КОМПРЕССОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФАКТИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
COMPRESSOR SYSTEM AND METHOD OF COMPRESSOR SYSTEM FUNCTIONING DEPENDING ON ACTUAL STATE OF RAIL VEHICLE

Изобретение относится к компрессорной системе для рельсового транспортного средства, включающей в себя приводимый в действие от электродвигателя через приводной вал компрессор для производства сжатого воздуха для, по меньшей мере, одного резервуара для сжатого воздуха, причем электродвигатель выполнен с возможностью настройки, по меньшей мере, опосредованно посредством регулировочного устройства для работы электродвигателя, по меньшей мере, с частотой вращения, в пределах от максимальной частоты вращения до минимальной частоты вращения, причем далее в расположенном по ходу потока от компрессора, проводящем сжатый воздух трубопроводе расположен, по меньшей мере, один датчик давления для определения давления для регулировочного устройства. Далее изобретение относится также к способу управления компрессорной системой в соответствии с изобретением.
К компрессорам в рельсовых транспортных средствах предъявляются разнообразные, отчасти противоположные требования, к примеру, высокая мощность подачи, достаточная продолжительность включения, невысокий уровень шумов, небольшое энергопотребление, небольшое конструктивное пространство, а также низкие затраты на приобретение и на осуществление производственного цикла. При этом в зависимости от рабочего режима или ситуации рельсового транспортного средства, к компрессору предъявляются сильно отличающиеся друг от друга профили требований. Типичная постановка задачи при расчете компрессора состоит в поиске наилучшего компромисса между этими требованиями, и пригодности его для любых рабочих режимов рельсового транспортного средства или во время любой ситуации рельсового транспортного средства. Как правило, в рельсовых транспортных средствах используются компрессоры, которые имеют электрический привод. Компрессоры работают в режиме включения/выключения в пределах от нижнего значения давления включения до верхнего значения давления выключения с постоянной частотой вращения, так называемой номинальной частотой вращения. Компрессор рассчитывается таким образом, что достигается заданное время заполнения и не происходит выхода за нижнюю границу минимального временного интервала включения в процессе работы.
Из уровня техники следует, что работа компрессора не отличается при различных рабочих состояниях рельсового транспортного средства. Вентилятор системы охлаждения подчиняется при этом тому же рабочему режиму, что и компрессор, так как вентилятор, как правило, приводится в действие напрямую от компрессора.
Во время фазы заправки компрессор работает при номинальной частоте вращения. Номинальная частота вращения выбрана таким образом, что компрессор может работать в режиме длительной эксплуатации. Конструктивные габариты компрессора выбраны далее таким образом, что в режиме движения по участку не происходит выхода за нижнюю границу минимального временного интервала включения и верхнюю границу максимального времени заправки. В режиме движения по участку компрессор работает в периодическом режиме. При этом компрессор запускается, когда давление в резервуаре для сжатого воздуха падает до значения давления включения. Как только давление выключения в резервуаре для сжатого воздуха оказывается достигнутым, компрессор приводится в действие с номинальной частотой вращения. При достижении давления выключения компрессор выключается и лишь после спада давления до значения давления включения снова запускается. У рельсовых транспортных средств с электроприводом во время фазы торможения приводной двигатель используется в качестве электродинамического тормоза. При этом образуется электрическая энергия, рекуперация которой в сеть обычно не является рентабельной или частично не возможна. Во время режима останова, при котором рельсовое транспортное средство останавливается на вокзале, компрессор приводится в действие так же, как и во время движения, в периодическом режиме. Так как отсутствует какой-либо преобладающий шум от движения, то шумы от компрессора и вентилятора предотвращаются. Так как пневматическая подвеска в условиях вокзала имеет повышенный расход воздуха, ввиду осуществления посадки и высадки пассажиров, то это приводит обычно к включению компрессора и вентилятора, а, тем самым, к нежелательным шумам во время остановки на вокзале. Кроме того, рельсовые транспортные средства, в частности, местный транспорт, обычно ставятся на стоянку для подготовки к рабочему процессу вблизи жилых районов, к примеру, для предотвращения замерзания. Шум при этом, насколько это возможно, необходимо предотвратить. Ввиду утечек, давление в резервуарах для сжатого воздуха ночью многократно достигает нижнего значения давления включения компрессора, так что необходима дозаправка, и компрессор приводится в действие в периодическом режиме работы при номинальной частоте вращения. Далее, наряду с шумом компрессора, при этом возникают и другие шумы, к примеру, мешающий вентиляционный шум от воздушной сушилки.
