Способ регулирования электрической передачи тепловоза

 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловозов с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором и электродвигателями постоянного тока. Способ регулирования электрической передачи тепловоза заключается в том, что задают частоту вращения теплового двигателя и измеряют положение дозирующего органа топливоподачи теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, задают положение дозирующего органа и регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют напряжение тягового генератора и сравнивают его с величиной уставки. По величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, задают мощность тягового генератора пропорционально измеренной частоте вращения теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения дозирующего органа и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора с сигналом, пропорциональным измеренному току генератора, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора и сравнивают с уставкой мощности, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора. Способ позволяет осуществить устойчивую работу тепловоза с полной мощностью дизеля и постоянными мощностями, соответствующими наибольшей экономичности, а также реализовать принцип поддержания квазипостоянного напряжения на тяговых электродвигателях в режимах боксования, что улучшает тяговые свойства тепловоза. 2 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловозов с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором и электродвигателями постоянного тока.

Известен способ регулирования электропередачи тепловозов, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя, суммируют сигнал, пропорциональный измеренному положению дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, и сигнал, пропорциональный измеренной частоте вращения теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку, измеряют напряжение тягового генератора, измеряют токи тяговых двигателей, выделяют сигнал, пропорциональный максимальному измеренному току, суммируют сигнал, пропорциональный измеренному напряжению тягового генератора, и сигнал, пропорциональный максимальному измеренному току тягового двигателя, результат суммирования сравнивают с уставкой и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора /Б.И. Вилькевич. "Автоматическое управление электрической передачей тепловозов". - М.: Транспорт, 1978, с.39-41/.

Недостатком способа является то, что при боксовании одной или нескольких осей локомотива возбуждение генератора изменяют в зависимости от максимального тока одного из тяговых электродвигателей, имеющего в данный момент наименьшую склонность к боксованию, т.е. стабилизируют напряжение тягового генератора.

При появлении хотя бы на короткое время одновременного боксования всех колесных пар локомотива происходит срыв режима стабилизации напряжения и переход боксования в разносное.

Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза путем регулирования напряжения тягового генератора, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя (дизеля), приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения генератора, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора /SU, авторское свидетельство 925693, кл. В 60 L 11/02, опублик. в 1982 г./.

Недостатком известного способа является то, что переходные процессы в электрической передаче мощности имеют колебательный характер, что обусловлено наличием больших постоянных времени в электромеханических элементах системы. Введение корректирующих обратных связей в системах регулирования тяговой электрической передачи улучшает устойчивость в системе, но приводит к нарушению принципа формирования характеристик постоянного напряжения тягового генератора, что, в свою очередь, снижает тяговые свойства тепловоза в режимах боксования.

Техническим результатом изобретения является повышение тяговых свойств тепловоза при быстрых изменениях нагрузки (например, боксовании) за счет устранения колебательности в системе регулирования тяговой электрической передачи тепловоза.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования тяговой электрической передачи тепловоза, заключающемся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, и измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора и сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, задают мощность тягового генератора пропорционально измеренной частоте вращения теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора с сигналом, пропорциональным измеренному току тягового генератора, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора и сравнивают с уставкой мощности тягового генератора; результат сравнения интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора.

На Фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

На Фиг.2 представлена внешняя характеристика тягового генератора.

Устройство (Фиг. 1) для реализации предлагаемого способа состоит из теплового двигателя 1, например дизеля, с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки, датчика 3 изменения положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки. Дизель 1 связан с датчиком 4 частоты вращения вала дизеля и с электрической передачей, в которую входит ниже перечисленное оборудование, так, сам дизель 1 соединен, например, с тяговым генератором 5 (постоянного тока или соединен с синхронным генератором, выход которого подключен к силовому тяговому выпрямителю). Силовой выход тягового генератора 5 подключен через датчик 6 тока к входам тяговых электродвигателей 7, 8. К силовому выходу генератора 5 подключен датчик 9 напряжения. Генератор 5 соединен с блоком 10 управления током возбуждения генератора 5.

