МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE TRACTION GENERATOR MICROPROCESSOR-BASED VOLTAGE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к транспорту, в частности к автоматическим системам регулирования напряжения тяговых генераторов в электрических передачах мощности тяговых транспортных средств.
Известен способ регулирования напряжения тягового генератора тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения дизеля, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки дизеля, соответствующее текущему значению скорости вращения его вала, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения генератора. С целью уменьшения расхода топлива приданной скорости вращения путем согласования свободной мощности дизеля и мощности, отбираемой тяговым генератором, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора пропорционально заданной скорости вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора (SU а.с. №925693, кл. В60L 11/02, опубл. 1982).
Недостатком способа регулирования напряжения тягового генератора является то, что при потере информации о скорости вращения вала дизеля (например, при отказе датчика) полностью нарушается нормальная работа тягового транспортного средства-тепловоза.
Известна автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства - тепловоза, содержащая тяговый генератор, к обмотке возбуждения которого подключен возбудитель, обмотка возбуждения которого подключена к амплистату, а обмотки управления которого подключены к селективному устройству, соединенному с трансформаторами постоянного тока и напряжения, к тахометрическому устройству (блоку задания возбуждения), к индуктивному датчику перемещения реек топливных насосов дизеля и к вторичной обмотке стабилизирующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу возбудителя; трансформаторы постоянного тока и напряжения, рабочие обмотки амплистата и индуктивный датчик подключены к синхронному подвозбудителю посредством распределительного трансформатора. Такая система регулирования напряжения тягового генератора применена на тепловозах типа ТЭ10 (Тепловозы 2ТЭ10М и ЗТЭ10М: Устройство и работа / С.П.Филонов, А.Е.Зиборов, В.В.Ренкунас и др. - М.: Транспорт, 1986, с.112-122; Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов. - М.: Транспорт, 1987, с.65-74; Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с.76-118; Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, с.160-179).
Недостатком указанной автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства является то, что при выходе из строя тахометрического блока возбуждения (потере в системе информации о скорости вращения вала дизель-генератора) система регулирования становится неработоспособной.
Известна автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства, принятая за прототип, содержащая дизель, соединенный жесткой связью с тяговым генератором с образованием дизель-генератора, возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива, автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора, блок возбуждения возбудителя, изменяющий ток в обмотке возбуждения возбудителя, микропроцессорный контроллер, включающий в себя первое, второе, третье и четвертое задающие устройства, первое, второе, третье, четвертое и пятое сравнивающие устройства, выход датчика напряжения тягового генератора соединен с входом первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тягового генератора соединен с входом второго сравнивающего устройства, выход датчика скорости вращения вала дизель-генератора соединен с входом третьего сравнивающего устройства, выход датчика подачи топлива соединен с входом четвертого сравнивающего устройства, выходы первого, второго, третьего и четвертого задающих устройств соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств соответственно, выходы первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств соединены с входами пятого сравнивающего устройства, выход пятого сравнивающего устройства соединен с входом блока возбуждения возбудителя, содержащая датчик тока возбуждения возбудителя и датчик тока возбуждения тягового генератора, а микропроцессорный контроллер включает в себя первое и второе устройства коррекции, выход датчика тока возбуждения возбудителя соединен с входом первого устройства коррекции, выход датчика тока возбуждения тягового генератора соединен с входом второго устройства коррекции, а выходы первого и второго устройств коррекции соединены с входами пятого сравнивающего устройства, при этом статические характеристики разомкнутой системы подобраны с возможностью сохранения неизменным коэффициента передачи и соответствия его заданному значению при любых изменениях напряжения тягового генератора, тока тягового генератора, скорости вращения вала дизель-генератора и подачи топлива, что обеспечивает требуемые запасы устойчивости системы по модулю и фазе и заданные показатели качества ее работы - относительное перерегулирование и время регулирования при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства (RU патент №290329 С1, кл. B60L 11/04, опубл. 2006).
Недостатком системы является наличие в ней датчика скорости вращения вала дизеля, при отказе которого полностью нарушается нормальная работа тягового транспортного средства.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы тягового транспортного средства.
