Электромеханическая трансмиссия самоходной машины с двигателем внутреннего сгорания
Изобретение относится к самоходным машинам. Электромеханическая трансмиссия самоходной машины с двигателем внутреннего сгорания содержит тяговый генератор, соединенный с двигателем, тяговый электродвигатель, силовой электронный преобразователь, а также тормозной резистор, преобразующий электроэнергию в силовых шинах в тепловую энергию под управлением контроллера тормозного резистора. Тормозной резистор охлаждается путем передачи тепловой энергии от него к составной части самоходной машины, и/или неэлектропроводной рабочей жидкости самоходной машины, и/или системе поддержания микроклимата в кабине. Уменьшается длина самоходной машины, уменьшается размер трансмиссии и упрощается ее компоновка. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к промышленным и сельскохозяйственным тракторам, строительно-дорожным машинам, грузовым автомобилям, вездеходам и другим гусеничным и колесным самоходным машинам с электромеханической трансмиссией, предназначенным для выполнения землеройных, строительных, дорожных, транспортных, сельскохозяйственных и других работ.
Известна электромеханическая трансмиссия машины с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), содержащая тяговый генератор (мехатронный генераторный модуль), преобразующий механическую энергию ДВС в электрическую энергию, передаваемую на силовые шины, тяговые электродвигатели, входящие в состав мехатронных тяговых модулей и использующиеся для привода ведущих колес или гусениц машины, а также тормозной резистор и систему управления, в состав которой входят органы управления трансмиссией (движением) машины, микропроцессорные контроллеры, в том числе контроллер тормозного резистора, и силовые преобразователи, обеспечивающие реверсивный обмен электрической энергией между силовыми шинами и тяговыми электродвигателями. Тормозной резистор, тяговый генератор и тяговые электродвигатели имеют общую систему жидкостного охлаждения, объединенную с системой охлаждения ДВС (RU 2550408 С1, 10.05.2015).
Во время работы самоходной машины на ее узлы и агрегаты, в том числе на тормозной резистор и систему его охлаждения, происходит воздействие вибраций, механических и тепловых ударов. В результате этого возможно нарушение электрической изоляции тормозного резистора, проникновение охлаждающей жидкости на его поверхности, находящиеся под высоким напряжением, возникновение утечек тока, электролиз охлаждающей жидкости и выход трансмиссии из строя. Поэтому применение для охлаждения тормозного резистора охлаждающей жидкости ДВС, не относящейся к электроизоляционным жидкостям, приводит к пониженной надежности трансмиссии.
Этот недостаток устранен в гибридной трансмиссии машины с ДВС, содержащей генератор, соединенный с ДВС, выпрямитель, подключенный к шинам постоянного тока, инверторы тяговых электродвигателей, подключенные к этим шинам, а также тормозные резисторы, подключаемые к силовым шинам с помощью автоматических переключателей. Для охлаждения тормозных резисторов используется вентилятор с приводом от электродвигателя, соединенного с дополнительным инвертором (US 8054016 В2, 08.11.2011).
Аналогичное техническое решение реализовано на самосвале БелАЗ-75600. В его трансмиссии реализовано электродинамическое торможение тяговыми двигателями, работающими в генераторном режиме с отводом теплоты через вентилируемые тормозные резисторы УВТР 2x2000 (Карьерный самосвал БелАЗ-75600. Руководство по эксплуатации. РУПП «Белорусский автомобильный завод», г. Жодино, 2008 г.).
Недостатком этой электромеханической трансмиссии является ее повышенная сложность и, соответственно, пониженная надежность, обусловленная применением отдельного привода вентилятора тормозных резисторов.
Наиболее близкой к предложенной является электромеханическая трансмиссия машины с ДВС, содержащая тяговый генератор, соединенный с ДВС и преобразующий его механическую энергию в электрическую, передаваемую на силовые шины, тяговые электродвигатели, связанные с гусеницами или ведущими колесами машины, тормозной резистор с воздушным охлаждением, размещенный в воздушном потоке вентилятора ДВС, и систему управления, в состав которой входят органы управления и контроллеры с силовыми электронными ключами, осуществляющие передачу электрической энергии от силовых шин на обмотки тяговых электродвигателей, которые могут работать в режиме динамического торможения с передачей энергии на силовые шины (RU 2648652 С1, 27.03.2018).
