СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЗА
METHOD OF ADJUSTING DIESEL LOCOMOTIVE ELECTRIC TRANSMISSION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором переменного тока, силовым выпрямителем и тяговыми электродвигателями постоянного тока.
Известен способ регулирования электропередачи тепловозов посредством регулирования напряжения тягового генератора тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, измеряют напряжение тягового 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, рисунок 30).
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 постоянного тока, имеющего в данный момент наименьшую склонность к боксованию, т.е. стабилизируют напряжение тягового генератора по максимальному току одного из тяговых электродвигателей постоянного тока. 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 электропередачи тепловоза путем регулирования напряжения тягового генератора переменного тока, на выходе которого включен силовой выпрямитель, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения вала теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют во времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора (SU, авторское свидетельство №925693, кл. B60L 11/02, опублик. в 1982 г.).
Недостатком этого способа является то, что мощность тягового генератора в любом режиме увеличивается с темпом, определяемым интегратором задания напряжения тягового генератора и фактической нагрузкой тягового генератора, и может меняться в широких пределах, что в ряде практических ситуаций приводит к тому, что первичный тепловой двигатель, например дизель, попадает в зону работы, соответствующую ограничению по дымлению. При этом имеющаяся на регуляторе дизеля система ограничения подачи топлива по давлению наддува не позволяет дизелю скомпенсировать имеющийся недостаток крутящего момента по сравнению с моментом сопротивления, определяемым в основном мощностью тягового генератора, что в конечном итоге при увеличении машинистом позиции контроллера на более высокую приводит к «зависанию» дизеля на некоторой промежуточной частоте вращения или даже к существенному провалу, кривая «а» на Фиг.1, что не дает возможности осуществить необходимый разгон поезда.
Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза, принятый за прототип, в котором задают частоту вращения вала теплового двигателя, например дизеля, приводящего во вращение тяговый генератор переменного тока с силовым выпрямителем, соединенным с тяговыми электродвигателями постоянного тока, и измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующего текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения вала теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора переменного тока и сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора переменного тока и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора переменного тока, задают мощность тягового генератора переменного тока пропорционально измеренной частоте вращения вала теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора переменного тока, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора переменного тока с величиной, пропорциональной измеренному току тягового генератора переменного тока, результат перемножения принимают за измеренную мощность тягового генератора переменного тока и сравнивают с уставкой мощности тягового генератора переменного тока, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за уставку напряжения тягового генератора переменного тока (RU, патент на изобретение №2205114, кл. B60L 11/02, опубл. 2003 г.).
Недостатком известного способа является также возможное «зависание» теплового двигателя на промежуточной частоте вращения, что влечет за собой недостаток мощности на тягу. Чтобы выйти из этого режима, машинисту приходится кратковременно сбрасывать позицию с последующим набором, хотя это может не привести к желаемому набору нужной частоты вращения вала теплового двигателя, либо к существенному замедлению темпа набора позиций контроллера с паузой на разгон турбины теплового двигателя для обеспечения необходимого воздухоснабжения теплового двигателя, что может быть недопустимо, например, при движении состава на подъем.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы тепловоза при движении на подъем и повышение экономичности теплового двигателя путем улучшения переходного процесса при разгоне теплового двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи, заключающемся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор переменного тока с силовым выпрямителем, соединенным с тяговыми электродвигателями постоянного тока, и измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующего текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают уставку положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют текущую частоту вращения вала теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора переменного тока и сравнивают его с величиной уставки напряжения тягового генератора переменного тока и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора переменного тока, задают мощность тягового генератора переменного тока пропорционально измеренной частоте вращения вала теплового двигателя и суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, результат суммирования принимают за уставку мощности тягового генератора переменного тока, перемножают величину уставки напряжения тягового генератора переменного тока с величиной, пропорциональной измеренному току тягового генератора переменного тока, результат умножения принимают за величину измеренной мощности тягового генератора переменного тока, сравнивают с уставкой мощности тягового генератора переменного тока, результат сравнения интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора переменного тока, задают функциональную зависимость изменения заданной частоты вращения вала теплового двигателя в процессе разгона в виде линейной функции времени, сравнивают ее с текущим значением частоты вращения вала теплового двигателя, результат сравнения нормируют и суммируют с уставкой мощности тягового генератора переменного тока и по полученному результату регулируют мощность тягового генератора переменного тока.
На Фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, на Фиг.2 представлены зависимости изменения частоты вращения вала теплового двигателя n, об/мин, от времени t, с, где
- «а» - заданная функциональным преобразователем функциональная зависимость от времени заданной частоты вращения вала теплового двигателя;
- «б» - изменение частоты вращения вала теплового двигателя в предлагаемом способе;
- «в» - изменение частоты вращения вала теплового двигателя в прототипе.