Указанный технический результат достигается тем, что в микропроцессорной системе регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства, содержащей дизель, соединенный жесткой связью с тяговым генератором с образованием дизель-генератора, возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива, датчик тока возбуждения тягового генератора, автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора, блок возбуждения возбудителя, изменяющий ток в обмотке возбуждения возбудителя, микропроцессорный контроллер, включающий в себя задающее устройство, первое, второе и третье сравнивающие устройства, блок возбуждения возбудителя включен в состав микропроцессорного контроллера, который дополнительно снабжен блоком расчета скорости, блоком выделения максимума, первым и вторым функциональными преобразователями, сумматором, блоком умножения, первым и вторым интеграторами, блок выделения максимума своими входами соединен с выходами датчика скорости вращения вала дизель-генератора и выходом блока расчета скорости, а выходом соединен с входом первого функционального преобразователя, первый выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход соединен с входом первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика напряжения тягового генератора, а выход соединен с входом блока возбуждения возбудителя, первый, второй и третий входы блока расчета скорости соединены соответственно с выходами датчика напряжения, датчика тока нагрузки и датчика тока возбуждения тягового генератора, второй вход сумматора соединен с выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом третьего сравнивающего устройства, первый вход которого соединен с выходом датчика подачи топлива, а второй вход соединен со вторым выходом первого функционального преобразователя, входы блока умножения соединены с выходом датчика тока нагрузки тягового генератора и выходом первого интегратора, вход второго функционального преобразователя соединен с выходом задающего устройства, а выход соединен с входом автоматического регулятора скорости вращения вала дизель-генератора.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства, на фиг.2 представлены зависимости уставок мощности и положения органа топливоподачи от скорости вращения вала дизель-генератора, на фиг.3 представлена характеристика намагничивания тягового генератора.
Микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства (фиг.1) содержит дизель 1, соединенный жесткой связью с тяговым генератором 2 с образованием дизель-генератора 3, возбудитель 4, соединенный жесткой связью с дизелем 1, датчик 5 напряжения тягового генератора 2, датчик 6 тока нагрузки тягового генератора 2, датчик 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3, датчик 8 подачи топлива, датчик 9 тока возбуждения тягового генератора 2, автоматический регулятор 10 скорости вращения вала дизель-генератора 3, блок 11 возбуждения возбудителя 4, изменяющий ток в обмотке 12 возбуждения возбудителя 4, микропроцессорный контроллер 13, включающий в себя задающее устройство 14, первое 15, второе 16 и третье 17 сравнивающие устройства, блок 11 возбуждения возбудителя 4 включен в состав микропроцессорного контроллера 13, который дополнительно снабжен блоком 18 расчета скорости, блоком 19 выделения максимума, первым 20 и вторым 21 функциональными преобразователями, сумматором 22, блоком 23 умножения, первым 24 и вторым 25 интеграторами, блок 19 выделения максимума своими входами соединен с выходами датчика 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3 и выходом блока 18 расчета скорости, а выходом соединен с входом первого функционального преобразователя 20, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 22, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства 15, второй вход которого соединен с выходом блока 23 умножения, а выход соединен с входом первого интегратора 24, выход которого соединен с первым входом второго сравнивающего устройства 16, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 напряжения тягового генератора 2, а выход соединен с входом блока 11 возбуждения возбудителя 4, первый, второй и третий входы блока 18 расчета скорости соединены соответственно с выходами датчика 5 напряжения, датчика 6 тока нагрузки и датчика 9 тока возбуждения тягового генератора 2, второй вход сумматора 22 соединен с выходом второго интегратора 25, вход которого соединен с выходом третьего сравнивающего устройства 17, первый вход которого соединен с выходом датчика 8 подачи топлива, а второй вход соединен со вторым выходом первого функционального преобразователя 20, входы блока 23 умножения соединены с выходом датчика 6 тока нагрузки тягового генератора 2 и выходом первого интегратора 24, вход второго функционального преобразователя 21 соединен с выходом задающего устройства 14, а выход соединен с входом автоматического регулятора 10 скорости вращения вала дизель-генератора 3.
вв
вг
Микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства работает следующим образом. Задающим устройством 14 задается необходимый режим работ тягового транспортного средства, для чего сигнал с выхода задающего устройства 14 подается на вход автоматического регулятора 10 скорости вращения вала дизель-генератора 3. При этом автоматический регулятор 10 скорости отрабатывает заданную скорость вращения вала дизель-генератора 3 соответствующим изменением подачи топлива, а сравнивающее устройство 16 изменением своего выходного сигнала воздействует на блок 11 возбуждения возбудителя 4, обеспечивая необходимый ток возбуждения J возбудителя 4. Возбудитель 4, жестко связанный с валом дизель-генератора 3, в свою очередь обеспечивает питание обмотки возбуждения 5 тягового генератора 2 током J. Сигнал обратной связи по мощности тягового генератора 2, формируемый блоком 23 умножения, определяется выходным сигналом первого интегратора 24, представляющим собой уставку напряжения тягового генератора 2, и измеренным датчиком 6 током нагрузки тягового генератора 2. Это позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости контура регулирования мощности тягового генератора 2, поскольку из обратной связи исключается запаздывание, обусловленное индуктивностями обмоток возбудителя 4 и тягового генератора 2.
