УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
DEVICE FOR AUTOMATIC SPEED CONTROL OF DIESEL LOCOMOTIVE WITH ELECTRIC TRANSMISSION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к устройствам для автоматического регулирования скорости движения тепловоза с электропередачей.
Известно устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза, содержащее задатчик и датчик текущей скорости, импульсный преобразователь и усилитель тока через обмотку возбуждения, блок управления тормозами, блок обнаружения боксования, ограничивающий набор скорости при боксовании и блок управления регулятором дизеля (SU, А.с. №206633, МПК B60L 15/20, опубл. 1967 г.).
Недостатком известного устройства является то, что регулирование тока возбуждения возбудителя с помощью одного усилителя приводит к занижению тока возбуждения при установившемся режиме движения локомотива (скважность выходного сигнала импульсного преобразователя равна 0,5), т.е. к снижению его мощности. Кроме того, регулирование тока возбуждения пропорционально отклонению текущего значения скорости от заданной обуславливает колебательный процесс изменения скорости, что нежелательно по соображениям технологии сортировочного процесса на горках и экономичности работы дизеля. Названное устройство приводит также к значительному перерегулированию по скорости, т.к. разгон и торможение локомотива осуществляются без учета фактической интенсивности изменения скорости инерционной системы локомотив-состав.
Известно устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, содержащее задатчик и датчик скорости тепловоза, усилитель, один из выходов которого соединен с блоком управления возбуждением генератора, блок задания мощности дизеля, датчик тока тяговых электродвигателей, сумматор (SU, А.с. №1009831, МПК B60L 15/20, опубл. 1983 г.).
Недостаток указанного устройства проявляется в том, что предварительный расчет позиций регулятора дизеля как функции тока генератора, отклонения по скорости, частоты вращения вала дизеля и фактической скорости не позволяет использовать это устройство для работы на сортировочных горках за счет изменяющихся условий движения из-за ступенчатого изменения веса состава и отсутствия установившегося режима движения системы локомотив-состав. Кроме того, регулирование скорости движения за счет только переключения позиций контроллера машиниста приведет к колебательному режиму работы системы, что недопустимо в условиях работы тепловоза с составом на горке при малых значениях скорости движения.
Известно устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, принятое за прототип, содержащее задатчик и датчик скорости, блок управления током тягового генератора, блок управления регулятором дизеля, датчики тока и напряжения тягового генератора, ключевой элемент, интегратор, первый, второй и третий блоки сравнения, усилитель, выход которого соединен с блоком управления током тягового генератора, два функциональных преобразователя, два блока умножения, сумматор, ключевой элемент (RU, патент №2481202, МПК B60L 15/20, 11/02, опубл. 2013 г.).
Недостаток указанного устройства проявляется в том, что при работе тепловоза на сортировочной горке за счет изменяющихся условий движения из-за ступенчатого изменения веса состава и отсутствия как такового установившегося режима движения системы локомотив-состав отработка режима поддержания скорости производится с недостаточным ускорением (замедлением), что приводит к неконтролируемому уменьшению скорости движения при отцепе на горбе горки нескольких вагонов, что недопустимо в условиях работы тепловоза с составом на горке при малых значениях скорости движения.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия, динамической и статической точности поддержания скорости путем введения параметрического регулирования мощности тягового генератора, обеспечение экономичности работы тепловоза за счет автоматического выбора мощности дизеля в соответствии с реальной нагрузкой тягового генератора, что имеет большое значение при движении с малой скоростью с изменяющимися условиями движения из-за ступенчатого изменения веса состава.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, содержащее задатчик и датчик скорости, блок управления током тягового генератора, блок управления регулятором дизеля, датчики тока и напряжения тягового генератора, ключевой элемент, интегратор, первый, второй и третий блоки сравнения, усилитель, выход которого связан с блоком управления током тягового генератора, два функциональных преобразователя, два блока умножения, сумматор, ключевой элемент, снабжено дополнительно вторым интегратором, третьим функциональным преобразователем, третьим, четвертым и пятым блоками умножения, логическим устройством, пороговым устройством, первым и вторым дополнительными задатчиками, вторым сумматором, первый вход ключевого элемента соединен с первым выходом логического устройства, вход порогового устройства соединен с выходом второго блока сравнения, выход порогового устройства соединен с первым входом логического устройства, второй вход логического устройства соединен с выходом датчика напряжения тягового генератора, второй вход ключевого