УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗОК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к электрическому транспорту и может быть использована для автоматического управления тяговыми электрическими машинами постоянного тока электроподвижного состава (ЭПС) в режимах тяги и электрического торможения.
Известно устройство для регулирования нагрузок тяговых двигателей электровоза [Авт. свид. СССР №1402449. БИ, 1988, №22], содержащее для каждой пары параллельно включенных и подсоединенных к выходу преобразователя тяговых двигателей первый элемент сравнения, подключенный выходом через регулятор тока ко входу преобразователя, одним входом к выходу датчика тока и другим входом к выходу второго элемента сравнения, который подсоединен первым входом к выходу задатчика тока, суммирующий элемент, подключенный входами к выходам датчиков частоты вращения тяговых двигателей и выходом через последовательно соединенные дифференцирующий фильтр и усилитель к сигнальному входу порогового элемента с управляемой величиной порога срабатывания, который подсоединен управляющим входом через функциональный преобразователь к задатчику тока, а выходом к второму входу второго элемента сравнения.
Данное устройство предназначено для регулирования нагрузок тяговых двигателей последовательного возбуждения по предельно допустимым условиям сцепления колесных пар электровоза в режиме тяги. Однако оно не может гарантировать достаточно высокую точность выравнивания нагрузок параллельно включенных тяговых двигателей при отсутствии проскальзывания колесных пар электровоза. Это обусловлено тем, что регулирование нагрузок в этом устройстве осуществляется по наибольшему из токов параллельно включенных тяговых двигателей. Но, во-первых, характеристики намагничивания тяговых двигателей не могут быть идентичными. Во-вторых, бандажи колесных пар электровоза из-за неравномерного износа могут иметь разный диаметр, что обуславливает разную частоту вращения тяговых двигателей. Все это вызывает неравенство токов параллельно включенных тяговых двигателей, разную их загруженность и, как следствие, снижение тяговых возможностей электровоза.
Кроме того, при срыве сцепления одной из колесных пар электровоза рассматриваемое устройство снижает величину сигнала задания тока до значения, которое достаточно для восстановления сцепления. Но при восстановлении сцепления боксующей колесной пары велика вероятность того, что произойдет новый срыв ее сцепления. Это может произойти в силу того, что в момент восстановления сцепления, когда пороговый элемент отключает сигнал коррекции сигнала задания тока, выходной сигнал второго элемента сравнения увеличивается скачком и рассматриваемое устройство не может обеспечить необходимую плавность нарастания тока тяговых двигателей.
Наконец, в случае применения данного устройства для регулирования нагрузок тяговых двигателей независимого возбуждения оно не может гарантировать
достаточно высокую точность их регулирования по предельно допустимым условиям сцепления колесных пар еще и потому, что при независимом регулируемом возбуждении тяговых двигателей нет однозначной зависимости между их токами якорей и допустимым по условиям сцепления ускорением вращения колесных пар электровоза, А однозначность указанной зависимости в рассматриваемом устройстве необходима для реализации функционального преобразователя.
Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) к предлагаемому техническому решению является устройство для регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава [Патент RU №2034721. БИ, 1995, №13], содержащее тяговые двигатели, каждый из которых подсоединен якорной обмоткой к контактной сети и обмоткой возбуждения к выходу своего преобразователя, индивидуальные для каждого тягового двигателя датчик тока якоря, пропорционально-интегральный регулятор тока якоря, подключенный выходом к входу соответствующего преобразователя, блок выделения рассогласования, подсоединенный первым входом к выходу датчика тока якоря, первым выходом непосредственно и вторым выходом через усилитель сигнала рассогласования к входам пропорционально-интегрального регулятора тока якоря, блок обнаружения избыточного скольжения, который подключен первым входом к выходу датчика тока якоря, элемент выделения максимального сигнала, который подсоединен выходом к второму входу блока выделения рассогласования, управляемый размыкающий ключ, который подсоединен коммутирующим входом к выходу блока обнаружения избыточного скольжения и выходом к первому входу элемента выделения максимального сигнала, и общие для всех тяговых двигателей за-№ датчик требуемого значения тока, подключенный выходом к сигнальным входам управляемых ключей и к третьим входам блоков обнаружения избыточного скольжения, задатчик минимального значения тока, подсоединенный выходом к вторым входам элементов выделения максимального сигнала, датчик напряжения контактной сети и элемент сравнения, подключенный выходом через нуль-орган к вторым входам блоков обнаружения избыточного скольжения, первым входом непосредственно и вторым входом через элемент временной задержки к выходу датчика напряжения контактной сети.