Исключение отдельного привода вентилятора тормозных резисторов приводит к повышению надежности трансмиссии.
Однако низкая теплоемкость воздуха приводит к необходимости применения крупногабаритных тормозных резисторов и, соответственно, к увеличению размеров, объема и массы трансмиссии в целом.
Размещение тормозных резисторов в воздушном потоке вентилятора ДВС усложняет компоновку электромеханической трансмиссии на машине и, по причине последовательного расположения элементов конструкции: «ДВС - вентилятор - тормозной резистор», приводит к увеличению общей длины самоходной машины.
Задачей изобретения является уменьшение общей длины самоходной машины с электромеханической трансмиссией и двигателем внутреннего сгорания при одновременном уменьшении объема и размеров этой трансмиссии и упрощении ее компоновки на самоходной машине.
Поставленная задача решаются благодаря тому, что электромеханическая трансмиссия самоходной машины (далее в тексте может сокращенно именоваться «машиной») с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) содержит тяговый генератор, который непосредственно или через согласующее устройство механически соединен с ДВС и осуществляет преобразование его механической энергии в электрическую энергию, передаваемую на силовые шины, один или несколько тяговых электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую и связанных непосредственно или через передаточные устройства с гусеницами или ведущими колесами машины, силовые электронные преобразователи, именуемые также контроллерами, инверторами и т.д., обеспечивающие передачу электрической энергии от силовых шин на обмотки тяговых электродвигателя и обратную передачу на силовые шины электрической энергии, вырабатываемой тяговыми электродвигателями в режиме торможения машины, а также тормозной резистор, преобразующий электрическую энергию в силовых шинах в тепловую энергию под управлением контроллера тормозного резистора. Тормозной резистор конструктивно выполнен и размещен на машине таким образом, что его охлаждения осуществляется путем передачи тепловой энергии от него к какой-либо составной части машины, в частности, ее трансмиссии, преимущественно металлической, и/или неэлектропроводной рабочей жидкости машины, и/или системе поддержания микроклимата в ее кабине.
В целях достижения указанного технического результата в частных вариантах реализации изобретения:
- тормозной резистор выполнен с возможностью передачи тепла от него к раме или корпусу машины, корпусу тягового генератора, корпусу тягового электродвигателя, корпусу силового электронного преобразователя, корпусу ДВС, металлической конструкции кабины или ее стеклу;
- тормозной резистор выполнен с возможностью передачи тепла от него по меньшей мере к одной составной части машины непосредственно, или через теплопроводящий элемент (через стенку масляного или топливного бака, изолятор, радиатор и т.п.), или через жидкость, или через воздух, при этом пространство между тормозным резистором и составной частью машины заполнено, в частности, маслом, топливом или неэлектропроводной охлаждающей жидкостью ДВС;
- тормозной резистор помещен в масляный или топливный бак машины, или в емкость, по меньшей мере часть внутренней поверхности которой образована составной частью машины, а также выполнен с возможностью передачи тепла от него к топливу ДВС, и/или маслу системы смазки ДВС, или неэлектропроводной охлаждающей жидкости ДВС, и/или маслу гидравлической системы рабочего оборудования, и/или маслу передаточного устройства, которое выполнено в виде маслонаполненного бортового или колесного редуктора и/или фрикционного стояночного тормоза с гидравлическим управлением. При этом трансмиссия может содержать циркуляционный насос, крыльчатку или другое устройство, обеспечивающее циркуляцию или перемешивание масла, топлива или неэлектропроводной охлаждающей жидкости ДВС в пространстве между наружной поверхностью тормозного резистора и внутренней поверхностью бака или емкости;
- тормозной резистор и его контроллер используются для подогрева рабочей жидкости или температуры в кабине машины, при этом контроллер тормозного резистора содержит силовой ключ и выполнен с возможностью подключения тормозного резистора к силовым шинам и отключения от них с помощью этого ключа в зависимости от величины напряжения на силовых шинах и от выходного сигнала датчика температуры, соответственно, рабочей жидкости или воздуха в кабине машины;
- тормозной резистор и его контроллер приспособлены для подогрева по меньшей мере одного стекла кабины, при этом контроллер тормозного резистора содержит силовой ключ и обеспечивает подключение тормозного резистора к силовым шинам и отключение от них в зависимости от величины напряжения на силовых шинах, а также от выходного сигнала датчика температуры стекла, или датчика его обледенения, или датчика температуры окружающего воздуха, или от сигнала управления подогревом стекла, формируемого оператором;
- тормозной резистор выполнен в виде двух или более резисторов, которые разделены или соединены между собой последовательно и/или параллельно, причем для управления каждым резистором или группой резисторов используются отдельные контроллеры, либо один (общий) контроллер тормозного резистора, при этом охлаждение тормозного резистора осуществляется путем передачи тепловой энергии по меньшей мере от одного из его резисторов по меньшей мере к одной составной части самоходной машины, и/или неэлектропроводной рабочей жидкости машины, и/или системе поддержания микроклимата в ее кабине.
