Способ регулирования электрической передачи тепловоза в режиме электрического тормоза
METHOD FOR REGULATION OF ELECTRICAL TRANSMISSION OF ELECTRIC IN MODE OF ELECTRIC BRAKE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электрической передачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором, электродвигателями постоянного тока и тормозными резисторами в режиме электрического торможения тепловоза.
Известен способ регулирования электропередачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором, электродвигателями постоянного тока и тормозными резисторами в режиме электрического торможения тепловоза, заключающийся в том, что тепловой двигатель приводит во вращение тяговый генератор, возбуждают тяговый генератор, нагружают тяговый генератор на обмотки возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, возбуждают тормозящие тяговые электродвигатели, нагружают тормозящие тяговые электродвигатели на тормозные резисторы, задают ток возбуждения возбудителя тягового генератора, устанавливают ток возбуждения тягового генератора, устанавливают ток возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей и регулируют тормозное усилие тепловоза (SU, авторское свидетельство №1477579, МПК B60L 7/04, опубликовано 07.05.1989 г.).
Недостатком способа является то, что способ не предусматривает ограничение тока тормозящих электродвигателей по условиям коммутационной надежности работы тормозящих электродвигателей и не обеспечивает стабильности тормозных характеристик из-за большого количества регулировок.
Известен способ регулирования электропередачи в режиме электрического торможения тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором, электродвигателями постоянного тока, тормозными резисторами, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, возбуждают тяговый генератор, нагружают тяговый генератор на последовательно включенные обмотки возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, возбуждают тормозящие тяговые электродвигатели, нагружают тормозящие тяговые электродвигатели на тормозные резисторы, задают уставку тормозного усилия тепловоза, задают уставку максимально допустимого тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, задают уставку максимально допустимого тока тормозящего тягового электродвигателя, измеряют частоту вращения тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют сигнал, пропорциональный максимально измеренной частоте вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей и по этой частоте задают уставку тока тормозящего тягового электродвигателя, при достижении которого обеспечиваются удовлетворительные потенциальные условия коммутации на коллекторе тягового двигателя, измеряют ток якоря тормозящих тяговых электродвигателей и выделяют максимальный ток одного из тормозящих тяговых электродвигателей, измеряют ток возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, по измеренным значениям тока возбуждения и тока якоря тормозящих тяговых электродвигателей определяют тормозное усилие тепловоза, сравнивают его с заданной уставкой тормозного усилия, сравнивают максимальный ток одного из тормозящих тяговых электродвигателей с уставкой максимально допустимого тормозного тока и с уставкой тормозного тока по условиям коммутации, сравнивают уставку максимально допустимого тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей с измеренным значением тока возбуждения тяговых электродвигателей, дифференцируют сигнал, пропорциональный максимально измеренному току тормозящего тягового электродвигателя и результат дифференцирования суммируют с максимальным значением одного из результатов сравнения, по найденному значению регулируют ток возбуждения тягового генератора и устанавливают ток возбуждения и ток торможения тормозящих тяговых электродвигателей ("Электропередача тепловозов на переменно-постоянном токе" - Москва, Транспорт, 1978, с. 126-128; В.А. Кошевой, В.И. Липовка, В.А. Иванов, В.М. Шарлай "Повышение устойчивости системы регулирования реостатного тормоза тепловоза" - Вестник ВНИИЖТ, 1978 г., №5, с. 18-21).
Недостатком известного способа является то, что процессы в электрической передаче в режимах торможения имеют колебательный характер, большое количество регулировок ухудшает стабильность характеристик электрического торможения.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза в режиме торможения, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение синхронный тяговый генератор, возбуждают тяговый генератор, нагружают тяговый генератор на последовательно включенные обмотки возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, возбуждают тормозящие тяговые электродвигатели, нагружают тормозящие тяговые электродвигатели на тормозные резисторы, задают уставку тормозного усилия тепловоза, задают уставку максимально допустимого тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, задают уставку максимально допустимого тока тормозящего тягового электродвигателя, измеряют частоты вращения тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют максимальную частоту вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей, измеряют токи тормозящих тяговых электродвигателей и выделяют максимальный ток одного из тормозящих тяговых электродвигателей, измеряют ток возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, нагружают синхронный тяговый генератор на последовательно включенные обмотки возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей через управляемый выпрямитель, вычисляют корень квадратный из произведения заданного тормозного усилия и максимальной измеренной частоты вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей и принимают за одну из уставок тока тормозящих тяговых электродвигателей, вычисляют обратное значение максимальной измеренной частоты вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей, вычисленное значение нормируют и принимают за другую уставку тока тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют из уставок тока тормозящих тяговых электродвигателей минимальную уставку, принимают ее за заданное значение тока тормозящих тяговых электродвигателей, сравнивают с измеренным максимальным током одного из тормозящих тяговых электродвигателей, результат сравнения интегрируют и принимают за другую уставку задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют из уставок тока возбуждения минимальную уставку и принимают ее за заданное значение тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, сравнивают ее с измеренным значением тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, результат сравнения усиливают, подают на управляющий вход управляемого выпрямителя и осуществляют регулирование тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей (RU, патент на изобретение №2293031, МПК B60L 11/06, опубл. 10.02.2007).