Блок обнаружения избыточного скольжения содержит компаратор и последовательно соединенные дифференцирующий фильтр, инвертирующий усилитель, пороговый элемент и элемент логического И, который подключен третьим входом к выходу компаратора, причем выходом, первым, вторым и третьим входами блока обнаружения избыточного скольжения служат соответственно выход элемента логического И, вход дифференцирующего фильтра, соединенный с первым входом компаратора, второй вход элемента логического И и второй вход компаратора.
В данном устройстве, в отличие от ранее рассмотренного, осуществляется индивидуальное астатическое регулирование токов якорей параллельно включенных тяговых двигателей. За счет этого устройство обеспечивает практическое равенство токов и, следовательно, нагрузок параллельно включенных
тяговых двигателей в установившемся режиме движения ЭПС с заданной скоростью при отсутствии проскальзывания его колесных пар. Этим достигается наиболее эффективное использование тяговых и тормозных возможностей ЭПС по условиям сцепления его колесных пар.
Однако это устройство не может обеспечить достаточно высокую точность стабилизации нагрузок тяговых двигателей на заданном уровне при отработке такого характерного для ЭПС возмущающего воздействия как резкое изменение уровня напряжения контактной сети. Это обусловлено замедлением реакции регуляторов тока якоря на положительный сигнал рассогласования за счет ослабления последнего в усилителе сигнала рассогласования, коэффициент усиления которого выбирается значительно менее единицы.
Более того, рассматриваемое устройство не может гарантировать достаточно высокую точность поддержания равенства нагрузок тяговых двигателей в переходных режимах их работы: при входе в зону ослабления магнитного потока в режиме тяги, а также при входе в режим рекуперативного торможения. Это может произойти из-за неидентичности магнитных характеристик тяговых двигателей, а также вследствие разных э.д.с. последних.
Данное устройство не может обеспечить достаточно высокую точность регулирования и требуемого соотношения нагрузок тяговых двигателей при срыве сцепления колесных пар электровоза. Действительно, при срыве сцепления, например одной из колесных пар, сигнал задания тока якоря соответствующего тягового двигателя в этом устройстве снижается до минимально допустимого значения вне зависимости от значения скорости избыточного проскальзывания потерявшей сцепление колесной пары. В итоге это приводит к недоиспользованию тяговых и тормозных возможностей электровоза по предельно допустимым условиям сцепления его колесных пар.
Задача полезной модели - построение такого устройства, которое благодаря своей новой структуре обеспечивает повышение точности регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава по предельно допустимым условиям сцепления его колесных пар.
Решение задачи достигается тем, что устройство для регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава, содержащее тяговые двигатели с датчиками тока якоря, причем каждый из двигателей подсоединен якорной обмоткой к контактной сети и обмоткой возбуждения к выходу своего преобразователя, индивидуальные для каждого тягового двигателя пропорционально-интегральный регулятор тока якоря, подключенный выходом к входу преобразователя, управляемый размыкающий ключ, элемент выделения максимального сигнала и блок обнаружения избыточного скольжения, который подсоединен первым входом к выходу датчика тока якоря, и общие для тяговых двигателей задатчик тока якоря, датчик напряжения контактной сети и нуль-орган, который подсоединен выходом к второму входу каждого блока обнаружения избыточного скольжения, снабжено индивидуальными для каждого из тяговых двигателей элементом временной задержки, управляемым замыкающим ключом, суммирующим элементом, подсоединенным первым входом к выходу датчика тока якоря, элементом сравнения,
который подключен первым входом к выходу датчика тока якоря, вторым входом к выходу суммирующего элемента и выходом к сигнальным входам управляемых ключей, и общими для тяговых двигателей дополнительным элементом выделения максимального сигнала, который подсоединен входами к выходам датчиков тока якоря и выходом к второму входу каждого суммирующего элемента, дополнительным дифференцирующим фильтром, пропорциональным регулятором наибольшего тока якоря, который подключен входами к выходам задатчика тока якоря и дополнительного элемента выделения максимального сигнала, суммирующим усилителем, который подсоединен входами к выходу пропорционального регулятора наибольшего тока якоря и к выходу каждого управляемого замыкающего ключа, задатчиком интенсивности, который подключен входом к выходу суммирующего усилителя и выходом к третьему входу каждого суммирующего элемента, при этом каждый из индивидуальных для тяговых двигателей элемент выделения максимального сигнала подсоединен выходом к коммутирующим входам управляемых ключей, первым входом непосредственно и вторым входом через элемент временной задержки к выходу блока обнаружения избыточного скольжения, который подключен третьим входом к выходу суммирующего элемента, управляемый размыкающий ключ подсоединен выходом к входу пропорционально-интегрального регулятора тока якоря, а дополнительный дифференцирующий фильтр подключен входом к выходу датчика напряжения контактной сети и выходом к входу нуль-органа.
