BRPI0416414B1 - Dispositivo para a produção de um esforço de tração - Google Patents

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Robert Dean King
Lembit Salasoo
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General Electric Company
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Abstract

"método e dispositivo para a produção de um esforço de tração". um dispositivo (100) para a produção de um esforço de tração, dito dispositivo (100) compreendendo: uma fonte de energia (110) adaptada para gerar uma alta tensão dc (120); um comando de motor (130) adaptado para gerar uma tensão do motor (140) a partir de dita alta tensão dc (120); e um motor (150) adaptado para realizar dito esforço de tração a partir de dita tensão do motor (140), a fonte de energia (110) compreendendo: um motor térmico (160) adaptado para gerar uma potência mecânica (170) através da queima de um combustível; um alternador (180) adaptado para gerar uma tensão alternada (190) a partir de dita potência mecânica (170); um retificador (200) adaptado para retificar a dita tensão alternada (190) e para produzir uma baixa tensão dc (210); uma bateria de energia (220) adaptada para armazenar e fornecer a energia derivada da dita baixa tensão dc (210); e um conversor elevador de tração (230) adaptado para elevar a dita baixa tensão dc (210) de modo a produzir a dita alta tensão dc (120); dito comando do motor (130) compreendendo: uma bateria de potência (240) adaptada para armazenar e fornecer potência em uma alta tensão dc (120); e um conversor de tração (250) adaptado para gerar a dita tensão do motor (140) a partir da dita alta tensão dc (120) durante a operação motora para gerar a dita alta tensão dc (120) a partir da dita tensão do motor (140) durante a operação de frenagem.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere, em geral, aos sistemas de tração elétricos e mais especificamente ao uso de baterias de energia e de baterias de potência, em combinação, para a produção de um esforço de tração e para propósitos não de tração. Apesar de que esta descrição enfatiza o uso dos sistemas de tração elétricos em locomotivas e em veículos não rodoviários, será obvio a um perito na arte de que a presente invenção pode ser útil tanto para aplicações relativas a veículos quanto, da mesma forma, para aplicações relativas a não veículos.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Para uma ampla variedade de aplicações, os sistemas de tração elétricos incluem baterias elétricas para melhorar a eficiência do sistema. Estas baterias são tipicamente classificadas em tanto em “baterias de energia” quanto em “baterias de potência”, dependendo de se os projetos são otimizados para uma densidade de energia ou uma densidade de potência, respectivamente. Algumas aplicações relativas à tração favorecem uma classe de baterias em detrimento da outra; outras aplicações favorecem uma combinação tanto das baterias de energia quanto das baterias de potência. Durante a operação motora, as baterias são descarregadas através dos motores elétricos para produzir um esforço de tração. Durante a operação de frenagem, os motores são operados como geradores para recarregar as baterias.
[003] Nos sistemas que incorporam tanto as baterias de energia quanto as baterias de potência (sistemas de baterias duplas ou dual), as cargas inicial e suplementar das baterias de energia são tipicamente obtidas tanto de forma mecânica, através da substituição de partes da bateria, quanto eletricamente, através do seu acoplamento a uma grade energética de serviços ou rede elétrica. Existe uma oportunidade de prover a meios alternativos para a carga das baterias de energia em sistemas dual de baterias.
[004] Além de fornecer potência para um sistema de tração, a capacidade de produção de energia elétrica dos sistemas de tração pode ser usada para propósitos não de tração. Existe uma oportunidade, portanto, de explorar a capacidade de produção de energia elétrica dos sistemas de tração elétricos para aplicações não de tração.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[005] As oportunidades supra descritas são direcionadas, em uma forma de realização da presente invenção, a um dispositivo para a produção de um esforço de tração, o dispositivo compreendendo: uma fonte de energia adaptada para gerar uma alta tensão CC (corrente contínua); um comando de motor adaptado para gerar uma tensão do motor a partir da alta tensão CC; e um motor adaptado para realizar um esforço de tração a partir de uma tensão do motor, a fonte de energia compreendendo: um motor térmico adaptado para gerar uma potência mecânica através da queima de um combustível; um alternador adaptado para gerar uma tensão alternada a partir de uma potência mecânica; um retificador adaptado para retificar a tensão alternada e para produzir uma baixa tensão CC; uma bateria de energia adaptada para armazenar e fornecer a energia derivada da baixa tensão CC; e um conversor elevador de tração adaptado para elevar a baixa tensão CC de modo a produzir uma alta tensão CC; o comando do motor compreendendo: uma bateria de potência adaptada para armazenar e fornecer potência em uma alta tensão CC; e um conversor de tração adaptado para gerar a tensão do motor a partir da alta tensão CC durante a operação motora para gerar uma alta tensão CC a partir da tensão do motor durante a operação de frenagem.