Недостатком известного способа является то, что при изменении температуры обмоток тяговых электродвигателей и изменении параметров тормозных резисторов, например, при закорачивании их части для обеспечения торможения до остановки, имеет место нестабильность характеристик электрического тормоза тепловоза.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильности характеристик электрического тормоза тепловоза.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловоза в режиме электрического тормоза, заключающемся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение синхронный тяговый генератор, возбуждают тяговый генератор, нагружают тяговый генератор через выпрямитель на последовательно включенные обмотки возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, возбуждают тормозящие тяговые электродвигатели, нагружают тормозящие тяговые электродвигатели на тормозные резисторы, задают уставку тормозного усилия тепловоза, задают первую уставку тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей по максимально допустимому значению, задают первую уставку тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей по максимально допустимому значению, измеряют частоты вращения тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют максимальную частоту вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей, измеряют токи якорей тормозящих тяговых электродвигателей и выделяют максимальный ток якоря одного из тормозящих тяговых электродвигателей, измеряют ток возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, вычисляют обратное значение максимальной измеренной частоты вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей, вычисленное значение нормируют и принимают за вторую уставку тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей, по величинам измеренного тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей и измеренного максимального тока якоря одного из тормозящих тяговых электродвигателей и по известным характеристикам намагничивания тяговых электродвигателей вычисляют магнитный поток тяговых электродвигателей, вычисляют обратное значение магнитного потока тяговых электродвигателей, полученную величину перемножают с уставкой заданного тормозного усилия тепловоза, результат нормируют и принимают за третью уставку тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют из уставок тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей минимальную уставку, принимают ее за заданное значение тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей, сравнивают с измеренным максимальным током якоря одного из тормозящих тяговых электродвигателей, результат сравнения интегрируют и принимают за вторую уставку задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, выделяют из уставок тока возбуждения минимальную уставку и принимают ее за заданное значение тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, сравнивают ее с измеренным значением тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, результат сравнения усиливают и осуществляют регулирование тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей.
На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ.
На Фиг. 2 представлена тормозная характеристика тепловоза в режиме электрического торможения, реализуемая по предлагаемому способу.
Устройство (Фиг. 1) для реализации предлагаемого способа состоит из теплового двигателя 1, например дизеля, с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки.
Дизель 1 связан с электрической передачей, в которую входит нижеперечисленное оборудование, так, сам дизель 1 соединен, например, с тяговым синхронным генератором 3, выход которого подключен к выпрямителю 4, силовой выход выпрямителя 4 подключен через датчик 5 измерения тока возбуждения к последовательно включенным обмоткам 6 возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Тормозящий тяговый электродвигатель 7 через датчик тока 9 подключен к тормозному резистору 10. Тормозящий тяговый электродвигатель 8 через датчик тока 11 подключен к тормозному резистору 12. Выходной вал тормозящего электродвигателя 7 соединен с датчиком частоты вращения 13. Выходной вал тормозящего электродвигателя 8 соединен с датчиком частоты вращения 14. Выходы датчиков тока 9 и 11 соединены с входом блока 15 выделения максимального сигнала, пропорционального измеренному току якоря одного из тормозящих тяговых электродвигателей 7 или 8 (далее по тексту - блока 15). Выходы датчиков 13 и 14 частоты вращения соединены с входом блока 16 выделения максимального сигнала, пропорционального частоте вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей 7 или 8. Выход задатчика тормозной позиции, например тормозного контроллера 17, соединен с входом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, с входом функционального преобразователя 18 задания первой уставки тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 (далее по тексту - функционального преобразователя 18), с входом функционального преобразователя 19 задания уставки тормозного усилия (далее по тексту - функционального преобразователя 19), с входом функционального преобразователя 20 задания первой уставки тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7, 8 (далее по тексту - функционального преобразователя 20).