На фиг.1 и фиг.2 представлены функциональные схемы соответственно устройства для регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава и блока обнаружения избыточного скольжения.
Устройство для регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава содержит тяговые двигатели 1 и 2 с датчиками 3 и 4 тока якоря, причем каждый из двигателей подсоединен якорной обмоткой к контактной сети и обмоткой возбуждения к выходу своего преобразователя 5, индивидуальные для каждого тягового двигателя пропорционально-интегральный регулятор 6 тока якоря, подключенный выходом к входу преобразователя 5, управляемый размыкающий ключ 7, элемент 8 выделения максимального сигнала и блок 9 обнаружения избыточного скольжения, который подсоединен первым входом к выходу датчика 3 тока якоря, и общие для тяговых двигателей 1 и 2 задатчик 10 тока якоря, датчик 11 напряжения контактной сети и нуль-орган 12, который подсоединен выходом к второму входу каждого блока 9 обнаружения избыточного скольжения, индивидуальные для каждого из тяговых двигателей элемент 13 временной задержки, управляемый замыкающий ключ 14, суммирующий элемент 15, подсоединенный первым входом к выходу датчика тока якоря, элемент 16 сравнения, который подключен первым входом к выходу датчика 3 тока якоря, вторым входом к выходу суммирующего элемента 15 и выходом к сигнальным входам управляемых ключей 7 и 14, и общие для тяговых двигателей 1 и 2 дополнительный элемент 17 выделения максимального сигнала, который подсоединен входами к выходам датчиков 3 и 4 тока якоря и выходом к второму
входу каждого суммирующего элемента 15, дополнительный дифференцирующий фильтр 18, пропорциональный регулятор 19 наибольшего тока якоря, который подключен входами к выходам задатчика 10 тока якоря и дополнительного элемента 17 выделения максимального сигнала, суммирующий усилитель 20, который подсоединен входами к выходу пропорционального регулятора 19 наибольшего тока якоря и к выходу каждого управляемого замыкающего ключа 14, задатчик 21 интенсивности, который подключен входом к выходу суммирующего усилителя 20 и выходом к третьему входу каждого суммирующего элемента 15, при этом каждый из индивидуальных для тяговых двигателей элемент 8 выделения максимального сигнала подсоединен выходом к коммутирующим входам управляемых ключей 7 и 14, первым входом непосредственно и вторым входом через элемент 13 временной задержки к выходу блока 9 обнаружения избыточного скольжения, который подключен третьим входом к выходу суммирующего элемента 15, управляемый размыкающий ключ 7 подсоединен выходом к входу пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря, а дополнительный дифференцирующий фильтр 18 подключен входом к выходу датчика 11 напряжения контактной сети и выходом к входу нуль-органа 12.
Блок 9 обнаружения избыточного скольжения содержит компаратор 22 и последовательно соединенные дифференцирующий фильтр 23, инвертирующий усилитель 24, пороговый элемент 25 и элемент 26 логического И, который подключен третьим входом к выходу компаратора 22, причем выходом, первым, вторым и третьим входами блока 9 обнаружения избыточного скольжения служат соответственно выход элемента 26 логического И, вход дифференцирующего фильтра 23, соединенный с первым входом компаратора 22, второй вход элемента 26 логического И и второй вход компаратора 22.
Устройство для регулирования нагрузок тяговых двигателей электроподвижного состава работает следующим образом.