[006] A presente invenção também incorpora um método compreendendo as etapas de: gerar uma alta tensão CC; gerar uma tensão do motor a partir da alta tensão CC; e produzir um esforço de tração a partir da tensão do motor, a etapa de gerar a alta tensão CC compreendendo: queimar um combustível para gerar uma potência mecânica; gerar uma tensão alternada a partir da potência mecânica empregando um alternador; retificar a tensão alternada para produzir uma baixa tensão CC usando um retificador; armazenar e fornecer a energia derivada da baixa tensão CC empregando uma bateria de energia; e elevar a baixa tensão CC para produzir uma alta tensão CC, a etapa de gerar uma tensão do motor compreendendo: armazenar energia e fornecer potência em alta tensão CC empregando uma bateria de potência; e gerar a tensão do motor a partir da alta tensão CC durante a operação motora e gerar a alta tensão CC a partir da tensão do motor durante a operação de frenagem.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[007] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais compreensíveis a partir da leitura da seguinte descrição detalhada, feita com referência aos desenhos que a acompanham, nos quais os caracteres iguais representam partes iguais por todos os desenhos, nos quais:
[008] A figura 1 ilustra um diagrama de blocos de um dispositivo para a produção de um esforço de tração, de acordo com uma forma de realização da presente invenção;
[009] As figuras 2-9 ilustram diagramas de blocos de outras formas de realização, de acordo com a forma de realização da figura 1;
[010] A figura 10 ilustra um diagrama de blocos de uma locomotiva, de acordo com outra forma de realização da presente invenção; e
[011] A figura 11 ilustra um diagrama de blocos de um veículo não rodoviário, de acordo com uma outra forma de realização da presente invenção.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[012] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a figura 1 ilustra um diagrama de blocos de um dispositivo 100 para a produção de um esforço de tração. O dispositivo 100 compreende uma fonte de energia 110, um comando do motor 130 e um motor 150. Em operação, a fonte de energia 110 gera uma alta tensão CC 120. O comando do motor 130 gera uma tensão do motor 140 a partir de uma alta tensão CC 120, e o motor 150 produz um esforço de tração a partir da tensão 140. Como ora empregado, o motor 150 se refere a qualquer dispositivo elétrico apto a produzir uma potência mecânica a partir de uma potência elétrica incluindo, sem limitação, motores CC ou CA (de corrente alternada) de fase simples ou de várias fases.
[013] Na forma de realização da figura 1, a fonte de energia 110 compreende um motor térmico 160, um alternador 180, um retificador 200, uma bateria de energia 220 e um conversor elevador de tração 230. Em operação, o motor térmico 160 gera uma potência mecânica 170 através da queima de um combustível. O alternador 180 gera uma tensão alternada 190 a partir da potência mecânica 170. O retificador 200 então retifica a tensão alternada 190 para produzir uma baixa tensão CC 210. A bateria de energia 220 armazena e fornece a energia derivada da baixa tensão CC 210, e o conversor elevador de tração 230 eleva a baixa tensão CC 210 para produzir uma alta tensão CC 120. Como ora empregado como referência às tensões CC, “alta” e “baixa” são somente termos relativos e não implicam em particulares níveis de tensão absolutos.
[014] O comando do motor 130 compreende uma bateria de potência 240 e um conversor de tração 250. Em operação, a bateria de potência armazena energia e fornece potência com uma alta tensão CC 120. O conversor de tração 250 gera uma tensão do motor 140 a partir da alta tensão CC 120 durante a operação motora e gera uma alta tensão CC 120 a partir da tensão 140 do motor 150 durante a operação de frenagem.
[015] Em uma forma de realização mais detalhada, e de acordo com a forma de realização da figura 1, uma relação entre a capacidade de armazenamento de energia do comando do motor 130 em relação à potência fornecida pela fonte de energia 110 em alta tensão CC 120 está entre cerca de 0,001 horas a cerca de 60 horas.
[016] Em uma outra forma de realização mais detalhada, e de acordo com a forma de realização da figura 1, a relação entre a capacidade de armazenamento de energia do comando do motor 130 em relação à potência fornecida pela fonte de energia 110 em alta tensão CC 120 está entre cerca de 0,5 horas a cerca de 20 horas.
[017] De acordo com outra forma de realização da presente invenção, A figura 2 ilustra um diagrama de blocos no qual o dispositivo 100 ainda compreende um inversor de acionamento 260. Em operação, o inversor de acionamento 260 gera uma tensão de acionamento 265 a partir da baixa tensão CC 210 durante a operação de acionamento do alternador 180. A “operação de acionamento” se refere à prática de utilizar o alternador 180 como um motor para aplicar um torque de partida do motor térmico 160.
