Способ регулирования электрической передачи тепловоза
METHOD OF REGULATION OF LOCOMOTIVE ELECTRIC TRANSMISSION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором и тяговыми электродвигателями постоянного тока.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза посредством регулирования напряжения генератора тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, измеряют напряжение генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения генератора (Вилькевич Б.И. «Автоматическое управление электропередачей тепловозов. М., Транспорт, 1978 г., с. 39-41, рисунок 30).
Недостатком известного способа является то, что при необходимости поддержания заданной скорости движения тепловоза, невозможно обеспечить работу теплового двигателя по экономической характеристике, что приводит в конечном итоге к увеличению удельного расхода топлива.
Известен способ регулирования напряжения тягового генератора электрической передачи тепловоза, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, связанный с тяговыми электродвигателями постоянного тока, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения пропорционально заданной частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения генератора (SU, авторское свидетельство №925693, кл. B60L 11/02, опублик. 1982 г.).
Недостатком известного способа является то, что при необходимости поддержания заданной скорости движения тепловоза, что бывает необходимо при выполнении специфических технологических операций, например, при надвиге составов на сортировочную горку, невозможно обеспечить работу теплового двигателя по экономической характеристике, что приводит в конечном итоге к увеличению удельного расхода топлива.
Техническим результатом изобретения является повышение топливной экономичности тепловозов. Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловоза, заключающемся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор постоянного тока, связанный с тяговыми электродвигателями постоянного тока, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения пропорционально заданной частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения, величину их рассогласования интегрируют по времени и результат интегрирования принимают за величину уставки напряжения тягового генератора, измеряют напряжение тягового генератора постоянного тока, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора постоянного тока, дополнительно задают заданное значение скорости движения тепловоза, измеряют фактическое значение скорости движения тепловоза, величину их рассогласования интегрируют, заданное значение частоты вращения вала теплового двигателя корректируют пропорционально интегралу рассогласования заданной и фактической скорости движения тепловоза.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2. представлены тяговые характеристики тепловоза и характеристики сопротивления движению в функции скорости движения тепловоза, на фиг. 3 - универсальные и экономическая характеристики теплового двигателя и зависимость заданного положения дозирующего органа топливоподачи от частоты вращения вала теплового двигателя.
Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг. 1) состоит из теплового двигателя 1 с регулятором 2 частоты вращения теплового двигателя 1 и датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи, например, датчиком положения рейки насосов высокого давления теплового двигателя 1. Тепловой двигатель 1 связан с электрической передачей, в которую входит сам тепловой двигатель 1, соединенный с тяговым генератором 4 постоянного тока. Силовой выход тягового генератора 4 постоянного тока подключен к датчику 5 напряжения тягового генератора 4 постоянного тока и к входам тяговых электродвигателей 6 и 7 постоянного тока. Тяговый генератор 4 постоянного тока соединен с выходом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 постоянного тока. Выход задатчика 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1, например, многопозиционного контроллера машиниста тепловоза, подключен к первому входу сумматора 10, который своим выходом подключен к входу регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1 и к входу функционального преобразователя 11. Выход функционального преобразователя 11 подключен к первому входу первого блока 12 сравнения, второй вход первого блока 12 сравнения подключен к выходу датчика 3 положения дозирующего органа топливоподачи. Выход блока 12 сравнения подключен к входу первого блока 13 интегрирования, выход первого блока 13 интегрирования подключен к первому входу второго блока 14 сравнения, второй вход второго блока 14 сравнения подключен к выходу датчика 5 напряжения тягового генератора 4 постоянного тока, второй вход сумматора 10 подключен к выходу второго блока 15 интегрирования, вход которого соединен с выходом третьего блока 16 сравнения, первый вход третьего блока сравнения 16 соединен с выходом задатчика 17 скорости движения, второй вход третьего блока 16 сравнения соединен с выходом датчика 18 скорости движения, выход второго блока 14 сравнения соединен с входом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 постоянного тока.
Число тяговых электродвигателей 6 и 7 постоянного тока в электрической тяговой передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза, например, двум, как в рассматриваемом устройстве на фиг. 1.
Способ осуществляется следующим образом.
n
L
з1
з1
Задатчиком 9 частоты вращения задают частоту  вращения вала теплового двигателя 1, приводящего во вращение тяговый генератор 4 постоянного тока, связанный с тяговыми электродвигателями 6 и 7 постоянного тока, при этом кодовый сигнал с выхода задатчика 9, пропорциональный заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1, подают через сумматор 10 на вход регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1 и на вход функционального преобразователя 11, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1 пропорционально заданной частоте вращения, для чего в функциональном преобразователе 11 преобразуют код заданной частоты вращения, поступающий на вход функционального преобразователя 11 с выхода сумматора 10 в кодовый сигнал  задания положения дозирующего органа топливоподачи.
