RU2715821C1

RU2715821C1 - Apparatus for absorbing braking energy of machine with electric drive

Info

Publication number: RU2715821C1
Application number: RU2019115215A
Authority: RU
Inventors: Владимир Андреевич Коровин
Original assignee: Владимир Андреевич Коровин
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-03-03

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to electrodynamic brake systems for vehicles. Proposed device comprises electric energy dissipation means and switching means to transmit electric power from power buses to electric power dissipation means. At that, electric energy dissipation means includes inductance coil and heat-absorbing element made of electrically conductive diamagnetic or ferromagnetic material and adapted for its heating at action of magnetic field generated by inductance coil. Switching device is made with possibility to create alternating current in inductance coil and contains half-bridge transistor module, output of which is connected to resonant circuit formed by inductance coil and at least one capacitor.

EFFECT: technical result consists in increase in the braking energy absorption power with simultaneous reduction of the device volume and weight.

6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электродинамического торможения машин различного назначения, в том числе самоходных машин с автономным ботовым источником энергии и электромеханической трансмиссией.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electrodynamic braking systems of machines for various purposes, including self-propelled cars with an autonomous botanical energy source and electromechanical transmission.

При торможении машины с электрическим приводом ее хода или рабочего органа, реализованным на основе электродвигателя (электродвигателей) переменного тока (асинхронного, синхронного, вентильно-индукторного и т.д.) и частотного преобразователя, электродвигатель переводится в генераторный режим. Генерируемое при этом напряжение выпрямляется обратными диодами биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT транзисторов), на которых, как правило, выполнена силовая часть частотного преобразователя. В результате этого энергия торможения машины или ее рабочего органа поступает на силовую шину звена постоянного тока, приводя к увеличению напряжения на ней.When braking a machine with an electric drive of its stroke or a working body, implemented on the basis of an alternating current electric motor (s) (asynchronous, synchronous, valve-inductor, etc.) and a frequency converter, the electric motor is put into generator mode. The voltage generated in this case is rectified by reverse diodes of insulated gate bipolar transistors (IGBTs), on which, as a rule, the power part of the frequency converter is made. As a result of this, the braking energy of the machine or its working body enters the power bus of the DC link, leading to an increase in voltage on it.

Часть этой энергии может поступать в бортовой источник энергии и накапливаться или рассеиваться в нем. Однако если этого недостаточно, напряжение на силовой шине может вырасти до недопустимо высокого значения. В этом случае для предотвращения перенапряжения электрический привод должен быть оснащен устройством поглощения энергии торможения.Part of this energy can enter the onboard energy source and accumulate or dissipate in it. However, if this is not enough, the voltage on the power bus can rise to an unacceptably high value. In this case, to prevent overvoltage, the electric drive must be equipped with a device for absorbing braking energy.

Известна система электропривода, в которой поглощение избытка мощности при торможении машины осуществляется в самом электродвигателе и преобразователе. В этом случае преобразователь управляет IGBT транзисторами из условия специального увеличения потерь мощности в электродвигателе, формируя сигналы управления в соответствии со значениями крутящего момента электродвигателя на характеристической линии увеличения потерь с целью изменения фазы тока относительно оптимального значения (RU 2379821 C1, Н02Р 21/00, Н02Р 3/18, B60L 9/12, B60W 10/08, 20.01.2010).A known electric drive system in which the absorption of excess power during braking of the machine is carried out in the electric motor and the converter. In this case, the converter controls the IGBT transistors from the condition of a special increase in power losses in the electric motor, generating control signals in accordance with the motor torque values on the characteristic line of increasing losses in order to change the current phase relative to the optimal value (RU 2379821 C1, Н02Р 21/00, Н02Р 3/18, B60L 9/12, B60W 10/08, 01/20/2010).

Недостатком этого технического решения является ограниченная возможность поглощения энергии торможения, не превышающая 20-30% номинальной мощности электропривода.The disadvantage of this technical solution is the limited ability to absorb braking energy, not exceeding 20-30% of the rated power of the electric drive.

Это ограничение отсутствует в устройстве для поглощения энергии торможения, традиционно применяющемся в электроприводах и реализованном на основе тормозного резистора и тормозного прерывателя, осуществляющего подключение тормозного резистора к силовой шине при возникновении на ней перенапряжений (US 5420491 А, Н02Р 1/24, 30.05.1995, US 6072291 А, H02K 7/10, 06.06.2000).This limitation is absent in the device for absorbing braking energy, traditionally used in electric drives and implemented on the basis of a braking resistor and a brake chopper, which connects the braking resistor to the power bus when an overvoltage occurs on it (US 5420491 A, Н02Р 1/24, 05/30/1995, US 6072291 A, H02K 7/10, 06/06/2000).

Однако в электроприводах, работающих на нагрузку с большим моментом инерции, в том числе в трансмиссиях самоходных машин, количество энергии торможения, поступающей через преобразователь частоты на силовую шину, относительно велико. Это исключает возможность размещения тормозного резистора внутри корпуса преобразователя.However, in electric drives operating on a load with a large moment of inertia, including transmissions of self-propelled vehicles, the amount of braking energy supplied through the frequency converter to the power bus is relatively large. This eliminates the possibility of placing a braking resistor inside the converter housing.

На тормозной резистор, размещенный вне корпуса преобразователя, особенно на самоходных машинах, воздействуют механические вибрации и удары, атмосферные конденсированные осадки и т.д., что может привести к возникновению токов утечек и коротких замыканий на корпус (землю, массу) машины. Это приводит, с одной стороны, к снижению надежности устройства, а с другой стороны, к его усложнению, поскольку в этом случае ГОСТ Р 50807 (МЭК 755) указывает на необходимость применения защитного устройства, управляемого дифференциальным (остаточным) током и выявляющего постоянную составляющую тока утечки тормозного резистора на корпус (землю, массу) машины с его последующим отключением от силовых шин.The brake resistor located outside the converter housing, especially on self-propelled vehicles, is affected by mechanical vibrations and shocks, atmospheric condensed precipitation, etc., which can lead to leakage currents and short circuits on the machine body (earth, ground). This leads, on the one hand, to a decrease in the reliability of the device and, on the other hand, to its complication, since in this case GOST R 50807 (IEC 755) indicates the need for a protective device controlled by a differential (residual) current and revealing a constant current component leakage of the brake resistor to the body (earth, ground) of the machine with its subsequent disconnection from the busbars.

