СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF POWER PLANT CONTROL AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к силовым локомотивным установкам и способу управления ими.
Известна силовая установка и способ управления ей по патенту US 7,232,401 B2, которая содержит ДВС, трансмиссию, мотор-генератор, инвертор, устройство накопления энергии и систему управления, предназначенная для улучшения переходных процессов при включении/отключении части цилиндров ДВС.
Известен метод работы транспортного средства с ДВС-генераторной силовой установкой, тяговым электродвигателем и соответствующим транспортным средством по патенту US 7,163,071 B2, которое содержит ДВС-генераторную силовую установку, электродвигатель, источник сигнала управления мощностью и электронную систему управления, объединяющую перечисленные компоненты. Указанное техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту. Оно и взято за прототип.
Недостатками этой силовой установки является необходимость ослабления мощности потребителей электроэнергии, к которым в данном транспортном средстве относятся не только привод вспомогательных устройств, но и тяговые электродвигатели, что может привести к отключению используемой в данный момент вспомогательной нагрузки при недостатке снижения потребления электроэнергии за счет других (в которых нет необходимости в данный момент) потребителей. Если же нагрузка на ДВС снижается за счет уменьшения мощности тяговых электродвигателей - это приведет к уменьшению силы тяги.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы силовой установки локомотива (повышение КПД, снижение тепловых нагрузок) в переходных (неустановившихся) режимах и/или снижение их продолжительности и/или повышение надежности ДВС.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что силовая цепь локомотива, которая содержит, по крайней мере один ДВС, по крайней мере один генератор, подсоединенный к по крайней мере одному ДВС, по крайней мере один преобразователь, предназначенный для преобразования и регулирования тока и напряжения в силовой цепи, по крайней мере один тяговый электродвигатель и систему управления с измерительными устройствами, отличается тем, что содержит накопитель энергии (НЭ), который вводит в силовую цепь энергию по специальному алгоритму, а также заряжается по специальному алгоритму.
Предложенное техническое решение по мнению заявителя обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкциях транспортных средств и в машиностроении.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где:
- на фиг.1 изображена принципиальная схема силовой цепи
локомотива;
- на фиг.2 изображено изменение некоторых параметров работы силовой установки локомотива при использовании описанной системы управления;
- на фиг.3 изображено изменение угловой скорости коленчатого вала дизеля в переходном процессе при применении описанной системы управления;
тяги
н
- на фиг.4 изображено изменение мощности тяги P и заряда накопителя энергии E в переходном процессе при применении описанной системы управления.
Силовая установка содержит ДВС 1, тяговый генератор 2, подсоединенный к ДВС, тяговый выпрямитель (он же пусковой инвертор) 3, тяговые электродвигатели 4, которые через редукторы 5 приводят ведущие оси 6. Силовая установка также содержит накопитель энергии 7, который электрически соединен с преобразователем (он же регулятор) тока и напряжения 8, управляющее устройство 9, которое соединено с устройствами измерения тока 10 и напряжения 11 накопителя энергии, с устройством измерения выходной мощности генератора и накопителя 12, с устройством измерения напряжения тягового выпрямителя 13, а также с запирающими устройствами 14 и 15.
ДВС 1 приводит генератор 2, который через тяговый выпрямитель 3 (он же пусковой инвертор) питает тяговые электродвигатели локомотива 4 (для передачи переменно-постоянного тока). Режим тяги с одновременной передачей энергии ДВС 1 и накопителя энергии 7 на движущие оси 6 через электрическую передачу тепловоза и редукторы 5 осуществляется путем разряда накопителя энергии 7 в силовую цепь через преобразователь 8. При этом управляющее устройство 9, получая сигналы от устройства измерения напряжения генератора 13, устройства измерения тока 10 и напряжения 11 регулирует работу преобразователя 8 так, чтобы потенциалы на выходе из тягового выпрямителя 3 и преобразователя 8 были равны и ток разряда накопителя энергии 7 обеспечивал заданный закон изменения тяговой мощности.
Режим тяги с использованием только энергии теплового двигателя обеспечивается закрытием преобразователя 8. В случае избытка мощности дизеля передача этой избыточной мощности накопителю энергии осуществляется через преобразователь 8, при этом управляющее устройство 9 регулирует преобразователь 8 так, чтобы обеспечивался оптимальный при данных условиях режим заряда накопителя.
Также возможен режим выбега с одновременным зарядом накопителя энергии. Управляющее устройство 9 переводит запирающее устройство 15 в режим «закрыто» и управляет преобразователем 8 и возбуждением генератора 2 так, чтобы обеспечивался оптимальный, режим заряда накопителя 7. Эта схема позволяет реализовать и режим рекуперативного торможения. При этом тяговые электродвигатели 4 переходят в генераторный режим, а управляющее устройство 9 переводит запирающее устройство 14 в режим «закрыто» и управляет преобразователем 8 так, чтобы обеспечивался оптимальный при данных условиях режим заряда накопителя.