L
L
L
ΔL
(L
-L
)
и
з1
и
з1
и
Датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи измеряют положение  дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя 1. С выхода функционального преобразователя 11 подают сигнал заданного положения  дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1, пропорциональный заданной частоте вращения, на первый вход первого блока 12 сравнения, на второй вход первого блока 12 сравнения подают кодовый сигнал  значения измеренного положения дозирующего органа топливоподачи, кодовый сигнал величины рассогласования =± с выхода первого блока 12 сравнения подают на вход первого блока 13 интегрирования, где его интегрируют по времени. Результат интегрирования принимают за величину уставки напряжения тягового генератора 4 постоянного тока и подают на первый вход второго блока 14 сравнения.
n
з
2
Датчиком 5 напряжения тягового генератора 4 постоянного тока измеряют напряжение тягового генератора 4 постоянного тока, выходной сигнал датчика 5 напряжения подают на второй вход второго блока 14 сравнения, выходной сигнал блока 14 сравнения, пропорциональный рассогласованию уставки напряжения тягового генератора 4 постоянного тока и фактического значения напряжения тягового генератора 4 постоянного тока, подают на вход блока 8 управления возбуждением тягового генератора 4 постоянного тока, обеспечивая его возбуждение. Сигнал с выхода задатчика 17 скорости движения подают на первый вход третьего блока 16 сравнения, на второй вход которого подают сигнал с выхода датчика 18 скорости движения, сигнал рассогласования заданной и фактической скорости движения интегрируется по времени во втором блоке 15 интегрирования и подается на второй вход сумматора 10, в результате чего на выходе сумматора 10 получают скорректированное значение кода  заданной частоты вращения вала теплового двигателя 1. Таким образом, в блок-схеме фиг. 1. представлены три контура регулирования, подчиненных друг другу: регулятор напряжения - 14, 5, 8, 4, регулятор положения дозирующего органа топливоподачи - 2, 3, 11, 12, 13, регулятор скорости 17, 18, 16, 15, 10.
F
F(V)
n
n
n
(а, б, д)
W
(v)
W2(v)
(в, г)
з1
з
2
з3
1
Для иллюстрации предлагаемого способа регулирования электрической передачи на фиг. 2 в координатах силы тяги  и скорости движения V представлены тяговые характеристики  тепловоза для трех значений заданной частоты вращения вала ,  и  теплового двигателя 1 соответственно , а также характеристики сопротивления движению  и .
N
n
е, ж, и
к
е, ж, и
л
к
На фиг. 3 в координатах мощности  и частоты вращения  представлены универсальные характеристики теплового двигателя 1 (зависимости ) и экономическая характеристика теплового двигателя . Зависимости () соответствуют различным значениям удельного расхода топлива по мере его возрастания. Зависимость  на фиг. 3. соответствует заданному значению положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1 в функции частоты вращения вала теплового двигателя 1 при работе теплового двигателя 1 по экономической характеристике .
n
N
Д
к
б
F(V)
W
(V)
в
А
V
n
L
Vз
Б
в
Ж
к
з1
1
1
з
з
2
з
2
Предположим, что задатчиком 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1 задана частота вращения , которой соответствует мощность теплового двигателя  (точка  на экономической характеристике  на фиг. 3). Этой мощности теплового двигателя соответствует тяговая характеристика  на фиг. 2. В соответствии с уравнением движения равновесная скорость тепловоза будет достигнута при равенстве силы тяги тепловоза  и силы сопротивления движению  (характеристика  на фиг. 2), что соответствует точке  на фиг. 2. Так как установившаяся скорость движения тепловоза будет меньше заданной скорости движения , сигнал рассогласования скоростей с выхода третьего блока 16 сравнения интегрируется во втором блоке 15 интегрирования, результат интегрирования суммируется в сумматоре 10 с сигналом задания частоты вращения вала теплового двигателя, в результате чего на вход регулятора 2 частоты вращения вала теплового двигателя 1 подается скорректированное значение заданной частоты вращения , которое регулятор 2 частоты вращения вала теплового двигателя 1 отрабатывает путем изменения положения дозирующего органа топливоподачи до величины . В результате полное равновесие наступит при достижении тепловозом заданного значения скорости движения  (точка  на характеристике  фиг. 2.), а тепловым двигателем 1 скорректированного значения заданной частоты вращения, при этом обеспечивается нахождение рабочей точки теплового двигателя 1 на экономической характеристике (точка  на характеристике  на фиг. 3).
Б
Ж
W
(V) (г)
(F-W
(v))
V
Г
а
г
В
д
Е
к
n
L
З
2
2
з3
з
3
з
3
з
3
L
В случае, если тепловоз работал в режиме равновесия, когда скорость движения тепловоза была равна заданной, фактическое положение дозирующего органа топливоподачи равно заданному (точки  на фиг. 2 и  на фиг. 3), и по каким-то причинам начинает уменьшаться сопротивление движению, например, при уменьшении веса состава при работе тепловоза на сортировочной горке, что соответствует характеристике сопротивления движению  на фиг. 2., тепловоз под действием ускоряющей силы  начинает увеличивать скорость движения  в сторону точки  на пересечении характеристик  и  фиг. 2, что приводит к появлению отрицательного рассогласования на выходе третьего блока 16 сравнения, в результате чего начинает уменьшаться выходной сигнал на выходе второго блока 15 интегрирования, что уменьшает выходной сигнал сумматора 10, уменьшая при этом величину заданной частоты вращения вала теплового двигателя 1 до величины n. При уменьшении заданной частоты вращения вала теплового двигателя 1 уменьшается величина заданного положения дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1 до величины , в результате появляется отрицательный сигнал на выходе второго блока 12 сравнения, выходной сигнал первого блока 13 интегрирования уменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения тягового генератора 4 постоянного тока и в конечном итоге к снижению тяговой характеристики тепловоза и равновесие будет достигнуто в точке  новой тяговой характеристики  на фиг. 2 и точке  на экономической характеристики  на фиг. 3, при этом частота вращения вала теплового двигателя 1 будет иметь новое скорректированное значение  при значении заданного положения дозирующего органа топливоподачи . Для сравнения на фиг. 3. показано, что поддержание заданной скорости без изменения частоты вращения вала теплового двигателя 1 привело бы тепловой двигатель 1 в режим работы в точке  на фиг. 3, что привело бы к увеличенному расходу топлива.
Предлагаемый способ регулирования опробован на маневровом тепловозе ТЭМ7А и показал положительные результаты.