Выход задатчика 11 частоты вращения дизеля 1, например контроллера машиниста тепловоза, соединен с входом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, с входом функционального преобразователя 12, формирующего на заданной частоте вращения дизеля 1 задание положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты и нагрузки дизеля 1.

Выход функционального преобразователя 12 соединен с одним из входов блока 13 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты и нагрузки дизеля 1, другой вход блока 13 соединен с выходом датчика 4 измерения положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты и нагрузки дизеля 1. Выход блока 13 соединен с входом блока 14 интегрирования величины рассогласования по времени, а выход блока 14 соединен с одним из входов сумматора 15, другой вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 16, вход которого соединен с выходом датчика 4 частоты вращения вала дизеля.

Выход сумматора 15 соединен с одним из входов блока 17 измерения рассогласования заданной и измеренной мощности тягового генератора 5, другой вход блока 17 соединен с выходом блока 18 измерения мощности тягового генератора 5.

Выход блока 17 соединен с входом блока 19 интегрирования величины рассогласования мощности тягового генератора 5 по времени, а выход блока 19 соединен с одним из входов блока 18 измерения мощности тягового генератора 5 и с одним из входов блока 20 измерения рассогласования напряжения тягового генератора 5. Другой вход блока 20 соединен с выходом датчика 9 напряжения тягового генератора 5, а выход блока 20 соединен с входом блока 10 управления током возбуждения генератора 5. Другой вход блока 18 измерения мощности тягового генератора 5 соединен с выходом датчика 6 тока тягового генератора.

Способ осуществляется следующим образом.

Контроллером 11 машиниста задают частоту вращения теплового двигателя 1, например дизеля, приводящего во вращение тяговый генератор 5.

На выходе контроллера 11 машиниста действует кодовый сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения дизеля 1, который поступает на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, на вход функционального преобразователя 12.

Регулятор 2 частоты и нагрузки удерживает частоту вращения дизеля 1 пропорционально кодовому сигналу задания контроллера 11 машиниста.

Датчиком 3 измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1. Выходной сигнал "Lи" датчика 3, пропорциональный положению органа топливоподачи, поступает на один из входов блока 13 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи.

Функциональным преобразователем 12 задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения дизеля 1, для чего в функциональном преобразователе 12 преобразуют код заданной частоты, поступающий на вход функционального преобразователя 12 с выхода контроллера 11 машиниста в сигнал "Lз" задания положения дозирующего органа топливоподачи, который с выхода функционального преобразователя 12 поступает на другой вход блока 13 измерения рассогласования.

Сравнивают сигнал "Lз" заданного положения дозирующего органа топливоподачи с измеренным сигналом положения "Lu", измеренного датчиком 3 измерения положения дозирующего органа топливоподачи в блоке 13 по величине и знаку отклонения. Величина рассогласования ΔL=±(Lз-Lu) с выхода блока 13 поступает на вход блока 14 интегрирования. Величину рассогласования в блоке 13 интегрируют по времени. Верхний и нижний пределы интегрирования ограничивают. Результат интегрирования, действующий на выходе блока 14 интегрирования, принимают за регулируемую часть задания мощности тягового генератора 5. Верхний и нижний предел интегрирования ограничивают так, чтобы доля заданной мощности, определяемая расхождением заданного и измеренного положения органа топливоподачи, составила не более 30% от уровня свободной мощности дизеля, что улучшает устойчивость работы системы регулирования тяговой передачи.

Датчиком 4 измеряют текущую частоту вращения дизеля 1 и с выхода датчика 4 сигнал, пропорциональный частоте вращения дизеля, подают на вход функционального преобразователя 16.

Функциональным преобразователем 16 задают мощность тягового генератора пропорционально измеренной частоте вращения дизеля 1.