Информация о соответствующем рабочем режиме рельсового транспортного средства во многих случаях не доступна для регулировки компрессора. Если информация о соответствующем рабочем режиме рельсового транспортного средства имеется, то должно быть произведено согласовании с регулировкой компрессора, так что простой монтаж невозможен.
Задачей настоящего изобретения является, поэтому, оптимизация компрессорной системы и способа функционирования компрессорной системы в том отношении, чтобы имел место энергоэффективный и шумопонижающий режим работы компрессорной системы, в зависимости от фактической ситуации рельсового транспортного средства и, таким образом, не требовалось бы информации о рабочем режиме рельсового транспортного средства.
В отношении устройства задача решается посредством компрессорной системы, охарактеризованной признаками п. 1 формулы изобретения в сочетании с ее отличительными признаками. В отношении способа задача решается в соответствии с п. 4 формулы изобретения в сочетании с его отличительными признаками. Предпочтительные варианты осуществления изобретения выявляются на основании последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с изобретением исполнительный орган для непрерывного воздействия на частоту вращения электродвигателя расположен между устройством подачи электроэнергии и электродвигателем, причем настройка исполнительного органа осуществляется согласно сенсорному устройству, включающему в себя, по меньшей мере, один датчик для регистрации, по меньшей мере, одного внешнего граничного условия рельсового транспортного средства, через регулировочное устройство. Сенсорное устройство предоставляет, таким образом, регулировочному устройству компрессорной системы информацию о фактической рабочей ситуации рельсового транспортного средства, а также информацию о фактических условиях окружающей среды рельсового транспортного средства. Измеряемыми параметрами или граничными условиями являются, к примеру, уровень шума в окружающей среде рельсового транспортного средства, а также скорость и ускорение рельсового транспортного средства.
Иными словами, исполнительный орган находится в потоке энергии по ходу потока в электродвигателе и, таким образом, подключен перед электродвигателем. Исполнительный орган допускает работу электродвигателя с различной частотой вращения. Для этого используются, в частности, преобразователи частоты или инверторы.
Частота вращения электродвигателя и, таким образом, работа компрессора зависят от частоты. Посредством настройки исполнительного органа согласно сенсорному устройству осуществляется ситуативная регулировка компрессорной системы через регулировочное устройство. Ситуативные граничные условия определяются на основании измеренных значений, которые определяются датчиками сенсорного устройства и подаются на регулировочное устройство. Возможно измерить такие параметры, как время, скорость, ускорение, температура, вибрация, влажность воздуха, звук и место. Регулировка частоты вращения компрессорной системы обеспечивает, наряду с преимуществом уменьшенного энергопотребления, и другие преимущества, к примеру, уменьшение шума в значимых ситуациях, а также отказ от пассивных мероприятий по снижению шума и щадящего режима работы компрессора за счет уменьшения частоты вращения и снижения противодавления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха.
В предпочтительном варианте регулировочное устройство, по меньшей мере, опосредованно регулирует расположенное по ходу потока компрессора охлаждающее устройство с вентилятором, причем частота вращения вентилятора выполнена с возможностью непрерывной регулировки посредством регулировочного устройства. Для этого в охлаждающее устройство в предпочтительном варианте интегрирован исполнительный орган. В альтернативном варианте возможно также, чтобы исполнительный орган был, по меньшей мере, подключен перед охлаждающим устройством. Посредством ситуативной регулировки частоты вращения вентилятора подача воды в подключенной далее воздушной сушилке может быть уменьшена, вследствие чего расход воздуха в воздушной сушилке также снижается.
