RU174227U1

RU174227U1 - Устройство рекуперации кинетической энергии при торможении транспортного средства

Info

Publication number: RU174227U1
Application number: RU2016133161U
Authority: RU
Inventors: Владислав Александрович Дьяков
Original assignee: Владислав Александрович Дьяков
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2017-10-09

Abstract

Полезная модель относится к транспортным средствам, использующим энергию рекуперации при торможении для аккумулирования или возвращения в электросеть. Предлагаемое техническое решение может использоваться также в грузоподъемных механизмах. Технический результат заключается в повышении объема рекуперативной электроэнергии при торможении. Для получения этого результата в трансмиссию от оси колес транспортного средства до тягового электродвигателя включено два или несколько валов с шестернями. При торможении транспортного средства работает система управления по ускорению, получая сигнал обратной связи с датчика ускорения, например акселерометра, а задающий сигнал с педали тормоза. Когда при торможении скорость транспортного средства становится ниже заданной скорости, со сравнивающего устройства поступает сигнал в систему управления, которая при помощи управляющего устройства двухсторонней фрикционной муфты переключает последнюю от одной группы находящихся в зацеплении шестерен к другой, имеющей большее передаточное число. При этом скорость электродвигателя, работающего в генераторном режиме, возрастает пропорционально отношению передаточного числа второй группы шестерен к передаточному числу первой, а следовательно возрастает и та максимальная мощность, которая может быть снята с электрической машины. Таким образом, увеличивается объем рекуперативной энергии при торможении транспортного средства.

Description

Устройство рекуперации кинетической энергии при торможении транспортного средства.

Полезная модель относится к транспортным средствам, использующим энергию рекуперации при торможении для аккумулирования или возвращения в электросеть. Предлагаемое техническое решение может использоваться также в грузоподъемных механизмах.

Известны технические решения, направленные на повышение объема рекуперативной энергии в процессе торможения электротранспортного средства. Известно «Устройство для рекуперативного торможения транспортного средства» (1). Данное техническое решение содержит тяговый электродвигатель, сравнивающее устройство, датчик напряжения, систему управления и батарею из аккумуляторов, соединенных между собой. При торможении транспортного средства по мере уменьшения его скорости пропорционально уменьшается и ЭДС на электродвигателе, работающем в генераторном режиме (режиме динамического торможения). Сущность изобретения заключается в том, что, когда напряжение на двигателе становится меньше, чем напряжение на аккумуляторной батарее, отключается один из аккумуляторов и двигатель подключается к оставшейся батарее. При этом напряжение на батарее, уменьшенной на один аккумулятор, становится на некоторое время меньше ЭДС на двигателе. При этом продолжается процесс зарядки батареи до того момента, когда ЭДС по мере уменьшения скорости снова сравняется с напряжением на аккумуляторной батарее из оставшихся аккумуляторов. При этом снова отключается один из оставшихся в батарее аккумуляторов и продолжается заряд батареи. По мере уменьшения скорости продолжается процесс отключения от батареи одного из оставшихся аккумуляторов. Это позволяет увеличить объем рекуперативной энергии при торможении транспортного средства. Недостатком этого решения является ограниченная мощность, отдаваемая двигателем, работающим в генераторном режиме, которая лимитируется скоростью транспортного средства. При требуемом большем торможении используется механическое торможение, при котором энергия торможения переходит в тепловую.

Известно также устройство «Рекуператор энергии торможения» (2). Устройство включает в себя электродвигатель, систему управления, включающую преобразователь напряжения, сеть электропитания и накопитель электроэнергии.

В этом техническом устройстве система управления осуществляет работу следующим образом. Если напряжение холостого хода тягового электродвигателя превосходит напряжение на конденсаторе, то в системе управления регулируемый преобразователь напряжения работает как преобразователь напряжения понижающего типа. В процессе торможения происходит уменьшение напряжения на выходе электродвигателя и после того, как это напряжение сравняется с напряжением на конденсаторе, преобразователь начинает работать как регулируемый преобразователь напряжения повышающего типа. В этом режиме заряд конденсатора может осуществляться при любой скорости торможения вплоть до остановки транспортного средства. Это позволяет увеличить энергию рекуперации при торможении транспортного средства. К недостаткам этого устройства следует отнести ограниченную мощность, снимаемую с электромашины, которая ограничена в том числе и скоростью ее вращения. Повышение напряжения с помощью преобразователя в прототипе не повышает максимальную мощность, отдаваемую электрической машиной на данной скорости транспортного средства.

В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано «Устройство для автоматического регулирования электрического рекуперативного тормоза электровоза постоянного тока» (3). Данное устройство содержит трансмиссию от колесной пары до тягового электродвигателя, исполнительный элемент, выход которого включен в цепь питания обмотки возбуждения тягового электродвигателя, систему управления, включающую в себя задающий элемент, датчики скорости электровоза, датчики тока якоря двигателя и тока обмоток возбуждения, сравнивающие элементы и пропорционально-интегральный регулятор тока тяговых электродвигателей, логический блок, а также задающий элемент установленный на контроллере машиниста, с переключением режимов стабилизации заданной скорости электровоза или заданного тока якорных обмоток. Устройство содержит также сравнивающие устройства выходных сигналов задающего элемента и указанных датчиков.