С целью упрощения защитного устройства предложено устройство поглощения энергии торможения, в котором тормозной резистор подключен к тормозному прерывателю через трансформатор (US 6072291 А, H02K 7/10, 06.06.2000).In order to simplify the protective device, a brake energy absorption device is proposed in which the brake resistor is connected to the brake chopper via a transformer (US 6072291 A, H02K 7/10, 06.06.2000).

Наличие гальванической развязки тормозного резистора от силовых шин позволяет упростить защитное устройство за счет замены защитного отключения тормозного резистора сигнализацией тока утечки.The presence of galvanic isolation of the braking resistor from the power buses allows to simplify the protective device by replacing the protective shutdown of the braking resistor with a leakage current alarm.

Недостатками этого технического решения являются повышенные габаритные размеры и масса, обусловленные наличием трансформатора.The disadvantages of this technical solution are the increased overall dimensions and weight due to the presence of a transformer.

Наиболее близким к предложенному является устройство для поглощения энергии торможения в электроприводе, в котором в качестве средства рассеивания электрической энергии вместо тормозного резистора используется катушка индуктивности, намотанная вокруг ферромагнитного магнитопровода дросселя фильтра в звене постоянного тока и подключаемая с помощью однотактного коммутатора к силовой шине преобразователя во время торможения машины электродвигателем (US 8487560 Al, Н02Р 3/22, 20.10.2010; ЕР 2356738 Al, Н02Р 3/18, 17.08.2011).Closest to the proposed one is a device for absorbing braking energy in an electric drive, in which an inductance coil is used instead of a braking resistor as a means of dissipating electric energy, wound around a filter choke ferromagnetic magnetic circuit in a DC link and connected via a single-cycle switch to the converter power bus during machine braking by electric motor (US 8487560 Al, Н02Р 3/22, 10/20/2010; EP 2356738 Al, Н02Р 3/18, 08/17/2011).

Однако использование в качестве тепловоспринимающего элемента средства рассеивания электрической энергии исключительно ферромагнитного магнитопровода дросселя приводит к необходимости увеличения объема и массы этого магнитопровода и устройства в целом из-за необходимости обеспечения возможности накопления в магнитопроводе большого количества теплоты.However, the use of an exclusively ferromagnetic magnetic circuit of the inductor as a heat-absorbing element of the electric energy leads to the need to increase the volume and mass of this magnetic circuit and the device as a whole because of the need to ensure the possibility of accumulation of a large amount of heat in the magnetic circuit.

В этом устройстве эффективному отводу тепла от магнитопровода препятствует катушка, охватывающая этот магнитопровод. Кроме того теплопроводность электротехнической стали ниже теплопроводности конструкционной стали и цветных металлов, причем выполнение магнитопровода шихтованным из листов электротехнической стали приводит к дальнейшему ухудшению условий отвода тепла от магнитопровода. Поэтому недостатком известного устройства является невысокая удельная мощность поглощения энергии торможения - невысокое отношение поглощаемой мощности в длительном режиме работы устройства к его объему или массе.In this device, an effective heat dissipation from the magnetic circuit is prevented by a coil covering this magnetic circuit. In addition, the thermal conductivity of electrical steel is lower than the thermal conductivity of structural steel and non-ferrous metals, moreover, the implementation of a magnetic circuit laden with sheets of electrical steel leads to further deterioration of the conditions for heat removal from the magnetic circuit. Therefore, the disadvantage of the known device is the low specific power of absorption of braking energy - a low ratio of absorbed power in a continuous mode of operation of the device to its volume or mass.

Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания малогабаритного устройства для поглощения энергии торможения машины с электрическим приводом, обладающего высокой эффективностью поглощения энергии, простотой конструкции и высокой надежностью. Задачей изобретения является создание такого устройства.From the analysis of analogues and prototype it follows that in the prior art the technical problem of creating a small-sized device for absorbing braking energy of an electric drive machine with high energy absorption efficiency, simplicity of design and high reliability has not been solved. The objective of the invention is the creation of such a device.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, повышение мощности поглощения энергии торможения машины с электрическим приводом при одновременном уменьшении объема и массы устройства, т.е. повышение удельной мощности устройства в длительном режиме его работы.The technical result provided by the invention is to increase the absorption power of braking energy of a machine with an electric drive while reducing the volume and mass of the device, i.e. increasing the specific power of the device in a long mode of operation.

В устройстве для поглощения энергии торможения машины с электрическим приводом, содержащем средство рассеивания электрической энергии, генерируемой электродвигателем при торможении машины и передаваемой преобразователем на силовые шины, соединенные с выводам питания этого преобразователя, и средство переключения, подключенное к силовым шинам, соединенное со средством рассеивания электрической энергии и передающее электрическую энергию с силовых шин на средство рассеивания электрической энергии, содержащее катушку индуктивности, указанный технический результат достигается за счет того, что средство переключения выполнено с возможностью создания в катушке индуктивности переменного тока, а средство рассеивания электрической энергии содержит тепловоспринимающий элемент, выполненный из электропроводного диамагнитного или ферромагнитного материала и приспособленный для его нагрева при воздействии на него магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности.In a device for absorbing braking energy of a machine with an electric drive, comprising means for dissipating electric energy generated by the electric motor during braking of the machine and transmitted by the converter to power buses connected to power terminals of this converter, and switching means connected to power buses connected to electric power dissipation means energy and transmitting electrical energy from the power bus to the means of dissipation of electrical energy containing an inductor, This technical result is achieved due to the fact that the switching means is configured to create an alternating current in the inductor, and the electric energy dissipation device contains a heat-sensing element made of an electrically conductive diamagnetic or ferromagnetic material and adapted to heat it when exposed to a magnetic field generated by it inductor.