[018] Em uma forma de realização mais detalhada, e de acordo com a figura 2, o inversor de acionamento 260 é bidirecional e ainda compreende um conversor elevador de carga 270. Em operação, o conversor elevador de carga 270 eleva a tensão alternada 190 para uma tensão mais alta, mais apropriada para a carga da bateria de energia 220.
[019] De acordo com outra forma de realização da presente invenção, a figura 3 ilustra um diagrama de blocos no qual o dispositivo 100 ainda compreende um conversor de rede 280. Em operação, o conversor de rede 280 serve como um gerador que converte a baixa tensão CC 210 para uma tensão da rede 290 apropriada para ser acoplado à rede elétrica 300. Em algumas formas de realização, o conversor 280 é um dispositivo bidirecional que permite, de forma seletiva, o carregamento da bateria de energia 220 diretamente a partir da rede elétrica 300.
[020] Em uma forma alternativa de realização, como mostrada na figura 4, o conversor de rede 280 é alimentado através de uma alta tensão CC 120 ou invés da baixa tensão CC 210. Em algumas formas de realização, o conversor 280 é um dispositivo bidirecional o qual, de forma seletiva, permite o carregamento da bateria de potência 240 diretamente da rede elétrica 300.
[021] De acordo com outra forma de realização da presente invenção, a figura 5 ilustra um diagrama de blocos no qual o dispositivo 100 ainda compreende um inversor de acionamento 260 e uma chave de transferência 310. Em operação, o inversor de acionamento 260 gera, de forma seletiva, uma tensão de acionamento 265 ou uma tensão da rede 290 a partir da baixa tensão CC 210. A chave de transferência 310 acopla, de forma seletiva, a tensão de acionamento 265 ao alternador 180 ou a tensão da rede 290 na rede elétrica 300.
[022] Em uma forma de realização mais detalhada, e de acordo com a forma de realização da figura 5, o inversor de acionamento 260 é bidirecional e compreende um conversor elevador de carga 270. Em operação, o conversor elevador de carga 270 eleva a tensão alternada 190 para uma tensão mais alta e mais apropriada para a carga da bateria de energia 220. Em uma forma alternativa de realização, mostrada na figura 6, o inversor de acionamento 260 é alimentado a partir de uma alta tensão CC 120 ao invés de uma baixa tensão CC 210 e pode ser usado para carregar a bateria de potência 240.
[023] Em outra forma de realização, e de acordo com a forma de realização da figura 1, na figura 7 é ilustrado um diagrama de blocos no qual a fonte 110 ainda compreende um banco de ultracapacitores 320. Em operação, o banco de ultracapacitores 320 armazena e fornece energia elétrica. Nesta forma de realização, o conversor de tração elevador 230 realiza a função adicional de controlar o fluxo de energia entre o retificador 200, a bateria de energia 220 e o banco de ultracapacitores 320.
[024] Em outra forma de realização, e de acordo com a figura 7, a fonte de energia 110 ainda compreende um acoplador unidirecional 330. Em operação, o acoplador unidirecional 330 conduz a corrente da bateria de energia 220 para o banco de ultracapacitores 320 quando a tensão no banco de ultracapacitores 320 é mais baixa que a tensão da bateria de energia 220.
[025] Em outra forma de realização, e de acordo com a figura 1, na figura 8 é ilustrado um diagrama de blocos no qual o comando do motor 130 ainda compreende um ultracapacitor de potência 340. Em operação, o ultracapacitor de potência 340 armazena e fornece a energia derivada da alta tensão CC 120.
[026] Em outra forma de realização mais detalhada, e de acordo com a figura 1, a tensão 140 do motor é uma tensão CC e o motor 150 compreende um motor CC.
[027] Em outra forma de realização mais detalhada, e de acordo com a figura 1, na figura 9 é ilustrado um diagrama de blocos no qual o alternador 180 e o retificador 200 são ainda adaptados de modo a fornecer potência para as cargas auxiliares 350, e assim servir como uma unidade auxiliar de potência.
[028] De acordo com uma outra forma de realização da presente invenção, a figura 10 ilustra um diagrama de blocos de uma locomotiva 400. Em adição aos componentes do dispositivo 100, a locomotiva 400 compreende uma roda 420. Nesta forma de realização, o motor 150 produz um torque motor 410 a partir da tensão do motor 140. A roda 420 produz um esforço de tração 430 a partir do torque motor 410 e aplica o esforço de tração 430 em um trilho 440.
[029] De acordo com uma outra forma de realização da presente invenção, a figura 11 ilustra um diagrama de blocos de um veículo não rodoviário 500. Em adição aos componentes da locomotiva 400, o veículo não rodoviário 500 compreende um pneu 520. Nesta forma de realização, a roda 420 produz um torque 510 a partir do torque do motor 410. O pneu 520 produz um esforço de tração 430 a partir do torque da roda 510 e aplica o esforço de tração 430 a uma superfície não rodoviária ou não fora de estrada 540.
