допустимое на борту транспортного средства (не более 24 В).
Приведем пример расчета необходимой емкости сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 в заявляемом устройстве на примере трамвайного вагона серии КТМ-5М3.
Известно, что при массе вагона серии КТМ-5М3 18650 кг максимальная скорость вагона при разгоне транспортного средства до начала рекуперативного торможения составляет 50 км/час (или 13,9 м/сек), а конечная скорость транспортного средства в режиме рекуперативного динамического торможения составляет до начала механического торможения 10 км/час (или 2,78 м/сек). На скорости 10 км/час заканчивается рекуперативное торможение и начинается обычное механическое торможение, например, с помощью тормозных колодок.
Таким образом, для указанного транспортного средства электрическая энергия, поглощенная сверхэнергоемким импульсным конденсатором 6 в результате рекуперативного торможения транспортного средства, составляет
где
m - масса транспортного средства;
Vнач - скорость транспортного средства при разгоне до начала рекуперативного торможения в (данном примере 50 км/час, что соответствует 13,9 м/сек), джоули;
Vкон - скорость транспортного средства при окончании рекуперативного торможения (в данном примере 10 км/час, что соответствует 2,78 м/сек), джоули;
Wкин нач - кинетическая энергия транспортного средства в начале рекуперативного торможения, джоули;
Wкин кон - кинетическая энергия транспортного средства в конце электродинамического рекуперативного торможения, джоули;
КПД рекуп - КПД возврата рекуперированной энергии на собственную тягу транспортного средства (0,41).
Произведем расчет Wконд для данного транспортного средства:
Таким образом:
W кoнд=(18650×13,92/2-18650×2,782/2)×0,41=709142,5 дж;
W конд=С×U2/2,
Таким образом, необходимая емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 при заданном безопасном напряжении U не более 24 В составит:
С конд=2W конд/U2, откуда
С конд=2×709142,5/242=2462 фарады.
Таким образом, для решения поставленной задачи с помощью заявленного изобретения на борту транспортного средства необходимо иметь емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 в 2462 фарады. При известной емкости сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, выпускаемого в Российской Федерации в настоящий момент, в 100 фарад на борту транспортного средства для реализации настоящего изобретения необходимо иметь конденсаторную батарею, составленную из 25 конденсаторов при емкости каждого в 100 фарад.
Средство, препятствующее изменению полярности 7 конденсатора 6, подключено параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору 6 в непроводящем состоянии, при этом отрицательный вывод электродвигателя 1 соединен с отрицательным выводом средства 7, а положительный вывод средства 7 соединен с минусовым проводом контактной питающей сети 4.
В качестве средства, препятствующего изменению полярности 7 конденсатора 6 в заявляемом устройстве, может использоваться управляемый силовой контактор, или силовой диод, или управляемый диод (тиристор). В качестве средства, препятствующего изменению полярности 7 конденсатора 6, в примере реализации заявляемого устройства, приведенном на Фиг.4, используют силовой диод 7.
Кроме того, неподвижный контакт «в» контактной группы 2 соединен с выводом «d» сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 через блокирующий диод 9. При этом неподвижный контакт «в» контактной группы 2 соединен с отрицательным выводом блокирующего диода 9, а положительный вывод блокирующего диода 9 соединен с минусовым проводом контактной питающей сети 4, с выводом «d» сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 и с положительным выводом силового диода 7. Вывод «е» сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 соединен с токоприемником 3 через обратный диод 10. При этом вывод «е» конденсатора 6 соединен с отрицательным выводом обратного диода 10, а положительный вывод обратного диода 10 соединен с токоприемником 3. Блокирующий диод 9 предотвращает разряд заряженного конденсатора 6 через электродвигатель 1 после окончания рекуперативного торможения. Обратный диод 10 служит для направления реактивной энергии транспортного средства на заряд сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 при нарушении контакта токоприемника 3 с контактным проводом питающей сети 4 в процессе разгона транспортного средства с целью последующего возврата этой энергии на собственную тягу транспортного средства.
Заявляемый способ реализуется в работе заявляемого устройства, приведенного на Фиг.4.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Первоначальное движение заявляемого транспортного средства после ночного отстоя осуществляется путем подключения токоприемника 3 (пантографа) к плюсовому контактному проводу питающей сети 4 с постоянным напряжением (500-3000 В). При этом подвижный контакт «с» контактной группы 2 соединен с неподвижным контактом «а». Электродвигатель 1 работает в режиме тягового двигателя. Питание электродвигателя 1 осуществляется от источника постоянного напряжения 8 питающей сети 4, при этом ток протекает по следующей цепи: от положительного вывода источника постоянного напряжения 8 по плюсовому контактному проводу питающей сети 4 через токоприемник 3, замкнутые контакты «а-с» контактной группы 2 к положительному выводу электродвигателя 1, далее через электродвигатель 1, открытый силовой диод 7, находящийся в проводящем состоянии, и далее через минусовой контактный провод к отрицательному выводу источника постоянного напряжения 8. Сверхэнергоемкий импульсный конденсатор 6 находится в незаряженном состоянии.