Реализация отличительных, в том числе альтернативных, признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивает получение одного и того же указанного технического результата.
А именно конструктивное исполнение и размещение тормозного резистора из условия обеспечения передачи тепловой энергии от него к какой-либо составной части машины, частности, конструктивным элементам ее трансмиссии, неэлектропроводной рабочей жидкости машины или системе поддержания микроклимата в ее кабине, исключает необходимость размещения тормозного резистора в воздушном потоке вентилятора ДВС последовательно с радиатором его системы охлаждения. За счет этого обеспечивается уменьшение общей длины самоходной машины.
Одновременно обеспечивается возможность размещения тормозного резистора независимо от положения ДВС и вентилятора его системы охлаждения, а также исключается необходимость прокладки силовых высоковольтных проводов (силовых шин) к передней части ДВС и сокращается длина этих проводов (шин). За счет этого обеспечивается упрощение компоновки на машине тормозного резистора и силовых проводов (шин) трансмиссии и, соответственно, трансмиссии в целом.
Металл, стекло и жидкость имеют, по сравнению с воздухом, значительно более высокую теплоемкость и теплопроводность. Поэтому охлаждение тормозного резистора путем передачи тепловой энергии от него к какой-либо металлической составной части машины, частности, ее трансмиссии, неэлектропроводной рабочей жидкости машины (топливу, маслу) и/или системе поддержания микроклимата в ее кабине (в частности, стеклам кабины) позволяет уменьшить объем и размеры тормозного резистора и трансмиссии в целом, а также упростить ее компоновку на машине. При этом тормозной резистор может быть расположен на машине в любом удобном месте, что дополнительно обеспечивает сокращение объема и размеров трансмиссии и упрощение ее компоновки за счет сокращения длины силовых шин.
В частности, в случае размещения тормозного резистора в масляном баке гидросистемы рабочего оборудования машины, а также при его креплении, например, к раме (корпусу) машины с обеспечением передачи тепла к этой раме, исключается необходимость установки в трансмиссии каких-либо отдельных деталей или устройств охлаждения тормозного резистора, что обеспечивает достижение указанного технического результата.
В предложенной электромеханической трансмиссии может быть реализован как один из указанных альтернативных отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения, так и одновременно несколько отличительных признаков в их любом сочетании. Например, тормозной резистор может состоять из группы изолированных или соединенных между собой резисторов, причем отвод тепла от каждого из резисторов в этой группе может быть реализован различными альтернативными способами, указанными в формуле изобретения (погружением в рабочую жидкость, передачей тепловой энергии к корпусу машины или стеклам ее кабины и т.д.).
При этом реализация каждого из этих отличительных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом - с уменьшением общей длины машины, упрощением компоновки трансмиссии на этой машине, а также уменьшением объема и размеров трансмиссии.
Для пояснения технической сущности, принципа действия и возможности осуществления предложенного устройства на фиг. 1 в качестве примера показана схема электромеханической трансмиссии самоходной гусеничной машины. На фиг. 2 приведен пример реализации тормозного резистора в виде группы последовательно/параллельных резисторов, а на фиг. 3 - пример конструктивного исполнения тормозного резистора.
Предложенная электромеханическая трансмиссия используется на машине, в которой роль первичного источника энергии выполняет приводной двигатель 1, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС). На фиг. 1 показана последовательная кинематическая схема моторно-трансмиссионной установки машины, которая исключает механическую связь ДВС с гусеничным движителем.
ДВС непосредственно или через согласующее устройство - механическую упругую или компенсирующую муфту двигателя, мультипликатор и т.п., соединен с тяговым генератором 2, который является источником электрической энергии для двух тяговых электродвигателей 3 и 4.
