КОМПРЕССОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАБОЧЕГО РЕЖИМА РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
COMPRESSOR SYSTEM AND METHOD OF COMPRESSOR SYSTEM OPERATION DEPENDING ON RAIL VEHICLE OPERATION MODE

Изобретение относится к компрессорной системе для рельсового транспортного средства, включающей в себя приводимый в действие от электродвигателя через приводной вал компрессор для производства сжатого воздуха для, по меньшей мере, одного резервуара для сжатого воздуха, причем электродвигатель выполнен с возможностью настройки, по меньшей мере, опосредованно посредством регулировочного устройства для работы электродвигателя, по меньшей мере, с номинальной частотой вращения, в пределах от максимальной частоты вращения до минимальной частоты вращения, причем далее в расположенном по ходу потока от компрессора, проводящем сжатый воздух трубопроводе расположен, по меньшей мере, один датчик давления для определения давления для регулировочного устройства. Далее изобретение относится также к способу управления компрессорной системой в соответствии с изобретением.
К компрессорам в рельсовых транспортных средствах предъявляются разнообразные, отчасти противоположные требования, к примеру, высокая мощность подачи, достаточная продолжительность включения, невысокий уровень шумов, небольшое энергопотребление, небольшое конструктивное пространство, а также низкие затраты на приобретение и на осуществление производственного цикла. При этом в зависимости от рабочего режима рельсового транспортного средства, к компрессору предъявляются сильно отличающиеся друг от друга профили требований. Типичная постановка задачи при расчете компрессора состоит в поиске наилучшего компромисса между этими требованиями, и пригодности его для любых рабочих режимов рельсового транспортного средства. Как правило, в рельсовых транспортных средствах используются компрессоры, которые имеют электрический привод. Компрессоры работают в режиме включения/выключения в пределах от нижнего значения давления включения до верхнего значения давления выключения с постоянной частотой вращения, так называемой номинальной частотой вращения. Компрессор рассчитывается таким образом, что достигается заданное время заполнения и не происходит выхода за нижнюю границу минимального временного интервала включения в процессе работы.
Из общеизвестного уровня техники следует, что работа компрессора не отличается при различных рабочих состояниях рельсового транспортного средства. Вентилятор системы охлаждения подчиняется при этом тому же рабочему режиму, что и компрессор, так как вентилятор, как правило, приводится в действие напрямую от компрессора.
Во время фазы заправки компрессор работает при номинальной частоте вращения. Номинальная частота вращения выбрана таким образом, что компрессор может работать в режиме длительной эксплуатации. Конструктивные габариты компрессора выбраны далее таким образом, что в режиме движения по участку не происходит выхода за нижнюю границу минимального временного интервала включения и верхнюю границу максимального времени заправки. В режиме движения по участку компрессор работает в периодическом режиме. При этом компрессор запускается, когда давление в резервуаре для сжатого воздуха падает до значения давления включения. Как только давление выключения в резервуаре для сжатого воздуха оказывается достигнутым, компрессор приводится в действие с номинальной частотой вращения. При достижении давления выключения компрессор выключается и лишь после спада давления до значения давления включения снова запускается. У рельсовых транспортных средств с электроприводом во время фазы торможения приводной двигатель используется в качестве электродинамического тормоза. При этом образуется электрическая энергия, рекуперация которой в сеть обычно не является рентабельной или частично не возможна. Во время режима останова, при котором рельсовое транспортное средство останавливается на вокзале, компрессор приводится в действие также как и во время движения, в периодическом режиме. Так как отсутствует какой-либо преобладающий шум от движения, то шумы от компрессора и вентилятора предотвращаются. Так как пневматическая подвеска в условиях вокзала имеет повышенный расход воздуха, ввиду осуществления посадки и высадки пассажиров, то это приводит обычно к включению компрессора и вентилятора, а, тем самым, к нежелательным шумам во время остановки на вокзале. Кроме того, рельсовые транспортные средства, в частности, местный транспорт, обычно ставятся на стоянку для подготовки к рабочему процессу вблизи жилых районов, к примеру, для предотвращения замерзания. Шум при этом, насколько это возможно, необходимо предотвратить. Ввиду утечек, давление в резервуарах для сжатого воздуха ночью многократно достигает нижнего значения давления включения компрессора, так что необходима дозаправка, и компрессор приводится в действие в периодическом режиме работы при номинальной частоте вращения. Далее, наряду с шумом компрессора, при этом возникают и другие шумы, к примеру, мешающий вентиляционный шум от воздушной сушилки.