В целях достижения указанного технического результата в частных вариантах реализации изобретения:In order to achieve the specified technical result in private embodiments of the invention:

- катушка индуктивности и ее электрическая изоляция выполнены с возможностью передачи тепла от катушки индуктивности тепловоспринимающему элементу;- the inductance coil and its electrical insulation are configured to transfer heat from the inductance coil to the heat-sensing element;

- в качестве по меньшей мере части тепловоспринимающего элемента используется элемент конструкции машины;- as at least part of the heat-receiving element, a machine structural element is used;

- тепловоспринимающий элемент оснащен средством отвода от него тепла окружающей среде, или по меньшей мере одному элементу конструкции машины, или рабочей жидкости машины;- the heat-receiving element is equipped with means for removing heat from it to the environment, or to at least one structural member of the machine, or the working fluid of the machine;

- тепловоспринимающий элемент выполнен из диамагнитного или ферромагнитного материала, в частности, из алюминия, латуни, меди, в виде трубы, приспособленной для протекания внутри нее рабочей жидкости машины;- the heat-receiving element is made of diamagnetic or ferromagnetic material, in particular, aluminum, brass, copper, in the form of a pipe adapted for the flow of the working fluid of the machine inside it;

- тепловоспринимающий элемент выполнен из магнитотвердого материала с возможностью его дополнительного нагрева за счет потерь на гистерезис при перемагничивании в магнитном поле, создаваемом катушкой индуктивности;- the heat-receiving element is made of hard magnetic material with the possibility of additional heating due to hysteresis losses during magnetization reversal in the magnetic field created by the inductor;

- средство переключения содержит полумостовой транзисторный модуль, выход которого подключен к первому выводу катушки индуктивности, второй вывод которой по меньшей мере через один конденсатор подключен по меньшей мере к одной силовой шине.- the switching means comprises a half-bridge transistor module, the output of which is connected to the first terminal of the inductor, the second terminal of which is connected through at least one capacitor to at least one power bus.

Реализация отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивает получение одного и того же технического результата.The implementation of the distinguishing features of the independent and dependent claims provides for the receipt of the same technical result.

В том числе реализация признаков независимого пункта формулы изобретения, предусматривающих создание средства переключения, формирующего переменный ток в катушке индуктивности, а также применение в средстве рассеивания электрической энергии тепловоспринимающего элемента, не являющегося сердечником (магнитопроводом) дросселя и выполненного из электропроводного диамагнитного или ферромагнитного материала, приспособленного для его нагрева при воздействии на него магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности, позволяет использовать в качестве тепловоспринимающего элемента широкий спектр элементов конструкции машины и ее привода, а также разнообразные конструкции, выполненные не только из ферромагнетика, но из цветных металлов и сплавов. В частности, применение в качестве тепловоспринимающего элемента массивных металлических конструктивных элементов машины (рамы, корпуса и т.д.) позволяет без применения специально установленного тепловоспринимающего элемента существенно увеличить возможности накопления теплоты в этом элементе и его охлаждения, что обеспечивает существенное повышение мощности поглощения энергии торможения машины при одновременном уменьшении объема и массы устройства. Аналогичным образом, выполнение тепловоспринимающего элемента, например, в виде плиты жидкостного охлаждения из алюминиевого или медного сплава, также обеспечивает значительное повышение удельной мощности устройства.Including the implementation of the features of an independent claim, providing for the creation of a switching means that generates alternating current in the inductor, as well as the use of a heat-sensing element in the electric energy dissipator, which is not the core (magnetic core) of the inductor and made of an electrically conductive diamagnetic or ferromagnetic material, adapted to heat it when exposed to a magnetic field created by an inductor, it allows zovat as heat reception element wide range of structural elements of the machine and its drive as well as a variety of designs, not only made of ferromagnetic material, but from non-ferrous metals and alloys. In particular, the use of massive metal structural elements of a machine (frame, housing, etc.) as a heat-receiving element allows, without the use of a specially installed heat-receiving element, to significantly increase the possibility of heat storage in this element and its cooling, which provides a significant increase in the absorption energy of braking energy machines while reducing the volume and mass of the device. Similarly, the implementation of the heat-receiving element, for example, in the form of a liquid cooling plate made of aluminum or copper alloy, also provides a significant increase in the specific power of the device.

Обеспечение возможности передачи тепла от катушки индуктивности тепловоспринимающему элементу, предусмотренное первым отличительным признаком зависимого пункта формулы изобретения, обеспечивает повышение удельной мощности устройства за счет обеспечения возможности уменьшения размеров и объемом катушки благодаря улучшению условий ее охлаждения и более интенсивной передачи тепла от нее тепловоспринимающему элементу.The possibility of transferring heat from the inductor to the heat-sensing element, provided by the first distinguishing feature of the dependent claim, increases the specific power of the device by providing the possibility of reducing the size and volume of the coil due to the improvement of its cooling conditions and more intensive heat transfer from it to the heat-receiving element.

Использование в качестве тепловоспринимающего элемента какого-либо элемента конструкции машины, предусмотренное следующим отличительным признаком зависимого пункта формулы, обеспечивает повышение удельной мощности за счет исключения необходимость установки отдельного тепловоспринимающего элемента и улучшения отвода тепла от него.The use of a machine design element as a heat-receiving element, provided for by the following distinguishing feature of the dependent claim, provides an increase in specific power by eliminating the need to install a separate heat-receiving element and improve heat removal from it.

Оснащение тепловоспринимающего элемента средством отвода от него тепла окружающей среде, какому-либо элементу конструкции или рабочей жидкости машины позволяет повысить интенсивность отвода тепла от этого элемента и уменьшить его размеры (объем), что также обеспечивает достижение указанного технического результата.Equipping a heat-receiving element with a means of removing heat from it to the environment, to any structural element or working fluid of the machine can increase the intensity of heat removal from this element and reduce its size (volume), which also ensures the achievement of the specified technical result.