Тяговые электродвигатели могут быть асинхронными, синхронными с постоянными магнитами на роторе или реактивным индукторным.
В последнем случае каждый из них содержит статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах шихтованного магнитопровода статора, и ротор с зубчатым магнитопроводом, также выполненным из листов электротехнической стали и закрепленным на его валу. Такие электродвигатели без обмотки возбуждения в русскоязычной литературе называются вентильными индукторными реактивными двигателями (ВРД, ВИД, ВИРД), а в англоязычной литературе - электродвигателями с переменным магнитным сопротивлением: ((Switched Reluctance Motor (SRM)».
Тяговый генератор 2 может иметь конструкцию, аналогичную тяговым электродвигателям 3, 4, или отличающуюся от них.
Тяговые электродвигатели встроены в ведущие колеса или размещены у ведущих звездочек в пределах обвода гусениц, либо размещены в корпусе машины. Их выходные валы могут быть соединены с ведущими колесами или ведущими звездочками 5, 6 гусеничной машины непосредственно (для небольших самоходных машин) или через передаточные устройства - бортовые редукторы 7, 8, карданные валы, муфты и т.д.
Предпочтительным является применение маслонаполненных планетарных бортовых редукторов со встроенными гидравлически управляемыми нормально замкнутыми стояночными тормозами. Выходной вал такого бортового редуктора может быть частью его корпуса.
Возможна также реализация электромеханической трансмиссии с одним тяговым электродвигателем. В этом случае передаточные устройства, с помощью которых осуществляется передача механической энергии от тягового электродвигателя на ведущие колеса или гусеницы машины, кроме бортовых редукторов 7, 8 содержат главную передачу с устройством дифференциального управления, либо с бортовыми фрикционами и рабочими тормозами, обеспечивающими возможность поворота машины.
Система управления электромеханической трансмиссией, которая может именоваться также системой электрооборудования, электрической частью трансмиссии и т.п., в общем случае включает в себя высоковольтную и низковольтную части и содержит один или несколько контроллеров, преимущественно микропроцессорных, в частности, главный (ведущий) контроллер 9, контроллер (силовой преобразователь, выпрямитель) 10 тягового генератора 2, два контроллера (силовых электронных преобразователя, инвертора) 11, 12 тяговых электродвигателей 3, 4, органы управления движением машины (трансмиссией) 13, панель оператора (машиниста, тракториста, водителя) 14, датчики параметров работы электромеханической трансмиссии и машины в целом 15, приборы низковольтного оборудования (электроснабжения, освещения, звуковой сигнализации и т.д.) и другие устройства.
Трансмиссия может содержать один, два или более тормозных резисторов 16, выполненных конструктивно раздельно и размещенных, в частности, на различных составных частях машины, либо соединенных между собой последовательно, параллельно или по комбинированной последовательно-параллельной схеме (фиг. 2). Для управления каждым резистором или группой резисторов используются отдельные контроллеры, либо один (общий) контроллер тормозного резистора.
Управление тормозным резистором осуществляется с помощью контроллера тормозного резистора 17, в состав которого входит устройство управления 18 и силовой ключ 19, в общем случае многоканальный (см. фиг. 2).
Контроллеры 9-12, 17 могут быть реализованы с использованием дискретных электронных компонентов, микросхем различной степени интеграции, а также микроконтроллеров (микропроцессоров, цифровых сигнальных процессоров). Эти контроллеры, в зависимости от их назначения и конструктивного исполнения, могут именоваться также блоками управления, управляющими устройствами, коммутаторами, силовыми электронными преобразователями, инверторами, блоками входов и нагрузок, информационно-управляющими блоками или устройствами и т.д.
Составные части системы управления (системы электрооборудования) трансмиссии связаны между собой силовыми шинами 20, например, с номинальным напряжением 540 В постоянного тока, и мультиплексной линией передачи информационных сигналов 21, выполненной с использованием стандарта промышленной сети CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров), ориентированной на объединение в единую сеть различных устройств с использованием последовательного, широковещательного и пакетного режимов передачи. Возможно также применение интерфейсов LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д., а также беспроводных интерфейсов типа ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4), Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11), Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1) и т.п.