В режиме движении ЭПС с установившимися значениями скорости и токов возбуждения и якоря тяговых двигателей 1 и 2 при отсутствии избыточного проскальзывания колесных пар и постоянном напряжении контактной сети выходной сигнал дифференцирующего фильтра 18 равен нулю, а выходной сигнал нуль-органа 12 соответствует логической единице и поступает на второй вход элемента 26 логического И каждого из блоков 9 обнаружения избыточного скольжения. На первый и второй входы этого блока поступают равные друг другу выходные сигналы соответственно датчика 3 тока якоря и суммирующего элемента 15. В блоке 9 обнаружения избыточного скольжения эти сигналы поступают на входы компаратора 22 и на его выходе формируется сигнал, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на третий вход элемента 26 логического И. В это же время на первый вход элемента 26 логического И поступает выходной сигнал порогового элемента 25, соответствующий логическому нулю. Поэтому выходной сигнал блока 9 обнаружения избыточного скольжения, тоже соответствующий логическому нулю, поступает на первый вход элемента 8 выделения максимального сигнала непосредственно и на его второй вход через элемент 13 временной
задержки. Выходной сигнал элемента 8 выделения максимального сигнала будет равен логическому нулю и поступает на коммутирующие входы управляемых ключей 7 и 14. Управляемый ключ 14 остается разомкнутым, а управляемый ключ 7 - замкнутым. Выходной сигнал элемента 16 сравнения через управляемый ключ 7 поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря. Причем выходной сигнал элемента 16 сравнения равен нулю, так как входные сигналы элемента 16 сравнения, поступающие с выходов суммирующего элемента 15 и датчика 3 тока якоря равны по модулю и противоположны по знаку. Следовательно выходной сигнал регулятора 6 тока якоря остается постоянным и поступает на вход преобразователя 5, который поддерживает напряжение возбуждения и, соответственно, токи возбуждения и якоря тягового двигателя 1 постоянными.
При отсутствии избыточного скольжения колесных пар ЭПС, но резком изменении уровня напряжения контактной сети, в частности при его снижении в режиме тяги или возрастании в режиме рекуперативного торможения токи якорей тяговых двигателей 1 и 2 уменьшаются. Выходной сигнал датчика 3 тока якоря тоже уменьшается и поступает на дифференцирующий фильтр 23 блока 9 обнаружения избыточного скольжения. На выходе дифференцирующего фильтра 23 появляется отрицательный сигнал, который через инвертирующий усилитель 24 поступает на вход порогового элемента 25. На выходе порогового элемента 25 появляется сигнал, соответствующий логической единице, который поступает на второй вход элемента 26 логического И. Но в это же время выходной сигнал датчика 11 напряжения контактной сети поступает на вход дополнительного дифференцирующего фильтра 18, на выходе которого появляется сигнал, поступающий далее на вход нуль-органа 12. Выходной сигнал нуль-органа 12 становится равным логическому нулю и поступает на второй вход элемента 26 логического И блока 9 обнаружения избыточного скольжения. Поэтому выходной сигнал блока 9 обнаружения избыточного скольжения остается равным логическому нулю. Этот сигнал поступает далее на первый вход элемента 8 выделения максимального сигнала непосредственно и на его второй вход через элемент 13 временной задержки. Выходной сигнал элемента 8 выделения максимального сигнала будет равен логическому нулю и поступает на коммутирующие входы управляемых ключей 7 и 14, состояние которых не изменяется.
На выходе элемента 16 сравнения появляется положительный сигнал рассогласования, который через замкнутый управляемый ключ 7 поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря. Этот сигнал после соответствующего преобразования в регуляторе 6 тока якоря поступает на вход преобразователя 5, который увеличивает напряжение возбуждения тягового двигателя 1 до тех пор, пока выходной сигнал датчика 3 тока якоря не станет равным по модулю выходному сигналу суммирующего элемента 15.
При срыве сцепления одной из колесных пар ЭПС, например вращаемой тяговым двигателем 1, его ток якоря и, соответственно, выходной сигнал датчика 3 тока якоря уменьшаются. Выходной сигнал датчика 3 тока якоря
поступает на вход дифференцирующего фильтра 23 и первый вход компаратора 22 блока 9 обнаружения избыточного скольжения. На выходе дифференцирующего фильтра 23 появляется отрицательный сигнал, который через инвертирующий усилитель 24 поступает на вход порогового элемента 25. На выходе порогового элемента 25 появляется сигнал, соответствующий логической единице, который поступает далее на второй вход элемента 26 логического И. На его третий вход поступает с выхода компаратора 22 сигнал, который тоже соответствует логической единице, так как на второй вход компаратора 22 поступает с выхода суммирующего элемента 15 сигнал, значение которого больше значения выходного сигнала датчика 3 тока якоря. Поэтому и на выходе блока 9 обнаружения избыточного скольжения появляется сигнал, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на первый вход элемента 8 выделения максимального сигнала непосредственно и на его второй вход через элемент 13 временной задержки. Выходной сигнал элемента 8 выделения максимального сигнала будет равен логической единице и поступает на коммутирующие входы управляемых ключей 7 и 14. Управляемый ключ 7 размыкается и отключает вход пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря от выхода элемента 16 сравнения. Поэтому выходной сигнал регулятора 6 тока якоря и, соответственно, выходное напряжение преобразователя 5 остаются неизменными. В это же время управляемый ключ 14 замыкается и через него выходной сигнал элемента 16 сравнения поступает на первый инвертирующий вход суммирующего усилителя 20. Выходной сигнал суммирующего усилителя 20 уменьшается и через задатчик 21 интенсивности поступает на третий вход суммирующего элемента 15. Благодаря задатчику 21 интенсивности выходной сигнал суммирующего элемента 15 плавно снижается, уменьшая тем самым сигналы задания тока якоря обоих тяговых двигателей 1 и 2. Этим предотвращается срыв сцепления не потерявшей сцепление с рельсами колесной пары ЭПС. Сцепление же избыточно проскальзывающей колесной пары с течением времени восстанавливается благодаря снижению тока якоря тягового двигателя 1. Необходимый для этого интервал времени задается значением соответствующей постоянной времени в элементе 13 временной задержки.