Далее в предпочтительном варианте сенсорное устройство включает в себя, по меньшей мере, один GPS-датчик для измерения скорости рельсового транспортного средства, а также, по меньшей мере, один датчик ускорения для измерения ускорения рельсового транспортного средства и, по меньшей мере, один микрофон для измерения уровня шума в окружающей среде рельсового транспортного средства. При этом скорость и ускорение рельсового транспортного средства представляют собой внутренние граничные условия, в то время как уровень шума представляет собой внешние граничные условия. Однако возможно также измерять скорость посредством других датчиков, к примеру, ориентированного на рельсы лазерного датчика. Кроме того, специалисту известны также и другие, не указанные здесь, сенсорные устройства для измерения соответствующих внешних и/или внутренних параметров или граничных условий.
В соответствии со способом компрессор в соответствии с сенсорным устройством приводится в действие с переменной, в пределах от максимальной частоты вращения до минимальной частоты вращения, включающей в себя любое промежуточное значение, частотой вращения. За счет того, что охлаждающее устройство не соединено с компрессором ни напрямую, ни опосредованно, осуществляется отдельная настройка охлаждающего устройства и, тем самым, отдельная регулировка частоты вращения вентилятора. В предпочтительном варианте компрессор и вентилятор могут быть также выключены.
В предпочтительном варианте при относительно высоком уровне шума и приблизительно постоянной высокой скорости регулировочное устройство приводит в действие компрессор с переменной частотой вращения, немного выше минимальной частоты вращения, причем давление воздуха, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха выставляется немного выше, чем давление включения. Таким образом, регулировочное устройство на основании представленной различными датчиками сенсорного устройства, различной информации делает заключение о том, что рельсовое транспортное средство находится в режиме движения по участку. При работе компрессора в режиме движения по участку предпочтительна максимальная экономия энергии компрессора, которая достигается за счет переменного режима работы компрессора, по меньшей мере, с минимальной частотой вращения. Таким образом, компрессором производится лишь такое количество сжатого воздуха, которое необходимо для регулировки давления воздуха, которое немного выше давления включения, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха.
Посредством датчика давления может контролироваться кривая изменения давления, так что давление воздуха, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха настраивается примерно постоянным, предпочтительно от одной до двух десятых бар выше давления включения компрессора.
В зависимости от фактического расхода сжатого воздуха варьируется частота вращения электродвигателя и, тем самым, частота вращения компрессора, с целью поддержания давления воздуха, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха примерно постоянным.
На основании этого выявляется преимущество в том, что за счет меньшего противодавления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха расход энергии уменьшается и компрессор приводится в действие в более щадящем режиме. Следствием этого является далее уменьшение рабочей температуры компрессора, вследствие чего потребность в охлаждении компрессора также немного снижается. Вентилятор охлаждающего устройства приводится в действие далее таким образом, что в желаемом диапазоне температур на выходе компрессора достигается максимально низкая температура сжатого воздуха. Это обеспечивает преимущество более высокого содержания воды в жидкой фазе и меньшего содержания водяного пара в сжатом воздухе. Вода в жидкой фазе может быть отделена в первичном сепараторе, в то время как отделение водяного пара осуществляется в воздушной сушилке. Таким образом, уменьшается подача воды в осушитель, вследствие чего для регенерации требуется меньшее количество сжатого воздуха.
В особо предпочтительном варианте регулировочное устройство при отрицательном ускорении приводит в действие компрессор с максимальной частотой вращения до достижения давления выключения компрессора и загружает, по меньшей мере, один резервуар для сжатого воздуха, причем компрессор после достижения давления выключения приводится в действие с переменной частотой вращения, ниже максимальной частоты вращения.
Иными словами, имеющаяся в распоряжении электроэнергия во время режима торможения рельсового транспортного средства используется для полной заправки, по меньшей мере, одного резервуара для сжатого воздуха. Затем частота вращения компрессора возвращается обратно в диапазон выше минимальной частоты вращения и сохраняет заранее определенное максимальное давление, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха до конца режима торможения. Это обеспечивает преимущество внутреннего использования электроэнергии в режиме торможения и обеспечивает возможность экономии энергии, так как рекуперация электроэнергии в электрическую сеть возможна не в каждом случае. Поэтому в режиме торможения компрессора максимальная регенерация энергии компрессора предпочтительна. Это достигается, в частности, посредством максимальной заправки сжатого воздуха, по меньшей мере, в один резервуар для сжатого воздуха во время режима торможения и посредством поддержания максимального предельного давления, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха.