Конструкция контроллера 10 тягового генератора 2 зависит от конструкции этого генератора. В случае применения асинхронного генератора или синхронного генератора с постоянными магнитами на роторе он может быть выполнен с виде силового управляемого или неуправляемого выпрямителя, осуществляющего преобразование переменного выходного напряжения тягового генератора 2 в постоянное напряжение силовых шин 20.
Контроллер 10 тягового генератора 2 может обеспечивать также коммутацию его обмоток при работе в режиме электродвигателя при запуске ДВС и при работе в режиме торможения машины двигателем.
Силовые электронные преобразователи (контроллеры) 11 и 12 предназначены для преобразования постоянного напряжения на силовых шинах 20 в многофазное переменное напряжение или однополярные импульсы, поступающие на фазные обмотки тяговых электродвигателей 3, 4, а также для их обратного преобразования в постоянное напряжение при работе тяговых электродвигатели в генераторном режиме при торможении машины. Они содержат силовые электронные ключи, выполненные на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) или IGBT (БТИЗ) модулей, гальванически развязанные драйверы этих транзисторов (модулей), микроконтроллеры или цифровые сигнальные процессоры, а также интерфейсные устройства, приспособленные для управления силовыми электронными ключами и для обмена информацией между контроллерами 9-12, 17 органами управления 13, панелью оператора 14 и датчиками 15. Этом обмен осуществляется непосредственно (по отдельным проводам) или по шине CAN, LIN и т.п.
Для каждого тягового электродвигателя 3, 4 используется отдельный силовой электронный преобразователь (контроллер, инвертор, коммутатор) 11, 12. Возможна также установка нескольких контроллеров, работающих на один тяговый электродвигатель, например, при дроблении мощности по секциям статора электродвигателя, либо установка общего контроллера на два тяговых электродвигателя.
В зависимости от выполняемых функций и требований к компоновке машины возможно раздельное исполнение контроллеров 9-12, 17, а также их объединение в несколько блоков или в единый блок (контроллер, модуль). Возможно также размещение в одном корпусе контроллера генератора (силового выпрямителя) 10 с тяговым генератором 2, а силовых электронных преобразователей (контроллеров) 11, 12 - с тяговыми электродвигателями 3, 4.
Органы управления 13 предназначены для формирования сигналов управления трансмиссией и машиной в целом. Они включают в себя по меньшей мере один аппарат управления движением машины (джойстик, рулевое колесо и т.п.), соединенный с главным (ведущим) контроллером 9, ключ запуска ДВС 1, клавишные и кнопочные переключатели, рукоятку управления подачей топлива, педали тормоза и акселератора и/или десселератора, органы управления микроклиматом в кабине машины и т.д.
Панель оператора 14, именуемая также панелью контрольно-измерительных приборов, комбинацией приборов, блоком индикации, блоком отображения информации и т.п., выполнена в виде набора электромеханических указателей, графической панели, световых сигнализаторов и т.п. Она обеспечивает отображение параметров работы электромеханической трансмиссии и машины в целом, а также формирование аварийных и предупредительных сигналов для оператора (машиниста, тракториста). Панель оператора 14 может быть выполнена в виде отдельного блока или совмещена с одним из контроллеров.
Датчики 15 предназначены для контроля параметров работы машины, в том числе ее трансмиссии. К ним относятся датчики температуры, давления и уровня рабочих жидкостей машины (масла, топлива, охлаждающей жидкости ДВС) в трансмиссии и двигателе 1, датчики продольного и поперечного наклона машины (креномеры), положения машины (приемники сигналов GPS/ГЛОНАСС), ее тягового усилия, ускорения, угловых скоростей и положения роторов тяговых электродвигателей 3, 4, датчики температуры воздуха в кабине машины, датчики температуры и обледенения стекол кабины и другие датчики.
К силовым шинам постоянного тока 20 может быть подключен накопитель энергии 22, выполненный на основе аккумуляторов и/или конденсаторов (см. фиг. 2).
Если тормозной резистор выполнен с возможностью его охлаждения путем передачи тепловой энергии к какой-либо составной части самоходной машины, то он может иметь вид, показанный на фиг. 3.
