Способ и система для регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем

Изобретение относится к способу регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, включающим токосъемное средство, взаимодействующее с контактной сетью, снабжаемой энергией постоянного тока посредством питающих подстанций, распределенных вдоль рельсового пути. Способ включает следующие стадии: измерение напряжения Vcat контактной сети возле тягового двигателя, измерение тока Icat в контактной сети возле тягового двигателя, оценку напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подающей энергию в контактную сеть, к которой подключен тяговый двигатель, оценку максимальной мощности, подводимой к контактной сети, из уравнения:

где R - сопротивление контактной сети, и ограничение мощности, потребляемой тяговым двигателем, пределом Plim мощности, меньшим или равным вычисленной максимальной мощности Pmax. Изобретение также относится к системе для реализации указанного выше способа. 2 н.з. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способу для регулирования мощности тягового двигателя, снабжаемого энергией через контактную сеть постоянного тока. Более конкретно, оно относится к способу регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, в зависимости от мощности, имеющейся в контактной сети. Изобретение также относится к устройству для реализации способа.

Обычно энергия постоянного тока подается на тяговый двигатель по контактной сети, снабжаемой энергией от подстанций, расположенных вдоль железнодорожного пути. Подстанции рассчитаны на подведение конкретной мощности и, если мощность, потребляемая тяговым двигателем, больше мощности, имеющейся в контактной сети, вследствие того, что несколько железнодорожных транспортных средств одновременно находятся на участке пути, снабжаемом энергией от подстанции, или вследствие того, что контактная сеть не снабжается должным образом энергией из-за выполнения технических работ или больших расстояний между подстанциями, на снабжающих энергией подстанциях возникают падения напряжения, которые могут вызвать отключение автоматического выключателя на подстанции в ответ на перегрузку или отключение автоматического переключателя в тяговом двигателе из-за слишком низкого напряжения.

Из уровня техники известно решение этой проблемы путем размещения на щите управления тяговым двигателем ручного переключателя, предназначенного для ограничения мощности тягового двигателя, и этот переключатель необходимо устанавливать в положение, указанное в руководстве по эксплуатации переключателя. Однако в принцип действия устройства этого вида заложены номинальные рабочие условия, и оно не обеспечивает автоматического согласования мощности, потребляемой тяговым двигателем, с изменениями рабочих условий. Поэтому посредством устройства этого вида мощностью тягового двигателя управляют, принимая во внимание наихудший случай рабочих условий и не получая выгоды на участках, снабжаемых большей мощностью, например вблизи подстанций, где тяговый двигатель мог бы потреблять большую мощность.

В другом решении из уровня техники определяют максимальную мощность, которую может потреблять тяговый двигатель, путем измерения напряжения контактной сети. Обычно это решение эффективно в том случае, когда тяговый двигатель находится не слишком далеко от подстанции. Однако, если он находится на большом расстоянии от подстанции, сопротивление контактной сети становится высоким, и поэтому напряжение линии будет очень сильно зависеть от тока, протекающего в контактной сети, и следовательно, от мощности, потребляемой тяговым двигателем. В ситуации такого рода небольшое увеличение потребления приводит к большому падению напряжения в контактной сети, и под действием алгоритма ограничения мощности в зависимости от напряжения контактной сети усиление системы регулирования становится все больше и больше, приводя к неустойчивости системы регулирования мощности.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании устойчивых способа и системы для регулирования мощности тягового двигателя, которые обеспечивают оптимальный режим работы тягового двигателя в зависимости от мощности, имеющейся в контактной сети.

Согласно изобретению разработан способ регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, включающим токосъемное средство, взаимодействующее с контактной сетью, снабжаемой энергией постоянного тока посредством питающих подстанций, распределенных вдоль рельсового пути, отличающийся тем, что он включает следующие стадии:

- измерение напряжения Vcat контактной сети возле тягового двигателя;

- измерение тока Icat в контактной сети возле тягового двигателя;

- оценка напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подающей энергию в контактную сеть, к которой подключен тяговый двигатель;

- оценка максимальной мощности, имеющейся в контактной сети, из уравнения:

где: R-сопротивление контактной сети, вычисленное из уравнения:

и

- ограничение мощности, потребляемой тяговым двигателем, пределом Plim мощности, меньшим или равным вычисленной максимальной мощности Pmax.