Устройство (Фиг.1), реализующее способ, состоит из теплового двигателя 1, например дизеля, с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки с датчиком 3 положения рейки дозирующего органа топливоподачи. Тепловой двигатель 1 механически соединен с тяговым генератором 4 переменного тока. Силовой выход тягового генератора 4 переменного тока через силовой выпрямитель 5 и через датчик тока 6 тягового генератора 4 переменного тока подключен на вход тяговых электродвигателей 7 постоянного тока. В общем виде число тяговых электродвигателей постоянного тока равно числу движущих осей тепловоза. Тяговый генератор 4 переменного тока соединен с выходом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 переменного тока.
Задатчик 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1, например многопозиционный контроллер машиниста тепловоза, соединен с входом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, с входом функционального преобразователя 10, формирующего по заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1 уставку положения рейки дозирующего органа топливоподачи. Выход функционального преобразователя 10 соединен с одним из входов сумматора 11, другой вход сумматора 11 соединен с выходом датчика 3 положения рейки дозирующего органа топливоподачи. Выход сумматора 11 соединен с входом блока 12 интегрирования, выход которого соединен с одним из входов сумматора 13, другой вход сумматора 13 соединен с выходом функционального преобразователя 14, вход функционального преобразователя 14 соединен с выходом датчика 15 частоты вращения, соединенного с тепловым двигателем 1. К выходу силового выпрямителя 5 подключен через датчик напряжения 16 первый вход блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 переменного тока.
К третьему входу сумматора 13 подключен выход усилителя 17, вход которого соединен с выходом сумматора 18, один из входов сумматора соединен с выходом датчика 15 частоты вращения вала теплового двигателя 1, другой вход сумматора 18 соединен с выходом функционального преобразователя 19, вход которого соединен с задатчиком 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1. Выход сумматора 13 соединен с одним из входов сумматора 20, другой вход сумматора 20 соединен с выходом блока 21 умножения, один из входов блока 21 умножения соединен с выходом интегратора 22, а другой вход блока 21 умножения соединен с выходом датчика 6 тока тягового генератора 4 переменного тока. Выход сумматора 20 соединен с входом интегратора 22, выход интегратора 22 соединен со вторым входом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 переменного тока.
Способ осуществляется следующим образом.
Задатчиком 9 частоты вращения вала задают частоту вращения вала теплового двигателя 1, приводящего во вращение тяговый генератор 4 переменного тока с силовым выпрямителем, соединенным с тяговыми двигателями 7 постоянного тока. Кодовый сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1, подают с выхода задатчика 9 на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 и на вход функционального преобразователя 10, посредством которого пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1 задают уставку положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки. Регулятор 2 частоты вращения и нагрузки изменением подачи топлива в тепловой двигатель 1 рейкой дозирующего органа топливоподачи в установившемся режиме удерживает частоту вращения вала теплового двигателя 1 пропорционально кодовому сигналу задания задатчика 9.
pз
pз
pи
pз
pи
Датчиком 3 измеряют положение рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя 1. Полученное на выходе функционального преобразователя 10 значение уставки положения рейки дозирующего органа топливоподачи в виде сигнала «L» сравнивают в сумматоре 11 с измеренным датчиком 3 положением рейки дозирующего органа топливоподачи, для чего на входы сумматора 11 подают сигнал уставки положения рейки дозирующего органа топливоподачи «L» и сигнал «L», пропорциональный измеренному положению рейки дозирующего органа топливоподачи с выхода датчика 3. Величину рассогласования ΔL=±(L-L) с выхода сумматора 11 подают на вход блока 12 интегрирования, где ее интегрируют по времени, результат интегрирования подают на один из входов сумматора 13.