Выполнение тепловоспринимающего элемента из диамагнитного материала (алюминия, латуни, меди и т.п.), в частности, в виде трубы с протекающей внутри нее рабочей жидкостью машины, позволяет увеличить удельную мощность устройства за счет более высокой теплопроводности этого материала и более эффективного отвода тепла от такого элемента.The implementation of the heat-receiving element from a diamagnetic material (aluminum, brass, copper, etc.), in particular, in the form of a pipe with a working fluid of a machine flowing inside it, allows to increase the specific power of the device due to the higher thermal conductivity of this material and more efficient heat removal from such an element.

Реализация следующего отличительного признака зависимого пункта формулы изобретения, предусматривающего изготовление тепловоспринимающего элемента из магнитотвердого материала, обладающего, по сравнению с магнитомягким материалом сердечника дросселя, использующегося в прототипе, более высокими потерями на гистерезис при перемагничивании в магнитном поле, создаваемом катушкой индуктивности, позволяет повысить интенсивность нагрева этого тепловоспринимающего элемента, что также обеспечивает повышение удельной мощности устройства.The implementation of the following distinctive feature of the dependent claim, providing for the manufacture of a heat-receiving element from a magnetically hard material, which, in comparison with the soft magnetic core material of the inductor used in the prototype, has higher hysteresis losses during magnetization reversal in the magnetic field created by the inductor, allows to increase the heating intensity this heat-receiving element, which also provides an increase in the specific power of the device wa.

В случае реализации последнего отличительного признака зависимого пункта формулы изобретения, согласно которому средство переключения содержит полумостовой транзисторный модуль и конденсатор, включенный последовательно с катушкой индуктивности, достигается снижение объема устройства да счет более лучших удельных характеристик полумостовых транзисторных модулей по сравнению с модулями других топологий, а также за счет использования явления резонанса в контуре, образованном катушкой индуктивности и конденсатором. Это позволяет уменьшить объем средства переключение, повысить его КПД и мощность, что также обеспечивает достижение указанного технического результата - повышение удельной мощности предложенного устройства.In the case of the implementation of the last distinguishing feature of the dependent claim, according to which the switching means comprises a half-bridge transistor module and a capacitor connected in series with the inductor, a reduction in the volume of the device and due to better specific characteristics of the half-bridge transistor modules are achieved in comparison with modules of other topologies, as well as due to the use of the resonance phenomenon in the circuit formed by the inductor and capacitor. This allows you to reduce the amount of switching means, increase its efficiency and power, which also ensures the achievement of the specified technical result - increasing the specific power of the proposed device.

В этом устройстве может быть реализован как один из указанных альтернативных отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения, так и одновременно несколько отличительных признаков. Например, передача или отсутствие передачи тепла от катушки индуктивности к тепловоспринимающему элементу может обеспечиваться путем обеспечения теплового контакта катушки с этим элементом, либо теплоизоляции катушки от этого элемента, что не влияет на возможность реализации других отличительных признаков изобретения.This device can be implemented as one of these alternative distinguishing features of the independent and dependent claims, as well as several distinctive features. For example, the transfer or absence of heat transfer from the inductor to the heat-sensing element can be achieved by providing thermal contact of the coil with this element, or thermal insulation of the coil from this element, which does not affect the possibility of implementing other distinctive features of the invention.

Изобретение может быть реализовано в любом реверсивном электрическом приводе.The invention can be implemented in any reversible electric drive.

Для пояснения технической сущности, принципа действия и возможности осуществления предложенного устройства на чертеже в качестве примера показана упрощенная схема электрического привода машины с автономным источником энергии и предложенным устройством поглощения энергии ее торможения.To clarify the technical essence, the principle of operation and the possibility of implementing the proposed device, an example of a simplified diagram of an electric drive of a machine with an autonomous energy source and the proposed device for absorbing its braking energy is shown as an example.

На этой машине, роль первичного источника энергии выполняет приводной двигатель 1, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС).On this machine, the role of the primary energy source is played by the drive motor 1, made in the form of an internal combustion engine (ICE).

ДВС механически соединен с генератором 2, который является источником электрической энергии для работы привода. Генератор может иметь любую конструкцию. В частности, с постоянными магнитами на роторе, как показано на чертеже.ICE is mechanically connected to a generator 2, which is a source of electrical energy for the drive. The generator can be of any design. In particular, with permanent magnets on the rotor, as shown in the drawing.

Выходное переменное напряжение генератора 2 через силовой выпрямитель 3 поступает на сглаживающий фильтр, выполненный, например, в виде конденсатора (блока конденсаторов) 4. Напряжение постоянного тока, например с номинальным напряжением 540 V, по силовым шинам 5 поступает на выводы питания преобразователя 6, который может именоваться также инвертором, контроллером, силовым электронным блоком и т.д.The output alternating voltage of the generator 2 through the power rectifier 3 is supplied to the smoothing filter, made, for example, in the form of a capacitor (block of capacitors) 4. The DC voltage, for example with a rated voltage of 540 V, is supplied through the power buses 5 to the power leads of the converter 6, which may also be called an inverter, controller, power electronic unit, etc.

Преобразователь 6 предназначен для преобразования постоянного напряжения на силовых шинах 5 в многофазное переменное напряжение или однополярные импульсы, поступающие на фазные обмотки электродвигателя 7, а также для их обратного преобразования в постоянное напряжение при работе электродвигателя в генераторном режиме при торможении машины. Преобразователь содержит, как правило, силовые электронные ключи, выполненные по симметричной или несимметричной мостовой схеме на биполярных транзисторах (модулях) с изолированным затвором (IGBT), гальванически развязанные драйверы этих транзисторов (модулей), микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор, а также интерфейсные устройства, приспособленные для обмена информацией между другими составными частями электропривода и/или системы управления машины в целом.Converter 6 is intended for converting direct voltage on power buses 5 to multiphase alternating voltage or unipolar pulses supplied to the phase windings of electric motor 7, as well as for their reverse conversion to direct voltage when the motor is in generator mode when the machine is braking. The converter contains, as a rule, power electronic keys, made according to a symmetric or asymmetric bridge circuit on insulated gate bipolar transistors (modules) (IGBT), galvanically isolated drivers of these transistors (modules), a microcontroller or digital signal processor, as well as interface devices, adapted for the exchange of information between other components of the electric drive and / or the control system of the machine as a whole.

