УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТРЕБНОЙ МОЩНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Полезная модель относится к устройствам автоматической оценки и регулирования потребной мощности тяговых электродвигателей городского электротранспорта (ГЭТ), например, трамвая, имеющего два и более тяговых двигателя (ТД), и направлено на сокращение потребления электроэнергии.
В современном ГЭТ актуальна задача сокращения потребления электроэнергии. Известны способы регулирования скорости поезда при одной и той же силе тяги, а соответственно и потребляемой электроэнергии, путем изменения напряжения запитки и путем изменения магнитного потока возбуждения двигателей (см. М.П.Кутыловский, «Электрическая тяга на городском электротранспорте», М., 1964 г., стр.119-139). Однако перегруппировка неприменима на трамвайных вагонах РВ3, Т-2, Т-3, Т-3М с косвенной автоматической системой управления, где схема соединения двигателей постоянна, применение перегруппировки усложнило бы ее значительно.
Известно также устройство для регулирования силы тяги маневрового тепловоза с тяговым генератором постоянного тока и двумя параллельными цепями тяговых электродвигателей последовательного возбуждения ( патент RU 2031012, кл. В 60 L 11/04, 1992 г. г), в котором реализовано регулирование силы тяги тепловоза за счет изменения напряжения питания тяговых электродвигателей посредством тягового генератора, в функции от массы поезда и скорости его движения. Однако в городском электротранспорте такая схема неприменима, так как тяговые электродвигатели запитываются непосредственно от контактной сети постоянного тока, а не от тягового генератора (последний в конструкции вагонов трамвая и метрополитена не используется).
Наиболее близким к полезной модели (прототипом) по назначению и технической сущности является устройство для регулирования тяговых электродвигателей многосекционного электровоза (АС СССР №1650485, кл. В 60 L 15/20, 1989 г.), содержащее подключенные параллельно к тяговой сети и последовательно с тяговыми электродвигателями индивидуальные управляемые выпрямители, управляющие входы которых подключены к входам блоков управления, соединенных входами через управляющие элементы с выходами соответствующих элементов сравнения, один из входов которых подключены к датчикам токов тяговых электродвигателей, и контроллер машиниста с контактами, подключенными к источнику питания, и задатчиком тока, при этом устройство снабжено элементами И и элементами ИЛИ, а контроллер машиниста выполнен с двумя группами контактов, число которых и число позиций их замыканий равно числу управляемых выпрямителей, при этом контакты одной группы подключены к входам элементов ИЛИ, а другой группы - к входам элементов И, другие входы которых подключены к задатчику тока, а выходы - к другим входам элементов ИЛИ, соединенных выходами с другими входами соответствующих элементов сравнения. К недостаткам известного устройства можно отнести следующее:
1. Не автоматизирована задача оценки потребной мощности тяговых электродвигателей. Задача регулирования, заключающаяся в выборе количества (от 1 до 8) работающих тяговых двигателей, также осуществляется машинистом вручную, через контроллер. Вследствие этого субъективные факторы, такие как уровень квалификации, усталость и другие, а также объективный - повышение загруженности машиниста, отрицательно повлияют на решение конечной задачи - оптимизации расхода потребляемой электрической энергии.
2. Использование любых датчиков, будь то датчики тока тяговых двигателей, либо любые другие, недопустимо без соответствующей корректировки их выходного сигнала, вследствие значительных технологических
и эксплуатационных допусков как на датчики, так и на источники информации.