Задачей настоящего изобретения является, поэтому, оптимизация компрессорной системы и способа функционирования компрессорной системы в том отношении, чтобы, в основном, имела место экономия энергии для приведения в действие компрессорной системы, а также снижение шума от компрессорной системы.
В отношении устройства задача решается посредством компрессорной системы, охарактеризованной признаками п. 1 формулы изобретения. В отношении способа задача решается в соответствии с п. 3 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения выявляются на основании последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с изобретением исполнительный орган для непрерывного воздействия на частоту вращения электродвигателя расположен между устройством подачи электроэнергии и электродвигателем, причем настройка исполнительного органа осуществляется посредством регулировочного устройства. Иными словами, исполнительный орган находится в потоке энергии по ходу потока в электродвигателе и, таким образом, подключен перед электродвигателем. Исполнительный орган допускает работу электродвигателя с различной частотой вращения. Для этого используются, в частности, преобразователи частоты или инверторы. Частота вращения электродвигателя и, таким образом, работа компрессора зависят от частоты.
В предпочтительном варианте регулировочное устройство, по меньшей мере, опосредованно регулирует расположенное по ходу потока компрессора охлаждающее устройство с вентилятором, причем частота вращения вентилятора выполнена с возможностью непрерывной регулировки посредством регулировочного устройства. Для этого в охлаждающее устройство в предпочтительном варианте интегрирован исполнительный орган. В альтернативном варианте возможно также, чтобы исполнительный орган был, по меньшей мере, подключен перед охлаждающим устройством.
В соответствии со способом компрессор, в зависимости от рабочего режима рельсового транспортного средства, приводится в действие с переменной, в пределах от максимальной частоты вращения до минимальной частоты вращения, включающей в себя любое промежуточное значение, частотой вращения. За счет того, что охлаждающее устройство не соединено с компрессором ни напрямую, ни опосредованно, осуществляется отдельная настройка охлаждающего устройства и, тем самым, отдельная регулировка частоты вращения вентилятора. В предпочтительном варианте компрессор и вентилятор могут быть также выключены. Благодаря этому, компрессор остается в работе, однако, не перемещает сжатый воздух или перемещает лишь очень незначительный объем сжатого воздуха.
В предпочтительном варианте компрессор в режиме заправки рельсового транспортного средства приводится в действие с максимальной частотой вращения. Увеличение частоты вращения компрессора до максимального значения особенно предпочтительно для редко возникающего и ограниченного по времени режим заправки, так как это сокращает время заправки и, кроме того, обеспечивает возможность использования меньшего, более легкого и, таким образом, экономящего конструктивное пространство, компрессора. Поэтому в режиме заправки компрессора предпочтительна максимальная мощность компрессора. Минимальное время заправки достигается, таким образом, за счет производства компрессором максимального объема сжатого воздуха.
Особенно предпочтительным образом компрессор приводится в действие в режиме движения по участку рельсового транспортного средства с переменной частотой вращения, немного выше минимальной частоты вращения, причем давление воздуха, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха выставляется немного выше, чем давление включения. Иными словами, посредством датчика давления может контролироваться кривая давления, так что давление воздуха, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха выставляется практически постоянным, предпочтительно от одного до двух десятых бар выше давления включения компрессора. В зависимости от фактического расхода сжатого воздуха варьируется частота вращения электродвигателя и, тем самым, частота вращения компрессора, чтобы удерживать давление воздуха: по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха, примерно постоянным. Поэтому в режиме движения по участку предпочтительна максимальная экономия энергии компрессора, которая достигается за счет переменной работы компрессора, по меньшей мере, с минимальной частотой вращения. Таким образом, компрессором производится лишь такое же количество сжатого воздуха, что и для регулировки давления воздуха, которое немного выше давления включения, в котором нуждается, по меньшей мере, один резервуар для сжатого воздуха.
На основании этого выявляется преимущество в том, что за счет меньшего противодавления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха расход энергии уменьшается и компрессор работает в более щадящем режиме. Следствием этого является далее уменьшение рабочей температуры компрессора, вследствие чего потребность в охлаждении компрессора также немного снижается. Вентилятор охлаждающего устройства приводится в действие далее таким образом, что в желаемом диапазоне температур на выходе компрессора достигается максимально низкая температура сжатого воздуха. Это обеспечивает преимущество более высокого содержания воды в жидкой фазе и меньшего содержания водяного пара в сжатом воздухе. Вода в жидкой фазе может быть отделена в первичном сепараторе, в то время как отделение водяного пара осуществляется в воздушной сушилке. Таким образом, уменьшается подача воды в осушитель, вследствие чего для регенерации требуется меньшее количество сжатого воздуха.