В соответствии с еще одной особенностью изобретения напряжение холостого хода Vcat₀ подстанции оценивают путем корректировки значения теоретического напряжения Vcat₀' холостого хода подстанции посредством пропорционально-интегрального регулятора, входным сигналом которого является разность R'-R, где R' - динамическое сопротивление контактной сети.

В соответствии с еще одной особенностью изобретения предел Plim мощности вычисляют путем приложения к вычисленной мощности Pmax редуцирующего коэффициента K, от 0 до 1, полученного с учетом ограничений, налагаемых инфраструктурами.

Согласно изобретению также разработана система для регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, включающим токосъемное средство, взаимодействующее с контактной сетью, снабжаемой энергией постоянного тока посредством питающих подстанций, распределенных вдоль рельсового пути, отличающаяся тем, что она содержит:

- средство для измерения напряжения Vcat контактной сети возле тягового двигателя;

- средство для измерения тока Icat в контактной сети возле тягового двигателя;

- каскад для оценки напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подающей энергию в контактную сеть, к которой подключен тяговый двигатель;

- каскад для оценки максимальной мощности Pmax, имеющейся в контактной сети, включающий модуль для вычисления эквивалентного сопротивления и модуль для вычисления мощности и

- средство для ограничения мощности, потребляемой тяговым двигателем, до значения, меньшего или равного вычисленной максимальной мощности Pmax.

В конкретных вариантах осуществления системы для регулирования мощности согласно настоящему изобретению могут иметься один или несколько из следующих признаков, сами по себе или в любом технически реализуемом сочетании:

- каскад для оценки напряжения Vcat₀ подстанции включает в себя по меньшей мере одно запоминающее устройство, формирующее сигнал Vcat₀', соответствующий теоретическому напряжению холостого хода подстанции, снабжающей энергией тяговый двигатель, при этом указанный сигнал Vcat₀' используется в качестве исходной величины для вычисления напряжения Vcat₀ подстанции;

- каскад для оценки напряжения Vcat₀ подстанции дополнительно содержит средство для формирования корректирующего сигнала, который привносится к теоретическому сигналу Vcat₀' холостого хода и формируется пропорционально-интегральным регулятором, который принимает в качестве входного сигнала разность R'-R, где R' - динамическое сопротивление контактной сети;

- максимальная мощность Pmax корректируется с помощью множителя K, поступающего из редуцирующего модуля, получаемого с учетом ограничений, наложенных инфраструктурой;

- средства для измерения напряжения Vcat контактной сети и тока Icat в контактной сети выполнены в виде датчиков, поддерживаемых токосъемным средством.

Объект изобретения, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего описания одного варианта осуществления изобретения, который описан только в качестве не создающего ограничений примера и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 - функциональная схема, иллюстрирующая структуру регулятора мощности в соответствии с изобретением;

фиг.2 - схематичное представление силовой электрической цепи подстанции, снабжающей энергией тяговый двигатель.

Для облегчения чтения чертежей показаны только те элементы, которые необходимы для понимания изобретения.

На фиг.1 показана общая структура системы для регулирования мощности тягового двигателя, соответствующего одному конкретному варианту осуществления изобретения.

Как показано на этой фигуре, устройство включает в себя каскад 20, предназначенный для оценки максимальной мощности Pmax, имеющейся в контактной сети, и работающий параллельно с каскадом 21, предназначенным для оценки напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подводящей энергию в контактную сеть, к которой подключено железнодорожное транспортное средство.

Каскад 20, предназначенный для оценки максимальной мощности, включает в себя модуль 6 для вычисления сопротивления R контактной сети и модуль 10 для оценки максимальной мощности Pmax, имеющейся в контактной сети.

На модуль 6 поступают в качестве входных измерительных сигналов напряжение Vcat контактной сети и ток Icat в контактной сети от соответствующих датчиков 14 и 15 на пантографе тягового двигателя, и значение Vcat₀, получаемое в каскаде 21 для оценки напряжения холостого хода подстанции. На фиг.1 сигналы Vcat и Icat фильтруются фильтрами 3 и 4 нижних частот до того, как они подаются на вычислительный модуль 6.