Электродвигатель может быть реактивным индукторным, асинхронным, синхронным с постоянными магнитами на роторе и т.д.The electric motor can be reactive induction, asynchronous, synchronous with permanent magnets on the rotor, etc.

Возможна реализация электрического привода машины как с одним, так и с несколькими электродвигателями, которые могут работать от одного преобразователя 6 или от нескольких преобразователей, подключенных к общим силовым шинам 5.It is possible to implement an electric drive of a machine with either one or several electric motors, which can operate from a single converter 6 or from several converters connected to a common power bus 5.

Силовой выпрямитель 3 может быть выполнен по схеме многофазного неуправляемого диодного, управляемого тиристорного или полууправляемого диодно-тиристорного моста, либо иметь конструкцию, аналогичную преобразователю 6. В последнем случае силовые IGBT транзисторы (ключи) используются для возбуждения генератора, например, вентильно-индукторного, а выпрямление его выходного напряжения осуществляется с помощью обратных диодов IGBT транзисторов.Power rectifier 3 can be made according to the scheme of a multiphase uncontrolled diode, controlled thyristor or semi-controlled diode-thyristor bridge, or have a design similar to converter 6. In the latter case, power IGBT transistors (switches) are used to excite a generator, for example, a valve-inductor, and rectification of its output voltage is carried out using reverse diodes IGBT transistors.

Сигналы контроля и управления электрическим приводом и машиной, на которой он используется, могут предаваться по мультиплексной линии передачи информационных сигналов 8, выполненной с использованием стандарта промышленной сети CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров), либо с использованием других технических средств.The control and control signals of the electric drive and the machine on which it is used can be transmitted via the multiplexed information signal transmission line 8, made using the standard industrial network CAN (Controller Area Network), or using other technical means.

В случаях, когда машина имеет автономный источник энергии (ДВС 1 с генератором 2), рекуперация энергии торможения во внешнюю электрическую цепь невозможна. Если при этом машина имеет большую массу или большую инерционную нагрузку, а в ее приводе отсутствует автономный накопитель энергии или его емкость недостаточна, электрический привод должен быть оснащен устройством поглощения избыточной энергии торможения.In cases where the machine has an autonomous energy source (ICE 1 with generator 2), recovery of braking energy into an external electrical circuit is not possible. If the machine has a large mass or a large inertial load, and its drive does not have an autonomous energy storage device or its capacity is insufficient, the electric drive must be equipped with a device for absorbing excess braking energy.

Это устройство состоит из двух основных составных частей - из средства рассеивания электрической энергии, генерируемой электродвигателем при торможении машины, которое осуществляет утилизацию этой энергии, и средства переключения, обеспечивающего включение в работу средства рассеивания электрической энергии, управление им, а также формирование токов и напряжений определенной формы и амплитуды, необходимых для его работы.This device consists of two main components - from the means of dissipation of electric energy generated by the electric motor during braking of the machine, which utilizes this energy, and switching means, which ensures the inclusion of the means of dissipation of electric energy, their control, as well as the formation of currents and voltages of a certain forms and amplitudes necessary for its operation.

Средство рассеивания электрической энергии состоит из катушки индуктивности 9, электропроводного тепловоспринимающего элемента 10 и элементов крепления катушки индуктивности 11 к тепловоспринимающему элементу.The means for dissipating electric energy consists of an inductor 9, an electrically conductive heat-sensing element 10, and fastening elements of an inductor 11 to a heat-sensing element.

Катушка индуктивности 9 может быть выполнена из медного или алюминиевого провода и может иметь любую форму. В качестве примера на чертеже показана однослойная плоская спиральная катушка, выполненная из провода с термостойкой изоляцией, например, из стекловолокна или слюды, и прижатая к поверхности тепловоспринимающего элемента.The inductor 9 can be made of copper or aluminum wire and can be of any shape. As an example, the drawing shows a single-layer flat spiral coil made of wire with heat-resistant insulation, for example, fiberglass or mica, and pressed to the surface of the heat-receiving element.

Охлаждение катушки может осуществляться как через ее наружную поверхность (например, естественное конвективное охлаждение), так и через тепловоспринимающий элемент 10. В последнем случае катушка и ее электрическая изоляция выполнены с возможностью передачи тепла от этой катушки тепловоспринимающему элементу. Варианты такого исполнения - применение изоляции провода катушки с высокой теплопроводностью, заполнение зазоров между катушкой и тепловоспринимающим элементом теплопроводным компаундом (нанесение компаунда на поверхность тепловоспринимающего элемента перед установкой на нее катушки, пропитка в сборе и т.п.), устройство канавок на поверхности тепловоспринимающего элемента, сечение которых соответствует сечению провода катушки с изоляцией.The coil can be cooled both through its outer surface (for example, natural convective cooling) and through a heat-sensing element 10. In the latter case, the coil and its electrical insulation are capable of transferring heat from this coil to the heat-sensing element. Variants of this design are the use of insulation of the coil wire with high thermal conductivity, filling the gaps between the coil and the heat-receiving element with a heat-conducting compound (applying the compound to the surface of the heat-receiving element before installing the coil on it, impregnating assembly, etc.), grooves on the surface of the heat-receiving element , the cross section of which corresponds to the cross section of the wire of the coil with insulation.

