СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЗА
METHOD FOR ELECTRICAL TRANSMISSION REGULATION FOR DIESEL-ELECTRIC LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, генератором переменного тока и 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 и нагрузки 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 большой нагрузке тягового генератора, например при трогании, локомотива напряжение тягового генератора переменного тока может достигнуть недопустимо малой величины, что может привести к ненадежной работе асинхронных электродвигателей привода вспомогательных нагрузок, например привода вентилятора холодильника и привода вентиляторов охлаждения тяговых электрических машин, и может привести к срабатыванию аппаратов защиты или выходу асинхронных электродвигателей из строя, и соответственно ухудшает надежность электрической передачи тепловозов.
Известен способ регулирования напряжения тягового генератора электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор переменного тока, связанный с тяговыми электродвигателями постоянного тока, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки 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 напряжение тягового генератора переменного тока может достигнуть недопустимо малой величины, что может привести к ненадежной работе асинхронных электродвигателей привода вспомогательных нагрузок, например привода вентилятора холодильника и привода вентиляторов охлаждения тяговых электрических машин, что ухудшает надежность электрической передачи тепловозов.
Известен способ регулирования 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, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной его частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют ток нагрузки тягового генератора, задают максимально допустимое значение напряжения тягового генератора пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, принимают его за первую уставку напряжения тягового генератора, задают минимальное значение заданной мощности тягового генератора в функции текущей частоты вращения вала теплового двигателя, суммируют эту величину с результатом интегрирования рассогласования заданного и измеренного положений дозирующего органа топливоподачи, результат суммирования умножают на величину, обратно пропорциональную величине измеренного тока нагрузки тягового генератора, результат умножения принимают за вторую уставку напряжения тягового генератора, вычисляют величину ограничения напряжения тягового генератора в виде линейно убывающей функции измеренного тока нагрузки тягового генератора и принимают ее за величину третьей уставки напряжения тягового генератора, из трех уставок напряжения тягового генератора выделяют минимальное значение, ограничивают скорость изменения этой величины и по этой величине регулируют тяговый генератор (RU, №2454335 C1, кл. B60L 11/06, опубл. 2012).
Недостатком известного способа также является то, что напряжение тягового генератора переменного тока может достигнуть недопустимо малой величины, что может привести к ненадежной работе асинхронных электродвигателей привода вспомогательных нагрузок, например привода вентилятора холодильника и привода вентиляторов охлаждения тяговых электрических машин, что ухудшает надежность электрической передачи тепловозов.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы тяговой электрической передачи и тепловозов в целом.
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, связанный с тяговыми электродвигателями, измеряют ток нагрузки тягового генератора, задают максимально допустимое значение напряжения тягового генератора пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, принимают его за первую уставку напряжения тягового генератора, задают заданное значение мощности тягового генератора в функции текущей частоты вращения вала теплового двигателя, умножают на величину, обратно пропорциональную величине измеренного тока нагрузки тягового генератора, результат умножения принимают за вторую уставку напряжения тягового генератора, вычисляют величину ограничения напряжения тягового генератора в виде линейно убывающей функции измеренного тока нагрузки тягового генератора и принимают ее за величину третьей уставки напряжения тягового генератора, из трех уставок напряжения тягового генератора выделяют минимальное значение, ограничивают скорость изменения этой величины, причем тяговый генератор выполняют в виде синхронного генератора переменного тока, связывают с тяговыми двигателями постоянного тока через управляемую тиристорную выпрямительную установку тепловоза, из полученных трех уставок напряжения тягового генератора выделяют минимальное значение, при этом задают минимально допустимое значение напряжения тягового генератора пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, принимают его за четвертую уставку напряжения тягового генератора, сравнивают ее с первыми тремя уставками напряжения тягового генератора, в случае, когда четвертая уставка напряжения меньше всех остальных уставок напряжения тягового генератора, по минимальному значению из первых трех уставок регулируют тяговый генератор и управляемую тиристорную выпрямительную установку тепловоза, причем тиристоры управляемой тиристорной выпрямительной установки тепловоза при этом открывают полностью, в случае, когда четвертая уставка напряжения становится больше минимального значения из первых трех уставок напряжения, тяговый генератор регулируют по четвертой уставке напряжения, управляемую тиристорную выпрямительную установку тепловоза при этом регулируют по минимальной величине из первых трех уставок напряжения.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующая способ, на фиг.2 - диаграмма соотношения напряжения и тока нагрузки тягового генератора.