Тормозной резистор такой конструкции непосредственно, через теплопроводящий элемент - изоляционную теплопроводяшую прокладку, металлическую пластину, радиатор и т.п., через жидкость - смазку, теплопроводяшую пасту и т.д., или через малый воздушный зазор прикреплен к раме или корпусу машины, корпусу тягового генератора, корпусу тягового электродвигателя, корпусу силового электронного преобразователя, корпусу ДВС, металлической конструкции кабины, стеклу кабины и т.д.
Если тормозной резистор используется для обогрева какого-либо стекла кабины, то он может быть выполнен в виде прозрачной металлической пленки, нанесенной на это стекло.
Тормозной резистор может быть выполнен также в виде нагревательного элемента системы воздушного или жидкостного обогрева кабины.
Возможно также размещение тормозного резистора в масляном или топливном баке машины. Такая конструкция тормозного резистора обеспечивает передачу тепловой энергии от него к маслу системы смазки ДВС, топливу ДВС, маслу гидравлической системы рабочего оборудования или маслу передаточного устройства, которое выполнено в виде маслонаполненного бортового или колесного редуктора или фрикционного стояночного тормоза с гидравлическим управлением.
Тормозной резистор может также размещаться в емкости, часть внутренней поверхности которой образована составной частью самоходной машины. Например, если рама машины имеет коробчатую конструкцию, то в ней могут быть установлены перегородки, изолирующие часть объема этой рамы и образующие емкость для размещения в ней тормозного резистора. При этом для улучшения передачи тепла от тормозного резистора к поверхности составной части машины пространство между тормозным резистором и этой поверхностью может быть заполнено какой-либо специальной электроизоляционной жидкостью или рабочей жидкостью машины (маслом, топливом).
Возможна также передача тепловой энергии от тормозного резистора к поверхности составной части самоходной машины через охлаждающую жидкость ДВС. В этом случае, в соответствии с отличительными признаками данного изобретения, применяется неэлектропроводная охлаждающая жидкость. Если используется жидкость, традиционно применяющаяся для охлаждения ДВС и не обладающая высокими электроизоляционными свойствами, то дополнительно реализуются меры, направленные на исключение ее электропроводности. Например, эта жидкость пропускается через деионизатор.
Если тормозной резистор 16 погружен в масло, топливо или охлаждающую жидкость ДВС, то целесообразно применение циркуляционного насоса, крыльчатки с соответствующим приводом или иного устройства, обеспечивающего циркуляцию или перемешивание жидкости в пространстве между наружной поверхностью тормозного резистора и внутренней поверхностью бака или емкости. В частном случае эта циркуляция может осуществляться через внешний радиатор, в том числе через масляный или топливный бак или через радиатор системы охлаждения масла ДВС или его рубашки.
Если тормозной резистор и его контроллер 17 кроме ограничения напряжения на силовых шинах дополнительно используются для подогрева какой-либо рабочей жидкости для обеспечения рационального диапазона температур рабочих сред функциональных систем и агрегатов самоходной машины, а также для подогрева воздуха в кабине машины или стекол ее кабины, то устройство управления 18 контроллера тормозного резистора непосредственно или по шине CAN, LIN и т.п. соединено с датчиками 15 (см. фиг. 1).
Предложенная электромеханическая трансмиссия работает следующим образом.
Оператор (тракторист, машинист, водитель) при помощи органов управления 13 осуществляет запуск ДВС и задает рабочую скорость и направление движения машины.
ДВС 1 непосредственно или через согласующий редуктор/мультипликатор приводит во вращение ротор тягового генератора 2. Его выходное напряжение с помощью силового выпрямителя (контроллера генератора) 10 преобразуется в напряжение постоянного тока +Uc, -Uc на силовых шинах 20, которое поступает на силовые электронные преобразователи (контроллеры) 11, 12 тяговых электродвигателей 3, 4 и на силовой ключ 19 контроллера 17 тормозного резистора 16.
Главный контроллер (ведущий контроллер, контроллер верхнего уровня) 9 осуществляет координацию работы всех компонентов (составных частей) электромеханической трансмиссии в зависимости от сигналов с органов управления 13 и с датчиков 15, в том числе реализует функции управления ДВС 1 непосредственно, либо через дополнительный контроллер двигателя, встроенный в него.
Прочие контроллеры по локальной сети CAN, LIN и т.п.получают сигналы управления от главного (ведущего, системного) контроллера 9, а также, в случае необходимости (например, в аварийных режимах работы машины), непосредственно от органов управления 13 или от других составных частей системы управления трансмиссией.
