СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ЛОКОМОТИВА И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CONTROL METHOD FOR LOCOMOTIVE HYBRID POWER PLANT AND CONTROL SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам управления силовыми локомотивными установками с приводом переменного тока.
В традиционных тепловозах отсутствует накопитель энергии, способный запасать энергию рекуперативного торможения. В отличие от электровозов, где данная энергия может быть возвращена в контактную сеть, тепловозы, не оборудованные пантографом, такой возможности не имеют. В то же время процесс эксплуатации локомотивов сопряжен с проблемой экономии топлива.
Проблема экономии топлива тесно связана с другой известной проблемой, а именно с большим количеством переходных процессов, происходящих в двигательной установке при маневровой работе тепловоза, что также негативно сказывается на расходе топлива.
Для решения данных проблем в настоящее время наиболее часто применяются емкостные накопители энергии, позволяющие сделать переходные процессы мягче. Однако недостаток многих известных разработок заключается в неэффективном использовании энергии рекуперативного торможения одновременно со смягчением переходных процессов.
Известен метод работы транспортного средства с ДВС-генераторной силовой установкой, тяговым электродвигателем и соответствующим транспортным средством по патенту US 7,163,071 B2, которое содержит ДВС-генераторную силовую установку, электродвигатель, источник сигнала управления мощностью и электронную систему управления, объединяющую перечисленные компоненты.
Недостатком способа управления этой силовой установкой является необходимость ослабления мощности потребителей электроэнергии, что может привести к отключению используемой в данный момент вспомогательной нагрузки при недостатке снижения потребления электроэнергии за счет других (в которых нет необходимости в данный момент) потребителей. Если же нагрузку на ДВС снижать за счет уменьшения мощности тяговых электродвигателей, это приведет к уменьшению силы тяги.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является группа изобретений, относящаяся к области управления гибридными силовыми локомотивными установками. Задачей известного технического решения является повышение эффективности работы силовой установки локомотива (повышение КПД, снижение тепловых нагрузок) в переходных (неустановившихся) режимах и/или снижение их продолжительности и/или повышение надежности ДВС.
Решение технической задачи достигается тем, что известная гибридная силовая установка локомотива содержит ДВС, генератор, тяговый выпрямитель, тяговые электродвигатели, редукторы, ведущие оси. Имеется управляющее устройство, в которое дополнительно введены устройство накопления электрической энергии, преобразователь и регулятор тока и напряжения, измерительные устройства, предназначенные для обеспечения обратной связи по необходимым параметрам, и два запирающих устройства. Способ управления данной силовой установкой заключается в том, что в переходных режимах работы нагрузку на ДВС снижают путем уменьшения системой управления нагрузки на генератор, при этом тяговую мощность продолжают увеличивать за счет разряда накопителя энергии в силовую цепь заданным темпом. Управление переходным процессом осуществляют системой управления с обеспечением во время его протекания заряда накопителя энергии путем ступенчатого увеличения угловой скорости коленчатого вала ДВС и использования для заряда накопителя появляющейся свободной мощности тягового генератора. Во время протекания переходного процесса системой управления устанавливают минимально допустимый коэффициент избытка воздуха.
Известное техническое решение позволяет повысить КПД ДВС при работе в неустановившихся режимах и повысить надежность ДВС за счет уменьшения накопленных повреждений в переходном процессе в результате снижения тепловой напряженности деталей, а также за счет уменьшения отложений сажи и продуктов неполного сгорания на деталях газовыхлопного тракта и турбины турбокомпрессора (Патент РФ RU 2419563 C1, опубликованный 27.05.2011 Бюл. №15).
Недостатком известного технического решения в соответствии с описанным специальным алгоритмом заряда является наличие многократно повторяющихся чередующихся переходных режимов, которым соответствует постоянство частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя и нарастание частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя, что увеличивает количество и длительность переходных процессов. Кроме того, описанный специальный алгоритм заряда затрудняет использование режима рекуперативного торможения вследствие того, что накопитель энергии поддерживается в заряженном состоянии, а заряд и разряд накопителя энергии сопровождаются скачкообразными изменениями мощности генератора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода топлива.
Указанная техническая задача решается тем, что в известной системе управления тепловозом, включающей в себя систему управления гибридной силовой установкой, бортовой вычислитель, измерительные устройства, исполнительные устройства, аппаратуру обработки команд машиниста, соединенную с пультом машиниста, отличается тем, что содержит также приемник сигналов спутниковых навигационных систем, соединенный с аппаратурой обработки геоинформационных данных и параметров работы силовой установки, обладающей энергонезависимой памятью, в которой сохраняется статистика движения локомотива, и рассчитывающей на основе этой статистики оптимальные с точки зрения минимизации количества переходных процессов параметры заряда аккумуляторной батареи, входящей в состав силовой установки. При этом колебания мощности, вызванные изменениями профиля пути и изменениями потребления энергии вспомогательными нагрузками, компенсируются зарядом-разрядом аккумуляторной батареи. Дополнительная экономия топлива достигается за счет рекуперации энергии торможения в аккумуляторную батарею.
Такое решение позволяет существенно сократить количество и смягчить характер переходных процессов в ДГУ, кроме того, преобразователь и аккумуляторная батарея силовой установки обладают меньшим временем отклика на внешнее воздействие, чем ДГУ, и способны более точно поддерживать режим работы тяговых двигателей.