Выход функционального преобразователя 19 соединен с одним из входов блока 21 умножения, выход которого соединен с одним из входов блока 22 выделения минимального сигнала задания тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 (далее по тексту - блока 22). Выход блока 16 выделения максимального сигнала, пропорционального частоте вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей 7 или 8, соединен с входом вычислительного блока 23 задания сигнала второй уставки тока якорей тормозящих электродвигателей 7 и 8 по параметру коммутации этих электродвигателей (далее по тексту - вычислительного блока 23), выход которого соединен со вторым входом блока 22.
Выход блока 22 соединен с одним из входов сравнивающего сумматора 24, другой вход которого соединен с выходом блока 15. Выход сравнивающего сумматора 24 соединен с входом интегратора 25, выход которого соединен с одним из входов блока 26 выделения минимального сигнала задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 (далее по тексту - блока 26). Другой вход блока 26 соединен с выходом функционального преобразователя 18. Выход блока 26 соединен с одним из входов сравнивающего сумматора 27, другой вход которого соединен с выходом датчика 5 измерения тока возбуждения тяговых электродвигателей 7 и 8. Выход сравнивающего сумматора 27 соединен с входом блока 28 управления возбуждением тягового синхронного генератора 3, питающего через выпрямитель 4 обмотки 6 возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Выход датчика 5 измерения тока возбуждения соединен с одним из входов функционального преобразователя 29, другой вход которого соединен с выходом блока, выход функционального преобразователя 29 соединен со вторым входом блока 21 умножения.
Способ осуществляется следующим образом.
Задатчиком тормозной позиции, например тормозным контроллером 17, задают кодовый сигнал тормозной позиции. С появлением на выходе тормозного контроллера 17 кодового сигнала тормозной позиции силовую схему тепловоза, следующего с заданной скоростью движения, переводят из режима тяги в режим торможения, для чего разбирают тяговую схему тепловоза и собирают тормозную схему тепловоза, при этом обмотки 6 возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 соединяют последовательно и подключают через датчик 5 измерения тока возбуждения к силовому выходу выпрямителя 4, а якорные обмотки тяговых электродвигателей 7 и 8 подключают через датчики тока 9 и 11 к тормозным резисторам 10 и 12. Число тяговых электродвигателей может быть равным числу осей тепловоза.
На выходе тормозного контроллера 17 действует кодовый сигнал, пропорциональный заданной тормозной позиции, который поступает на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, на вход функционального преобразователя 19, на вход функционального преобразователя 20 и на вход функционального преобразователя 18.
Регулятор 2 частоты вращения и нагрузки удерживает частоту вращения дизеля 1 на выбранном уровне в зависимости от установленной величины кодового сигнала тормозного контроллера 17.
Блоком 28 управления возбуждением возбуждают тяговый генератор 3 и нагружают его через выпрямитель 4 и датчик 5 измерения тока возбуждения на последовательно включенные обмотки 6 возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, возбуждают тормозящие тяговые электродвигатели 7 и 8.
вmax
Функциональным преобразователем 18 задают первую уставку тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 по максимально допустимому значению, для чего в функциональном преобразователе 18 преобразуют код тормозного контроллера 17, поступающий на вход функционального преобразователя 18 в сигнал (I) первой уставки тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, который подают на один из входов блока 26.
T
Функциональным преобразователем 19 задают тормозное усилие тепловоза, для чего в функциональном преобразователе 19 преобразуют код тормозного контроллера 17, поступающий на вход преобразователя 19, в сигнал (B) заданного значения тормозного усилия тепловоза, который перемножают в блоке 21 умножения с поступающим с выхода функционального преобразователя 29 на второй вход блока 21 умножения сигналом, пропорциональным обратной величине магнитного потока тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8.
Tmax
T
Функциональным преобразователем 20 задают первую уставку ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 по максимально допустимому значению, для чего преобразуют код тормозного контроллера 17, поступающий на вход функционального преобразователя 20, в сигнал (I) первой уставки ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, который подают на первый вход блока 22. Вычисляют блоком 21 умножения произведение сигналов, действующих на входе блока 21 умножения: одного сигнала, пропорционального заданному тормозному усилию (B), и другого сигнала, пропорционального обратной величине магнитного потока тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, при этом на выходе блока 21 формируют сигнал, равный
,
1
где k - нормирующий коэффициент;
T
B - заданное значение тормозного усилия;
сФ - магнитный поток тормозящих тяговых электродвигателей.
