СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ГИБРИДНОГО МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА
METHOD FOR REGULATION OF HYBRID DIESEL-LOCOMOTIVE SHUNTER BY ELECTRICAL TRACTION DRIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно, к способу регулирования электрической передачи гибридного маневрового тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором переменного тока, тяговой аккумуляторной батареей и асинхронными тяговыми электродвигателями.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, суммируют сигнал, пропорциональный измеренному положению дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, и сигнал, пропорциональный измеренной частоте вращения теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку, измеряют напряжение тягового генератора, измеряют токи тяговых двигателей, выделяют сигнал, пропорциональный максимальному измеренному току тягового двигателя, результат суммирования сравнивают с уставкой и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора /Б.И.Вилькевич. Автоматическое управление электрической передачей тепловозов. - М.: Транспорт, 1987, с.32-34, с.214-217/.
Недостатком известного способа является то, что способ не может быть применен в тяговом приводе гибридного маневрового тепловоза с тяговым генератором переменного тока, тяговой аккумуляторной батареей и с асинхронными тяговыми электродвигателями.
Известен способ регулирования электрической тяговой передачи тепловоза, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора и сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, задают мощность тягового генератора пропорционально измеренной частоте вращения теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положений дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора с сигналом, пропорциональным измеренному току тягового генератора, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора и сравнивают с уставкой мощности тягового генератора, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора, результат сравнения измеренной мощности с уставкой мощности подают на один вход логического блока, измеряют разность напряжений на обмотках возбуждения в параллельных цепях тяговых электродвигателей последовательного возбуждения, измеренную разность дифференцируют с замедлением, результат дифференцирования подают на другой вход логического блока, определяют с помощью логического блока знак результата дифференцирования и производят в логическом блоке сравнение результата дифференцирования с наперед заданным значением, в зависимости от величины и знака результата дифференцирования в логическом блоке переключают каналы управления напряжением тягового генератора и устанавливают на выходе логического блока результат сравнения измеренной мощности с уставкой мощности или результат дифференцирования с обратным знаком, установленный на выходе логического блока сигнал интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора /RU, Патент №2300470 С1, кл. B60L 11/00, 2006 г./.
Недостатком известного способа является то, что способ не может быть применен в тяговом приводе гибридного маневрового тепловоза с тяговым генератором переменного тока, тяговой аккумуляторной батареей и с асинхронными тяговыми электродвигателями.
Техническим результатом изобретения является устойчивая работа гибридного маневрового тепловоза с асинхронными тяговыми электродвигателями, значительное упрощение силовой электрической схемы тепловоза, также возможность в процессе работы тепловоза одновременного совместного питания асинхронных тяговых электродвигателей и заряда тяговой аккумуляторной батареи от тягового генератора переменного тока.
Способ регулирования электрической передачи гибридного маневрового тепловоза с тепловым двигателем, тяговым генератором переменного тока, трехфазным неуправляемым выпрямителем, тяговой аккумуляторной батареей и асинхронными тяговыми электродвигателями, заключающийся в том, что задают режим работы тяговой схемы маневрового тепловоза, в зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза и положения задатчика частоты вращения теплового двигателя задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор переменного тока, задают уставку выпрямленного напряжения тягового генератора переменного тока, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя, выпрямляют трехфазное напряжение с выхода тягового генератора переменного тока, измеряют выпрямленное напряжение тягового генератора переменного тока и сравнивают его с величиной уставки выпрямленного напряжения тягового генератора переменного тока и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора переменного тока, осуществляют регулирование напряжения тягового генератора переменного тока, в зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза задают режим работы силового ключа в цепи заряда тяговой аккумуляторной батареи, измеряют ток заряда тяговой аккумуляторной батареи, сигнал, пропорциональный измеренному току заряда тяговой аккумуляторной батареи, сравнивают с уставкой тока заряда тяговой аккумуляторной батареи, в зависимости от величины рассогласования изменяют время включенного состояния силового ключа в цепи заряда тяговой аккумуляторной батареи, осуществляют регулирование тока заряда аккумуляторной батареи, задают мощность асинхронного тягового электродвигателя пропорционально измеренной частоте вращения теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положений дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за допустимую уставку мощности асинхронного тягового электродвигателя, в зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза перемножают сигнал, пропорциональный измеренному напряжению тягового генератора переменного тока, с сигналом, пропорциональным измеренному току тягового генератора переменного тока, либо с сигналом, пропорциональным измеренному току тяговой аккумуляторной батареи, либо с сигналом, пропорциональным сумме измеренных токов тягового генератора переменного тока и тяговой аккумуляторной батареи, результат перемножения принимают за измеренную мощность асинхронного тягового электродвигателя и в зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза сравнивают либо с допустимой уставкой мощности асинхронного тягового электродвигателя, либо с уставкой мощности асинхронного тягового