Тепловоспринимающий элемент может быть выполнен как из диамагнитного (алюминия и его сплавов, меди, латуни и т.п.), так и ферромагнитного материала. Например, из конструкционной стали.The heat-receiving element can be made of both diamagnetic (aluminum and its alloys, copper, brass, etc.), and a ferromagnetic material. For example, from structural steel.

С целью обеспечения возможности дополнительного нагрева тепловоспринимающего элемента за счет потерь на гистерезис при перемагничивании в магнитном поле, создаваемом катушкой индуктивности 9, возможно также его изготовление из магнитотвердого материала, например, из стали, закаленной на мартенсит или легированной хромом или кобальтом.In order to provide the possibility of additional heating of the heat-receiving element due to hysteresis losses during magnetization reversal in the magnetic field created by the inductor 9, it is also possible to make it from magnetically hard material, for example, steel hardened to martensite or alloyed with chromium or cobalt.

В качестве тепловоспринимающего элемента или его части целесообразно использовать какой-либо элемент конструкции машины или ее привода, предпочтительно массивный и/или крупногабаритный. Например, днище или боковую стенку корпуса, раму или остов машины, корпус генератора, корпус электродвигателя, корпус ДВС и т.д.As a heat-absorbing element or part thereof, it is advisable to use any structural element of the machine or its drive, preferably massive and / or large. For example, the bottom or side wall of the body, the frame or skeleton of the machine, the body of the generator, the body of the electric motor, the engine body, etc.

В этом случае отпадает необходимость в применении отдельного тепловоспринимающего элемента, а катушка индуктивности 9 закрепляется непосредственно на корпусе, раме, остове или другом конструктивном элементе (составной части) машины или ее привода. Такое техническое решение обеспечивает, с одной стороны, минимизацию объема и массы предложенного устройства, а с другой стороны - высокую мощность поглощаемой энергии, что обусловлено массивностью (большим сечением) или большой площадью указанных элементов конструкции и, соответственно, малым тепловым сопротивлением на пути отвода тепла от зоны нагрева.In this case, there is no need to use a separate heat-sensing element, and the inductor 9 is fixed directly to the body, frame, skeleton or other structural element (component) of the machine or its drive. Such a technical solution ensures, on the one hand, minimization of the volume and mass of the proposed device, and on the other hand, a high power of absorbed energy, which is due to the massiveness (large cross section) or large area of these structural elements and, accordingly, low thermal resistance in the heat removal path from the heating zone.

Тепловоспринимающий элемент может быть также выполнен в виде конструктивно законченной конструкции, например, в виде стальной, медной, алюминиевой или латунной плиты 10, к которой с помощью элементов 11 прикреплена катушка индуктивности 9.The heat-receiving element can also be made in the form of a structurally finished structure, for example, in the form of a steel, copper, aluminum or brass plate 10, to which an inductor 9 is attached using elements 11.

При высоком уровне поглощаемой мощности торможения такой элемент должен быть оснащен средством отвода от него тепла окружающей среде, элементу конструкции или рабочей жидкости машины (охлаждающей жидкости или масла в системе смазки ДВС, масла в гидросистеме рабочего оборудования и т.д.), выполняющей роль хладагента.With a high level of absorbed braking power, such an element must be equipped with a means of removing heat from it to the environment, a structural element or the working fluid of the machine (coolant or oil in the internal combustion engine lubrication system, oil in the hydraulic system of working equipment, etc.), which acts as a refrigerant .

Например, он может быть выполнен в виде металлической плиты, имеющей ребра для естественного или принудительного воздушного охлаждения, или прикреплен к элементу конструкции машины с обеспечением теплового контакта между ними. Например, приварен или прижат к нему через теплопроводящую прокладку, пасту и т.п.For example, it can be made in the form of a metal plate having fins for natural or forced air cooling, or attached to a structural element of the machine with thermal contact between them. For example, it is welded or pressed to it through a heat-conducting gasket, paste, etc.

Внутри тепловоспринимающего элемента могут быть выполнены каналы жидкостного охлаждения, соединенные с системой жидкостного охлаждения ДВС или с гидросистемой рабочего оборудования машины.Inside the heat-receiving element, liquid cooling channels can be made, connected to the liquid cooling system of the internal combustion engine or to the hydraulic system of the working equipment of the machine.

Возможна также реализация тепловоспринимающего элемента в виде стальной, медной, алюминиевой или латунной трубы, на которую намотаны витки катушки индуктивности. В этом случае рабочая жидкость машины (антифриз, вода, масло и т.д.), протекающая внутри трубы с помощью циркуляционного насоса, охлаждается во внешнем теплообменнике (радиаторе). Дополнительно тепло, выделяющееся в катушке при протекании по ней электрического тока, через изоляцию катушки индуктивности передается на трубу и далее на рабочую жидкость машины (хладагент).It is also possible to realize a heat-receiving element in the form of a steel, copper, aluminum or brass pipe, on which coils of an inductor are wound. In this case, the working fluid of the machine (antifreeze, water, oil, etc.) flowing inside the pipe using a circulation pump is cooled in an external heat exchanger (radiator). Additionally, the heat released in the coil when an electric current flows through it, is transferred through the insulation of the inductor to the pipe and then to the working fluid of the machine (refrigerant).

Средство рассеивания электрической энергии может быть разделено на несколько частей (средств рассеивания энергии меньшей мощности). При этом катушки индуктивности этих частей могут быть соединены между собой последовательно или параллельно и подключены к одному (общему) средству переключения, либо к отдельным (нескольким) средствам переключения.The means for dissipating electrical energy can be divided into several parts (means for dissipating energy of lower power). In this case, the inductance coils of these parts can be connected to each other in series or in parallel and connected to one (common) switching means, or to separate (several) switching means.

Средство переключения, обеспечивающее передачу электрической энергии от силовых шин 5 к средству рассеивания электрической энергии и создающее в катушке индуктивности 9 переменный ток, может именоваться также тормозным прерывателем, тормозным коммутатором, тормозным частотным инвертором и т.д. Это средство может содержать мостовой или полумостовой транзисторный модуль 12, контроллер 13, обеспечивающий управление этим модулем, и прочие элементы.The switching means, providing the transfer of electric energy from the busbars 5 to the means of dissipating electric energy and creating an alternating current in the inductor 9, can also be called a brake chopper, brake switch, brake frequency inverter, etc. This tool may include a bridge or half-bridge transistor module 12, a controller 13 that controls this module, and other elements.