В особенно предпочтительном варианте компрессор после окончания отрицательного ускорения выключается и при достижении давления включения настраивается на минимальную частоту вращения. Благодаря этому, компрессор в конце фазы торможения в ходе последующего режима экономит энергию, которая была использована во время фазы торможения. Выключение компрессора или настройка минимальной частоты вращения сохраняется до тех пор, пока давление, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха не достигнет давления включения компрессора.
В соответствии с примером осуществления изобретения регулировочное устройство при останове рельсового транспортного средства и при относительной низком уровне шума в окружающем пространстве рельсового транспортного средства приводит в действие компрессор в прерывистом режиме между выключением при спаде давления до давления включения и режимом с минимальной частотой вращения при достижении давления выключения.
Таким образом, при останове в режиме останова или в режиме ожидания в течение ночи компрессор может выключаться или удерживаться на минимальной частоте вращения до достижения давления включения, по меньшей мере, в одном резервуаре для сжатого воздуха. Таким образом, во время режима останова в большинстве случаев работа компрессора может быть предотвращена. Вентилятор остается, насколько возможно, выключенным или приводится в действие лишь с такой скоростью, чтобы не выйти за пределы допустимой максимальной температуры в компрессоре или на выходе сжатого воздуха. Благодаря этому во время остановки на вокзале шумы от компрессора и вентилятора минимизируются. Вся компрессорная система в целом может быть далее сконструирована более экономично с точки зрения конструктивного пространства, так как возможность отказа от пассивных мероприятий по шумоизоляции отпадает. Поэтому в режиме останова компрессора предпочтительны минимальные шумы компрессора и вентилятора. Это достигается, в частности, посредством выключения или работы компрессора и вентилятора при минимальной частоте вращения.
В предпочтительном варианте регулировочное устройство во время останова рельсового транспортного средства и при относительно высоком уровне шума в окружающей среде рельсового транспортного средства приводит в действие компрессор с максимальной частотой вращения до того момента, когда либо относительно высокий уровень шума снова понизится, либо будет достигнуто давление выключения. Благодаря этому, высокий уровень шума при остановленном рельсовом транспортном средстве, который возникает, к примеру, за счет проезжающего мимо грузового поезда, может быть использован для того, чтобы в этой ситуации увеличить частоту вращения компрессора и вентилятора и, благодаря этому, в течение короткого временного интервала заполнить, по меньшей мере, один резервуар для сжатого воздуха. Возникновение ощутимого шума, ввиду высокого уровня шума окружающей среды, предотвращается.
На основании определения, в основном, внешней информации и граничных условий посредством сенсорного устройства рельсового транспортного средства, регулировочное устройство, в зависимости от ситуации рельсового транспортного средства, приводится в действие таким образом, что энергия для приведения в действие компрессорной системы экономится, и шум от компрессорной системы снижается. Предоставление внутренней информация касательно различных рабочих режимов рельсового транспортного средства является полезным, однако, не обязательным условием.
Другие, улучшающие изобретение мероприятия поясняются далее более детально совместно с описанием предпочтительных примеров осуществления изобретения, на основании чертежей, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - блок-схема компрессорной системы в соответствии с изобретением,
фиг. 2 - пять сопряженных диаграмм, причем сверху вниз нанесены уровень шума, скорость и ускорение рельсового транспортного средства, а также частота вращения и давление в резервуаре для сжатого воздуха во времени.