электродвигателя, заданной пропорционально положению задатчика частоты вращения теплового двигателя, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за заданную мощность асинхронного тягового электродвигателя, измеряют ток на входе инвертора напряжения асинхронного тягового электродвигателя, перемножают измеренный ток на входе инвертора напряжения асинхронного тягового электродвигателя и напряжение в звене постоянного тока инвертора напряжения, результат умножения принимают за измеренную мощность асинхронного тягового электродвигателя, сравнивают заданную мощность асинхронного тягового электродвигателя с измеренной и результат сравнения принимают за уставку фазных токов асинхронного тягового электродвигателя, измеряют фазные токи асинхронного тягового электродвигателя, сравнивают уставку фазных токов с измеренным значением фазных токов асинхронного тягового электродвигателя, результат сравнения усиливают и подают на управляющий вход инвертора напряжения, датчиком частоты вращения измеряют частоту вращения асинхронного тягового электродвигателя, регулируя электрическую частоту фазных токов асинхронного тягового электродвигателя в зависимости от сигнала, пропорционального частоте вращения асинхронного тягового электродвигателя, и, регулируя величину фазных токов асинхронного тягового электродвигателя, осуществляют регулирование мощности асинхронного тягового электродвигателя.
На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из теплового двигателя 1 с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки.
Тепловой двигатель 1 связан с электрической передачей, в которую входит нижеперечисленное оборудование, так сам тепловой двигатель 1 соединен, например, с тяговым генератором 3 переменного тока, выход которого подключен к трехфазному неуправляемому выпрямителю 4, силовой выход трехфазного неуправляемого выпрямителя 4 подключен к датчику напряжения 5 и через датчик тока 6 к входу звена постоянного тока 7 (параллельно соединенные конденсаторы), датчику напряжения 8 и через датчик тока 9 к силовым входам инвертора напряжения 10 и через датчик тока 11 к силовым входам силового ключа 12 заряда тяговой аккумуляторной батареи 13. Асинхронный тяговый электродвигатель 14 через датчики фазных токов 15, 16, 17 подключен к силовым выходам инвертора напряжения 10. Выходы датчиков фазных токов 15, 16, 17 подключены на входы блока 18 управления инвертором напряжения 10. Выходной вал тормозящего асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с датчиком частоты вращения 19. Выход датчика тока 9 соединен с одним входом блока 20 вычисления мощности асинхронного тягового электродвигателя 14. Второй вход блока 20 вычисления мощности тормозящего асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с выходом датчика напряжения 8. Выход блока 20 вычисления мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с одним из входов блока 18 управления инвертором напряжения 10. Выход датчика 19 частоты вращения асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с одним из входов блока 18 управления инвертором напряжения 10. Выход блока 18 управления инвертором напряжения 10 соединен с управляющим входом инвертора напряжения 10. Выход задатчика частоты вращения теплового двигателя 1, например, контроллера машиниста 21, соединен с входом блока 22 задания частоты вращения теплового двигателя 1, с входом блока 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14, с входом блока 24 задания выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока. Второй вход блока 22 задания частоты вращения теплового двигателя 1 соединен с выходом задатчика 25 режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза. Выход блока 22 задания частоты вращения теплового двигателя 1 соединен со входом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1 и входом блока 26 уставки мощности асинхронного тягового электродвигателя 14. Второй вход блока 24 задания выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока соединен с выходом задатчика 25 режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза. Выход блока 24 задания выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока соединен с входом блока 27 рассогласования напряжения тягового генератора 3 переменного тока, второй вход которого соединен с выходом датчика напряжения 5. Выход блока 27 рассогласования напряжения тягового генератора 3 переменного тока соединен с входом блока 28 возбуждения тягового генератора 3 переменного тока, выход которого соединен с обмоткой возбуждения (на схеме не показана) тягового генератора 3 переменного тока. Второй вход блока 26 уставки мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с выходом датчика 29 положения дозирующего органа топливоподачи, вход которого соединен с выходом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1. Третий вход блока 26 уставки мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с выходом датчика 30 частоты вращения вала теплового двигателя 1, механически соединенного с валом теплового двигателя 1. Выход блока 26 уставки мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с одним входом блока 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14, второй вход которого соединен с выходом блока 31 расчета мощности асинхронного тягового электродвигателя 14. Третий вход блока 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с выходом задатчика 25 режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза. Выход блока 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединен с одним из входов блока 18 управления инвертором напряжения 10. Входы блока 31 расчета мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 соединены с выходом датчика напряжения 5, выходом датчика тока 6, выходом датчика тока 11 и с выходом задатчика 25 режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза. Вход тяговой аккумуляторной батареи 13 подключен к силовому выходу силового ключа 12 заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, управляющий вход которого соединен с выходом блока 32 управления током заряда тяговой аккумуляторной батареи 13. Один вход блока 32 управления током заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 соединен с выходом датчика тока 11, а второй вход соединен с выходом задатчика 25 режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза.