В начале рекуперативного электродинамического торможения транспортного средства электродвигатель 1 отключается от контактной питающей сети 4, при этом подвижный контакт «с» контактной группы 2 подсоединяют к неподвижному контакту «в», тяговый электродвигатель 1 переводится в режим генератора. Начинается заряд сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, при этом ток заряда конденсатора протекает по следующей цепи: от положительного вывода электродвигателя 1, работающего в этот момент в режиме генератора, через замкнутые контакты «с-в» контактной группы 2 и далее через блокирующий диод 9 к выводу «d» конденсатора 6, и далее через вывод «е» конденсатора 6 к отрицательному выводу электродвигателя 1, при этом силовой диод 7 находится в закрытом непроводящем состоянии. Заряд конденсатора 6 продолжается до тех пор, пока электродвигатель 1 работает в режиме генератора, при этом напряжение на выводах конденсатора не превышает заданное безопасное напряжение в 24 В, а на выводах конденсатора 6 формируется полярность, одноименная полярности силового диода 7, то есть на выводе «d» конденсатора 6 формируется положительный потенциал, а на выводе «е» - отрицательный потенциал. Таким образом, блокирующий диод 9, находясь в открытом состоянии, пропускает ток заряда и одновременно препятствует разряду конденсатора 6 до тех пор, пока электродвигатель 1 снова не будет переведен в режим тяги. Таким образом, зарядив конденсатор 6 до 24 В, мы получаем на борту транспортного средства низковольтный источник питания, подключенный последовательно источнику постоянного напряжения 8 питающей сети 4.
При начале нового движения транспортного средства после рекуперативного электродинамического торможения подвижный контакт «с» контактной группы 2 подключают к неподвижному контакту «а». Электродвигатель 1 переводится из режима генератора в режим тягового двигателя. Электродвигатель 1 начинает получать энергию одновременно от двух источников питания, включенных последовательно, а именно от источника постоянного напряжения 8 питающей сети 4 (500…3000 В) и заряженного в процессе электродинамического торможения сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 в размере, не превышающем заданное на нем напряжение 24 В.
Таким образом, суммарное напряжение, получаемое электродвигателем 1 в начале движения транспортного средства после рекуперативного электродинамического торможения, составит (500…3000 В)+24 В.
В процессе возврата рекуперированной энергии на тягу в заявляемом устройстве происходит снижение напряжения на сверхэнергоемком импульсном конденсаторе 6 до нуля. Как только напряжение на конденсаторе 6 снизится до нуля, открывается силовой диод 7 и ток начинает течь по следующей цепи: от положительного вывода источника постоянного напряжения 8 по плюсовому контактному проводу питающей сети 4 через токоприемник 3, замкнутые контакты «а-с» контактной группы 2 к положительному выводу электродвигателя 1, далее через электродвигатель 1, открытый силовой диод 7, находящийся в проводящем состоянии, и далее через минусовой контактный провод к отрицательному выводу источника постоянного напряжения 8. Дальнейшее движение транспортного средства осуществляется только от источника постоянного напряжения 8 контактной питающей сети 4 с высоким напряжением (500…3000 В).
Таким образом, при осуществлении нового движения электрического транспортного средства после завершения рекуперативного торможения в заявляемом устройстве сначала транспортное средство движется одновременно от двух источников электроэнергии, а именно от источника постоянного напряжения 8 питающей сети 4 (500…3000 В) и заряженного в процессе электродинамического торможения сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 в размере, не превышающем заданное на нем напряжение 24 В.
После полного израсходования рекуперированной энергии из конденсатора 6 транспортное средство продолжает дальнейшее движение, питаясь от источника питания постоянного напряжения 8 контактной питающей сети 4 с высоким напряжением порядка 500…3000 В.
Таким образом, заявленные способ и реализующее его устройство позволяют эффективно использовать рекуперированную электроэнергию за счет ее полного возврата на собственную тягу транспортного средства.
Последовательное соединение двух источников питания низковольтного в 24 В и высоковольтного в (500…3000 В) позволяет, с одной стороны, незначительно и безопасно повысить напряжение контактной питающей сети 4, а с другой стороны, позволяет полностью разрядить до нуля заряженный в процессе электродинамического торможения конденсатор 6, избавившись таким образом от возникновения электрического балласта, не допустить возникновения энергии избыточной рекуперации и исключить неэффективное использование рекуперированной энергии путем ее бесполезного рассеивания в окружающую среду, что позволяет полностью осуществить возврат рекуперированной энергии на собственную тягу транспортного средства. График эффективного рекуперации, осуществленный с помощью заявленных способа и устройства, показан на Фиг.3.
Как видно из графика, приведенного на Фиг.3, область эффективной рекуперации значительно расширена по сравнению с прототипом, и отсутствует область электрического балласта из-за того, что сверхэнергоемкий импульсный конденсатор 6 всегда разряжается до нуля в процессе возврата рекуперированной энергии на тягу транспортного средства.