В соответствии с фиг. 1 компрессорная система для рельсового транспортного средства имеет электродвигатель 1, который через приводной вал 2 приводит в действие компрессор 3 для производства сжатого воздуха. Произведенный компрессором 3 сжатый воздух по проводящему сжатый воздух трубопроводу 6 проводится к охлаждающему устройству 9 с вентилятором 14. По ходу течения потока в охлаждающем устройстве 9 в проводящем сжатый воздух трубопроводе 6 расположены датчик 7 давления и датчик 13b температуры. Далее проводящий сжатый воздух трубопровод 6 входит в первичный сепаратор 11, к которому подсоединена установка 12 для регенерации воздуха. Высушенный и очищенный от мелких частиц сжатый воздух подается затем в резервуар 4 для сжатого воздуха. Датчик 13а температуры, расположенный на компрессоре 3, также как и датчик 13b температуры и датчик 7 давления, все вместе передают на регулировочное устройство 5 данные измеренных температур и измеренного давления. Далее регулировочное устройство 5 получает сигналы также и от сенсорного устройства 10. Сенсорное устройство 10 включает в себя GPS-датчик 16 для измерения скорости v рельсового транспортного средства, а также датчик 17 ускорения для измерения ускорения b рельсового транспортного средства и датчик 18 шума для измерения уровня s шума в окружающей среде рельсового транспортного средства. Кроме того, регулировочное устройство 5 подходит и для того, чтобы регулировать частоту вращения охлаждающего устройства 9, а также подавать сигналы на исполнительный орган 8. Исполнительный орган 8, который осуществлен в виде частотного преобразователя, регулирует частоту вращения электродвигателя 1 и, тем самым, частоту вращения компрессора 3. Далее исполнительный орган 8 имеет два выхода и таким образом регулирует также частоту вращения вентилятора 14 посредством регулировочного устройства 5. При этом исполнительный орган 8 для осуществления непрерывного воздействия на частоту вращения электродвигателя 1 расположен между устройством 15 подачи электроэнергии и электродвигателем 1. Настройка исполнительного органа 8 осуществляется в соответствии с сенсорным устройством 10 посредством регулировочного устройства 5.
На основании фиг. 2 видно, что посредством частоты вращения компрессора 3 давление воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха может регулироваться. Четвертая диаграмма сверху наглядно демонстрирует кривую частоты вращения во времени, а пятая диаграмма сверху наглядно демонстрирует кривую давления воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха во времени. Первые три диаграммы сверху образуют характеристики уровня шума в окружающей среде рельсового транспортного средства, скорости и ускорения рельсового транспортного средства. Временные оси пяти диаграмм синхронизированы друг с другом и разделены, в основном, на три режима работы. Режим N движения по участку, режим В торможения, а также на режим S останова.
При этом регулировочное устройство 5 в режиме N движения по участку, который имеет относительно высокий уровень s шума и приблизительно постоянную высокую скорость v, приводит в действие компрессор 3 с переменной частотой вращения, которая немного выше минимальной частоты i вращения. Давление воздуха в резервуаре 4 для сжатого воздуха выставляется немного больше давления е включения.
Напротив, при отрицательном ускорении b во время режима В торможения регулировочное устройство 5 приводит в действие компрессор 3 с максимальной частотой m вращения до достижения давления до выключения компрессора 3 и загружает, по меньшей мере, один резервуар 4 для сжатого воздуха. Компрессор 4 после достижения давления а выключения приводится в действие с переменной частотой вращения, ниже максимальной частоты m вращения.
При останове рельсового транспортного средства и при относительно низком уровне s шума в окружающей среде рельсового транспортного средства регулировочное устройство 5 приводит в действие компрессор 3 в прерывистом режиме между выключением компрессора 3 при спаде давления до давления е включения и режимом с минимальной частотой i вращения при достижении давления а выключения. При повышении уровня s шума в окружающей среде рельсового транспортного средства до относительно высокого значения компрессор 3 приводится в действие с максимальной частотой m вращения до тех пор, пока относительно высокий уровень s шума снова не снизится.
Изобретение не ограничено ранее описанными предпочтительными примерами осуществления. Более того, возможны также варианты, которые включаются в объем правовой охраны представленной ниже формулы изобретения. Так, к примеру, возможно также, чтобы компрессор 3 заполнял несколько резервуаров 4 для сжатого воздуха.