Изобретение заключает в себе техническую идею о том, что компрессор в режиме торможения рельсового транспортного средства приводится в действие с частотой вращения от номинальной частоты вращения до максимальной частоты вращения и, по меньшей мере, один резервуар для сжатого воздуха заполняется, по меньшей мере, до давления выключения компрессора, однако, не более чем до максимального избыточного давления, причем компрессор самое раннее после достижения давления выключения, однако, самое позднее после достижения максимального предельного давления, приводится в действие с переменной частотой вращения, от номинальной частоты вращения до минимальной частоты вращения. Иными словами, происходит использование имеющейся в распоряжении электроэнергии для полной заправки, по меньшей мере, одного резервуара для сжатого воздуха. Затем частота вращения компрессора возвращается обратно в диапазон выше давления включения и сохраняет заранее определенное максимальное давление, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха до конца фазы торможения. Это обеспечивает преимущество внутреннего использования электроэнергии на фазе торможения и обеспечивает возможность экономии энергии, так как рекуперация электроэнергии в электрическую сеть возможна не в каждом случае. Поэтому в режиме торможения компрессора максимальная регенерация энергии компрессора предпочтительна. Это достигается, в частности, посредством максимальной заправки сжатого воздуха, по меньшей мере, в один резервуар для сжатого воздуха во время режима торможения и посредством поддержания максимального предельного давления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха.
В особенно предпочтительном варианте компрессор после окончания режима торможения выключается и при достижении давления включения настраивается на минимальную частоту вращения. Благодаря этому, компрессор в конце фазы торможения в ходе последующего режима экономит энергию, которая была использована во время фазы торможения. Выключение компрессора или настройка минимальной частоты вращения сохраняется до тех пор, пока давление, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха не достигнет регулируемого давления.
В соответствии с примером осуществления изобретения регулировочное устройство перед переходом на режим останова получает от системы подачи и управления сигнал о предстоящем переходе на режим останова, причем частота вращения компрессора настраивается, по меньшей мере, на номинальную частоту вращения для того, чтобы загрузить, по меньшей мере, один резервуар для сжатого воздуха до максимального избыточного давления. Таким образом, для подготовки остановки на вокзале все резервуары заполняются до максимального давления. Затем уровень давления удерживается до остановки.
В предпочтительном варианте компрессор во время режима останова либо выключается, либо приводится в действие с минимальной частотой вращения. Таким образом, в режиме останова компрессор может выключаться или удерживаться на минимальной частоте вращения до достижения регулируемого давления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха. Таким образом, во время режима останова в большинстве случаев работа компрессора может быть предотвращена. Вентилятор остается, насколько возможно, выключенным или приводится в действие лишь с такой скоростью, чтобы не выйти за пределы допустимой максимальной температуры в компрессоре или на выходе сжатого воздуха. Благодаря этому, во время остановки на вокзале шумы от компрессора и вентилятора минимизируются. Вся компрессорная система в целом может быть далее сконструирована более экономично с точки зрения конструктивного пространства, так как возможность отказа от пассивных мероприятий по шумоизоляции отпадает. Поэтому в режиме останова компрессора предпочтительны минимальные шумы компрессора и вентилятора. Это достигается, в частности, посредством выключения или работы компрессора и вентилятора при минимальной частоте вращения.
В предпочтительном варианте компрессор в режиме ожидания в течение ночи приводится в действие периодически между минимальной частотой вращения при спаде давления до давления включения и отключением компрессора при достижении давления выключения. За счет снижения уровня частоты вращения осуществляется минимизация шумов во время стоянки для подготовки к рабочему процессу рельсового транспортного средства. Далее вентилятор также остается, насколько возможно, выключенным или приводится в действие регулировочным устройством лишь с такой скоростью, чтобы не выйти за пределы допустимой максимальной температуры в компрессоре или на выходе сжатого воздуха. В альтернативном варианте охлаждающее устройство может быть использовано для уменьшения подачи водяного пара в воздушную сушилку настолько, что в течение ночи не возникает необходимости в регенерации воздушной сушилки, так что не образуется никакого мешающего вентиляционного шума.
Посредством внутреннего использования информации с рельсового транспортного средства регулировочное устройство, в зависимости от режима работы рельсового транспортного средства, приводится в действие таким образом, что имеет место экономия энергии для приведения в действие компрессорной системы и снижение шума компрессорной системы.