T
Этот сигнал принимают за вторую уставку ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 для режима торможения при заданном значении тормозного усилия тепловоза (B=Const), сформированным функциональным преобразователем 19, преобразующим код тормозного контроллера 17 в сигнал задания тормозного усилия, и подают его на второй вход блока 22.
max
Датчиками частоты вращения 13 и 14 измеряют частоту вращения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Сигналы, пропорциональные измеренной частоте вращения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, с выходов датчиков частоты вращения 13 и 14 подают на вход блока 16 и выделяют максимальную частоту вращения (ω) одного из тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Сигнал, пропорциональный максимальной измеренной частоте вращения одного из тормозящих тяговых электродвигателей 7 или 8, с выхода блока 16 подают на вход вычислительного блока 23, в котором вычисляют обратную величину от максимальной измеренной частоты вращения, нормируют и подают на третий вход блока 22, эта величина соответствует третьей уставке ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 по параметру коммутации.
где  - третья уставка ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей по параметру коммутации;
max
ω максимальная измеренная частота вращения;
max
(I⋅ω) - параметр коммутации;
2
k - нормирующий коэффициент.
Этот сигнал подают на третий вход блока 22, который выделяет минимальный из трех действующих на его входах сигналов:
Tmax
- I - первая уставка ограничения тока якорей по максимально допустимому значению;
т
T
- I - вторая уставка ограничения тока якорей в режиме B=Const;
тк
- I - третья уставка ограничения тока якорей по параметру коммутации.
4
тк
3
2
Tmax
2
1
T
Рассмотрим работу электрической передачи тепловоза в режиме электрического тормоза с момента, когда скорость тепловоза соответствовала максимальной измеренной частоте вращения, равной ω (Фиг. 2.). В этой точке третья уставка ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 по параметру коммутации I оказывается минимальной и определяет формирование тормозной характеристики, соответствующей участку АБ кривой  на Фиг. 2, при дальнейшем снижении скорости тепловоза в диапазоне изменения максимальной измеренной частоты вращения от ω до ω первая уставка ограничения тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 (I) по максимально допустимому значению становится минимальной и определяет формирование тормозной характеристики (участок БГ кривой б). При снижении скорости тепловоза в диапазоне изменения максимальной измеренной частоты вращения от ω до ω минимальной становится вторая уставка по ограничению тока якорей тормозящих электродвигателей 7 и 8 в режиме B=Const и тормозная характеристика соответствует отрезку ГД прямой  на Фиг. 2.
Полученный сигнал на выходе блока 22 принимают за заданное значение тока якорей тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 и подают на первый вход сравнивающего сумматора 24, в котором сравнивают с поданным на второй вход сравнивающего сумматора 24 сигналом с выхода блока 15. Результат сравнения с выхода сравнивающего сумматора 24 интегрируют в интеграторе 25 и результат интегрирования принимают за вторую уставку задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 и подают на второй вход блока 26. На входах блока 26 действуют два сигнала:
Bmax
- один (I) - сигнал первой уставки задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей с выхода функционального преобразователя 18 (по максимально допустимому значению);
- другой сигнал - результат интегрирования с выхода интегратора 25, принятый за вторую уставку задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Минимальный из этих двух сигналов, действующих на входах блока 26, например, результат интегрирования с выхода интегратора 25, принимают за заданное значение тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, сравнивают его в сравнивающем сумматоре 27 с измеренным значением тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8, поступающим на вход сравнивающего сумматора 27 с выхода датчика 5 измерения тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Результат сравнения с выхода сравнивающего сумматора 27 подают на вход блока 28 управления возбуждением тягового синхронного генератора 3 и осуществляют регулирование тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8. Равновесие в системе регулирования достигается, когда измеренный ток якоря тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 будет равен заданному току якоря тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8.
1
a
Наконец, в точке Д характеристики Фиг. 2 сигнал первой уставки задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 становится меньше второй уставки задания тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей 7 и 8 и тормозная характеристика от частоты вращения ω до нуля имеет вид отрезка ОД прямой , проходящей через начало системы координат.
Этот способ позволяет обеспечить стабильные тормозные характеристики тепловоза с соблюдением всех необходимых ограничений независимо от изменения параметров силовой цепи тепловоза, например, при изменении сопротивления обмоток тяговых электродвигателей или изменении величины сопротивления тормозных резисторов при их частичном закорачивании для обеспечения эффективности торможения тепловоза до полной остановки (при закорачивании части тормозных резисторов тормозная характеристика смещается влево по оси ω частоты вращения).
Предлагаемый способ испытан с применением микропроцессорной системы управления на стенде и показал положительные результаты.