Фиг.2 соответствует работе дизеля в переходном режиме в некотором интервале времени Δt. Этот интервал можно разбить на три характерных этапа:
∂1
e i
ген i
Этап I. До начала первого этапа дизель 1 работает с постоянной угловой скоростью коленчатого вала ω, постоянной мощностью P. Нагрузка на него также постоянна и соответствует P.
∂
ц i
ц
кин
∂1
∂2
При переводе рукоятки контроллера машиниста из одного положения в другое, соответствующее большей угловой скорости коленчатого вала дизеля 1 ω, система управления снижает мощность генератора 2 по линии 8-7 и увеличивает цикловую подачу топлива со значения соответствующего b до ограничения по уровню топливно-воздушного соотношения - [b]. Снижение нагрузки на дизель 1 должно быть таким, чтобы сумма мощностей от приращения подачи топлива и этого снижения была равна мощности необходимой для увеличения кинетической энергии движущихся масс двигателя P с ω до ω:
∂
в
Благодаря снижению нагрузки и увеличению цикловой подачи топлива угловая скорость коленчатого вала ω начинает увеличиваться, при этом растет расход воздуха через дизель G. Цикловая подача топлива изменяется так, чтобы коэффициент избытка воздуха α был равен минимально допустимой величине [α].
ген
на тягу
Несмотря на снижение мощности генератора 2 P, мощность, необходимая для нужд тяги P, растет. Этот рост обеспечивается за счет введения в силовую цепь тепловоза энергии от емкостного накопителя 7 и за счет увеличения текущего значения мощности дизеля. Количество энергии, идущее на нужды тяги от накопителя, система управления 9 определяет исходя из условия обеспечения заданного углового ускорения коленчатого вала дизеля. Такая необходимость связана с тем, что текущее значение цикловой подачи топлива, ограниченной в соответствии с допустимым значением топливно-воздушного соотношения, не всегда способно обеспечить необходимый рост тяговой мощности.
∂
∂
Разряд накопителя 7 в силовую цепь продолжается в течение некоторого интервала времени, при котором ω возрастает на величину, установленную системой управления. Количество энергии для увеличения ω соответствует площади фигуры 1-3-4-6-1.
∂
∂
ц
Количество энергии, которое поступает в силовую цепь тепловоза от EH 7 в процессе увеличения ω, соответствует площади фигуры, ограниченной линией 1-2-5-6-1 (7-8-11-12-7). Повышение мощности дизеля 1 со значения в точке 13 до уровня в точке 14 происходит за счет изменения ω и b. Таким образом, нагрузка от увеличения кинетической энергии вращающихся масс дизеля распределяется между EH (1-2-5-6-1) и самим дизелем (фигура 2-3-4-5-2).
∂2
Как только угловая скорость коленчатого вала достигает заданной величины ω, нагрузка на генератор 2 восстанавливается по линии 12-11-10. При этом дизель 1 уже развивает мощность, при которой он способен реализовывать нагрузку, соответствующую точке 10.
∂
Этап II. Этот этап характерен постоянством величины ω.
ц
ген
Несмотря на неизменную частоту вращения коленчатого вала дизеля цикловая подача топлива продолжает расти, поскольку расход воздуха через дизель 1 также растет благодаря продолжающемуся повышению угловой скорости ротора турбокомпрессора. Подобное изменение b приводит к увеличению мощности дизеля и соответствующему повышению P.
Поскольку мощность, развиваемая тяговым генератором 2 на данном этапе, выше мощности, необходимой для реализации установленной системой управления 9 силы тяги, то возникает возможность произвести заряд накопителя энергии 7.
Продолжительность второго этапа выбирается исходя из условия восполнения энергии затраченной на первом этапе (площадь 7-8-11-12-7 не должна превышать площадь фигуры 11-10-23-22-11), а также для реализации требуемой скорости изменения мощности тяги  за весь переходный процесс.
кин
ц
Этап III. Мощность генератора 2 снижается по линии 23-21 на величину, равную мощности, необходимой для увеличения кинетической энергии движущихся масс двигателя P с установленным угловым ускорением коленчатого вала дизеля. Падение мощности генератора 2 больше чем на первом этапе, поскольку в отличие от первого этапа здесь не происходит резкого увеличения цикловой подачи топлива db и соответствующего ему приращения эффективной мощности дизеля .
∂
После этапа III вновь следует этап II, так как первый этап относился только к работе дизеля на «недогруженном» режиме, и т.д. до тех пор, пока ω не будет равна угловой скорости коленчатого вала дизеля заданной изменением позиции контроллера машиниста.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить КПД ДВС в неустановившихся режимах за счет протекания переходных процессов с установленным коэффициентом избытка воздуха, выбираемым по условию реализации высокоэффективного переходного процесса.
2. Повысить надежность ДВС в эксплуатации за счет снижения накопленных повреждений в переходных процессах, вызванных тепловыми перегрузками, а также за счет снижения отложений сажи и продуктов неполного сгорания топлива на элементах газовыхлопного тракта и турбины турбокомпрессора.
3. Снизить энергоемкость накопителя энергии, необходимую для улучшения качества переходных процессов.
4. Обеспечить возможность пуска ДВС при помощи накопителя энергии 7.