элемента соединен с выходом первого блока сравнения, выход ключевого элемента соединен с входом первого интегратора, выход которого в свою очередь соединен с первым входом первого сумматора, второй вход первого сумматора соединен с выходом первого функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом первого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом задатчика, второй вход первого блока умножения соединен с выходом первого дополнительного задатчика, входы первого блока сравнения соединены соответственно с задатчиком и датчиком скорости тепловоза, выход первого сумматора соединен с входом третьего функционального преобразователя, соединенного своим выходом с первым входом второго блока умножения, выход первого сумматора соединен также с первыми входами третьего и четвертого блоков умножения, второй вход третьего блока умножения соединен с выходом второго дополнительного задатчика, а выход третьего блока умножения соединен с первым входом второго сумматора, второй вход второго сумматора соединен с выходом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика скорости, а выход второго сумматора соединен с вторым входом четвертого блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго блока сравнения и третьим входом логического устройства, четвертый вход логического устройства соединен с выходом второго сумматора, пятый вход логического устройства соединен с выходом первого сумматора, второй вход второго блока сравнения соединен с выходом пятого блока умножения, а выход второго блока сравнения соединен с входом второго интегратора, соединенного своим выходом с первым входом третьего блока сравнения и первым входом пятого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока тягового генератора, выход третьего блока сравнения соединен с входом усилителя, выход датчика напряжения тягового генератора соединен со вторым входом третьего блока сравнения, второй выход логического устройства соединен с входом блока управления регулятором дизеля.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей содержит задатчик 1 и датчик 2 скорости тепловоза, усилитель 3, блок 4 управления током тягового генератора, датчик 5 тока тягового генератора, блок 6 управления регулятором дизеля, первый 7 и второй 8 интеграторы, датчик 9 напряжения тягового генератора, первый 10, второй 11 и третий 12 блоки сравнения, первый 13, второй 14 и третий 15 функциональные преобразователи, первый 16, второй 17, третий 18, четвертый 19 и пятый 20 блоки умножения, пороговое устройство 21, первый 22 и второй 23 дополнительные задатчики, первый 24 и второй 25 сумматоры, ключевой элемент 26, логическое устройство 27.
Первый вход ключевого элемента 26 соединен с первым выходом логического устройства 27, первый вход которого соединен с выходом порогового устройства 21, вход которого соединен с выходом второго блока 11 сравнения, второй вход логического устройства 27 соединен с выходом датчика 9 напряжения тягового генератора, второй вход ключевого элемента 26 соединен с выходом первого блока 10 сравнения, выход ключевого элемента 26 соединен с входом первого интегратора 7, выход которого в свою очередь соединен с первым входом первого сумматора 24, второй вход первого сумматора 24 соединен с выходом первого функционального преобразователя 13, вход которого соединен с выходом первого блока 16 умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя 14, вход которого соединен с выходом задатчика 1, второй вход первого блока 16 умножения соединен с выходом первого дополнительного задатчика 22, входы первого блока 10 сравнения соединены соответственно с задатчиком 1 и датчиком 2 скорости тепловоза, выход первого сумматора 24 соединен с входом третьего функционального преобразователя 15, соединенного своим выходом с первым входом второго блока 17 умножения, и первыми входами третьего 18 и четвертого 19 блоков умножения, второй вход третьего блока 18 умножения соединен с выходом второго дополнительного задатчика 23, а выход третьего блока18 умножения соединен с первым входом второго сумматора 25, второй вход второго сумматора 25 соединен с выходом второго блока 17 умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика 1, а выход второго сумматора 25 соединен с вторым входом четвертого блока 19 умножения, выход которого соединен с первым входом второго блока 11 сравнения и третьим входом логического устройства 27, четвертый вход логического устройства 27 соединен с выходом второго сумматора 25, пятый вход логического устройства 27 соединен с выходом первого сумматора 24, второй вход второго блока 11 сравнения соединен с выходом пятого блока 20 умножения, а выход второго блока 11 сравнения соединен с входом второго интегратора 8, соединенного своим выходом с первым входом третьего блока 12 сравнения и первым входом пятого блока 20 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 тока тягового генератора, выход третьего блока 12 сравнения соединен с входом усилителя 3, выход датчика 9 напряжения тягового генератора соединен со вторым входом третьего блока 12 сравнения, второй выход логического устройства 27 соединен с входом блока 6 управления регулятором дизеля.