На основании входных сигналов Icat, Vcat и Vcat₀ в модуле 6 вычисляется сопротивление контактной сети в соответствии с уравнением:

Приведенное выше уравнение легко вывести из фиг.2, на которой отображена электрическая схема питания, иллюстрирующая подачу энергии на тяговый двигатель, когда последний подключен к контактному проводу. На фиг.2 подстанция электропитания, которая подает энергию в контактную сеть, представлена генератором, подводящим напряжение Vcat₀, и сопротивлением части контактной сети между подстанцией и тяговым двигателем, обозначенным резистором R.

Выходной сигнал R модуля 6 подается на вход модуля 10, на который также поступает в качестве входного сигнала значение Vcat₀, получаемое с выхода каскада 21 для оценки напряжения холостого хода подстанции. На основании этих данных в модуле 10 вычисляется максимальная мощность, имеющаяся в контактной сети, при этом используется уравнение:

Приведенное выше уравнение можно вывести из следующих уравнений, полученных при обращении к фиг.2;

Далее выходной сигнал модуля 10 подается на вход умножителя 12, на который также поступает значение редуцирующего коэффициента K (0<K<1) из модуля 11, предназначенного для учета ограничений, накладываемых инфраструктурами. Коэффициент K зависит от сети электропитания, от которой работает тяговый двигатель, он подается из базы данных, содержащейся в модуле 11, и является функцией значения сопротивления R контактной сети, вычисленного в модуле 6.

Выходной сигнал схемы 12 умножителя отражает предел Plim мощности, соответствующий максимальной мощности, которая может потребляться в любой заданный момент времени всеми узлами потребляющего электрическую энергию оборудования тягового двигателя без опасности снижения напряжения контактной сети. Далее это значение Plim передается к средству, непоказанному, для ограничения мощности, потребляемой тяговым двигателем, таким образом, чтобы она не превышала Plim.

Ниже со ссылкой на фиг.1 описана работа каскада 21, предназначенного для оценки напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции.

Каскад 21 включает в себя модуль 5, предназначенный для вычисления динамического сопротивления R' контактной сети. На модуль 5 поступают в качестве входных сигналы измерений напряжения Vcat и тока Icat, подводимые с датчиков 14 и 15 и отфильтрованные обрабатывающими фильтрами 1 и 2 нижних частот так, что сохраняются только простейшие сигналы, выдаваемые измерительными датчиками. На временных интервалах Δt в модуле 5 запоминаются значения Vcat и Icat и вычисляются последовательные значения динамического сопротивления R' по формуле:

Динамическое сопротивление R' соответствует сумме сопротивления контактной сети, сопротивления подстанции и мнимого сопротивления, соответствующего падению напряжения, обусловленному потреблением тяговых двигателей, подключенных к одной и той же подстанции, в случае, если большое количество тяговых двигателей работает от одной и той же линии.

Далее вычисленное значение R' подается на вход вычитающего устройства 9, в котором из него вычитается сопротивление R, вычисленное при предыдущей итерации в модуле 6 каскада 20, ранее описанном. Выходной сигнал вычитающего устройства 9 подается на вход пропорционально-интегрального регулятора 7, который имеет ограниченное значение выходного сигнала. Выходной сигнал регулятора 7 представляет собой корректирующий сигнал, который подается на вычитающее устройство 13, в котором он вычитается из сигнала Vcat', соответствующего теоретическому значению питающего напряжения холостого хода подстанции, который выводится из запоминающего устройства. Выходной сигнал вычитающего устройства 13 соответствует скорректированному сигналу Vcat₀, который передается на модули 6 и 10 каскада 20, предназначенного для оценки максимальной мощности, имеющейся в контактной сети. В начале процесса вычислений используется значение Vcat₀, подаваемое с каскада 21 на каскад 20 при первой итерации вычислений, равное теоретическому значению Vcat₀' напряжения холостого хода подстанции.

Каскад 21 этого вида обеспечивает преимущество, поскольку в нем учитывается падение напряжения на подстанции, обусловленное чрезмерной мощностью, потребляемой тяговым двигателем, находящейся в связи мощностью, которая реально имеется в контактной сети.

