Способ регулирования электрической передачи тепловоза
LOCOMOTIVE ELECTRIC TRANSMISSION CONTROL METHOD

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 теплового двигателя, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, 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).
Недостатком известного способа является то, что при боксовании одной или нескольких осей колесных пар локомотива возбуждение генератора изменяют в зависимости от максимального тока одного из тяговых электродвигателей, имеющего в данный момент наименьшую склонность к боксованию, т.е. стабилизируют напряжение тягового генератора по максимальному току одного из тяговых электродвигателей.
При появлении даже на короткое время одновременного боксования всех колесных пар локомотива происходит срыв режима стабилизации напряжения тягового генератора и переход боксования в разносное.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение генератор, связанный с тяговыми электродвигателями, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, 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, МПК B60L 11/02, опубл. 07.05.1982 г.).
Недостатком известного способа является то, что напряжение генератора при появлении боксования хотя бы у одного из тяговых электродвигателей, увеличивается с темпом, определяемым интегратором задания напряжения тягового генератора, поскольку при этом суммарная мощность, подводимая к тяговым электродвигателям, снижается и появляется несоответствие между свободной мощностью теплового двигателя и мощностью, реализуемой тяговой передачей, что приводит к рассогласованию положения дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя с заданным. В конечном итоге увеличение напряжения генератора способствует дальнейшему развитию боксования.
Другим недостатком известного способа является то, что напряжение генератора подается на все тяговые электродвигатели одинакового уровня независимо от того, принадлежит ли тяговый двигатель боксующей колесной паре или небоксующей колесной паре.
Поддержание постоянным напряжения генератора, которое подводится к электродвигателям, не исключает возможности как одновременного боксования всех колесных пар тепловоза, так и нескольких, и приводит к тому, что мощность подводимая к электродвигателям, уменьшается, а тяговые электродвигатели боксующих колесных пар могут продолжать боксовать, работая по естественной мягкой механической характеристике.
Указанные недостатки снижают тяговые свойства тепловоза при быстрых изменениях нагрузки (например, при боксовании) и ухудшают экономичность теплового двигателя.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза, принятый за прототип, в котором измеряют частоту вращения каждого электродвигателя всех секций тепловоза, выделяют минимальную из измеренных частот вращения, величину минимальной частоты вращения тяговых электродвигателей суммируют со знаком минус с измеренными частотами вращения каждого тягового электродвигателя, результаты суммирования сравнивают с величиной заранее установленного порога, величину их рассогласования суммируют со знаком минус с уставкой напряжения генератора, результаты суммирования принимают за уставки выходного напряжения управляемых выпрямителей, по которым осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемых выпрямителей, которое подают на вход тяговых электродвигателей (RU, патент на изобретение №2423251 С1, МПК B60L 11/06, опубл. 10.07.2011 г.).
Существенным недостатком известного способа является наличие большого количества датчиков частоты вращения, равного количеству тяговых электродвигателей, при этом выход из строя хотя бы одного датчика частоты вращения приводит к ухудшению потребительских свойств тепловоза вплоть до неработоспособности.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности тепловоза при обеспечении хороших тяговых свойств тепловоза при быстрых изменениях нагрузки (например, боксовании) и экономичности теплового двигателя путем раздельного регулирования напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям последовательного возбуждения, и формирования искусственных жестких скоростных характеристик тяговых электродвигателей.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловоза задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор переменного тока, связанный с тяговыми электродвигателями, измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают заданное положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя с измеренным положением рейки дозирующего органа, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора переменного тока, измеряют напряжения и токи нагрузки каждого тягового электродвигателя, по величинам напряжения и тока нагрузки каждого тягового двигателя вычисляют величины мощности и производной мощности каждого тягового электродвигателя, при положительном знаке рассогласования заданного и измеренного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя и отрицательном знаке производной мощности тягового электродвигателя величину производной мощности тягового электродвигателя нормируют, по полученному результату корректируют величину уставки напряжения управляемого выпрямителя, соответствующего этому тяговому электродвигателю, по которой осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя, при положительном знаке рассогласования заданного и измеренного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя и отрицательной величине производной мощности, хотя бы одного из тяговых электродвигателей, запрещают увеличение величины уставки напряжения тягового генератора переменного тока.
d
d
На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующая способ, на Фиг. 2 - диаграмма соотношения напряжения U и суммарного тока нагрузки I генератора.