Способ осуществляется следующим образом.
Задатчиком 25 задают один из режимов работы тяговой схемы маневрового тепловоза:
- Питание инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока;
- Питание инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13;
- Заряд аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока;
- Совместное питание инвертора напряжения 10 и заряд аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока.
Контроллером машиниста 21 задают частоту вращения теплового двигателя 1, приводящего во вращение тяговый генератор 3 переменного тока. В режиме питания инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока частота вращения теплового двигателя 1 задается в соответствии с кодовым сигналом с выхода контроллера машиниста 21, в режиме питания инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13 частота вращения теплового двигателя 1 задается нулевой в независимости от кодового сигнала с выхода контроллера машиниста 21, в режимах заряда аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока и совместного питания инвертора напряжения 10 и заряда аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока частота вращения теплового двигателя 1 задается максимальной в независимости от кодового сигнала с выхода контроллера машиниста 21.
В соответствии с заданным режимом работы тяговой схемы маневрового тепловоза задают уставку выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока. В режиме питания инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока уставка выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока задается в соответствии с кодовым сигналом с выхода контроллера машиниста 21, в режиме питания инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13 уставка выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока задается нулевой в независимости от кодового сигнала с выхода контроллера машиниста 21, в режимах заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока и совместного питания инвертора напряжения 10 и заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока уставка выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока задается максимальной в независимости от кодового сигнала с выхода контроллера машиниста 21.
Датчиком 29 измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя 1, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя 1, сравнивают его с измеренным датчиком 29 положением, величину их рассогласования интегрируют по времени. Датчиком 30 частоты вращения вала теплового двигателя 1 измеряют текущую частоту вращения теплового двигателя 1.
Трехфазным неуправляемым выпрямителем 4 выпрямляют трехфазное напряжение с выхода тягового генератора 3 переменного тока. Датчиком напряжения 5 измеряют выпрямленное напряжение тягового генератора 3 переменного тока и в блоке 27 рассогласования напряжения тягового генератора 3 переменного тока сравнивают его с величиной уставки выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока, заданной в блоке 24 задания выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока. По величине рассогласования блоком 28 возбуждения тягового генератора 3 переменного тока изменяют ток возбуждения тягового генератора 3 переменного тока, осуществляют регулирование напряжения тягового генератора 3 переменного тока.
В зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза задают режим работы силового ключа 12 в цепи заряда тяговой аккумуляторной батареи 13. В режиме питания инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока силовой ключ 12 постоянно выключен, в режиме питания инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13 силовой ключ 12 постоянно включен. В режимах заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока и совместного питания инвертора напряжения 10 и заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока время включенного или выключенного состояния силового ключа 12 зависит от величины тока заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, для этого датчиком тока 11 измеряют ток заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, сигнал, пропорциональный измеренному току заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 в блоке 32 управления током заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, сравнивают с заранее заложенной в него уставкой тока заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, в зависимости от величины рассогласования блоком 32 управления током заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 изменяют время включенного состояния силового ключа 12 в цепи заряда тяговой аккумуляторной батареи 13, тем самым осуществляют регулирование тока заряда тяговой аккумуляторной батареи 13.