Суммируют результат интегрирования измеренного и заданного положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки с сигналом заданной мощности тягового генератора 5, пропорциональной измеренной частоте вращения теплового двигателя, например дизеля 1, для чего с выхода блока интегрирования 14 подают на один из входов сумматора 15 результат интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки, а на другой вход сумматора 15 подают сигнал заданной мощности тягового генератора 5 с выхода функционального преобразователя 16, пропорциональный измеренной частоте вращения теплового двигателя (дизеля 1). Результат суммирования, действующий на выходе сумматора 15, принимают за уставку мощности тягового генератора 5.

Сигнал, действующий на выходе сумматора 15, соответствует свободной мощности дизеля 1. На Фиг.2, построенной в координатах "напряжение Uг тягового генератора - ток Iг тягового генератора", заданная свободная мощность дизеля соответствует равнобокой гиперболе "а" при реализации этой свободной мощности дизеля в координатах "напряжение Uг тягового генератора - ток Iг тягового генератора".

Сигнал выхода сумматора 15 подают на один из входов блока 17 измерения рассогласования, на другой вход которого подают с выхода блока 18 измерения мощности тягового генератора 5 сигнал, пропорциональный измеренной мощности тягового генератора 5.

Сигнал рассогласования измеренной в блоке 18 мощности и сигнал заданной в сумматоре 15 мощности тягового генератора 5 подают с выхода блока 17 на вход блока 19 интегрирования и интегрируют по времени. Результат интегрирования (выходной сигнал блока 19 интегрирования) принимают за величину уставки напряжения тягового генератора 5.

Величину уставки напряжения тягового генератора 5 изменяют с темпом, определяемым постоянной интегрирования блока 19 интегрирования. Постоянную интегрирования устанавливают дискретно в зависимости от положительного или отрицательного сигнала рассогласования заданной и измеренной мощности генератора 5, действующего на выходе блока 17 измерения рассогласования.

Если сигнал рассогласования положительный, то постоянную времени интегрирования устанавливают одной величины, а если сигнал рассогласования отрицательный, то постоянную времени интегрирования устанавливают другой, меньшей величины.

Сигнал выхода блока 19 подают на вход блока 20 измерения рассогласования напряжения тягового генератора 5 и подают на один из входов блока 18 измерения мощности тягового генератора 5.

Измеряют напряжение тягового генератора 5 датчиком 9 измерения напряжения и подают на другой вход блока 20 измерения рассогласования уставки напряжения с измеренным напряжением тягового генератора 5.

В блоке 20 сигнал, пропорциональный измеренному напряжению тягового генератора 5, сравнивают с величиной уставки напряжения тягового генератора, результат сравнения подают на вход блока 10 управления током возбуждения тягового генератора 5 и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора 5. Генератор 5 возбуждается и на его выходе появляется напряжение, которое подают на вход тяговых электродвигателей, например 7 и 8. Число тяговых электродвигателей может быть равным числу осей локомотива.

Выходное напряжение тягового генератора 5 при быстроизменяющихся процессах (например, боксовании колесных пар тепловоза, сопровождающегося уменьшением тока нагрузки и реализуемой мощности) можно рассматривать как величину постоянную. На Фиг.2 это отражено серией линий постоянного напряжения, из которых формируется ограничительная внешняя характеристика тягового генератора 5 для режима постоянной мощности генератора - Рг = const.

Тяговые двигатели 7 и 8 воспринимают электрическую нагрузку, и на выходе тягового генератора 5 действует некоторый ток нагрузки, который замеряют датчиком 6 тока, и сигнал с выхода датчика 6 тока, пропорциональный току нагрузки, подают на другой вход блока 18 измерения мощности тягового генератора 5.

В блоке 18 перемножают величину уставки напряжения тягового генератора 5 с сигналом, пропорциональным измеренному току тягового генератора 5, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора и сравнивают в блоке 17 измерение рассогласования с уставкой мощности тягового генератора 5.

Измерение мощности тягового генератора 5 производится с упреждением.