Устройство (Фиг. 1) состоит из теплового двигателя 1, с регулятором 2 частоты вращения 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 генератором 4. Силовой выход генератора 4 подключен через управляемые выпрямители 5 и 6, датчики 7 и 8 напряжения на входы тяговых электродвигателей 9 и 10 соответственно. Генератор 4 соединен с выходом блока 11 управления током возбуждения генератора 4. Тяговый электродвигатель 9 соединен с датчиком 12 тока нагрузки, тяговый электродвигатель 10 соединен с датчиком 13 тока нагрузки. Выход задатчика 14 частоты вращения теплового двигателя 1, например, многопозиционного контроллера машиниста тепловоза, соединен с входом регулятора 2 частоты вращения теплового двигателя 1, с входом функционального преобразователя 15, формирующего по заданной частоте вращения теплового двигателя 1 заданное положение дозирующего органа топливоподачи. Выход функционального преобразователя 15 соединен с первым входом блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи, второй вход блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи соединен с выходом датчика 3 положения дозирующего органа топливоподачи. Выход блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи соединен с первым входом коммутатора 17, выход которого соединен с входом блока 18 интегрирования, формирующим задание напряжения генератора 4, выход которого соединен с одним из входов блока 11 управления током возбуждения генератора 4, другой вход блока 11 управления током возбуждения генератора 4 соединен с выходом датчика 19 напряжения генератора 1.
Выход блока 18 интегрирования соединен с первыми входами сумматоров 20 и 21, выходы которых соединены соответственно, с управляющими входами управляемых выпрямителей 5 и 6. Выходы датчиков 7 и 8 напряжения тяговых электродвигателей 9 и 10 соединены с первыми входами блоков 22 и 23 умножения, вторые входы блоков 22 и 23 умножения соединены с выходами датчиков 12 и 13 тока нагрузки тяговых электродвигателей 9 и 10. Выходы блоков 22 и 23 умножения соединены с первыми входами логических устройств 24 и 25 соответственно, выходы которых соединены с входами логического устройства 26, выход которого соединен с вторым входом коммутатора 17. Выходы логических устройств 24 и 25 соединены с вторыми входами сумматоров 21 и 20 соответственно, вторые входы логических устройств 24 и 25 соединены с выходом блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи.
Число пар «управляемый выпрямитель - тяговый электродвигатель», например, 5 и 9 или 6 и 10 в электрической тяговой передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза, например, двум, как в рассматриваемом устройстве на Фиг. 1.
Способ осуществляется следующим образом.
и
Контроллером 14 машиниста задают частоту вращения теплового двигателя 1. На выходе контроллера 14 машиниста действует кодовый сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения теплового двигателя 1, который поступает на вход регулятора 2 частоты и нагрузки теплового двигателя 1 и на вход функционального преобразователя 15. Регулятор 2 частоты и нагрузки удерживает частоту вращения теплового двигателя 1 пропорционально кодовому сигналу задания контроллера 14 машиниста. Датчиком 3 измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты и нагрузки теплового двигателя 1, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя 1. Выходной сигнал «L» датчика 3, пропорциональный положению дозирующего органа топливоподачи, поступает на первый вход блока 16 измерения рассогласования.