Устройство работает следующим образом.
з
0
з
0
з
Задатчиком 1 скорости определяется заданная скорость v движения тепловоза, во втором функциональном преобразователе 14 по величине заданной скорости движения вычисляется величина основного удельного сопротивления движению w(v), далее в первом блоке 16 умножения определяется величина абсолютного значения сопротивления движению W(v) с учетом реального веса поезда P+Q, определяемого выходным сигналом с первого дополнительного задатчика 22.
0
з
0
з
W(v)=w(v)·(P+Q), где
0
з
W(v) - абсолютное значение основного сопротивления движению;
з
v - заданная скорость движения тепловоза;
0
з
w(v) - удельное значение основного сопротивления движению;
P - вес локомотива;
Q - вес состава.
яр
ярк
з
я
гз
з
С помощью первого функционального преобразователя 13 полученное значение сопротивления движению по известным характеристикам тяговых электродвигателей преобразуется в величину расчетного значения тока J якоря тяговых электродвигателей или, что то же самое - тока тягового генератора. С помощью первого сумматора 24 осуществляют корректировку расчетного значения тока якоря тяговых электродвигателей. В третьем функциональном преобразователе 15 по величине скорректированного первым сумматором 24 расчетного тока J якоря тяговых электродвигателей и известным характеристикам намагничивания тяговых электродвигателей вычисляется значение магнитного потока (СФ) тяговых электродвигателей, после перемножения и соответствующего нормирования во втором блоке 17 умножения с величиной заданной скорости движения v выходной сигнал со второго блока 17 умножения корректируют по величине падения напряжения ΔU в якорной цепи тяговых электродвигателей, для чего в третьем блоке 18 умножения перемножают величину расчетного значения тока якоря тяговых электродвигателей, и введенную со второго дополнительного задатчика 23 величину омического сопротивления обмоток тяговых электродвигателей, полученную величину нормируют и во втором сумматоре 25 суммируют с величиной, полученной на выходе второго блока 17 умножения, при этом полученный на выходе второго сумматора 25 результат принимают за уставку напряжения U тягового генератора, необходимую для достижения заданной скорости движения v.
гз
v
з
я
U=к·СФ·v+ΔU, где
гз
U - уставка напряжения тягового генератора;
v
к - нормирующий коэффициент;
СФ - магнитный поток тяговых электродвигателей;
з
v - заданная скорость движения;
я
ΔU - значение падения напряжения в якорной цепи тяговых электродвигателей.
гз
ярк
генз
Полученные значения уставки напряжения U тягового генератора и расчетного тока якорей тяговых электродвигателей J в четвертом блоке 19 умножения перемножаются и сигнал на выходе четвертого блока 19 умножения принимают за уставку мощности тягового генератора P.
Элементы 5, 8, 11, 20 образуют контур регулирования мощности генератора, причем заданное значение уставки мощности тягового генератора во втором блоке 11 сравнения сравнивается с сигналом обратной связи по мощности, который формируется с помощью второго интегратора 8, пятого блока 20 умножения. Сигнал на выходе второго интегратора 8 принимают за уставку напряжения тягового генератора, при этом элементы 3, 4, 9, 12 образуют контур регулирования напряжения тягового генератора, подчиненный вышеописанному контуру регулирования мощности.