Предложенное техническое решение, по мнению заявителя, по совокупности существенных признаков обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью.
На фиг.1 приведена структурная блок-схема системы управления гибридной силовой установкой локомотива.
На фиг.2 показан график суммарной мощности, потребляемой тяговыми преобразователями и отдаваемой на вспомогательные нужды в сравнении со средней мощностью, вырабатываемой ДГУ. Мгновенная потребляемая мощность - 1; средняя потребляемая мощность - 2.
Система управления (фиг.1) гибридной силовой установкой локомотива, включающей в себя дизель-генераторную установку, аккумуляторный накопитель энергии, тормозные резисторы, содержащая устройство измерения и управления параметрами локомотива, а также вычислительный блок управления с возможностью обеспечения обратной связи, содержит устройство 1 приема сигналов о маршруте движения локомотива, поступающих со спутниковых навигационных систем, соединенное с устройством 2 обработки и хранения геоинформационных данных локомотива и параметров работы силовой установки, соединенной посредством цифровой линии передачи данных с вычислительным блоком 3 управления локомотивом, устройство 4 обработки команд машиниста, связанное с пультом 5 управления машиниста, и устройством 6 измерения параметров и управления, связанным с гибридной силовой установкой 7.
Система управления гибридной силовой установкой вырабатывает уставку средней мощности ДГУ (фиг.2), при этом колебания всех нагрузок в составе тепловоза компенсируются за счет энергии аккумуляторной батареи. Одновременно кардинально сокращается количество переходных процессов в ДГУ, происходящих при изменении нагрузки. Кроме того, появляется возможность реализовать оставшиеся переходные процессы в щадящем для ДГУ режиме.
Заявляемый способ управления гибридной силовой установкой локомотива осуществляют следующим образом.
При помощи устройства 2 производят обработку геоинформационных данных и параметров работы гибридной силовой установки на основании сигналов со спутниковых навигационных систем, которые принимают от устройства 1 и сохраняют в энергонезависимой памяти каждый маршрут движения локомотива, а также параметры работы силовой установки 7, получаемые от устройства 6 измерения параметров и управления. Все передвижения локомотива аппроксимируют прямолинейными блок-участками, которые запоминают в энергонезависимой памяти аппаратуры обработки данных. В памяти сохраняют данные, позволяющие идентифицировать каждый блок-участок: азимут, координаты начала и конца участка. Также сохраняют информацию о параметрах движения локомотива и его остановках на данном блок-участке: о скорости локомотива, мощности, потребляемой вспомогательными нагрузками, заряде аккумуляторной батареи, мощности, отдаваемой на тяговые преобразователи, режиме работы энергетической установки, количестве и средней продолжительности остановок, а также информацию о предшествующих блок-участках, которую накапливают на основе статистических данных при неоднократном прохождении локомотива по блок-участку. Информацию обо всех блок-участках формируют в виде связанного списка, элементы в котором выстраивают по координатам начала, и представляют в виде дерева переходов, каждая ветвь которого представляет собой один из возможных маршрутов движения локомотива. Статистику работы локомотива обновляют при каждом прохождении блок-участка.
На основании полученной статистики, данных о параметрах работы локомотива во время текущей поездки и заданных машинистом на пульте 5 управления скорости движения локомотива и силе тяги на ободе колеса с помощью устройства 2 вычисляют параметры работы гибридной силовой установки, рекомендуемые для минимизации расхода топлива посредством сокращения количества переходных процессов в ДГУ и увеличения ресурса работы аккумуляторной батареи, и передают их в вычислительный блок 3 управления локомотивом. В случае отсутствия статистики прохождения локомотивом по блок-участку для расчетов используют только данные о параметрах работы локомотива во время текущей поездки и заданные машинистом скорость и сила тяги.
При помощи вычислительного блока 3 передают команду преобразователю, входящему в состав устройства 6 измерения параметров и управления гибридной силовой установкой на выработку мощности заряда-разряда накопителя энергии. Мощность заряда-разряда при этом рассчитывают по формуле:
аб
ген
тяг
вспом.нужд
P=P-P-P,
аб
где P - мощность, поставляемая на заряд-разряд аккумуляторной батареи;
ген
P - мощность, вырабатываемая генератором;
тяг
P - мощность, поставляемая на тяговые двигатели с учетом КПД преобразователей;
вспом.нужд
P - мощность, отдаваемая для работы вспомогательных машин.
Данная формула учитывает все источники и потребители энергии, находящиеся на локомотиве, и выражает, по сути, закон сохранения энергии.
В случае необходимости использования рекуперативного торможения в связи с изменением профиля пути либо задания машинистом команды снижения скорости движения локомотива аппаратура управления энергетической установкой заряжает энергией, вырабатываемой при торможении, аккумуляторную батарею, входящую в состав гибридной силовой установки. При полном заряде аккумуляторной батареи энергия торможения передается на тормозные резисторы, входящие в состав силовой установки.
Таким образом, осуществление заявляемого способа управления гибридной силовой установкой с помощью предлагаемой системы для реализации данного способа позволяет оптимизировать работу силовой установки, снизить эксплуатационный расход топлива за счет снижения количества переходных процессов и улучшения их качества и существенно улучшить экологические параметры транспортного средства.