з
з
и
з
и
Функциональным преобразователем 15 задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя 1, для чего в функциональном преобразователе 15 преобразуют код заданной частоты, поступающий на вход функционального преобразователя 15 с выхода контроллера 14 машиниста в сигнал «L» задания положения дозирующего органа топливоподачи, который с выхода функционального преобразователя 15 поступает на второй вход блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи. Сигнал «L» заданного положения дозирующего органа топливоподачи и сигнал «L» измеренного датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи в блоке 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи сравнивают по величине и знаку отклонения. Величина ΔL=±(L-L) с выхода блока 16 измерения рассогласования положения дозирующего органа топливоподачи поступает через коммутатор 17 на вход блока 18 интегрирования, где она интегрируется по времени, результат интегрирования принимается за величину задания напряжения генератора и с выхода блока 18 интегрирования подается на один из входов блока 11 управление возбуждением генератора, на другой вход которого подается сигнал с датчика 19 напряжения генератора. Генератор 4 возбуждается и на его выходе действует напряжение переменного тока, соответствующее заданному значению напряжения с выхода блока 18 интегрирования.
Это же заданное значение напряжения с выхода блока 18 интегрирования подается на одни из входов сумматоров 20 и 21, выходной сигнал которых подается на соответствующие входы управление управляемых выпрямителей 5 и 6.
По сигналам с выходов сумматоров 20 и 21 осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемых выпрямителей 5 и 6, которое подается на вход тяговых электродвигателей 9 и 10.
Тяговые электродвигатели 9 и 10 под действием приложенного к ним выпрямленного напряжения начинают вращаться с частотой, определяемой следующим выражением
n - частота вращения якоря тягового электродвигателя;
U - напряжение, приложенное к тяговому электродвигателю;
I - ток нагрузки тягового электродвигателя;
R - суммарное сопротивление цепей тягового электродвигателя;
k - масштабный коэффициент;
СФ - коэффициент магнитного потока
В процессе разгона тепловоза под действием силы тяги, определяемой токами якорей тяговых электродвигателей, 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 сила тяги тепловоза уравновешивается силами сопротивления. Одновременно с этим в электрической цепи тепловоза также достигается режим равновесия, определяемый точкой «А» на пересечении характеристики «б» постоянной скорости движения тепловоза и характеристики «б» постоянной мощности на Фиг. 2. Он характеризуется тем, что достигается заданное значение положения дозирующего органа топливоподачи, например реек топливных насосов высокого давления, и при этом мощность тягового генератора полностью соответствует свободной мощности теплового двигателя. При этом точка «А» на Фиг. 2 определяет режим всех тяговых электродвигателей 9, 10 на Фиг. 1. При изменении условий движения, например при переломе профиля или при движении на уклон, уменьшается сопротивление движению, тепловоз с поездом начинает разгоняться, токи якорей тяговых двигателей при этом уменьшаются, снижается мощность тягового генератора и соответственно уменьшается момент сопротивления на валу теплового двигателя. Частота вращения вала теплового двигателя под воздействием избытка вращающего момента начинает увеличиваться, регулятор 2 частоты вращения теплового двигателя 1 вступает в действие, уменьшая подачу топлива с помощью дозирующего органа топливоподачи, при этом появляется рассогласование между заданным положением дозирующего органа топливоподачи и его измеренным положением, в результате интегратор 18 начинает работать на увеличение, что соответствует увеличению задания напряжения генератора, мощность генератора начинает увеличиваться с одновременным увеличением момента сопротивления на валу теплового двигателя. Итогом становится новое установившееся положение равновесия, на Фиг. 2 это точка В на пересечении характеристики «б» постоянной скорости движения тепловоза и характеристики «в» постоянной мощности. Таким образом, при медленном изменении профиля пути, по которому движется тепловоз с составом, рабочая точка перемещается по характеристике «б» постоянной мощности в сторону точки «В» до пересечения с характеристикой «а» постоянной скорости, обеспечивая согласование свободной мощности теплового двигателя с мощностью тягового генератора. Частоты вращения всех тяговых двигателей 9 и 10 (Фиг. 1.), в этом режиме работы практически одинаковы, отличие определяется различием скоростных характеристик тяговых электродвигателей и различием диаметров колесных пар тепловоза, связанных с этими двигателями. При этом способ позволяет осуществить работу тепловоза с полной мощностью теплового двигателя и с частичными мощностями, соответствующими линиям наибольшей экономичности теплового двигателя.