В блоке 26 уставки мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 задают мощность асинхронного тягового электродвигателя 14 пропорционально измеренной датчиком 30 частоте вращения теплового двигателя 1 и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного датчиком 29 и заданного положений дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, результат суммирования принимают за допустимую уставку мощности асинхронного тягового электродвигателя 14.
В зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза в блоке 31 расчета мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 перемножают сигнал, пропорциональный измеренному датчиком 5 напряжению тягового генератора 3 переменного тока:
- в режиме питания инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока уставка выпрямленного напряжения тягового генератора 3 переменного тока с сигналом, пропорциональным измеренному датчиком 6 току тягового генератора 3; либо
- в режиме питания инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13 с сигналом, пропорциональным измеренному датчиком 11 току тяговой аккумуляторной батареи 13; либо
- в режиме совместного питания инвертора напряжения 10 и заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока с сигналом, пропорциональным сумме измеренных соответственно датчиками 6 и 11 токов тягового генератора 3 переменного тока и тяговой аккумуляторной батареи 13.
Результат перемножения принимают за измеренную мощность асинхронного тягового электродвигателя 14.
В зависимости от режима работы тяговой схемы маневрового тепловоза в блоке 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 измеренную мощность асинхронного тягового электродвигателя 14 сравнивают: в режиме питания инвертора напряжения 10 от тягового генератора 3 переменного тока либо с допустимой уставкой мощности асинхронного тягового электродвигателя 14, либо в режимах питания инвертора напряжения 10 от тяговой аккумуляторной батареи 13 и совместного питания инвертора напряжения 10 и заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 от тягового генератора 3 переменного тока с уставкой мощности асинхронного тягового электродвигателя 14, заданной пропорционально положению задатчика частоты вращения теплового двигателя (контроллера машиниста) 21, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за заданную мощность асинхронного тягового электродвигателя 14, в режиме заряда тяговой аккумуляторной батареи 13 заданную мощность асинхронного тягового электродвигателя 14 принимают равной нулю.
Датчиком 9 измеряют ток на входе инвертора напряжения 10 асинхронного тягового электродвигателя 14. В блоке 20 вычисления мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 перемножают измеренный ток на входе инвертора напряжения 10 асинхронного тягового электродвигателя 14 и измеренное датчиком 8 напряжение в звене постоянного тока 7 инвертора напряжения 10, результат умножения принимают за измеренную мощность асинхронного тягового электродвигателя 14. В блоке 18 управления инвертором напряжения 10 сравнивают заданную в блоке 23 задания мощности асинхронного тягового электродвигателя 14 мощность асинхронного тягового электродвигателя 14 с измеренной, результат сравнения принимают за уставку фазных токов асинхронного тягового электродвигателя 14. Датчиками 15, 16, 17 измеряют фазные токи асинхронного тягового электродвигателя 14. В блоке 18 управления инвертором напряжения 10 сравнивают уставку фазных токов с измеренным значением фазных токов асинхронного тягового электродвигателя 14, результат сравнения усиливают и подают на управляющий вход инвертора напряжения 10. Датчиком 19 частоты вращения измеряют частоту вращения асинхронного тягового электродвигателя 14. В блоке 18 управления инвертором напряжения 10, регулируя электрическую частоту фазных токов асинхронного тягового электродвигателя 14 в зависимости от сигнала, пропорционального частоте вращения асинхронного тягового электродвигателя 14 и регулируя величину фазных токов асинхронного тягового электродвигателя 14, осуществляют регулирование мощности асинхронного тягового электродвигателям 14.
Способ регулирования электрической тяговой передачи гибридного маневрового тепловоза позволяет осуществлять устойчивую работу гибридного маневрового тепловоза с асинхронными тяговыми электродвигателями и значительно упростить силовую электрическую схему тепловоза, а также дает возможность в процессе работы тепловоза заряжать тяговую аккумуляторную батарею и одновременно питать асинхронные тяговые электродвигатели от тягового генератора переменного тока.
Предлагаемый способ может быть применен на гибридном аккумуляторном маневровом тепловозе с асинхронными тяговыми электродвигателями.