После нескольких итераций вычислений в каскадах 20 и 21 этот регулятор вырабатывает значение мгновенной максимальной мощности, имеющейся в контактной сети, и следовательно, принимая во внимание редуцирующий коэффициент, соответствующий ограничениям, наложенным инфраструктурами, предела мощности Plim, которая может потребляться в любой момент времени тяговым двигателем, перемещающимся относительно линии, снабжаемой энергией подстанции.

Следовательно, регулятор согласно настоящему изобретению может определять заданное значение максимальной мощности, которое не должно превышаться тяговым двигателем и которое в рабочем состоянии тягового двигателя должно быть разделено между всеми узлами потребляющего электрическую энергию оборудования, такими как тяговые двигатели, обогреватели вагонов и вспомогательное оборудование.

Конечно, изобретение никоим образом не ограничено описанным и показанным только для примера вариантом осуществления. Без отступления от объема защиты изобретения описанный и показанный вариант осуществления может быть модифицирован, в частности, в плане компоновки различных элементов и замены техническими эквивалентами.

1. Способ регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, включающим токосъемное средство, взаимодействующее с контактной сетью, снабжаемой энергией постоянного тока посредством питающих подстанций, распределенных вдоль рельсового пути, отличающийся тем, что он включает этапы при которых осуществляют

измерение напряжения Vcat контактной сети возле тягового двигателя;

измерение тока Icat в контактной сети возле тягового двигателя;

осуществляют оценку напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подающей энергию в контактную сеть, к которой подключен тяговый двигатель;

осуществляют оценку максимальной мощности, имеющейся в контактной сети, из уравнения

где R - сопротивление контактной сети, вычисленное из уравнения

и

осуществляют ограничение мощности, потребляемой тяговым двигателем, пределом Plim мощности, меньшим или равным вычисленной максимальной мощности Ртах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряжение холостого хода Vcat₀ подстанции оценивают путем корректировки значения теоретического напряжения Vcat₀ ^' холостого хода указанной подстанции посредством пропорционально-интегрального регулятора (7), входным сигналом которого является разность R'-R, где R' - динамическое сопротивление контактной сети.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что предел Plim мощности вычисляют путем приложения к вычисленной мощности Pmax редуцирующего коэффициента К, от 0 до 1, полученного с учетом ограничений, налагаемых инфраструктурами.

4. Система для регулирования мощности, потребляемой тяговым двигателем, включающим токосъемное средство, взаимодействующее с контактной сетью, снабжаемой энергией постоянного тока посредством питающих подстанций, распределенных вдоль рельсового пути, отличающаяся тем, что она содержит

средство (14) для измерения напряжения Vcat контактной сети возле тягового двигателя;

средство (15) для измерения тока Icat в контактной сети возле тягового двигателя;

каскад (21) для оценки напряжения Vcat₀ холостого хода подстанции, подающей энергию в контактную сеть, к которой подключен тяговый двигатель;

каскад (20) для оценки максимальной мощности Pmax, имеющейся в контактной сети, включающий модуль (6) для вычисления эквивалентного сопротивления и модуль (10) для вычисления мощности и

средство для ограничения мощности, потребляемой тяговым двигателем, до значения, меньшего или равного вычисленной максимальной мощности Pmax 5.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что указанный каскад (21) для оценки напряжения Vcat₀ подстанции включает в себя по меньшей мере одно запоминающее устройство, формирующее сигнал Vcat₀', соответствующий теоретическому напряжению холостого хода подстанции, снабжающей энергией тяговый двигатель, при этом указанный сигнал Vcat₀' используется в качестве исходной величины для вычисления напряжения Vcat₀ подстанции.

6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что указанный каскад (21) для оценки напряжения Vcat₀ подстанции дополнительно содержит средство для формирования корректирующего сигнала, который добавляется к теоретическому сигналу Vcat₀' холостого хода и формируется пропорционально-интегральным регулятором (7), который принимает в качестве входного сигнала разность R'-R, где R' - динамическое сопротивление контактной сети.

7. Система по любому из пп.4-6, отличающаяся тем, что указанная максимальная мощность Pmax корректируется с помощью множителя К, поступающего из редуцирующего модуля (11), получаемого с учетом ограничений, наложенных инфраструктурой.

8. Система по любому из пп.4-7, отличающаяся тем, что средства (14, 15) для измерения напряжения Vcat контактной сети и тока Icat в контактной сети выполнены в виде датчиков, поддерживаемых токосъемным средством.