Величина упреждения определяется электрическими постоянными времени блока 20 измерения рассогласования напряжения, блока 10 управления током возбуждения тягового генератора 5, обмотки возбуждения и силовой обмотки тягового генератора 5, датчика 9 измерения напряжения тягового генератора, образующих структуру - регулятор напряжения тягового генератора 5.

Упреждение измерения мощности тягового генератора улучшает устойчивость работы регулятора напряжения генератора 5 и системы регулирования тяговой электрической передачи тепловоза в целом.

Выходное напряжение тягового генератора 5 стабилизируется, регулятор напряжения работает с минимальным статизмом, что способствует улучшению тяговых свойств тепловоза в режимах возникающего боксования.

Равновесие в системе регулирования тяговой электрической передачи устанавливается следующим образом.

Если задана величина мощности дизеля 1, приводящего во вращение тяговый генератор 5, то ограничение по заданной мощности дизеля 5 может быть представлено равнобокой гиперболой "а", наложенной на линии постоянного напряжения в координатах "напряжение Uг генератора - ток Iг генератора" (Фиг.2).

Ток генератора 5 определяется, преимущественно, весом поездом и величиной подъема на элементе профиля, на котором работает тепловоз.

Величина тока генератора 5 может быть равной Iг₁. Напряжение тягового генератора Uг, поддерживаемое контуром регулирования напряжения, может быть выше равновесного значения U_г1, ограниченного равнобокой гиперболой "а" (Фиг.2) для режима Рг = const. Измеренная мощность тягового генератора окажется больше заданного значения. Величина рассогласования мощности на выходе блока 17 имеет отрицательное значение. Блок 19 интегрирования устанавливает максимальным темпом новое меньшее значение уставки напряжения тягового генератора 5. Напряжение тягового генератора 5 уменьшается, уменьшается и мощность на выходе тягового генератора 5. Равновесие в системе установится при неизменном Iг₁, когда положение линии постоянного напряжения будет соответствовать точке "d" на равнобокой гиперболе "а" (Фиг.2).

Если ток генератора 5 равен Iг₁, то напряжение Uг тягового генератора 5 может быть ниже равновесного значения, ограниченного равнобокой гиперболой "а" (Фиг.2) для режима Рг = const - линия Uг₁.

Измеренная мощность тягового генератора 5 окажется меньше заданного значения. Величина рассогласования мощности на выходе блока 17 имеет положительное значение. Блок интегрирования 19 устанавливает с минимальным темпом новое большое значение уставки напряжения тягового генератора 5. Напряжение тягового генератора 5 увеличивается, увеличивается и мощность на выходе тягового генератора 5.

Равновесие в системе устанавливается при неизменном Iг₁, когда положение линии постоянного напряжения U_г1 будет соответствовать точке "d" на равнобокой гиперболе "а" (Фиг.2).

Аналогично работает система регулирования при формировании внешней характеристики тягового генератора при изменении величины подъема на элементе профиля пути или задаваемой частоты вращения дизеля.

Этот способ позволяет осуществить устойчивую работу тепловоза с полной мощностью дизеля и постоянными мощностями, соответствующими линиям наибольшей экономичности, а также реализовать принцип поддержания квазипостоянного напряжения на тяговых электродвигателях в режимах боксования, что улучшает тяговые свойства тепловоза.

Предлагаемый способ испытан с применением унифицированной системы управления электропередачей и электроприводом тепловозов (УСТА) на модернизируемых тепловозах переменно-постоянного тока типа ТЭ116, на тепловозах типа ТЭ10 и показал положительные результаты.

Формула изобретения

Способ регулирования электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, и измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующего текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора и сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора, и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, отличающийся тем, что задают мощность тягового генератора пропорционально измеренной частоте вращения теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора с сигналом, пропорциональным измеренному току тягового генератора, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора и сравнивают с уставкой мощности тягового генератора, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава Министерства путей сообщения Российской Федерации

(73) Патентообладатель:Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава"

Договор № РД0038215 зарегистрирован 08.07.2008

Извещение опубликовано: 20.08.2008        БИ: 23/2008