Как известно, большой проблемой при движении транспортных средств является разрыв токоприемника 3 с контактной питающей сетью 4 при работе электродвигателя 1 в режиме тяги. Возникающая при таком разрыве токоприемника 3 с контактной питающей сетью 4 ЭДС самоиндукции Ленца способствует возникновению высоковольтной дуги между токоприемником 3 и контактной питающей сетью 4, что приводит к повреждению токоприемника 3 и к возможному пережиганию контактного провода питающей сети 4.
Для преодоления этого негативного явления в процессе разрядки сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 на собственную тягу устанавливают обратный диод 10, положительный вывод которого подключается к токоприемнику 3, а отрицательный вывод - к выводу «е» сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6, что позволяет предотвратить несанкционированный разряд сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 на поддержание высоковольтной дуги при разрыве токоприемника 3 с контактной питающей сетью 4.
При возникновении разрыва между токоприемником 3 и контактной питающей сетью 4 в режиме тяги на выводах электродвигателя 1 возникает ЭДС самоиндукции Ленца, под воздействием которой происходит смена полярности электродвигателя 1, обратный диод 10 открывается и ликвидирует ЭДС самоиндукции Ленца, а также предотвращает несанкционированный разряд сверхэнергоемкого импульсного конденсатора 6 и тем самым предотвращает возникновение высоковольтной дуги.
1. Способ движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии, включающий подключение тягового электродвигателя транспортного средства к источнику постоянного напряжения питающей сети для осуществления начала движения, дальнейшее отключение транспортного средства от источника постоянного напряжения питающей сети и осуществление электродинамического торможения путем перевода тягового электродвигателя в режим генератора, осуществление накопления рекуперированной энергии, выделенной в процессе электродинамического торможения, в сверхэнергоемком импульсном конденсаторе и ее возврат на собственную тягу электродвигателя, отличающийся тем, что накопление и возврат рекуперированной энергии на собственную тягу электродвигателя осуществляют с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, подключенного последовательно с источником постоянного напряжения питающей сети через тяговый электродвигатель и снабженного средством, препятствующим изменению его полярности после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу и подключенным в непроводящем состоянии параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору, при этом его отрицательный вывод соединен с отрицательным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора и отрицательным выводом электродвигателя, а положительный вывод средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, и положительный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединены с минусовым проводом контактной питающей сети, кроме того, отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединен с плюсовым проводом контактной питающей сети через обратный диод, подключенный к нему в непроводящем состоянии, а положительный вывод электродвигателя соединен с положительным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора через блокирующий диод, подключенный к нему в проводящем состоянии, при этом емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора выбирается исходя из возможности конденсатора поглотить всю энергию, выделившуюся в процессе рекуперативного торможения при одновременном обеспечении заданного безопасного низковольтного напряжения на борту транспортного средства, далее для начала нового движения после завершения электродинамического рекуперативного торможения тяговый электродвигатель подключают к источнику постоянного напряжения питающей сети и начинают новое движение при одновременно включенных двух источниках питания тягового электродвигателя, а именно высоковольтного источника постоянного напряжения питающей сети и низковольтного безопасного источника энергии с заданным напряжением, в виде сверхэнергоемкого импульсного конденсатора с запасенной в нем энергией, выделившейся в процессе рекуперативного электродинамического торможения.
2. Способ движения электрического транспортного средства на рекуперированной электроэнергии по п.1, в котором в качестве средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу, используют силовой диод, или управляемый диод (тиристор), подключенный параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору одинаковой с ним полярности, или управляемый силовой контактор.
3. Устройство для реализации способа по п.1 или 2, содержащее тяговый электродвигатель электрического транспортного средства с возможностью его перевода в режим генератора при рекуперативном торможении, подключенный через контактную группу и токосъемник к контактному проводу питающей сети источника постоянного напряжения, блок управления тяговым двигателем и средство для накопления энергии рекуперативного торможения и ее возврата на собственную тягу электродвигателя, выполненное на основе сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, отличающееся тем, что накопление и возврат рекуперированной энергии на собственную тягу электродвигателя осуществляют с помощью сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, подключенного последовательно с источником постоянного напряжения питающей сети через тяговый электродвигатель и снабженного средством, препятствующим изменению его полярности после его полной разрядки в процессе отдачи рекуперированной энергии на тягу и подключенным в непроводящем состоянии параллельно сверхэнергоемкому импульсному конденсатору, при этом его отрицательный вывод соединен с отрицательным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора и отрицательным выводом электродвигателя, а положительный вывод средства, препятствующего изменению полярности сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, и положительный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединены с минусовым проводом контактной питающей сети, кроме того, отрицательный вывод сверхэнергоемкого импульсного конденсатора соединен с плюсовым проводом контактной питающей сети через обратный диод, подключенный к нему в непроводящем состоянии, а положительный вывод электродвигателя соединен с положительным выводом сверхэнергоемкого импульсного конденсатора через блокирующий диод, подключенный к нему в проводящем состоянии, при этом емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора выбирается исходя из условия
где С конд - емкость сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, Ф;
W конд - электрическая энергия, поглощенная сверхэнергоемким импульсным конденсатором в результате рекуперативного торможения транспортного средства, Дж;
U - заданное низковольтное напряжение сверхэнергоемкого импульсного конденсатора, безопасно допустимое на борту транспортного средства, В.