Логические устройства 24 и 25 представляют собой дифференциаторы входного сигнала, причем выходной сигнал логических устройств 24 и 25 вычисляется в соответствии с выражениями:
24
н
9
9
Вых=К*dP/dt при dP/dt<0 и ΔL>=0
24
9
Вых=0 при dP/dt>0 или ΔL<0
25
н
10
10
Вых= К*dP/dt при dP/dt<0 и ΔL>=0
25
10
Вых=0 при dP/dt>0 или ΔL<0,
где: ΔL - рассогласование заданного и измеренного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора 3 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1;
н
К - нормирующий коэффициент;
9
10
dP/dt и dP/dt - производная мощности тяговых электродвигателей 9 и 10.
В сумматорах 20 и 21 суммируются сигналы, пропорциональные производным мощности тяговых электродвигателей, вычисленные и нормированные в логических устройствах 24 и 25, и сигнал с выхода блока 18 интегрирования.
Перед возникновением режима боксования колесной пары, связанной, например, с тяговым электродвигателем 10, электрическая передача находилась в равновесном состоянии, а тяговые электродвигатели работали, например, в точке «А» на пересечении характеристики «б» постоянной скорости и характеристики «в» постоянной мощности (Фиг. 2).
В силу изменения условий по сцеплению «колесо-рельс» колесная пара, связанная, например, с электродвигателем 10, приобрела избыточную скорость скольжения, частота вращения и противоэдс электродвигателя 10 соответственно увеличивается, ток нагрузки тягового электродвигателя 10 уменьшается, уменьшается и мощность тягового электродвигателя 10, вычисляемая в блоке 23 умножения как произведение напряжения на тяговом электродвигателе 10 и тока нагрузки тягового электродвигателя 10.
Таким образом, на выходе блока 23 умножения получаем сигнал, пропорциональный уменьшающейся мощности тягового электродвигателя 10
10
10
10
P=U*I, где:
10
I - ток нагрузки тягового электродвигателя 10;
10
U - напряжение на тяговом электродвигателе 10.
10
В логическом устройстве 25 вычисляется dP/dt - производная мощности боксующего тягового электродвигателя 10, которая в данном случае имеет отрицательное значение, соответственно корректируется на выходе сумматора 21 в сторону снижения величина заданного напряжения для управляемого выпрямителя 6. В результате рабочая точка для тягового электродвигателя 10 перемещается по характеристике «а» постоянной скорости из точки «А» в точку «С» (Фиг 2.), что способствует уменьшению избыточной скорости колесной пары, соответствующей тяговому электродвигателю 10 и, в конечном итоге, ведет к прекращению боксования. Режим работы тягового электродвигателя 9 при этом не меняется и он остается работать на полной мощности в точке «А» (Фиг. 2).
Для исключения повышения напряжения тягового генератора 4 при боксовании выходной сигнал логического устройства 25, проходя через блок 26, представляющий собой логическую схему «ИЛИ», запрещает работу блока 18 интегрирования на увеличение выходного сигнала.
Использование в способе регулирования тяговой электропередачи раздельного регулирования напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям последовательного возбуждения и формирования искусственных жестких скоростных характеристик тяговых электродвигателей позволяет сформировать для каждого тягового электродвигателя в режиме боксования характеристику, близкую по своей жесткости тяговым электродвигателям независимого возбуждения, что позволяет получить высокие коэффициенты использования сцепного веса локомотива, исключить разносное боксование, ограничить избыточные скорости скольжения минимальными величинами, повысить тяговые свойства тепловоза при быстрых изменениях нагрузки (например, боксовании) при одновременном соблюдении экономичной работы теплового двигателя 1.