Как только выходной сигнал элемента 13 временной задержки станет равным логическому нулю, становится равным логическому нулю и выходной сигнал элемента 8 выделения максимального сигнала, который поступает далее на коммутирующие входы управляемых ключей 7 и 14. Управляемый ключ 14 размыкается и отключает выход элемента 16 сравнения от первого входа суммирующего усилителя 20. Выходной сигнал суммирующего усилителя 20 возрастает и через задатчик 21 интенсивности поступает на третий вход суммирующего элемента 15. Выходной сигнал суммирующего элемента 15 плавно увеличивается и поступает на второй вход элемента 16 сравнения. Его выходной сигнал тоже увеличивается и через управляемый ключ 7, который замыкается, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря. Преобразуя соответствующим образом входной сигнал регулятор 6 тока якоря формирует свой выходной сигнал, который поступает
далее на вход преобразователя 5. Преобразователь 5 увеличивает напряжение возбуждения тягового двигателя 1 до тех пор, пока его ток якоря не станет равным заданному задатчиком 10 тока якоря значению.
При входе в режим рекуперативного торможения токи якорей тяговых двигателей 1 и 2 появляются только тогда, когда их э.д.с. превысит напряжение контактной сети. Однако из-за разных магнитных характеристик, а также разных диаметров бандажей колесных пар и, соответственно, частот вращения тяговых двигателей 1 и 2 их токи якорей могут появиться не одновременно. Но для эффективного использования тормозных возможностей ЭПС по предельно допустимым условиям сцепления его колесных пар необходимо поддерживать нагрузки тяговых двигателей равными. Для выравнивания нагрузок тяговых двигателей в рассматриваемом переходном режиме их работы в предложенное устройство введен индивидуальный для каждого из тяговых двигателей суммирующий элемент 15.
15
3
17
21
15
21
17
3
Пусть при входе в режим рекуперативного торможения выходной сигнал датчика 3 тока якоря остается равным нулю, а выходной сигнал датчика 4 тока якоря уже отличен от нуля. Выходные сигналы датчиков 3 и 4 тока якоря поступают на входы дополнительного элемента 17 выделения максимального сигнала, на выходе которого появляется сигнал, равный выходному сигналу датчика 4 тока якоря. Выходной сигнал дополнительного элемента 17 выделения максимального сигнала поступает на второй вход суммирующего элемента 15 и увеличивает, тем самым, сигнал задания тока якоря тягового двигателя 1 пропорционально значению тока якоря тягового двигателя 2. Появление тока якоря тягового двигателя 1 ускоряется, а после появления он начнет увеличиваться, отслеживая, благодаря пропорционально-интегральному регулятору 6 тока якоря, значение выходного сигнала суммирующего элемента 15. При этом значение выходного сигнала суммирующего элемента 15 и равно алгебраической сумме выходных сигналов u, u и u соответственно датчика 3 тока якоря, дополнительного элемента 17 выделения максимального сигнала и задатчика 21 интенсивности, т.е. u=u+u-u.
После окончания переходных процессов наступает установившийся режим рекуперативного торможения, в котором выходной сигнал дополнительного элемента 17 выделения максимального сигнала будет идентичен выходным сигналам задатчика 21 интенсивности и датчика 3 тока якоря. Поэтому выходной сигнал элемента 16 сравнения будет равен нулю, а выходной сигнал пропорционально-интегрального регулятора 6 тока якоря и выходное напряжение возбуждения преобразователя 5 будут соответствовать постоянным установившимся значениям.
Таким образом, за счет введения в устройство дополнительных элементов и применения в нем дополнительного контура стабилизации наибольшего из токов якорей тяговых двигателей с подчиненно-индивидуальным регулированием тока якоря каждого из них по предельно допустимым условиям сцепления колесных пар достигается повышение точности регулирования нагрузок тяговых двигателей ЭПС по указанным условиям.