3. Отсутствует схемная, либо алгоритмическая защита работы устройства в режимах боксования и юза, что в совокупности с отсутствием индикации о возникновении данных режимов может привести к ошибочным действиям машиниста при регулировании им тяговых характеристик электровоза.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков и экономия потребляемой электроэнергии путем использования устройства, оценивающего конкретные, часто изменяющиеся условия движения, и автоматически регулирующего потребную мощность тяговых электродвигателей вагона трамвая.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве автоматической оценки и регулирования потребной мощности тяговых электродвигателей городского электротранспорта, содержащем подключенный в схему управления тяговыми электродвигателями блок коммутирующих реле, входы которых подключены к выходным каскадам аналого-цифрового вычислителя на базе элементов И, ИЛИ, НЕ, входами для которого являются датчики угловых скоростей колесных пар и данные с контроллера водителя, за счет того, что оно снабжено пиковым детектором, к прямому входу которого через второй подстроечный резистор и первый согласующий (буферный) каскад подключен датчик угловой скорости колесных пар, а к выходу пикового детектора подключен прямой вход третьего дифференциального компаратора, к выходу последнего подключен второй из двух входов первого конъюнктора и второй из трех входов второго конъюнктора, при этом первый вход первого конъюнктора подключен через второй согласующий (буферный) каскад к обмотке реле электроавтоматики трамвая, выход первого конъюнктора через третий инвертор подключен к первому входу второго конъюнктора, к выходу первого согласующего
оп1
(буферного) каскада подключен инверсный вход третьего дифференциального компаратора, прямой вход первого дифференциального компаратора и инверсный вход второго дифференциального компаратора, на инверсный вход первого дифференциального компаратора подключен выходной сигнал U с выхода схемы формирования опорного напряжения, прямой вход второго дифференциального компаратора заземлен, причем один из выходов спаренного дифференциального компаратора через первый инвентор подключен к третьему входу второго конъюнктора, выходным сигналом которого является команда «к3», поступающая на третье реле управления тяговыми двигателями, последнее при этом ставится на самоблокировку, второй выход спаренного дифференциального компаратора является первым входом третьего конъюнктора, вторым входом последнего является комплексный выходной сигнал схемы оценки боксования через второй инвентор, выходным сигналом третьего конъюнктора является команда «к2», поступающая на второе реле управления тяговыми электродвигателями, первое реле управления тяговыми двигателями входит в состав блока коммутирующих реле и подключает первый и второй тяговые двигатели на этапах выбега и торможения. Выходные сигналы с датчиков угловых скоростей через первый и второй подстроечные резисторы поступает также на входы схемы оценки боксования и схемы оценки юза, на третий вход последней поступает также команда «к6», характеризующая нажатие тормозной педали водителем, выходы схем оценки боксования и юза являются входами дизъюнктора, выходом которого является команда «к4», которая поступает на реле электропривода песочницы, а сигнал с выхода первого подстроечного резистора поступает на спидометр. Выходом схемы оценки юза является команда «к5», поступающая на вход реле включения реверса двигателей при юзе. Блок коммутирующих реле содержит также реле индикации режимов работы тяговых
электродвигателей, кнопку и реле контроля исправности индикаторных ламп.
Предлагаемое устройство выполнено на базе трамвайного вагона Т-3 производства ЧКД ТАТРА СМИХОВ (конструкция и схемы - см. М.Д.Иванов, «Трамвайные вагоны Т-3», М., 1977 г.). Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая работу дифференциальных компараторов, на фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая работу пикового детектора, на фиг.4 и 5 -временные диаграммы, поясняющие исключение многократного повторного подключения-отключения тяговых электродвигателей ТД1, ТД2 путем постановки третьего реле 20 (фиг.1) управления тяговыми двигателями на самоблокировку, на фиг.6 - временная диаграмма, соответствующая режиму, когда развиваемой мощности тяговыми двигателями ТД3, ТД4 оказалось достаточно для обеспечения требуемых характеристик движения и подключения ТД1, ТД2 не потребовалось, на фиг.7 - временная диаграмма, соответствующая режиму, когда развиваемой мощности ТД3, ТД4 недостаточно, при этом водитель выполнил рекомендацию по установке пусковой педали в максимальную (пятую) позицию, но скорость вагона продолжает снижаться и устройство автоматически подключает ТД 1, ТД2, на фиг.8 - таблица идентификации входных команд и условий перехода.
1. Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) блок I автоматической оценки потребной мощности тяговых электродвигателей, блок II коммутирующих реле, плату III индикаторных ламп в кабине водителя, датчики 1 и 2 угловой скорости колесных пар, элемент 35 ИЛИ, включенный в электроавтоматику схемы управления тяговыми двигателями, спидометр 36. Блок I автоматической оценки потребной мощности включает в себя пиковый детектор 7, к прямому
оп1
1
2
выходу которого через второй подстроенный резистор 4 и первый согласующий (буферный) каскад 5 подключен датчик 2 угловой скорости колесных пар, а к выходу пикового детектора 7 подключен прямой вход третьего дифференциального компаратора 9, к выходу последнего подключен второй из двух входов первого конъюнктора 13 и второй из трех входов второго конъюнктора 15. Первый вход первого конъюнктора 13 подключен через второй согласующий (буферный) каскад 6 к обмотке А реле RC электроавтоматики трамвая (состояние реле RC характеризует положение пусковой педали контроллера водителя), выход первого конъюнктора 13 через третий инвертор 14 подключен к первому входу второго конъюнктора 15. К выходу упомянутого выше первого согласующего (буферного) каскада 5 подключен инверсный вход третьего дифференциального компаратора 9, прямой вход первого дифференциального компаратора 8.1 и инверсный вход второго дифференциального компаратора 8.2. На инверсный вход 8.2 первого дифференциального компаратора подключен выходной сигнал U с выхода схемы 17 формирования опорного напряжения, второй вход второго дифференциального компаратора 8.2 заземлен. Один из выходов спаренного дифференциального компаратора 8 через первый инвертор 10 подключен к третьему входу второго конъюнктора 15, выходным сигналом которого является команда «к3», поступающая на третье реле 20 управления тяговыми двигателями. Второй выход спаренного дифференциального компаратора 8 является первым входом третьего конъюнктора 16, вторым входом последнего является комплексный выходной сигнал схемы 18 оценки боксования через второй инвертор 11. Выходным сигналом третьего конъюнктора 16 является команда «к2», поступающая на второе реле 21 управления тяговыми двигателями. Выходные сигналы ω и ω с датчиков 1 и 2 угловых скоростей
1
через первый 3 и второй 4 подстроенные резисторы поступают также на входы схемы 18 оценки боксования и схемы 19 оценки юза (на третий вход последней поступает также команда «к6», характеризующая нажатие тормозной педали водителем). Выходы схемы 18 оценки боксования и схемы 19 оценки юза являются входами дизъюнктора 12, выходом последнего является команда «к4», которая поступает на реле 24 электропривода песочниц и на лампу 34 индикации контроля данного режима. Выходом схемы 19 оценки юза является команда «к5», поступающая на вход реле 23 включения реверса двигателей и на лампу 33 индикации «ЮЗ». Сигнал ω с выхода первого подстроечного резистора 3 поступает на спидометр 36. Блок II коммутирующих реле включает в себя семь реле, из которых четыре: 20, 21, 22 и 23 (фиг.1) связаны своими контактами в схеме электроавтоматики вагона с цепями управления режимом работы тяговых двигателей ТД1, ТД2, ТД3 и ТД4, еще три реле являются вспомогательными: реле 24 электропривода песочниц, реле 25 индикации режимов работы тяговых двигателей и реле 26 контроля индикаторных ламп. Последнее включается в работу при нажатии кнопки 26 «Контроль исправности ламп» и своими нормально-разомкнутыми контактами (на фиг.1 не показаны) подключают индикаторные лампы 28-34 на панели в кабине в режим контроля. В рабочем режиме входы ламп 28-34 подключены к выходным каскадам блока I автоматической оценки потребной мощности тяговых электродвигателей и блока II коммутирующих реле:
- лампа 28 «дожми ПП» - к выходу первого конъюнктора 13,
- лампа 29 «ТД1 - ТД4» - к нормально-разомкнутым контактам 1-2 реле 25 индикации работы тяговых двигателей,
- лампа 30 «ТД3 - ТД4» - к нормально-замкнутым контактам 3-4 реле 25 индикации работы тяговых двигателей,
- лампа 31 «боксование I Тел» - ко второму выходу схемы 18 оценки боксования,
- лампа 32 «боксование II Тел» - к третьему выходу схемы 18 оценки боксования,
- лампа 33 «ЮЗ» - к выходу схемы 19 оценки юза,
- лампа 34 «ЭПП» - к выходу дизъюнктора 12. Перед рассмотрением работы устройства в целом необходимо рассмотреть логику функционирования его основных узлов. Тахогенераторы 1 и 2 устанавливаются на редукторы одной из колесных пар соответственно первой и второй тележек вагона (на Т-3 предусмотрен их штатный вариант подключения).
0
0
1
2
1
2
1
оп1
оп1
Подстроенные резисторы 3 и 4 необходимы вследствие неизбежного допускового разброса значений выходных параметров тахогенераторов 1 и 2 и износа бандажей колесных пар в процессе эксплуатации, а соответственно и внесения ошибок в процесс измерения угловых скоростей (до 18% от истинных значений). В эксплуатации данную корректировку потребуется проводить 1 раз в месяц, то есть в сроки измерения бандажей колес. На схеме (фиг.1) значения сигналов с тахогенераторов до коррекции обозначены ω  и ω , после коррекции - ω и ω. Дифференциальные компараторы 8.1, 8.2 и 9 обеспечивают сравнение между собой поданных на их входы сигналов, с выдачей выходного сигнала в виде логического «0» (сокращенно лог. «0») или логической «1» (лог. «1»). В общем виде, если входной сигнал на прямом (+) входе больше входного сигнала на инверсном (-) входе, то на выходе получим лог. «1», если наоборот - лог. «0». К примеру, рассмотрим работу спаренного дифференциального компаратора 8, состоящего из двух компараторов 8.1 и 8.2 и обеспечивающего сравнение трех входных сигналов (0, ω и U). На инверсный вход дифференциального компаратора 8.1 подается опорное напряжение U, соответствующее выходному сигналу с тахогенератора