Функциональным преобразователем 14 формируют уставку мощности тягового генератора 4 переменного тока, пропорциональную текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя 1, для чего датчиком 15 измеряют текущую частоту вращения вала теплового двигателя 1, сигнал с выхода датчика 15 подают на вход функционального преобразователя 14, в котором пропорционально измеренной частоте вращения вала теплового двигателя 1 задают величину мощности тягового генератора 4 переменного тока, результат функционального преобразования, пропорциональный заданной мощности тягового генератора 4 переменного тока, с выхода функционального преобразователя 14 подают на второй вход сумматора 13, где суммируют с результатом интегрирования величины рассогласования измеренного и заданного положения рейки дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, и результат суммирования на выходе сумматора 13 принимают за уставку мощности тягового генератора 4 переменного тока. Измеряют напряжение тягового генератора 4 переменного тока с помощью датчика 16 и выходной сигнал датчика 16 подают на один из входов блока 8 управления током возбуждением тягового генератора 4 переменного тока. Измеряют ток тяговых электродвигателей 7 постоянного тока с помощью датчика 6 тока тягового генератора 4 переменного тока, выходной сигнал с датчика 6 тока тягового генератора 4 переменного тока подают на один из входов блока 21 умножения, в котором перемножают его с сигналом уставки напряжения тягового генератора 4 переменного тока, поступающим на другой вход блока 21 умножения с выхода интегратора 22, результат умножения на выходе блока 21 умножения принимают за величину измеренной мощности тягового генератора 4 переменного тока, ее сравнивают в сумматоре 20 с уставкой мощности тягового генератора 4 переменного тока, для чего на один из входов сумматора 20 подают сигнал с выхода блока умножения 21, а на другой вход сумматора 20 подают сигнал уставки мощности тягового генератора 4 переменного тока с выхода сумматора 13, результат сравнения мощности с выхода сумматора 20 интегрируют во времени в интеграторе 22 и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора 4 переменного тока, уставку напряжения тягового генератора 4 переменного тока с выхода интегратора 22 подают на другой вход блока 8 управления током возбуждением тягового генератора 4 переменного тока, в блоке 8 управления током возбуждения тягового генератора 4 переменного тока сравнивают измеренное напряжение тягового генератора 4 переменного тока с уставкой напряжения тягового генератора 4 переменного тока и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора 4 переменного тока. Задают функциональную зависимость изменения заданной частоты вращения вала теплового двигателя 1 в процессе разгона теплового двигателя 1 в виде линейной функции времени с помощью функционального преобразователя 19, на вход которого подают сигнал с задатчика 8 частоты вращения вала теплового двигателя 1, с выхода функционального преобразователя 19 результат функционального преобразования подают на вход сумматора 18, где сравнивают с текущим значением частоты вращения вала теплового двигателя 1, для чего выход датчика 15 частоты вращения вала теплового двигателя 1 соединяют со вторым входом сумматора 18. Результат сравнения с выхода сумматора 18 нормируют в усилителе 17, суммируют с уставкой мощности тягового генератора 4 переменного тока и по полученному результату регулируют мощность тягового генератора 4 переменного тока, для чего подают его на третий вход сумматора 13, на выходе которого получают результирующую уставку мощности тягового генератора переменного тока, которая определяется выражением:
:
гзn
дизф
дизф
- P=f(n) - уставка мощности тягового генератора переменного тока, являющаяся функцией текущего значения частоты вала n теплового двигателя;
дизф
0
n
- n(t)=n+K*t - функциональная (линейная) зависимость от времени изменения заданной частоты вращения вала теплового двигателя, заданная функциональным преобразователем;
0
- n - начальное значение заданной частоты вращения вала теплового двигателя;
n
- К - постоянный коэффициент;
- t - текущее время;
ус
- К - нормирующий коэффициент;
дизж
дизф
дизф
дизж
- (n(t)-n) - отклонение текущего значения частоты вращения вала n теплового двигателя (кривая «б» на Фиг.2) от функциональной зависимости изменения заданной частоты вращения вала (n(t)(кривая «а» на Фиг.2), определенной функциональным преобразователем.
Тяговый генератор 4 переменного тока возбуждается, переменное напряжение на его выходе выпрямляют силовым выпрямителем 5 и выпрямленное напряжение, соответствующее уставке напряжения с выхода интегратора 22, подают на тяговые электродвигатели 7 постоянного тока.
Мощность тягового генератора, определяемая током тягового генератора 4 переменного тока и напряжением на выходе силового выпрямителя 5, в процессе регулирования возбуждения тягового генератора 4 переменного тока будет соответствовать результирующей уставке, заданной сумматором 13.
В результате изменения нагрузки теплового двигателя 1 по описанному выше закону текущее значение частоты вращения вала теплового двигателя 1 при резком увеличении кода задатчика 9 частоты вращения изменяется по кривой «б» на Фиг.2.
Как показано на Фиг.2., использование изобретения, в отличие от прототипа (кривая «в», Фиг.2), обеспечивает более быстрый и плавный без «зависаний» и «провалов» разгон теплового двигателя 1 (кривая «б» Фиг.2.), и следовательно, и тепловоза, чем обеспечивается более экономичный режим работы теплового двигателя 1.
Предлагаемый способ испытан с применением микропроцессорной системы управления (МСУ-ТЭ) на пассажирском тепловозе переменно-постоянного тока ТЭП70БС и показал положительные результаты.