Выход модуля 12 соединен с катушкой индуктивности, последовательно с которой включены конденсаторы 14, 15, величины емкостей которых выбраны из условия настройки контура, образованного катушкой индуктивности 9 и этими конденсаторами, в резонанс на частоте выходного переменного напряжения транзисторного модуля. Один из конденсаторов 14 или 15 может отсутствовать.The output of module 12 is connected to an inductor, in series with which capacitors 14, 15 are connected, the capacitances of which are selected from the condition for tuning the circuit formed by the inductor 9 and these capacitors to resonance at the frequency of the output alternating voltage of the transistor module. One of the capacitors 14 or 15 may be absent.

Возможна также реализация иной схемы средства переключения. Например, мостовой схемы резонансного преобразователя с последовательным формирующим контуром в диагонали.It is also possible to implement a different circuit means of switching. For example, a bridge circuit of a resonant converter with a sequential forming circuit in the diagonal.

Контроллер 13 может именоваться также устройством или блоком управления, информационно-управляющей схемой и т.д. Он содержит драйверы силовых транзисторов модуля 12 и может быть реализован как на основе микроконтроллера, так и на основе дискретных электронных компонентов или микросхем малой и средней степени интеграции. Этот контроллер реализует предварительно определенные алгоритмы управления силовыми транзисторами модуля 12, их защиту, а также, в случае необходимости, прием и передачу сигналов управления устройством по шине CAN.The controller 13 may also be referred to as a device or control unit, information management circuit, etc. It contains drivers for power transistors of module 12 and can be implemented both on the basis of a microcontroller and on the basis of discrete electronic components or microcircuits of small and medium degree of integration. This controller implements predefined control algorithms for power transistors of module 12, their protection, as well as, if necessary, reception and transmission of device control signals via the CAN bus.

Предложенное устройство поглощения энергии торможения может также содержать различные дополнительные элементы, условно не показанные на чертеже. В том числе обеспечивающие контроль и сигнализацию токов утечки силовых шин 5 на «массу» машины, контроль температуры составных частей устройства, разряд фильтрующего конденсатора 4 после остановки ДВС и т.д.The proposed device for absorbing braking energy may also contain various additional elements, conventionally not shown in the drawing. Including those providing control and signaling of leakage currents of power buses 5 to the machine’s mass, temperature control of the component parts of the device, discharge of the filtering capacitor 4 after stopping the internal combustion engine, etc.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Оператор осуществляет запуск ДВС и задает скорость и направление движения машины (скорость и направление вращения электродвигателя 7). ДВС приводит во вращение ротор генератора 2. Его выходное напряжение с помощью силового выпрямителя (контроллера генератора) 3 преобразуется в напряжение постоянного тока +Uc, -Uc, фильтруется конденсатором 4 и по силовым шинам 5 поступает на выводы питания преобразователя 6 электродвигателя 7 и на транзисторный модуль 12 средства переключения.The operator starts the engine and sets the speed and direction of movement of the machine (speed and direction of rotation of the electric motor 7). ICE rotates the rotor of the generator 2. Its output voltage with the help of a power rectifier (generator controller) 3 is converted to a DC voltage + Uc, -Uc, filtered by a capacitor 4 and fed through the power buses 5 to the power terminals of the converter 6 of the electric motor 7 and to the transistor switching means module 12.

Преобразователь 6 после получения сигнала управления по шине CAN преобразуют напряжение постоянного тока +Uc, -Uc на силовых шинах 5 в переменное напряжение или в однополярные импульсы регулируемой частоты и скважности, поступающие на фазные обмотки электродвигателя 7. Крутящий момент, создаваемый электродвигателем, приводит машину в движение. Аналогичным образом приводится в движение рабочее оборудование машины, если электродвигатель 7 используется для его привода.Converter 6, after receiving a control signal via the CAN bus, converts the DC voltage + Uc, -Uc on the power buses 5 into alternating voltage or into unipolar pulses of adjustable frequency and duty cycle supplied to the phase windings of the electric motor 7. The torque generated by the electric motor drives the machine into traffic. Similarly, the working equipment of the machine is set in motion, if the electric motor 7 is used to drive it.

При торможении машины или ее рабочего оборудования электродвигатель 7 работает в генераторном режиме. Кинетическая энергия, преобразованная в электрическую, т.е., энергия торможения, с электродвигателя 7 через преобразователь 6 передается на силовые шины 5, что приводит к повышению напряжения на этих шинах.When braking the machine or its working equipment, the electric motor 7 operates in a generator mode. Kinetic energy converted into electrical energy, i.e., braking energy, is transferred from the electric motor 7 through the converter 6 to the power buses 5, which leads to an increase in voltage on these tires.

Если это напряжение превышает предварительно установленную допустимую величину, контроллер 13 формирует сигналы управления транзисторным модулем 12, в результате чего на катушку индуктивности 9 средства рассеивания электрической энергии поступает переменное напряжение. Частота этого напряжения устанавливается равной резонансной частоте колебательного контура, образованного этой катушкой и конденсаторами 14, 15. Она выбирается из условия достижения максимальной удельной мощности устройства и составляет, как правило, единицы килогерц при реализации тепловоспринимающего элемента из ферромагнитного материала и десятки килогерц, если этот элемент выполнен из диамагнитного материала.If this voltage exceeds a pre-set allowable value, the controller 13 generates control signals for the transistor module 12, as a result of which an alternating voltage is supplied to the inductor 9 of the electric power dissipating means. The frequency of this voltage is set equal to the resonant frequency of the oscillating circuit formed by this coil and capacitors 14, 15. It is selected from the condition that the maximum specific power of the device is achieved and, as a rule, is units of kilohertz when implementing a heat-sensing element of ferromagnetic material and tens of kilohertz, if this element made of diamagnetic material.