Устройство (фиг.1) состоит из теплового двигателя 1 с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1. Тепловой двигатель соединен с тяговым генератором 3, выполненным в виде синхронного генератора переменного тока, подключенного через управляемую тиристорную выпрямительную установку 4 и датчик 5 тока нагрузки тягового генератора 3 к входам тяговых электродвигателей постоянного тока 6 и 7. Тяговый генератор 3 соединен с выходом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 3. Выход задатчика 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1, например, многопозиционного контроллера машиниста тепловоза, подключен к входу регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1. Первый выход первого функционального преобразователя 10 подключен к первому входу блока 11 выделения минимального сигнала, выход блока 11 выделения минимального сигнала подключен ко входу блока 12 задания интенсивности. Датчик 13 частоты вращения вала теплового двигателя 1 своим выходом подключен к входу первого функционального преобразователя 10. Входы второго функционального преобразователя 14 и третьего функционального преобразователя 15 подключены к выходу датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 3, выход второго функционального преобразователя 14 подключен к первому входу блока 16 умножения, второй вход которого подключен ко второму выходу первого функционального преобразователя 10, а выход блока 16 умножения подключен ко второму входу блока 11 выделения минимального сигнала, выход третьего функционального преобразователя 15 подключен к третьему входу блока 11 выделения минимального сигнала, выход блока 12 задания интенсивности подключен к входу блока 17 управления и к первому входу блока 18 выделения максимального сигнала, второй вход которого подключен к третьему выходу первого функционального преобразователя 10, выход блока 18 выделения максимального сигнала подключен ко входу блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 3, силовой выход тягового генератора 3, выполненного в виде синхронного генератора переменного тока, подключен к асинхронным электродвигателям (на фиг.1 не показаны) привода вспомогательных нагрузок, например привода вентиляторов холодильника и привода вентиляторов охлаждения тяговых электрических машин. Блок 17 управления своим выходом подключен к управляемой тиристорной выпрямительной установке 4.
Число тяговых электродвигателей в электрической тяговой передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза, например двум, как показано в рассматриваемом устройстве на фиг.1.
Способ осуществляется следующим образом.
г
гз1
гз
гз
гз2
Задатчиком 9 задают частоту вращения вала теплового двигателя 1, приводящего во вращение тяговый генератор 3, выполненный в виде синхронного генератора переменного тока, связанный с тяговыми электродвигателями 6 и 7 через управляемую тиристорную установку 4, датчиком 5 тока нагрузки тягового генератора 3 измеряют ток J нагрузки тягового генератора 3, при этом кодовый сигнал на выходе задатчика 9, пропорциональный заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1, подают на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, первым функциональным преобразователем 10 по поступающему на его вход коду измеренной датчиком 13 частоты вращения вала теплового двигателя 1 задают максимально допустимое значение напряжения тягового генератора 3 пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1, принимают его за первую уставку U напряжения тягового генератора 3, первым функциональным преобразователем 10 задают заданное значение мощности P тягового генератора 3 в функции текущей частоты вращения вала теплового двигателя 1, подают на первый вход блока 16 умножения, в котором заданное значение мощности P тягового генератора 3 перемножают с результатом обратного преобразования значения сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора, поступающим на второй вход блока 16 умножения с выхода второго функционального преобразователя 14, результат умножения на выходе блока 16 умножения принимают за вторую уставку U напряжения тягового генератора 3 в соответствии со следующим выражением:
гз2
гз
г
U=P·(1/J)
гз1
Где U - значение второй уставки напряжения тягового генератора 3,
г
J - значение тока нагрузки (выпрямленное значение) тягового генератора 3,
гз
P - заданное значение мощности тягового генератора 3.