Алгоритмы взаимосвязанного и автоматизированного управления составными частями трансмиссии, включая их взаимодействие, предварительно определяются расчетным или экспериментальным путем, записываются в память контроллеров 9-12, 17 и далее программно реализуются микроконтроллерами, входящим в их состав.
Силовые электронные преобразователи (контроллеры) 11,12 преобразуют напряжение постоянного тока +Uc, -Uc силовых шин 20 в переменное напряжение или в однополярные импульсы регулируемой частоты и скважности, поступающие на фазные обмотки тяговых электродвигателей 3, 4. Крутящий момент, создаваемый тяговыми электродвигателями, непосредственно или через дополнительные передаточные устройства (муфты, торсионы, бортовые редукторы 7, 8 и т.п.) предается на ведущие звездочки 5, 6 гусениц, в результате чего осуществляется движение машины в соответствии с направлением и скоростью, заданными оператором.
При торможении машины тяговые электродвигатели 3, 4 работают в генераторном режиме. Энергия торможения с этих электродвигателей через силовые электронные преобразователи (контроллеры) 11, 12 передается на силовые шины 20 в результате этого происходит повышение напряжения на силовых шинах 20.
Контроллер тормозного резистора, с целью ограничения этого напряжения на допустимом уровне, реализует, в частности, алгоритм двухпозиционного релейного регулирования. В этом случае с помощью силового ключа 19 осуществляет подключение тормозного резистора 16 (решетки или группы резисторов, образующих тормозной резистор) к силовым шинам 20, если величина этого напряжения превысит максимально-допустимую величину. После снижения этого напряжения до минимально-допустимой величины устройство управления 18 и силовой ключ 19 отключают тормозной резистор 16, напряжение на силовых шинах 20 вновь возрастает и далее процессы в устройстве повторяются до прекращения торможения (остановки) машины.
При этом тепловая энергия, выделяемая в тормозном резисторе 16, в зависимости от его конструктивного исполнения, передается какой-либо составной части самоходной машины, ее рабочей жидкости и/или системе поддержания микроклимата в кабине этой машине.
Если на машине присутствует накопитель энергии 22, то часть энергии торможения передается в этот накопитель, что приводит к снижению необходимой мощности тормозного резистора 16. В остальном работа устройства остается прежней.
В случае, если тормозной резистор и его контроллер кроме ограничения напряжения на силовых шинах 20 дополнительно используются для подогрева рабочей жидкости, температуры воздуха в кабине самоходной машины или для обогрева ее стекол, то алгоритм управления ключом 19, реализуемый устройством управления 18, предусматривает его безусловное включение, если напряжение на силовых шинах 20 превышает предельно допустимую величину, а также дополнительное включение этого ключа (подключение тормозного резистора к силовым шинам 20) в случае необходимости подогрева рабочей жидкости, воздуха в кабине или ее стекол.
В последнем случае подключение тормозного резистора к силовым шинам и его отключение дополнительно осуществляется в зависимости от величины выходного сигнала датчика температуры рабочей жидкости, температуры стекла, температуры окружающего воздуха (окружающей среды), температуры воздуха в кабине самоходной машины, а также выходного сигнала датчика обледенения стекла, либо сигнала ручного управления подогревом стекла или отоплением кабины, формируемого оператором с помощью органов управления 13.
Указанное многофункциональное использование тормозного резистора возможно в случае, если торможение машины осуществляется кратковременно с относительно большими интервалами времени и выделяемая на тормозном резисторе тепловая энергия не приводит к недопустимому перегреву рабочей жидкости, воздуха в кабине машины или ее стекла (стекол). Например, если тормозной резистор используется в качестве нагревательного элемента воздушного или жидкостного отопителя кабины, то тепловая энергия, выделяемая на этом резисторе при торможении машины, не должна превышать величину, при которой возможно ухудшение условия труда оператора.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов электромеханической трансмиссии самоходной машины с ДВС возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.