гз
Таким образом, описанная схема работы устройства обеспечивает параметрическое регулирование скорости движения тепловоза, для повышения точности поддержания скорости в устройстве предусмотрены корректирующие элементы, включающие в себя пороговое устройство 21, первый блок сравнения 10, ключевой элемент 26, первый интегратор 7 и первый сумматор 24. Корректировка осуществляется следующим образом. Пороговое устройство 21 оценивает величину рассогласования уставки мощности и обратной связи по мощности на выходе второго блока И сравнения, при уменьшении величины рассогласования ниже заранее определенной величины пороговое устройство 21 подает сигнал на первый вход логического устройства 27, на второй вход которого подается сигнал фактической величины напряжения тягового генератора с датчика 9 напряжения тягового генератора, при равенстве уставки напряжения U тягового генератора и величины фактического напряжения тягового генератора и наличии сигнала от порогового устройства 21 логическое устройство 27 со своего первого выхода подает сигнал на включение ключевого элемента 26, при этом выходной сигнал с первого блока 10 сравнения, соответствующий отклонению фактической скорости движения, измеренной датчиком 2 скорости тепловоза, от заданной задатчиком 1, поступает на первый интегратор 7, выходной сигнал которого поступает на второй вход первого сумматора 24, при этом выходной сигнал первого сумматора корректируется таким образом, чтобы уменьшить рассогласование заданной и фактической скорости движения.
оc
з
з
ос
ярк
Например, если фактическая скорость движения тепловоза v выше заданной скорости движения v, сигнал на выходе первого блока 10 сравнения, равный ΔV=v-v, имеет отрицательный знак, первый интегратор 7 начинает интегрировать сигнал рассогласования скоростей, выходной сигнал первого интегратора 7 начинает уменьшать выходной сигнал первого сумматора 24, что означает уменьшение скорректированного значения расчетного тока якорей тяговых электродвигателей J, при этом уменьшается величина уставки мощности тягового генератора на выходе четвертого блока 19 умножения, контур регулирования мощности (элементы 5, 8, 11, 20) начинает отрабатывать уменьшение мощности тягового генератора, что влечет за собой в конечном итоге снижение фактической скорости движения и уменьшение рассогласования заданной и фактической скорости движения. При этом скорректированное значение расчетного тока тяговых электродвигателей на выходе первого сумматора 24 определяется выражением:
, где
ярк
J - скорректированное значение расчетного тока тяговых электродвигателей;
яр
J - значение расчетного тока тяговых электродвигателей;
ΔV - отклонение фактической скорости движения от заданной;
dt - параметр интегрирования (время).
oc
з
з
oc
В случае, если фактическая скорость движения тепловоза v ниже заданной скорости движения v, сигнал на выходе первого блока 10 сравнения, равный ΔV=v-v, имеет положительный знак и в конечном итоге увеличивается величина уставки мощности тягового генератора на выходе четвертого блока 19 умножения, контур регулирования мощности (элементы 5, 8, 11, 20) начинает отрабатывать увеличение мощности тягового генератора, что влечет за собой в конечном итоге увеличение фактической скорости движения и уменьшение рассогласования заданной и фактической скорости движения.
Для обеспечения согласования работы тягового генератора и дизеля (на чертеже не показаны) логическое устройство 27 по сигналам расчетных значений тока якоря тяговых электродвигателей (с выхода сумматора 24), расчетного значения напряжения тягового генератора (с выхода второго сумматора 25), заданного значения уставки мощности тягового генератора (с выхода четвертого блока 19 умножения) задает требуемое значение мощности дизеля для блока 6 управления регулятором дизеля с обеспечением следующих условий:
генз
диз
P<P,
ярк
яmax
J<J,
гз
гmax
U<U, где:
генз
P - расчетная мощность тягового генератора;
диз
P - требуемая мощность дизеля;
ярк
J - скорректированное значение расчетного тока тяговых электродвигателей;
яmax
J - максимальное значение (отсечка) тока якоря тяговых электродвигателей;
гз
гз
U - уставка напряжения U тягового генератора;
гmax
U - максимальное значение (отсечка) напряжения тягового генератора.
Таким образом, заявленное изобретение позволит обеспечить повышение точности и быстродействия регулирования скорости движения с исключением колебательных процессов в энергетической установке тепловоза и может быть использовано на тепловозах и путевых машинах, где по роду деятельности требуется повышенная точность поддержания скорости движения, например, при работе маневровых тепловозов на сортировочных горках.
Макет предлагаемого устройства опробован на секции грузового тепловоза 2ТЭ116 и показал хорошие результаты.