Вычисляют величину ограничения напряжения тягового генератора в виде линейно убывающей функции измеренного тока нагрузки тягового генератора 3, для чего третьим функциональным преобразователем 15 осуществляют линейное преобразование сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 3 в соответствии со следующим выражением:
гз3
1
2
г
U=K-K·J,
гз3
Где U - значение третьей уставки напряжения тягового генератора 3,
1
2
K, K - коэффициенты линейного преобразования сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 3,
г
J - значение тока нагрузки (выпрямленное значение) тягового генератора 3.
гз3
Сигнал U с выхода функционального преобразователя 15 принимают за третью уставку напряжения тягового генератора 3.
гз1
гз2
гз3
На входы блока 11 выделения минимального сигнала подают сигналы трех уставок напряжения тягового генератора 3 U, U и U, при этом на выходе блока 11 выделения минимального сигнала выделяют минимальное значение из трех входных сигналов, который подают на вход блока 12 задания интенсивности, с помощью которого ограничивают скорость изменения входного сигнала блока 12 задания интенсивности в соответствии со следующим алгоритмом:
12
12
12
12
1) При Вых>Вх Вых=Вх
12
12
12
12(i-1)
12
макс
2) При Вых<Вх Вых=Вых+t·|dВых/dt|
12
Где Вых - выходной сигнал блока 12 задания интенсивности,
12(i-1)
Вых - предыдущее значение выходного сигнала блока 12 задания интенсивности,
12
Вх - входной сигнал блока 12 задания интенсивности,
12
макс
|dВых/dt| - ограничение по скорости изменения выходного сигнала блока 12 задания интенсивности.
гз4
гз4
г
Из полученных трех уставок напряжения тягового генератора выделяют минимальное значение, при этом задают минимально допустимое значение напряжения тягового геенратора 3 пропорционально частоте вращения вала теплового двигателя 1 и принимают его за четвертую уставку U, для чего выходной сигнал с блока 12 задания интенсивности подают на вход блока 17 управления управляемой тиристорной выпрямительной установкой 4 и на первый вход блока 18 выделения максимального сигнала, на второй вход которого подают сигнал минимально допустимого значения напряжения тягового генератора 3 (четвертая уставка напряжения U тягового генератора 3) с третьего выхода первого функционального преобразователя 10, сигнал с выхода блока 18 выделения максимального сигнала подают на вход блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 3. Тяговый генератор 3 возбуждается, и на его выходе действует напряжение U, соответствующее выходному сигналу блока 18 выделения максимального сигнала.
гз4
гз1
гз2
гз3
гз4
гз1
гз2
гз3
гз1
гз2
гз3
гз4
гз1
гз2
гз3
гз4
гз1
гз2
гз3
Четвертую уставку напряжения U тягового генератора 3 сравнивают с первыми тремя уставками напряжения U, U, U тягового генератора 3, в случае, когда четвертая уставка напряжения U меньше всех остальных уставок напряжения U, U, U тягового генератора 3, по минимальному значению из первых трех уставок напряжения U, U, U регулируют тяговый генератор 3 и управляемую тиристорную выпрямительную установку 4 тепловоза, причем тиристоры управляемой тиристорной выпрямительной установки 4 тепловоза при этом открывают полностью посредством блока 17 управления, в случае, когда четвертая уставка напряжения U становится больше минимального значения из первых трех уставок напряжения U, U, U, тяговый генератор 3 регулируют по четвертой уставке напряжения U, управляемую тиристорную выпрямительную установку 4 тепловоза при этом посредством блока 17 управления регулируют по минимальной величине из первых трех уставок напряжения U, U, U.