Переменный ток, протекающий по катушке индуктивности 6, создает переменное магнитное поле внутри тепловоспринимающего элемента 10, осуществляя его индукционный нагрев за счет вихревых токов, гистерезиса и магнитной вязкости. Одновременно осуществляется дополнительный нагрев тепловоспринимающего элемента за счет передачи тепла от катушки индуктивности элементу. В результате этого осуществляется преобразование электрической энергии торможения в тепловую энергию и ее передачей от силовых шин 5 на тепловоспринимающий элемент.The alternating current flowing through the inductor 6 creates an alternating magnetic field inside the heat-sensing element 10, carrying out its induction heating due to eddy currents, hysteresis and magnetic viscosity. At the same time, additional heating of the heat-receiving element is carried out due to the transfer of heat from the inductor to the element. As a result of this, the electric energy of braking is converted into thermal energy and its transmission from the power bus 5 to the heat-receiving element.

Далее эта тепловая энергия, в зависимости от конструктивного исполнения тепловоспринимающего элемента, рассеивается путем ее передачи окружающей среде, конструктивным элементам или рабочей жидкости машины.Further, this thermal energy, depending on the design of the heat-receiving element, is dissipated by transferring it to the environment, structural elements or the working fluid of the machine.

Регулирование интенсивности поглощения энергии торможения (мощности) осуществляется контроллером 13 путем изменения скважности импульсов управления транзисторами модуля 12. Максимальная мощность достигается при скважности этих импульсов Q=2, при которой амплитуда первой гармоники выходного напряжения средства переключения имеет максимальное значение.The intensity of absorption of braking energy (power) is regulated by the controller 13 by changing the duty cycle of the transistor control pulses of module 12. The maximum power is achieved with a duty cycle of these pulses Q = 2, at which the amplitude of the first harmonic of the output voltage of the switching means has a maximum value.

В результате указанного поглощения энергии торможения происходит снижение напряжения на силовых шинах 5. Контроллер 13, выявляя это снижение, обеспечивает уменьшение коэффициента заполнения импульсов управления транзисторами модуля 12, что приводит к снижению тока в катушке индуктивности 9 и к уменьшению поглощаемой мощности.As a result of this absorption of braking energy, the voltage across the power buses 5 decreases. The controller 13, by detecting this decrease, provides a decrease in the fill factor of the control pulses of the transistors of module 12, which leads to a decrease in the current in the inductor 9 and a decrease in the absorbed power.

В контроллере 13 может быть также предусмотрена реализация алгоритма двухпозиционного релейного регулирования. В этом случае силовые транзисторы модуля 12, в зависимости от величины напряжения на силовых шинах, либо работают со скважностью Q=2, либо полностью выключены.In the controller 13, an implementation of the on-off relay control algorithm may also be provided. In this case, the power transistors of module 12, depending on the magnitude of the voltage on the power buses, either work with a duty cycle of Q = 2, or are completely turned off.

После снижения напряжения на силовых шинах 5 до предварительно заданной величины и отключения силовых транзисторов модуля 12, напряжение на силовых шинах вновь возрастает и далее процессы в устройстве повторяются до прекращения торможения (остановки) машины или ее рабочего оборудования.After reducing the voltage on the power buses 5 to a predetermined value and turning off the power transistors of module 12, the voltage on the power buses again increases and then the processes in the device are repeated until the braking (stop) of the machine or its working equipment stops.

Если в электрическом приводе присутствует накопитель энергии, например батарея аккумуляторов или конденсатор 4 повышенной емкости (емкостный накопитель энергии), то часть энергии торможения передается в этот накопитель, что приводит к снижению необходимой мощности поглощения энергии торможения. В остальном работа устройства остается прежней.If an energy storage device is present in the electric drive, for example, a battery of high-capacity batteries or a capacitor 4 (capacitive energy storage), then part of the braking energy is transferred to this storage, which leads to a decrease in the required braking energy absorption power. Otherwise, the operation of the device remains the same.

Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов устройства для поглощения энергии торможения машины с электрическим приводом возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.For specialists in the art it is also clear that in addition to the described variants of the device for absorbing braking energy of a machine with an electric drive, there are also other options for its implementation based on the features set forth in the claims.

Claims

1. A device for absorbing braking energy of a machine with an electric drive, containing means for dissipating electric energy generated by the electric motor during braking of the machine and transmitted by the converter to power buses connected to the power terminals of this converter, and switching means connected to power buses connected to the means dispersion of electrical energy and adapted to transmit electrical energy from power buses to a means of dispersing electrical energy, and the electric energy dissipating device comprises an inductor, characterized in that the electric energy dissipating device contains a heat-receiving element made of an electrically conductive diamagnetic or ferromagnetic material and adapted to heat it when exposed to the magnetic field generated by the inductor, and the switching means is configured to create in an AC inductor and contains at least one half-bridge transistor module, in turn is connected to the resonant circuit formed by an inductor and at least one capacitor.

2. The device for absorbing energy according to claim 1, characterized in that the inductor and its electrical insulation are configured to transfer heat from the inductor to the heat-sensing element.

3. The device for absorbing energy according to claim 1, characterized in that, as at least part of the heat-receiving element, a structural member of the machine or its electric drive is used.

4. The device for absorbing energy according to claim 1, characterized in that the heat-receiving element is equipped with means for removing heat from it to the environment, or to at least one structural member of the machine, or the working fluid of the machine.

5. The device for absorbing energy according to claim 1 or 4, characterized in that the heat-receiving element is made in the form of a pipe of diamagnetic or ferromagnetic material, adapted for the flow of the working fluid of the machine inside it.

6. The device for absorbing energy according to claim 1, characterized in that the heat-receiving element is made of hard magnetic material with the possibility of additional heating due to hysteresis losses during magnetization reversal in the magnetic field created by the inductor.