Это устройство позволяет управлять тормозной силой при рекуперативном торможении транспортного средства путем регулирования тока в якорной обмотке тягового электродвигателя. Устройство содержит также отдельный канал управления, позволяющий работать в режиме стабилизации скорости движения транспортного средства.

Недостатком данного устройства является невысокая максимальная мощность электроэнергии рекуперации при торможении транспортного средства на малых скоростях. Это объясняется тем, что ЭДС при работе электрической машины в генераторном режиме, а именно в режиме динамического торможения, зависит от скорости вращения Е=cФn, а I=E/R, где

Е - эдс якоря генератора;

с - постоянный коэффициент для данной электромашины;

Ф - магнитный поток;

n - скорость вращения якоря;

I - ток в цепи якоря и нагрузки;

R - суммарное сопротивление якоря и внешней цепи (нагрузки), R=Rя+Rн, где

Rя - сопротивление якоря двигателя;

Rн - сопротивление внешней цепи.

Напряжение на двигателе в этом генераторном режиме U=Е-RяI.

Учитывая приведенные выше формулы, мощность, отдаваемая генератором

Как следует из формулы с уменьшением скорости транспортного средства при торможении отдаваемая генератором мощность, которая определяет объем рекуперативной энергии при торможении, уменьшается в квадрате.

Следовательно данное устройство, как и указанные выше аналоги, имеет низкую энергию рекуперации при низких скоростях движения транспортного средства.

Целью полезной модели является повышение объема рекуперативной энергии при торможении транспортного средства.

Эта цель достигается тем, что в устройство рекуперации кинетической энергии при торможении транспортного средства, включающее в себя электросеть, электродвигатель, трансмиссию от вала колесной пары транспортного средства до электродвигателя, систему управления привода, включающую в себя сравнивающие устройства и датчики, в трансмиссию дополнительно включены два или более вала с шестернями, при этом последний вал жестко соединен с валом электродвигателя, а на первом валу установлены две свободно вращающиеся на этом валу шестерни, которые находятся в зацеплении с шестернями, жестко закрепленными на остальных валах, причем между двумя шестернями на первом валу установлен переключатель редукции - двухсторонняя фрикционная муфта, укрепленная на этом валу с помощью шпоночного соединения и находящаяся в сцеплении либо с диском правой шестерни, либо с диском левой шестерни и управляющаяся устройством управления двухсторонней фрикционной муфты, вход которой электрически соединен с системой управления привода, которая соединена также с электродвигателем, аккумулирующим устройством и электросетью, при этом один из входов системы управления привода связан с выходом сравнивающего устройства, на входы которого подается напряжение от датчика скорости и заданное напряжение уставки, а на другой вход системы управления привода подается сигнал с выхода другого сравнивающего устройства, один из входов которого связан с датчиком ускорения, а другой - с устройством, задающим сигнал торможения, пропорциональный углу наклона педали тормоза, при этом передаточное число редукции (q1) от первого вала к последнему при сцеплении муфты с правой шестерней больше, чем передаточное число редукции (q2) от первого вала к последнему при сцеплении муфты с левой шестерней.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства.

Описание устройства в статике. Транспортное средство 1, вал колеса которого жестко соединен через трансмиссию 2 с первым дополнительным валом 3, на котором установлены две свободно вращающиеся шестерни 4 и 5. Между этими шестернями на валу 3 установлена при помощи шпоночного соединения 6 двухсторонняя фрикционная муфта 7, содержащая фрикционные диски 8 и 9 и связанная с устройством управления двухсторонней фрикционной муфты 10. Двухсторонняя фрикционная муфта 7 может свободно перемещаться на валу 3 вдоль шпоночного соединения 6. Вал содержит два упорных подшипника 11 и 12. Шестерни 4 и 5 находятся в зацеплении с шестернями соответственно 13 и 14, жестко укрепленными на валу 15, который жестко с помощью муфты 16 соединен с валом 17 электродвигателя 18. Электродвигатель 18 электрически соединен с системой управления привода 19, которая соединена с управляющим устройством двухсторонней фрикционной муфты 10, а также с выходами сравнивающих устройств 20 и 21. На первый вход сравнивающего устройства 20 подается напряжение с датчика скорости 22, а на второй вход - напряжение уставки «U уст». В качестве датчика скорости 22 используется тахогенератор, вал которого жестко связан с валом 3. На первый вход второго сравнивающего устройства 21 подается сигнал с датчика ускорения 23. В качестве датчика ускорения используется акселерометр, вал которого жестко связан с валом 3. На второй вход сравнивающего устройства 21 подается сигнал с устройства, задающего сигнал торможения 24. Устройство, задающее сигнал торможения 24, формирует электрический сигнал требуемого торможения и в простейшем виде представляет собой линейный потенциометр, движок которого жестко связан с педалью тормоза или ручкой торможения. При этом с устройства, задающего сигнал торможения 24, подается сигнал, пропорциональный углу наклона педали тормоза или углу поворота ручки торможения, который задает водитель или устройство, задающее сигнал торможения 24, работает в автоматическом режиме и формирует сигнал торможения в соответствии с заданной программой.