[030] Ao mesmo tempo em que apenas certas características da invenção foram ora ilustradas e descritas, várias modificações e alterações poderão ocorrer a um perito na arte. Portanto, deve ser entendido que as reivindicações em anexo têm a intenção de cobrir todas estas modificações e alterações, conforme estas se enquadrem no escopo da invenção.

Claims (14)

1. Dispositivo (100) para a produção de um esforço de tração, o dispositivo (100) compreendendo: - uma fonte de energia (110) adaptada para gerar uma alta tensão CC (120); - um comando de motor (130) adaptado para gerar uma tensão do motor (140) a partir da alta tensão CC (120); e - um motor (150) adaptado para realizar o esforço de tração a partir da tensão do motor (140), a fonte de energia (110) compreendendo: - um motor térmico (160) adaptado para gerar uma potência mecânica (170) através da queima de um combustível; - um alternador (180) adaptado para gerar uma tensão alternada (190) a partir da potência mecânica (170); - um retificador (200) adaptado para retificar a tensão alternada (190) e para produzir uma baixa tensão CC (210); - uma bateria de energia (220) adaptada para armazenar e fornecer a energia derivada da baixa tensão CC (210); e - um conversor elevador de tração (230) adaptado para elevar a baixa tensão CC (210) de modo a produzir a alta tensão CC (120); o comando do motor (130) compreendendo: - uma bateria de potência (240) adaptada para armazenar e fornecer potência em uma alta tensão CC (120); e - um conversor de tração (250) adaptado para gerar a tensão do motor (140) a partir da alta tensão CC (120) durante a operação motora e para gerar a alta tensão CC (120) a partir da tensão do motor (140) durante a operação de frenagem, em que o dispositivo (100) é caracterizado por compreender: - um conversor de rede (280) adaptado para converter a baixa tensão CC (210) ou a alta tensão CC (120) em uma tensão da rede (290), em que a relação entre a capacidade de armazenamento de energia do comando do motor (130) e a potência liberada pela fonte de energia (110) na alta tensão CC (120) está entre 0,001 horas e 60 horas.
2. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela relação entre a capacidade de armazenamento de energia do comando do motor (130) e a potência liberada pela fonte de energia (110) em alta tensão CC (120) estar entre 0,5 horas e 20 horas.
3. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ainda compreender um inversor de acionamento (260) adaptado para gerar uma tensão de acionamento (265) a partir da baixa tensão CC (210) durante a operação de acionamento do alternador (180).
4. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo inversor de acionamento (260) ser bidirecional e ainda compreender um conversor elevador de carga (270) adaptado para elevar a tensão alternada (190).
5. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conversor de rede (280) ser ainda adaptado para converter, de forma seletiva, a tensão da rede (290) para a baixa tensão CC (210).
6. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conversor de rede (280) ser ainda adaptado para converter, de forma seletiva, a tensão da rede (290) para a alta tensão CC (120).
7. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ainda compreender: - um inversor de acionamento (260) adaptado para gerar, de forma seletiva, uma tensão de acionamento (265) ou uma tensão da rede (290) a partir da baixa tensão CC (210); e - uma chave de transferência (310) adaptada para acoplar, de forma seletiva, a tensão de acionamento (265) ao alternador (180) ou a tensão da rede (290) a uma grade da rede (300).
8. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo inversor de acionamento (260) ser bidirecional e ainda compreender um conversor elevador de carga (270) adaptado para elevar a tensão alternada (190).
9. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ainda compreender: - um inversor de acionamento (260) adaptado para gerar, de forma seletiva, uma tensão de acionamento (265) ou uma tensão da rede (290) a partir da alta tensão CC (120); e - uma chave de transferência (310) adaptada para acoplar, de forma seletiva, a tensão de acionamento (265) ao alternador (180) ou a tensão da rede (290) a uma grade da rede (300).
10. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de energia (110) ainda compreender um banco de ultracapacitores (320) adaptado para armazenar e fornecer energia elétrica, o conversor elevador de tração (230) sendo ainda adaptado para controlar o fluxo de energia entre o retificador (200), a bateria de energia (220), e o banco de ultracapacitores (320).
11. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por ainda compreender um acoplador unidirecional (330) adaptado para conduzir corrente de uma bateria de energia (220) para o banco de ultracapacitores (320).
12. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo comando do motor (130) ainda compreender um ultracapacitor de potência (340) adaptado para armazenar e para fornecer a energia derivada da alta tensão CC (120).
13. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela tensão do motor (140) ser uma tensão CC.
14. Dispositivo (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo alternador (180) e o retificador (200) serem ainda adaptados para fornecer energia para cargas auxiliares (350).
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