вв
вг
Первый функциональный преобразователь 20 по сигналу с выхода блока 19 выделения максимума формирует уставки положения органа топливоподачи и мощности тягового генератора 2, что приводит к изменению в необходимых пределах с помощью блока 11 возбуждения возбудителя 4 тока возбуждения J возбудителя 4, и, следовательно, тока возбуждения J тягового генератора 2.
Для обеспечения объединенного регулирования дизель-генератора 3, а следовательно, и его работы по «экономической характеристике» в третьем сравнивающем устройстве 17 сравниваются уставка положения органа топливоподачи с сигналом с выхода датчика 8 подачи топлива, величина рассогласования интегрируется вторым интегратором 25, результат интегрирования подается на один из входов сумматора 22, где суммируется с величиной уставки мощности тягового генератора 2, для чего сигнал, пропорциональный уставке мощности тягового генератора, с выхода первого функционального преобразователя 20 поступает на второй вход сумматора 22.
Таким образом, суммарное задание мощности тягового генератора 2 определяется следующим выражением (1):
Σ
где Рг - суммарное задание мощности тягового генератора 2 (кривая 1 на Фиг.2 - так называемая «экономическая» характеристика);
ω
дг
Рг=f(ω) - уставка мощности тягового генератора 2 в функции скорости вращения вала дизель-генератора 3 (кривая 2 на Фиг.2);
- интеграл отклонения положения органа топливоподачи от уставки (сигнал на выходе блока 17 сравнения);
зω
2
дг
h=f(ω) - уставка положения органа топливоподачи в функции скорости вращения вала дизель-генератора 3 (кривая 3 на Фиг.2);
и
h - фактическое положение органа топливоподачи дизель-генератора 3 (сигнал с выхода датчика 8 подачи топлива).
Датчик 8 подачи топлива, первое сравнивающее устройство 15, третье сравнивающее устройство 17, первый функциональный преобразователь 20, сумматор 22, блок 23 умножения и второй интегратор 25 образуют объединенный регулятор мощности дизель-генератора 3, датчик 5 напряжения, блок 11 возбуждения возбудителя, второе сравнивающее устройство 16 и первый интегратор 24 образуют подчиненный объединенному регулятору мощности регулятор напряжения тягового генератора 2.
Как видно из выражения (1), все основные параметры для регулирования тягового генератора 2 тягового транспортного средства определяются величиной фактической скорости вращения вала дизель-генератора 3, измеренной датчиком 7, поэтому его выход из строя приводит к полной неработоспособности системы регулирования напряжения тягового генератора 2 тягового транспортного средства.
г
г
вг
дгр
г
Для повышения надежности работы системы регулирования напряжения тягового генератора 2 тягового транспортного средства при выходе из строя датчика 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3 в блоке 18 расчета скорости вращения вала дизель-генератора 3 по сигналам с выхода датчиков 5, 6 и 9 напряжения U, тока нагрузки J и тока возбуждения J тягового генератора 2 соответственно вычисляется величина расчетной скорости вращения ω вала дизель-генератора 3. Напряжение U на выходе тягового генератора 2 определяется следующим выражением (2):
вг
г
вг
г
где СФ=f(J, J) - коэффициент магнитного потока, определяется характеристикой намагничивания тягового генератора 2 (фиг.3) по току возбуждения J тягового генератора 2 с учетом реакции якоря от тока J;
дг
ω - фактическая скорость вращения вала дизель-генератора 3;
г
J - ток нагрузки тягового генератора 2;
ΣR - суммарное сопротивление якорных цепей тягового генератора 2.
Преобразуя выражение (2), получаем выражение (3) для получения расчетной скорости вращения вала дизель-генератора 3:
дгр
Блок 19 выделения максимума выполняет функцию логического «ИЛИ» поступающих на его входы сигнала с датчика 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3 и расчетного значения скорости ω, полученного в блоке 18 расчета скорости. Выходной сигнал блока 19 выделения максимума определяется следующими выражениями (4 и 5):
дм
дгр
дг
ω = ω, если ω = 0 (датчик 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3 не исправен) (4)
дм
дг
ω = ω (исправный датчик 7 скорости вращения вала дизель-генератора 3) (5).
дм
зω
гω
Полученное значение ω на выходе блока 19 выделения максимума подается на первый функциональный преобразователь 20 для формирования уставок положения органа топливоподачи h и мощности Р тягового генератора 2, после чего осуществляется его регулирование в соответствии с выражением (1), что дает возможность повысить надежность работы тягового транспортного средства.
Микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства испытана на магистральных и маневровых тепловозах с передачей постоянного тока и показала положительные результаты.