Другие, улучшающие изобретение мероприятия поясняются далее более детально совместно с описанием предпочтительных примеров осуществления изобретения, на основании фигур, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - блок-схема компрессорной системы в соответствии с изобретением,
фиг. 2 - две сопряженные диаграммы, причем на верхней диаграмме нанесена частота вращения компрессора во времени, а на нижней диаграмме давление компрессора во времени.
В соответствии с фиг. 1 компрессорная система для рельсового транспортного средства имеет электродвигатель 1, который через приводной вал приводит в действие компрессор 3 для производства сжатого воздуха. Произведенный компрессором 3 сжатый воздух по проводящему сжатый воздух трубопроводу 6 проводится к охлаждающему устройству 9 с вентилятором 14. По ходу течения потока в охлаждающем устройстве 9 в проводящем сжатый воздух трубопроводе 6 расположены датчик 7 давления и датчик 13b температуры. Далее проводящий сжатый воздух трубопровод 6 входит в первичный сепаратор 11, к которому подсоединена установка 12 для регенерации воздуха. Высушенный и очищенный от мелких частиц сжатый воздух подается затем в резервуар 4 для сжатого воздуха. Датчик 13а температуры, расположенный на компрессоре 3, также как и датчик 13b температуры и датчик 7 давления, все вместе передают на регулировочное устройство 5 данные измеренных температур и измеренного давления. Далее регулировочное устройство 5 получает сигналы также и от системы 10 подачи и управления. Кроме того, регулировочное устройство 5 подходит и для того, чтобы регулировать частоту вращения охлаждающего устройства 9, а также подавать сигналы на исполнительный орган 8. Исполнительный орган 8, который осуществлен в виде частотного преобразователя, регулирует частоту вращения электродвигателя 1 и, тем самым, частоту вращения компрессора 3. При этом исполнительный орган 8 для осуществления непрерывного воздействия на частоту вращения электродвигателя 1 расположен между устройством 15 подачи электроэнергии и электродвигателем 1.
На основании фиг.2 видно, что посредством частоты вращения компрессора 3 давление воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха может регулироваться. Верхняя диаграмма наглядно демонстрирует кривую частоты вращения во времени, а нижняя диаграмма наглядно демонстрирует кривую давления воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха во времени. Компрессор 3 в режиме А заправки рельсового транспортного средства приводится в действие с максимальной частотой m вращения до тех пор, пока давление воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха не достигнет значения давления а выключения. Во время следующего за ним режима N движения рельсового транспортного средства по участку компрессор 3 приводится в действие с переменной частотой вращения, немного выше минимальной частоты i вращения, причем давление воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха устанавливается немного выше давления е включения.
В режиме В торможения рельсового транспортного средства компрессор 3 приводится в действие с номинальной частотой n вращения, и резервуар 4 для сжатого воздуха заполняется до максимального избыточного давления х, причем компрессор 3 после достижения максимального избыточного давления x приводится в действие с переменной частотой вращения, от номинальной частоты n вращения до минимальной частоты i вращения, немного выше минимальной частоты i вращения. По окончании режима В торможения компрессор 3 выключается и лишь при достижении давления е включения настраивается на минимальную частоту i вращения. Рельсовое транспортное средство находится, таким образом, опять же в режиме N движения по участку.
Перед включением режима S останова регулировочное устройство 5 получает от системы 10 подачи и управления сигнал о предстоящем переходе на режим S останова, причем частота вращения компрессора 3 устанавливается на максимальную частоту m вращения, чтобы, по меньшей мере, один резервуар 4 для сжатого воздуха заполнить до максимального избыточного давления х. Во время режима S останова компрессор 3 выключается. При достижении давления е включения компрессор 3 устанавливается на минимальную частоту i вращения. Рельсовое транспортное средство после перехода от режима S останова опять находится в режиме N движения по участку. В режиме О ожидания в течение ночи компрессор приводится в действие периодически между минимальной частотой i вращения при спаде давления до давления е включения и выключением компрессора 3 при достижении давления а выключения.
Изобретение не ограничено ранее описанными примерами осуществления. Более того, возможны также варианты, которые включаются в область охранительного действия представленной ниже формулы изобретения. Так, к примеру, возможно также, чтобы компрессор 3 заполнял несколько резервуаров 4 для сжатого воздуха. Кроме того, возможно также, чтобы исполнительный орган 8 имел два выхода и, таким образом, посредством регулировочного устройства 5 регулировал как частоту вращения электродвигателя 1, так и частоту вращения вентилятора 14.