1. Электромеханическая трансмиссия самоходной машины с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), содержащая тяговый генератор, который непосредственно или через согласующее устройство механически соединен с ДВС и приспособлен для преобразования по меньшей мере части механической энергии ДВС в электрическую энергию, передаваемую на силовые шины, по меньшей мере один тяговый электродвигатель, приспособленный для преобразования электрической энергии в механическую и связанный непосредственно или по меньшей мере через одно передаточное устройство по меньшей мере с одной гусеницей или с одним ведущим колесом самоходной машины, по меньшей мере один силовой электронный преобразователь, приспособленный для передачи электрической энергии от силовых шин на обмотки по меньшей мере одного тягового электродвигателя и для обратной передачи на силовые шины электрической энергии, вырабатываемой по меньшей мере одним тяговым электродвигателем в режиме торможения самоходной машины, а также тормозной резистор, приспособленный для преобразования электрической энергии в силовых шинах в тепловую энергию под управлением контроллера тормозного резистора и выполненный с возможностью его охлаждения путем передачи тепловой энергии от него по меньшей мере к одной составной части самоходной машины, и/или неэлектропроводной рабочей жидкости самоходной машины, и/или системе поддержания микроклимата в ее кабине.
2. Электромеханическая трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что тормозной резистор выполнен с возможностью передачи тепла от него к раме или корпусу самоходной машины, или корпусу тягового генератора, или корпусу тягового электродвигателя, или корпусу силового электронного преобразователя, или корпусу ДВС, или металлической конструкции кабины, или стеклу кабины.
3. Электромеханическая трансмиссия по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что тормозной резистор приспособлен для передачи тепла от него по меньшей мере к одной составной части самоходной машины непосредственно, или через теплопроводящий элемент, или через жидкость, или через воздух.
4. Электромеханическая трансмиссия по п. 3, отличающаяся тем, что пространство между по меньшей мере одним тормозным резистором и составной частью самоходной машины заполнено маслом, или топливом, или охлаждающей жидкостью ДВС.
5. Электромеханическая трансмиссия по п. 3, отличающаяся тем, что тормозной резистор помещен в масляный бак самоходной машины, или в топливный бак самоходной машины, или в емкость, по меньшей мере часть внутренней поверхности которой образована составной частью самоходной машины, и выполнен с возможностью передачи тепла от него к маслу системы смазки ДВС, и/или топливу ДВС, и/или охлаждающей жидкости ДВС, и/или маслу гидравлической системы рабочего оборудования, и/или маслу передаточного устройства, которое выполнено в виде маслонаполненного бортового или колесного редуктора и/или фрикционного стояночного тормоза с гидравлическим управлением.
6. Электромеханическая трансмиссия по п. 5, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство, обеспечивающее циркуляцию или перемешивание масла, или топлива, или охлаждающей жидкости ДВС в пространстве между наружной поверхностью тормозного резистора и внутренней поверхностью бака или емкости.
7. Электромеханическая трансмиссия по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 6, отличающаяся тем, что тормозной резистор и контроллер тормозного резистора приспособлены для подогрева рабочей жидкости или воздуха в кабине самоходной машины, при этом контроллер тормозного резистора содержит силовой ключ и выполнен с возможностью подключения тормозного резистора к силовым шинам и отключения от них с помощью этого ключа в зависимости от величины напряжения на силовых шинах, а также от выходного сигнала датчика температуры рабочей жидкости или воздуха в кабине самоходной машины.
8. Электромеханическая трансмиссия по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 6, отличающаяся тем, что тормозной резистор и контроллер тормозного резистора приспособлены для подогрева по меньшей мере одного стекла кабины, при этом контроллер тормозного резистора содержит силовой ключ и выполнен с возможностью подключения тормозного резистора к силовым шинам и отключения от них с помощью этого ключа в зависимости от величины напряжения на силовых шинах, а также от выходного сигнала датчика температуры стекла, или датчика его обледенения, или датчика температуры окружающего воздуха, или от сигнала управления подогревом стекла.
9. Электромеханическая трансмиссия по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 6, отличающаяся тем, что тормозной резистор выполнен в виде двух или более резисторов, которые разделены или соединены между собой последовательно и/или параллельно, причем для управления каждым резистором или группой резисторов используются отдельные контроллеры либо один общий контроллер тормозного резистора выполнен с возможностью управления всеми резисторами, при этом тормозной резистор выполнен с возможностью его охлаждения путем передачи тепловой энергии по меньшей мере от одного из его резисторов по меньшей мере к одной составной части самоходной машины, и/или неэлектропроводной рабочей жидкости самоходной машины, и/или системе поддержания микроклимата в ее кабине.