Система управления приводом 19 электрически соединена также с электродвигателем 18, аккумулирующим устройством 25 и электросетью 26. Аккумулирующее устройство 25 состоит из аккумулятора и/или конденсатора.

Устройство работает следующим образом.

При уменьшении скорости при торможении транспортного средства 1, когда его скорость станет ниже заданной (при этом напряжение «U тг» с тахогенератора 22 станет меньше заданного напряжения уставки «U уст»), с системы управления привода 19 подается сигнал на устройство управления двухсторонней фрикционной муфты 10, которое перемещает двухстороннюю фрикционную муфту 7 на валу 3 из левого положения в правое. При этом фрикционный диск 8 отходит от шестерни 4, устраняя тем самым ее жесткую связь с валом 3, а фрикционный диск 9 прижимается к шестерне 5, обеспечивая ее жесткое соединение с валом 3 через двухстороннюю фрикционную муфту 7. При этом система управления приводом 19 также переводит работу электродвигателя 18 в генераторный режим. Поскольку передаточное число редукции (q1) от вала 3 к валу 15 через шестерени 5 и 14 больше, чем передаточное число редукции (q2) через шестерни 4 и 13, пропорционально отношению передаточных чисел (q1) к (q2) увеличивается скорость ротора электродвигателя 18, который работает в генераторном режиме. В этом же режиме (когда скорость транспортного средства становится меньше заданной) система управления привода 19 переходит в режим регулирования по ускорению транспортного средства. Задающий сигнал торможения (ускорения со знаком минус) пропорциональный, например, углу наклона педали тормоза, с устройства, задающего сигнал торможения 24, подается на один из входов сравнивающего устройства 21, а на другой вход этого устройства подается сигнал с датчика ускорения 23, пропорциональный ускорению транспортного средства. По сигналу рассогласования на выходе сравнивающего устройства 21 работает система управления привода 19, управляя величиной тока якоря электродвигателя 18, работающего в генераторном режиме, а, значит, управляет тормозной силой. Этот ток якоря подается системой управления привода 19 в аккумулирующее устройство 25 или в электросеть 26. Таким образом, данное техническое решение реализует рекуперацию энергии при торможении транспортного средства на низких скоростях в большем объеме по сравнению с известными устройствами.

Источники информации.

1. Изобретение SU 1585181 А1, (51)5 B60L 7/12, опубликовано 15.08.1990 года, бюл. №30 (71). Авторы:

Кашканов Виктор Васильевич, Денисов Владимир Андреевич, Гурьянов Дмитрий Иванович, Ионов Анатолий Николаевич.

2. Ашрапов Фархат Умарович (RU), Ржавский Юрий Григорьевич Патент №2348541, B60K 6/00, «Рекуператор энергии торможения».

3. Патент РФ №84644 «Устройство для автоматического регулирования электрического рекуперативного тормоза электровоза постоянного тока». Авторы: Воробьев В.А. (RU), Ляпустин В.Н. (RU), Феоктистов В.П. (RU). Публикация патента: 10.07.2009.

Claims

Устройство рекуперации кинетической энергии при торможении транспортного средства, включающее в себя электросеть, электродвигатель, трансмиссию от вала колесной пары транспортного средства до электродвигателя, систему управления привода, включающую в себя сравнивающие устройства и датчики, отличающееся тем, что в трансмиссию дополнительно включены два или более вала с шестернями, при этом последний вал жестко соединен с валом электродвигателя, а на первом валу установлены две свободно вращающиеся на этом валу шестерни, которые находятся в зацеплении с шестернями, жестко закрепленными на остальных валах, причем между двумя шестернями на первом валу установлен переключатель редукции - двухсторонняя фрикционная муфта, укрепленная на этом валу с помощью шпоночного соединения и находящаяся в сцеплении либо с диском правой шестерни, либо с диском левой шестерни и управляющаяся устройством управления двухсторонней фрикционной муфты, вход которой электрически соединен с системой управления привода, которая соединена также с электродвигателем, аккумулирующим устройством и электросетью, при этом один из входов системы управления привода связан с выходом сравнивающего устройства, на входы которого подается напряжение от датчика скорости и заданное напряжение уставки, а на другой вход системы управления привода подается сигнал с выхода другого сравнивающего устройства, один из входов которого связан с датчиком ускорения, а другой - с устройством, задающим сигнал торможения, пропорциональный углу наклона педали тормоза, при этом передаточное число редукции (q1) от первого вала к последнему при сцеплении муфты с правой шестерней больше, чем передаточное число редукции (q2) от первого вала к последнему при сцеплении муфты с левой шестерней.