2
вх
оп1
вых
2
вых
2
вх
вых
при линейной скорости вагона V=5-10 км/час (конкретное значение подбирается при пуско-наладочных работах на конкретном вагоне, с учетом его динамических характеристик и конструктивных особенностей). На диаграмме работы (фиг.2) видно, что когда величина входного сигнала ω находится в диапазоне U - U, (т.е. внутри «окна») схема формирует U=лог. «0», если ω выходит за границы «окна», то U=лог. «1». Пиковый детектор 7 определяет максимумы входного сигнала ω и их запоминание, диаграмма работы приведена на фиг.3. В этой схеме обратная связь действует на инверсный вход операционного усилителя только тогда, когда диод Д1 открыт и напряжение на входе схемы более выходного (U>U), при этом происходит заряд конденсатора С1. Когда входное напряжение становится меньше напряжения заряда конденсатора - диод Д1 закрывается и выходное напряжение «фиксируется» (схема обнаруживает любое пиковое напряжение и запоминает его значение). Конъюнкторы 13, 15, 16, инверторы 10, 11, 14, дизъюнктор 12 - логические элементы цифровых интегральных схем, обеспечивающие соответственно функции И, НЕ и ИЛИ. В таблице 1 приведена логика работы устройства в привязке к конкретным сигналам и командам. Третье реле 20 управления тяговыми двигателями работает в режиме самоблокировки. Данный режим работы реле вводится для исключения многократного повторного подключения-отключения тяговых двигателей ТД1, ТД2 (фиг.4) следующим образом: при выдаче трехвходовым конъюнктором 15 команды «к3» «Повторное подключение ТД1, ТД2» срабатывает данное реле и своими нормально-разомкнутыми контактами 1-2 подключает к обмотке А напряжение +U с провода 210 (данное напряжение в схеме электроавтоматики трамвая присутствует при трогании и разгоне, отключается при выбеге и торможении). Этим исключается неоднозначность в принятии решения на подключение ТД1, ТД2 (фиг.5), т.е. достаточно первого выполнения условия оценки устройством, что развиваемая
оп2
рев
оп2
тяговыми двигателями ТД3 и ТД4 мощность недостаточна, чтобы подключились тяговые двигатели ТД1 и ТД2 и в дальнейшем, вплоть до выбега, разгон осуществлялся на четырех двигателях. Предлагаемое устройство работает следующим образом. При трогании вагона и достижении им минимальной скорости V=5-10 км/час (участок ОА на фиг.5, 6) в работе участвуют все четыре тяговых двигателя ТД1-ТД4, далее (в т.А) тяговые двигатели ТД1 и ТД2 отключаются и разгон производится на двигателях ТД3 и ТД4. Допустим, на участке ВС произошло снижение скорости, с выдачей рекомендации водителю «Дожми (при необходимости) пусковую педаль» (сокращенно «дожми ПП»). При этом на фиг.5 приведен вариант, когда развиваемой тяговыми двигателями ТД3 и ТД4 мощности хватило для обеспечения требуемых характеристик движения - скорость возросла (участок СЕ на фиг.5), подключение ТД1 и ТД2 не производилось. На фиг.6 показан вариант движения, когда дожатие водителем пусковой педали в максимальную, 5-ю позицию, не устранило снижение скорости (участок СД на фиг.6), поступила команда «к3» на повторное подключение ТД1, ТД2 и разгон продолжился на четырех двигателях ТД1-ТД4 (участок ДЕ на фиг.6). На участке EF (фиг.5, 6), т.е. на этапе выбега и торможения, устройство с помощью первого реле 22 управления тяговыми двигателями подключает все четыре тяговых двигателя, обеспечивая 100%-ую рекуперацию. Априорная оценка экономии потребляемой электрической энергии при этом достигает 40% относительно штатного режима работы с четырьмя тяговыми двигателями. Схема 17 формирования опорных напряжений вырабатывает U=f(U), являющееся управляющим сигналом для тяговых двигателей при реверсе, т.е. U определяет задание скорости вагона на реверсе при отпущенной пусковой педали и нажатой водителем тормозной педали. Введением этого режима существенно улучшаются тормозные динамические характеристики вагона при возникновении юза. В качестве элементной базы операционных
усилителей дифференциальных компараторов 8 и 9 и пикового детектора 7 могут быть выбраны интегральные схемы серии 140УД, остальная логика - на цифровых микросхемах серии 555, причем конъюнкторы 13, 15, 16 и дизъюнктор 12 - с мощным открытым коллектором, обеспечивающим подключение достаточной по мощности выходной нагрузки.
Полезная модель позволяет автоматизировать оценку и регулирование потребной мощности тяговых электродвигателей городского электротранспорта и существенно снизить потребление электроэнергии.