a
гз4
гз1
гз2
гз3
гмакс
Пусть в процессе движения тепловоза под действием силы тяги, определяемой токами якорей тяговых электродвигателей 6 и 7, а также сил сопротивления движению, определяемых, например, профилем пути, по которому движется тепловоз, конструктивными особенностями тепловоза и поезда в целом, наличием кривых на участке пути и других факторов, достигается такой режим, когда рабочая точка находится на участке линии «» между точками «А» и «Б» на фиг.2. Этот режим характерен тем, что первая уставка напряжения тягового генератора U имеет минимальное значение из трех уставок U, U и U, действующих на входе блока 11 выделения минимального сигнала, тем самым обеспечивается ограничение максимального напряжения U тягового генератора 3.
a
гз2
гз1
гз2
При движении тепловоза, например на подъем, рабочая точка перемещается вправо по линии «», затем в точке «Б» достигается такой режим, когда вторая уставка U напряжения тягового генератора 3 снижается и становится равной первой уставке напряжения U тягового генератора 3. При изменении условий движения, например, при переломе профиля или при дальнейшем движении на подъем, увеличивается сопротивление движению, тепловоз с поездом начинает замедляться, токи якорей тяговых электродвигателей 6 и 7 при этом увеличиваются, соответственно начинает уменьшаться выходной сигнал блока 16 умножения, что означает уменьшение второй уставки напряжения U тягового генератора 3, что соответственно вызывает уменьшение выходного сигнала блока 11 выделения минимального сигнала. Напряжение тягового генератора 3 начинает уменьшаться. Итогом становится новое установившееся положение равновесия, на фиг.2 это точка «В» на пересечении характеристики «б» постоянной скорости движения тепловоза и характеристики «б» постоянной мощности. Таким образом, при медленном изменении профиля пути, по которому движется тепловоз с составом, рабочая точка перемещается по характеристике постоянной мощности «б».
гз3
гз4
гмин
При дальнейшем движении тепловоза с составом на подъем в силу возрастания сил сопротивления движению продолжает увеличиваться ток нагрузки тягового генератора 3, а сигнал на выходе третьего функционального преобразователя 15, соответствующий линии «г» на фиг.2, соответствующий третьей уставке напряжения U тягового генератора 3, в точке «Г» фиг.2 становится минимальным из трех, действующих на входах блока 11 выделения минимального сигнала, в результате чего сигнал на выходе блока 11 выделения минимального сигнала и на выходе блока 12 задания интенсивности снижается и при достижении точки «Д» на фиг.2 становится меньше значения минимально допустимого напряжения тягового генератора 3 (четвертой уставки напряжения U тягового генератора 3, соответствует линии «∂» на фиг.2), поданного на второй вход блока 18 выделения максимального сигнала. Минимальный сигнал с выхода блока 12 задания интенсивности в этом же диапазоне напряжений с помощью блока 17 управления управляемой тиристорной выпрямительной установки 4 обеспечивает полное открытие ее тиристоров. В случае дальнейшего увеличения нагрузки тягового генератора 3 снижение сигнала на выходе блока 11 выделения минимального сигнала и на выходе блока 12 задания интенсивности обеспечивает формирование ограничения по току нагрузки тягового генератора 3 путем регулирования посредством блока 17 управления управляемой тиристорной выпрямительной установки 4, обеспечивая снижение напряжения на выходе выпрямительной установки 4 (напряжения на тяговых электродвигателях 6 и 7) в диапазоне от U практически до 0 (от точки «Д» до точки «Е» на фиг.2).
гмакс
гмин
В результате максимальный сигнал с выхода блока 18 выделения максимального сигнала поступает на вход блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 3, обеспечивая регулирование напряжения тягового генератора 3 в диапазоне величин от U до U соответственно, не допуская снижения напряжения на выходе тягового генератора 3, а следовательно, и на асинхронных электродвигателях привода вспомогательных нагрузок до недопустимо малых значений, исключая возможность «опрокидывания» асинхронных электродвигателей привода вспомогательных нагрузок, и тем самым повышая надежность работы тяговой электрической передачи и тепловозов в целом.
Предлагаемое техническое решение опробовано на магистральном тепловозе с электрической передачей переменно-постоянного тока 2ТЭ116У и показало положительные результаты.